-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen einer LED oder einer Gruppe von LEDs gegen Überhitzung und zu hohem Durchgangsstrom sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Die Erfindung betrifft auch eine LED-Lampe mit einer derartigen Schaltung.
-
Die LEDs können u. a. organische und/oder anorganische LEDs sein.
-
LEDs werden meistens wegen ihrer niedrigen Betriebsspannung (3–5 Volt) und wegen der relativ geringen Lichtleistung durch Serien- und Parallelschaltung zu Gruppen zusammengefasst. Wenn in einer Serienschaltung eine LED infolge eines Unterbrechungsdefektes ausfällt, so ist zwangsläufig die Funktion der ganzen Gruppe davon betroffen. Um diesem unerwünschten Effekt entgegenzuwirken, ist aus der
EP 2009 960 A2 eine Schutzschaltung bekannt, welche bei einem Unterbrechungsdefekt einer zugeordneten LED deren Stromfluss übernimmt. Dazu ist die Schutzschaltung mit einem Überbrückungsschaltungsteil für die LED versehen, der von einem Triggerschaltungsteil in Form einer Zenerdiode gesteuert wird.
-
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem anderen bei LEDs bzw. Gruppen von LEDs auftretenden Problem, nämlich mit einer Überhitzung, hervorgehoben bspw. durch Überstrom, Beschädigung der LED etc..
-
Aufgabe der Erfindung ist es, zu dem Auftreten der genannten Einflussgrößen entgegenzuwirken.
-
Die Aufgabe ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Merkmale betreffen zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
-
Die Erfindung schlägt gemäss einem Aspekt ein Verfahren zum Schützen einer LED oder einer Gruppe von LEDs insbesondere gegen Überhitzung und zu hohem Durchgangsstrom vor. Dabei wird die Temperatur der LED oder der Gruppe von LEDs indirekt oder direkt erfasst. Wenn die erfasste Temperatur einen vorgegebenen Abschalt-Schwellenwert überschreitet, wird die LED oder die Gruppe von LEDs elektrisch überbrückt und/oder ihr Durchgangsstrom reduziert.
-
Dabei kann in der einfachsten Ausführung der Schutzmodus (Überbrückung bzw. die Reduzierung des Durchgangsstromes) wieder aufgehoben werden, wenn die erfasste, bspw. gemessene Temperatur einen Einschalt-Schwellenwert wieder unterschreitet. Der Einschalt-Schwellenwert kann vom Abschalt-Schwellenwert abweichen, hier gleich oder vorzugsweise kleiner dem Abschalt-Schwellenwert sein. Die Kriterien für eine Aufhebung dieses Schutzmodus sind vorzugsweise komplexer, so dass es nicht unbedingt ausreichend sein musst, den Abschalt-Schwellenwert wieder zu unterschreiten. Bspw. kann dazu erforderlich sein, dass die Temperatur einen Betriebssollwert bzw. einem definierten Wert zwischen Betriebssollwert und Abschalt-Schwellenwert erreicht. Der Temperatur- Schwellenwert für die Aufhebung des Schutzmodus kann also niedriger sein als der Wert für das Einschalten des Schutzmodus (Hysterese-Regelung).
-
Ansonsten könnte die Temperatur wieder knapp unter den Abschalt-Schwellenwert gemessen werden, die Überbrückung würde dann aufgehoben und nach kurzer Zeit könnte die Temperatur möglicherweise wieder über den Abschalt-Schwellenwert steigen und das System würde unter Umständen abschalten, weil mehrere Überschreitungen vorkommen. Die Aufhebung des Schutzmodus kann also durch eine Hysteresis geregelt sein.
-
Die Überbrückung bzw. Reduzierung des Durchgangsstromes kann eine bestimmte Mindestzeit aufrecht erhalten werden.
-
Die Überbrückungszeit, bzw. die Zeit der Reduzierung des Durchgangsstromes, kann länger bemessen werden als die für die Abkühlung der LED bzw. der Gruppe von LEDs notwendige Zeit.
-
Die Überbrückung bzw. die Reduzierung des Durchgangsstromes kann dauerhaft aufrecht erhalten werden, wenn die gemessene Temperatur den Abschalt-Schwellenwert, insbesondere innerhalb eines gegebenen Zeitfensters, wiederholt überschreitet.
-
Die Überbrückung bzw. die Reduzierung des Durchgangsstromes kann dauerhaft aufrecht erhalten werden, wenn das Auftreten des Überhitzungsfalls vorgegebene Abschaltkriterien erfüllt.
-
Die genannten Abschaltkriterien können bspw. sein:
- – Die Frequenz des Auftretens, also die Anzahl des Auftretens in einer bestimmten Zeiteinheit. Nach Ablauf der Zeiteinheit ohne Überhitzungsfall oder ohne Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Überhitzungsfällen innerhalb der Zeiteinheit kann somit ein Zähler wieder auf Null gestellt werden („Reset”),
- – Die absolute Anzahl des Auftretens. Dabei kann ein Überhitzungsereignis-Zähler bei bestimmten Ereignissen (Neueinschalten, etc.) zurückgesetzt werden (”Reset”).
-
Die Überbrückung bzw. Reduzierung des Durchgangsstromes kann in Form eines bspw. akustischen oder visuellen Fehlersignales angezeigt werden. Es kann auch eine Meldung über eine Busleitung an eine Steuerzentrale erfolgen.
-
Die optische Anzeige kann durch Aktivieren einer LED, vorzugsweise einer roten LED, in den Überbrückungspfad bzw. der Stromreduzierungspfad realisiert werden.
-
Wenn die LED oder die Gruppe von LEDs Teil einer aus einer Vielzahl von LEDs oder Gruppen von LEDs bestehenden Gesamtschaltung ist/sind, kann der Schutzmodus auf einen Teil der LEDs bzw. Gruppen von LEDs aus der Vielzahl beschränkt werden.
-
Die Temperaturmessung kann mittels eines Temperatursensors erfolgen.
-
Die Überbrückung kann durch einen Thyristor erfolgen.
-
Die Erfindung betrifft auch eine Schaltungsanordnung zum Schützen einer LED oder einer Gruppe von LEDs, aufweisend: einen zu der LED bzw. Gruppe von LEDs parallel geschalteten LED-Protektor, der einen Temperatursensor, ein Logikschaltungsteil und ein Bypass-Element enthält, wobei der Logikschaltungsteil die von dem Temperatursensor (somit allgemein: Element zur direkten oder indirekten Temperaturerfassung) gemessene Temperatur auswertet und das Bypass-Element veranlasst, die LED bzw. Gruppe von LEDs zu überbrücken oder deren Durchgangsstrom zu reduzieren, wenn die gemessene Temperatur einen vorgegebenen Abschalt-Schwellenwert überschreitet.
-
Das Bypass-Element kann dabei ein Thyristor sein.
-
Der Logikschaltungsteil kann so programmiert sein, dass er das Bypass-Element in einen nicht-leitenden Zustand schaltet und somit die Überbrückung bzw. die Stromreduzierung aufhebt, wenn die gemessene Temperatur den einen Einschalt-Schwellenwert wieder unterschreitet, wobei der Einschalt-Schwellenwert von dem Ausschalt-Schwellenwert abweichen kann, d. h. insbesondere niedriger gewählt sein kann.
-
Der Logikschaltungsteil kann so programmiert sein, dass er die Überbrückung der LED bzw. Gruppe von LEDs bzw. die Reduzierung ihres Durchgangsstromes eine bestimmte Mindestzeit lang aufrecht erhält.
-
Der Logikschaltungsteil kann so programmiert sein, dass die Zeit der Überbrückung bzw. der Reduzierung des Durchgangsstromes länger bemessen wird als die für die Abkühlung der LED bzw. der Gruppe von LEDs notwendige Zeit.
-
Der Logikschaltungsteil kann so programmiert sein, dass die Überbrückung bzw. Reduzierung des Durchgangsstromes dauerhaft aufrecht erhalten wird, wenn die gemessene Temperatur den Abschalt-Schwellenwert wiederholt überschreitet.
-
Der Logikschaltungsteil kann so programmiert sein, dass die Überbrückung bzw. die Reduzierung des Durchgangsstromes dauerhaft aufrecht erhalten wird, wenn das Auftreten des Überhitzungsfalls vorgegebene Abschaltkriterien erfüllt.
-
Die genannten Abschaltkriterien können bspw. sein:
- – Die Frequenz des Auftretens, also die Anzahl des Auftretens in einer bestimmten Zeiteinheit. Nach Ablauf der Zeiteinheit ohne Überhitzungsfall oder ohne Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Überhitzungsfällen innerhalb der Zeiteinheit kann somit ein Zähler wieder auf Null gestellt werden (”Reset”),
- – Die absolute Anzahl des Auftretens. Dabei kann ein Überhitzungsereignis-Zähler bei bestimmten Ereignissen (Neueinschalten, etc.) zurückgesetzt werden („Reset”).
-
Mittel zum Generieren eines Fehlersignals können vorgesehen sein, die mit der Überbrückung wirksam werden.
-
Die Mittel zum Generieren eines Fehlersignals können eine im Überbrückungspfad bzw. Stromreduzierungspfad angeordnete – vorzugsweise rote – LED oder andere Leuchtmittel aufweisen.
-
Wenn die LED oder die Gruppe von LEDs Teil einer aus einer Vielzahl von LEDs oder Gruppen von LEDs bestehenden Gesamtschaltung ist/sind, kann die Schutz-Schaltungsanordnung nur bei einem Teil der LEDs bzw. Gruppen von LEDs aus der Vielzahl vorgesehen sein.
-
Die Erfindung betrifft auch eine LED-Lampe, aufweisend eine Schutzschaltung der oben genannten Art und wenigstens ein LED-Leuchtmittel, vorzugsweise wenigstens eine weisse LED.
-
Die LED-Lampe kann bspw. sein eine Retrofit LED-Lampe, ein LED-Modul, ein LED-Spot, etc..
-
Allgemein gesprochen besteht die Lösung darin, dass der Durchgangsstrom durch eine zu schützende LED oder Gruppe von LEDs reduziert bzw. durch Überbrückung ganz auf Null gefahren wird, wenn direkt oder indirekt, vorzugsweise aber durch eine echte Temperaturmessung eine Erhöhung von deren Betriebstemperatur über einen vorgegeben Abschalt-Schwellwert festgestellt wird. Dies hat zwangsläufig eine Abkühlung der LED bzw. der Gruppe von LEDs zur Folge.
-
Die Reduzierung bzw. Überbrückung sollte vorzugsweise eine Mindestzeit lang aufrecht erhalten werden, so dass die Abkühlung unter einen Einschalt-Schwellwert sicher erreicht wird. Der Einschalt-Schwellenwert kann kleiner oder gleich dem Abschalt-Schwellenwert gewählt sein.
-
Wenn nach einem Abschalten der Reduzierung bzw. der Überbrückung eine wiederholte Überhitzung festgestellt wird, so kann eine erneute und nunmehr dauerhafte Abschaltung bzw. Überbrückung vorgenommen werden.
-
Um eine Überhitzung festzustellen, sollte die Temperatur der LED bzw. der Gruppe von LEDs gemessen und das Messergebnis zur Steuerung der Abschalt- bzw. Überbrückungszeit ausgenutzt werden.
-
Um den zu bekämpfenden Effekt von außen zu erkennen, erzeugt man vorzugsweise gleichzeitig mit der Reduzierung bzw. Überbrückung ein Fehlersignal, das beispielsweise über eine Busleitung an eine Steuerzentrale gemeldet werden kann. Es ist aber auch möglich das Fehlersignal lokal zu begrenzen und als optisches oder akustisches Signal zu generieren.
-
Wenn eine der hier betrachteten LEDs oder Gruppen von LEDs Teil einer Gesamtschaltung mit vielen LEDs oder Gruppen von LEDs ist, in den diese in Serie geschaltet sind, so genügt es wenn nur eine Teilzahl von LEDs oder Gruppen von LEDs in der vorher beschrieben Weise geschützt wird. Dies deshalb, weil die Reduzierung des Durchgangsstromes der Teilzahl von LEDs bzw. Gruppen von LEDs zwangsläufig auch eine Reduzierung des Durchgangsstromes der Gesamtschaltung zur Folge hat.
-
Die schaltungsgemäße Realisierung der vorlegend beschriebenen Erfindungsidee ist möglich mit
einem Stromprotektor, der zu der zu schützenden LED bzw. Gruppe von LEDs parallel geschaltet ist,
einem Temperatursensor,
einem Logikschaltungsteil und
einem Bypass-Element,
wobei der Logikschaltungsteil die von dem Temperatursensor gemessene Temperatur auswertet und das Bypass-Element veranlasst, die LED bzw. Gruppe von LEDs zu überbrücken oder deren Durchgangsstrom zu reduzieren, wenn die gemessene Temperatur einen vorgegebenen Abschalt-Schwellenwert überschreitet.
-
Als Bypass-Element eignet sich beispielsweise ein Thyristor, der zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand umschaltbar ist. Die Überbrückung bzw. Stromreduzierung erfolgt, wenn der Thyristor von dem Logikschaltungsteil in den leitenden Zustand gesteuert wird. Wenn die zu schützende LED bzw. Gruppe von LEDs zum Dimmen mittels PWM-Betrieb („PWM” bedeutet Pulsweitenmodulation) betrieben werden, so ist auch mit einem Thyristor eine Aufhebung der Überbrückung bzw. Stromreduzierung möglich.
-
Der Temperatursensor sollte in physisch möglichst engem Kontakt mit der zu schützenden LED bzw. Gruppe von LEDs stehen, um eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten.
-
Zur Anzeige eines Fehlers eignet sich wiederum eine LED, die in den Überbrückungspfad eingefügt ist, derart, dass sie bei Aktivierung des Bypass-Elementes mit einer hinreichend hohen Betriebsspannung versorgt wird.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
-
Es zeigen:
-
1 eine Reihenschaltung von einzelnen LEDs, von denen eine mit einer schematisiert dargestellten Schutzschaltung verbunden ist;
-
2 eine Gruppe von LEDs, die mit einer detaillierter dargestellten Schutzschaltung verbunden ist.
-
Die in 1 gezeigte Reihenschaltung besteht aus drei LEDs 1, 2 und 3, von denen nur die mittlere LED 2 gegen Überhitzung bzw. gegen den die Überhitzung verursachenden Überstrom geschützt werden soll. Diese LEDs (oder auch OLEDs) können weisse LEDs und/oder monochromatische LED sein.
-
Zu der LED 2 ist ein LED-Protektor 4 parallel geschaltet. Dieser bewirkt bei Feststellung einer Überhitzung der LED 2, dass die LED 2 überbrückt wird, so dass der durch die LED-Reihenschaltung fließende Durchgangsstrom durch den LED-Protektor 4 fließt, weil dieser im aktivierten Zustand sehr niederohmig ist und die zu schützende LED 2 praktisch kurzschließt. Dieser Überbrückungszustand wird mindestens solange aufrecht erhalten, bis die LED 2 sicher wieder abgekühlt ist. Das Wiedereinschalten kann automatisch bei einem Abkühlen unterhalb eines Einschalt-Schwellenwerts der Temperaturerfassung erfolgen, aber auch gezielt für eine vorgegebene oder adaptive (bspw. von der Vorgeschichte abhängige) Mindestzeitdauer verzögert werden.
-
Ergibt dann die Überwachung der Betriebstemperatur der LED 2, dass diese sich wieder auf einen Normalzustand abgekühlt hat, so wird der LED-Protektor 4 wieder in seinen inaktiven Zustand zurückgeschaltet.
-
Der LED-Protektors 4 kann in seinem aktivierten niederohmigen Zustand nach Feststellung einer Überhitzung eine vorgegebene Mindestzeit lang gehalten werden, die so bemessen ist, dass eine Abkühlung mit Sicherheit gewährleistet ist.
-
Für den Fall, dass das Auftreten des Überhitzungsfalls bestimmte Kriterien erfüllt, kann der LED-Protektor 4 so programmiert sein, dass ein erneutes Umschalten in den inaktiven hochohmigen Zustand ausgeschlossen ist.
-
Die genannten Kriterien (Abschaltkriterien) können bspw. sein:
- – Die Frequenz des Auftretens, also die Anzahl des Auftretens in einer bestimmten Zeiteinheit. Nach Ablauf der Zeiteinheit ohne Überhitzungsfall oder ohne Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Überhitzungsfälllen innerhalb der Zeiteinheit kann somit ein Zähler wieder auf Null gestellt werden („Reset”),
- – Die absolute Anzahl des Auftretens. Dabei kann ein Überhitzungsereignis-Zähler bei bestimmten Ereignissen (Neueinschalten, etc.) zurückgesetzt werden („Reset”).
-
Es ist auch möglich, den LED-Protektor 4 so zu gestalten, dass er nicht nur zwischen zwei Extremzuständen (hochohmig und niederohmig) umschalten kann, sondern dass er eine vom Grad der Überhitzung abhängige Reduzierung des Durchgangsstromes durch die zu schützende LED 2 bewirkt.
-
Der in 2 gezeigte konkreter ausgeführte LED-Protektor 4 ist hier parallel zu einer Gruppe 5 von LEDs geschaltet, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Er enthält einen Logikschaltungsteil 6, eine Temperatursensor 9, einen Thyristor 7 und eine Fehleranzeige-LED 8.
-
Der Temperatursensor 9 steht in einem engen wärmeleitenden Kontakt mit dem die Gruppe 5 von LEDs tragenden Substrat. Das von dem Temperatursensor 9 erzeugte Messsignal wird dem Logikschaltungsteil 6 zugeführt und von diesem zur Steuerung des Thyristors 7 ausgewertet. Wenn die von dem Temperatursensor 9 gemessene Temperatur des die LEDs tragenden Substrats einen vorgegeben Schwellwert überschreitet, steuert der Logikschaltungsteil 6 den vorher nicht-leitenden Thyristor 7 in den leitenden Zustand. Der Thyristor 7 liegt in einem Überbrückungspfad zu der Gruppe 5 von LEDs und bildet dadurch praktisch ein Bypass-Element.
-
Betrachtet man die Funktion der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung zunächst ohne die Fehleranzeige-LED 8 (man denke sich diese als vollständig leitend), so fließt der Strom, der vorher durch die Gruppe 5 von LEDs floss und diese erhitzte, mit der Aktivierung des Thyristors 7 nunmehr über den Überbrückungspfad mit dem Thyristor 7. Die vorstehend im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Funktionen betreffend die Aktivierungszeit können durch entsprechende Programmierung des Logikschaltungsteiles 6 realisiert werden.
-
Die in 2 gezeigte Fehleranzeige-LED 8 ist mit dem Thyristor 7 in Serie geschaltet. Wenn der Thyristor 7 leitend wird, so ist im Überbrückungspfad nur noch der Widerstand der Fehleranzeige-LED 8 wirksam. Über der Fehleranzeige-LED 8 fällt nun eine ausreichend hohe Spannung ab, damit diese leuchtet und damit den Fehlerfall optisch signalisiert. Das von ihr erzeugte Licht fällt durch ein Fenster 10 und ist von außerhalb des LED-Protektors 4 sichtbar.
-
Durch das Vorhandensein der Fehleranzeige-LED 8 im Überbrückungspfad wird der Strom durch die Gruppe 5 von LEDs nur reduziert, nicht aber vollständig umgeleitet. Das ist auch ausreichend, um eine Abkühlung der Gruppe 5 von LEDs zu erzielen. Die LEDs der Gruppe 5 leuchten im aktivierten Zustand des Thyristors 7 nicht mehr.
-
Da durch das Vorhandensein der Fehleranzeige-LED 8 im Überbrückungspfad die Gruppe 5 von LEDs nicht vollständig kurzgeschlossen wird, kann der Logikschaltungsteil seine Betriebsspannung in der gezeigten Weise aus dem Überbrückungspfad entnehmen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
