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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Steuerungsvorrichtung, und insbesondere eine elektrische Steuerungsvorrichtung zur Steuerung von Beleuchtungseinrichtungen.
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Mit dem Fortschreiten der technischen Entwicklung bei der Herstellung von Leuchtdioden (LED) sowie der damit verbundenen ständig steigenden Lichtausbeute und Lebensdauer werden Beleuchtungseinrichtungen unter Verwendung von Leuchtdioden zunehmend für allgemeine und spezielle Beleuchtungszwecke eingesetzt. Für eine größere Lichtstärke oder eine Beleuchtungseinrichtung zur Abgabe eines verteilten Lichts und größerer Lichtintensität sind in Folge der beschränkten Lichtstärke einer einzelnen Leuchtdiode im Allgemeinen mehrere Leuchtdioden gleichzeitig aktiv, wobei vorzugsweise eine Vielzahl von Leuchtdioden vorgesehen und in entsprechenden geometrischen Anordnungen ausgebildet sein kann. Hierbei können die mehreren Leuchtdioden in unterschiedlichen Gruppen parallel und in Reihe geschaltet werden.
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Bei Anwendungen werden für Beleuchtungseinrichtungen auf der Basis von Leuchtdioden die einzelnen Leuchtdioden hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit (Lichtabgabe) sowie ihrer Lichtfarbe (Farbtemperatur) ausgewählt. Es sind verschiedene Lichtfarben sowie Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung möglich, wobei im Allgemeinen das abgegebene Licht innerhalb eines begrenzten Spektralbereichs liegt.
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Bei Leuchtdioden ist die Lichtabgabe annähernd proportional zum Betriebsstrom (d. h. zur Stromaufnahme der Leuchtdiode in Durchlassrichtung), wobei eine auch von der Temperatur abhängige exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie vorliegt. Es wird ein Betrieb der Leuchtdioden mittels eines Konstantstroms bevorzugt, wobei sich die Betriebsspannung einstellt. Wie es bei Halbleiterbauelementen üblich ist besitzen Leuchtdioden eine entsprechende Exemplarstreuung, sodass dies bei der Beschaltung der Leuchtdioden in verschiedenen Gruppen in Reihe und parallel berücksichtigt werden muss.
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Im Betrieb kann eine entsprechende Helligkeitseinstellung oder Leistungssteuerung und Regelung mittels einer entsprechenden Pulsbreitenmodulation (engl.: pulse width modulation, PWM) der Betriebsgrößen erreicht werden.
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Zur Beschaltung von Leuchtdioden an einer Leistungsquelle, die im Allgemeinen einen Betrieb mit einem im Wesentlichen konstant gehaltenen Strom durchführen, kann ein jeweils entsprechend dimensionierter Vorwiderstand verwendet werden, oder es können die Leuchtdioden aus einem Netzteil mit einem Transformator und einem Gleichrichter sowie einem entsprechenden Kondensator betrieben werden. Ebenfalls ist ein Betrieb mit einer entsprechend dimensionierten Elektronikschaltung in Form einer Konstantstromquelle sinnvoll. Diese beiden Fälle bilden jedoch verlustbehaftete Betriebs- oder Steuerungsmöglichkeiten.
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Als weitere Möglichkeit bietet sich die Verwendung eines Schaltreglers an, wobei im Betrieb entsprechend hohe Frequenzen verwendet werden, sodass ein Flimmern der Leuchtdioden für das menschliche Auge kaum wahrnehmbar ist. Hierbei hat der Schaltregler im Wesentlichen ein Konstantstromquellen-Verhalten.
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Durch die geringe Lichtstärke einzelner Leuchtdioden wird, wie es vorstehend angegeben ist, eine Vielzahl von Leuchtdioden eingesetzt, die wechselweise in Gruppen in Reihe, und mehrere Gruppen zueinander jeweils parallel geschaltet werden können.
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4 zeigt in schematischer Weise eine derartige Anordnung.
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Gemäß 4 ist ein elektrischer Wandler (beispielsweise ein Schaltwandler) W mit einer Netzspannung U1 mit seiner Primärseite über einen Netzschalter S0 verbunden und gibt an seiner Sekundärseite eine Spannung U2 und einen zugehörigen Strom für eine Vielzahl von Leuchtdioden D ab. Die Vielzahl der Leuchtdioden D ist in der vorstehend angegebenen Weise in Reihe und parallel geschaltet, wobei im vorliegenden Beispiel vier Stränge oder Zweige ST1 bis ST4 vorgesehen sind. Die vier Stränge ST1 bis ST4 sind zueinander parallel geschaltet, wobei an jedem Strang die Spannung U2 anliegt.
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Jeder der Stränge ST1 bis ST4 umfasst eine gleiche Anzahl von bis auf jeweilige Exemplarstreuungen gleichen Leuchtdioden D, die innerhalb eines der Stränge oder Zweige ST1 bis ST4 zueinander in Reihe geschaltet sind.
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Gemäß 4 umfasst beispielsweise der erste Strang ST1 die in Reihe geschalteten Leuchtdioden D11 bis D1n, und in gleicher Weise umfasst der zweite Strang ST2 die zueinander in Reihe geschalteten Leuchtdioden D21 bis D2n. Dies gilt in gleichartiger Weise für den dritten und vierten Strang ST3 und ST4.
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In allgemeiner Form umfasst jeder der Stränge ST1 jeweils einen Schalter S1 bis S4, mit denen auch einzelne Stränge ein- oder ausgeschaltet werden können.
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Im Betrieb der Vielzahl der Leuchtdioden gemäß 4 gibt der Wandler W die in einem gewissen Umfang veränderliche Spannung U2 ab, sodass im Wesentlichen den Leuchtdioden in der Reihen- und Parallelschaltung ein gesteuerter konstanter Strom zugeführt wird.
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Im Idealfall, d. h. bei der Annahme idealer und völlig identischer Bauelemente fließt in jedem der Stränge ST1 bis ST4 der gleiche Strom. Bei einer tatsächlichen Ausführung der Leuchtdiodenanordnung gemäß 4 treten jedoch innerhalb der gesamten Schaltung einschließlich sämtlicher Leuchtdioden durch deren Exemplarstreuung Unterschiede auf, sodass eine erwünschte gleichmäßige Stromaufteilung nicht gewährleistet ist. Somit verursachen die Exemplarstreuung sowie beispielsweise auch unterschiedliche Leitungslängen beim Anschluss der einzelnen Stränge in Reihe geschalteter Leuchtdioden sowie beispielsweise auch Übergangswiderstände bei verschlechterten Kontakten Probleme bei der Stromaufteilung von parallel geschalteten Strängen.
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Bei der Reihenschaltung der jeweiligen Leuchtdioden, beispielsweise der Leuchtdioden D11 bis D1n des ersten Stranges ST1 gemäß 4, wird die Anzahl der Leuchtdioden in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung U2 und der jeweiligen Durchlassspannung der einzelnen Leuchtdioden bestimmt, sodass die Anzahl der Leuchtdioden und damit die Anzahl der jeweiligen Durchlassspannungen in ihrer Summe in die Nähe der Versorgungsspannung reicht. Die Summe der Durchlassspannungen bzw. Betriebsspannungen der Leuchtdioden entspricht der sogenannten Brennspannung des jeweiligen Stranges ST1 bis ST4. Da die Leuchtkraft eines Stranges nicht ausreicht, werden die mehreren Stränge parallel geschaltet, bis im Ergebnis die gewünschte oder erforderliche Leuchtkraft oder Lichtstärke durch die Gesamtheit der dann verwendeten Leuchtdioden erreicht ist.
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Zur Vermeidung einer Überlast oder einer zu kleinen Belastung der einzelnen Stränge ST1 bis ST4 der Leuchtdioden sind die Ströme in jedem Zweig gleich (paritätisch) aufzuteilen. Dies kann im vorliegenden Beispiel einer Anordnung (Schaltung) gemäß 4 durch entsprechende Vorwiderstände R erfolgen, wie sie in 4 für jeden Strang gezeigt sind, sowie auch beispielsweise durch Stromspiegelschaltungen, wobei jedoch beide Maßnahmen in ihrer Anwendung zu einer entsprechenden Verlustleistung führen. Mit der Anordnung gemäß 4 kann eine gleichmäßige Stromverteilung in den einzelnen Strängen ST1 bis ST4 nicht gewährleistet werden, sodass auch die Möglichkeit besteht, dass in jedem Strang ein eigener Schaltwandler mit dem Verhalten einer Konstantstromquelle vorgesehen ist.
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Dies erhöht jedoch zum einen erheblich die Kosten und macht zum anderen für annähernd gleiche Lichtverhältnisse in den einzelnen Strängen (mit dem eigenen Schaltwandler) eine jeweilige Überwachung und möglicherweise Steuerung oder Regelung der Schaltwandler erforderlich. Hierbei kann ebenfalls eine gleichmäßige Stromaufteilung und damit auch eine gleichmäßige Lichtabgabe der einzelnen Stränge nicht gewährleistet werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Steuerungsvorrichtung derart auszugestalten, dass bei der Ansteuerung einer Mehrzahl von Strängen von Leuchtdioden mit einfachen Maßnahmen eine gleichmäßige Stromaufteilung und damit eine gleichmäßige Lichtabgabe gewährleistet sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die elektrische Steuerungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Diese Aufgabe wird ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine elektrische Steuerungsvorrichtung, die mit einer Vielzahl von Verbrauchern verbindbar ist, zur Steuerung der Leistungszufuhr zu den Verbrauchern, wobei die Vielzahl der Verbraucher in zumindest zwei Strängen mit jeweils gleicher Anzahl von in Reihe geschalteten Verbrauchern aufgeteilt ist, mit einem Schaltwandler mit einer Anzahl von Induktivitäten, wobei in jedem Strang eine Induktivität in Reihe zu den jeweiligen Verbrauchern geschaltet ist, und die Induktivitäten einen gemeinsamen Magnetkern aufweisen.
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Die elektrische Steuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, d. h. die entsprechende Schaltungsanordnung, umfasst somit in Verbindung mit einem Schaltwandler eine Anordnung von mehreren Induktivitäten oder Spulen, wobei jedem Strang aus einer Mehrzahl von Strängen mit zueinander in Reihe geschalteten Leuchtdioden eine Induktivität oder Spule (Wicklung) zugeordnet ist. Die Vielzahl der Spulen ist in der Weise angeordnet, dass diese auf einem gemeinsamen Magnetkern (beispielsweise einem Eisenkern) angeordnet sind, sodass über das zugehörige Magnetfeld jede Spule mit jeder weiteren Spule gekoppelt ist, ungeachtet dessen, dass die Spulen auch über die Schaltungsanordnung und die weiteren Bauelemente miteinander galvanisch verbunden sind.
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Mittels der über das Magnetfeld bestehenden Kopplung oder Verkettung besteht die Möglichkeit, einen entsprechenden Ausgleich innerhalb der gesamten Schaltungsanordnung zu erzielen. Es kann ein Ausgleich dahingehend erreicht werden, dass in Folge beispielsweise von Exemplarstreuungen oder auch durch Temperaturunterschiede einzelner Leuchtdioden in jeweiligen Strängen oder ganzer Strängen auftretende kleinere oder größere Ströme (und damit einer kleineren oder größeren Lichtabgabe der jeweiligen Leuchtdioden) die Ströme ausgeglichen werden, sodass annähernd eine gleichmäßige Stromverteilung und damit auch im Wesentlichen eine gleichmäßige Lichtabgabe der einzelnen Leuchtdioden bzw. der einzelnen Stränge in Reihe geschalteter Leuchtdioden erreicht wird. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn Exemplarstreuungen oder Temperaturunterschiede in den Strängen kumulieren.
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Die Gleichmäßigkeit der Stromverteilung innerhalb der Vielzahl der beteiligten Stränge in Reihe geschalteter Leuchtdioden kann durch den gemeinsamen Magnetkern erreicht werden, auf dem sämtliche beteiligten Induktivitäten oder Spulen (Wicklungen) angeordnet sind und einen Teil des die Leuchtdioden ansteuernden Schaltwandlers bilden. Die Magnetisierungsenergie in dem gemeinsamen Magnetkern teilt sich bei gleicher Ausgestaltung der Wicklung annähernd paritätisch auf, sodass dies auch zu annähernd gleichen Strömen in den einzelnen Spulen (Wicklungen) und damit in den jeweiligen Strängen mit den in Reihe geschalteten Leuchtdioden führt. Hierbei kann ebenfalls eine kapazitive Komponente der elektrischen Eigenschaften der Leuchtdioden genutzt werden.
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Da sich von den angeschlossenen Lasten in Form der Vielzahl der Leuchtdioden abgesehen keine relevanten ohmschen Komponenten (wie beispielsweise Vorwiderstände) in den angeschlossenen Strängen der elektrischen Steuerungsvorrichtung befinden, ist die vorstehend angegebene Lösung in Verbindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 von der Effizienz und den entstehenden Kosten den bisherigen technischen Lösungen deutlich überlegen.
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Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls eine Beleuchtungsvorrichtung betreffen mit: einer Vielzahl von Leuchtdioden, die in zumindest zwei Strängen mit einer gleichen Anzahl in jedem Strang zueinander in Reihe geschaltet sind, und der mit der Vielzahl der Leuchtdioden verbindbaren und vorstehend angegebenen elektrischen Steuerungsvorrichtung. Die Ausgestaltung der Beleuchtungsvorrichtung mit der Steuerungsvorrichtung ergibt durch den erreichten Stromausgleich zwischen den Strängen oder Zweigen eine gleichmäßige Lichtabgabe und eine gleichmäßige Leistungs- und damit Lichtverteilung innerhalb der Beleuchtungsvorrichtung, wobei auch während des Betriebs nachteilige Einflüsse von sich ergebenden Temperaturänderungen ausgeglichen werden können.
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Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Jeweilige Wicklungen der Induktivitäten können im gleichen Wicklungssinn auf den gemeinsamen Magnetkern aufgebracht sein, und es können die Wicklungen der Induktivtäten gleiche Windungszahl aufweisen.
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Die Wicklungen der Induktivitäten können gestapelt oder geschichtet auf den gemeinsamen Magnetkern aufgebracht sein. Hierbei können die Wicklungen der Induktivtäten multifilar gebildet sein.
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Bei der Vorrichtung kann der gemeinsame Magnetkern ein geschlossener Magnetkern sein.
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Es kann der Schaltwandler eine Schalteinrichtung aufweisen zum Steuern der Leistungszufuhr zu den Verbrauchern. Hierbei kann die Schalteinrichtung einen Steueranschluss aufweisen und es kann das Eingangssignal an dem Steueranschluss ein PWM-Signal sein.
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Bei der Vorrichtung kann parallel zu den zumindest zwei Strängen ein Freilaufelement geschaltet sein. Es können die Verbraucher Leuchtdioden sein.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung der elektrischen Steuerungsvorrichtung, die mit mehreren Strängen von Leuchtdioden verbunden ist,
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2 eine schematische Darstellung der Anordnung mehrerer Spulen (Wicklungen) auf einem gemeinsamen Magnetkern,
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3 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zum Betreiben mehrerer Stränge von in Reihe geschalteten Leuchtdioden, wobei die Stränge in mehrere Gruppen aufgeteilt sind, und
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4 eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mehrerer Stränge von in Reihe geschalteten Leuchtdioden gemäß dem Stand der Technik.
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Nachstehend wird im Einzelnen unter Bezugnahme auf 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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1 zeigt in schematischer und vereinfachter Darstellung eine Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen elektrischen Steuerungsvorrichtung V (nachstehend vereinfacht als Vorrichtung bezeichnet) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, die mit einer Vielzahl von Verbrauchern beispielsweise in Form von Leuchtdioden D verbunden ist. Die Vielzahl der in zumindest zwei Strängen angeordneten Leuchtdioden D ist beispielsweise gemäß der Darstellung in 1 in drei Gruppen bzw. drei Stränge 1, 2 und 3 aufgeteilt. Der erste Strang 1 umfasst die Leuchtdioden D11 bis D1n und somit die Anzahl von n Leuchtdioden. Der zweite Strang 2 umfasst die Leuchtdioden D21 bis D2n und somit die gleiche Anzahl n von Leuchtdioden, und es umfasst ebenfalls mit der gleichen Anzahl n der dritte Strang 3 die Leuchtdioden D31 bis D3n. Es wird hierbei angenommen, dass die Leuchtdioden D11 bis D3n im vorliegenden Beispiel mit drei Strängen bis auf Unterschiede durch eine Exemplarstreuung gleich sind.
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In jedem Strang 1, 2 oder 3 sind die entsprechenden Leuchtdioden D zueinander in Reihe geschaltet.
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Jeder Strang umfasst des Weiteren jeweils einen Schalter, beispielsweise die Schalter S1, S2 und S3, mit denen ein einzelner Strang 1, 2 oder 3 selektiv zu- oder abgeschaltet werden kann. Im Allgemeinen sind hinsichtlich einer erforderlichen Lichtstärke sämtliche Stränge 1 bis 3 eingeschaltet.
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Die Anzahl n der in jedem Strang enthaltenen Leuchtdioden D ist in der Weise bestimmt, dass sie annähernd einer Versorgungsspannung Vcc einer allgemeinen (nicht gezeigten) Leistungsversorgungseinrichtung entspricht. Die Vorrichtung V ist mit der Leistungsversorgungseinrichtung verbindbar und führt die Steuerung oder Regelung (Aktivierung und Lichtabgabe, Leistungszufuhr) des Betriebs der jeweiligen Leuchtdioden D der verschiedenen Stränge 1, 2 und 3 (oder Zweige) auf der Basis der zugeführten Versorgungsspannung Vcc (Gleichspannung) durch.
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Die Vorrichtung V umfasst des Weiteren für jeden Strang 1 bis 3 jeweils eine Induktivitäten oder Spule L1, L2 und L3, die in jedem Strang in Reihe zu der Vielzahl der jeweiligen Leuchtdioden D geschaltet ist. Jede der Spulen L1 bis L3 ist gleichartig ausgestaltet und umfasst zumindest eine Wicklung mit einer Vielzahl von Windungen, wobei vorzugsweise sämtliche Spulen (Wicklungen) die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen und auch hinsichtlich der Beschaltung der einzelnen Spulen L1 bis L3 jeweils ein gleicher Wicklungssinn vorliegt. Dies ist in 1 bei den betreffenden Spulen L1 bis L3 mittels eines Punkts angedeutet. Ebenso weisen die jeweiligen Spulen Wicklungen mit elektrischen Leitern mit einem gleichen Leiterquerschnitt auf.
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Des Weiteren ist zur Anordnung der jeweiligen Spulen L1 bis L3 ein Magnetkern K vorgesehen, der in der Weise angeordnet ist, dass sämtliche Spulen, d. h. die Spulen L1 bis L3 der Stränge 1 bis 3 auf diesen Magnetkern K aufgebracht bzw. um diesen Magnetkern K gewickelt sind. Der (in den 1 und 3 zur Verdeutlichung schraffiert dargestellte) Magnetkern K stellt somit einen für sämtliche Spulen L1 bis L3 gemeinsamen Magnetkern dar, sodass jede Spule L1 bis L3 beispielsweise der drei in 1 gezeigten Stränge 1 bis 3 mit jeder der anderen Spulen über das innerhalb der Spulen L1 bis L3 und somit in dem Magnetkern K gebildete Magnetfeld miteinander verbunden (verkettet) sind. Im Betrieb nimmt jeder der zumindest zwei Stränge 1 bis 3 Strom auf, so dass in jeder Spule ein Magnetfeld (Durchflutung) aufgebaut wird. Es wird somit durch die jeweilige Durchflutung, die jede Spule beiträgt, eine gemeinsame gleichsinnige Durchflutung und damit ein gemeinsames Magnetfeld gebildet. Ungleiche Ströme in den einzelnen Strängen 1 bis 3 führen auch zu ungleichen Durchflutungen in den jeweiligen Spulen L1 bis L3.
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Im Ergebnis durchdringt somit einerseits das gemeinsame Magnetfeld jede Spule L1 bis L3, und trägt andererseits jede Spule L1 bis L3 mit ihrer eigenen Durchflutung zu dem gesamten Magnetfeld und somit dem gesamten magnetischen Fluss bei.
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Die Induktivitäten bzw. Spulen L1 bis L3 sind somit zum Einen über das Magnetfeld und die magnetische Kopplung durch den gemeinsamen magnetischen Fluss miteinander verbunden. Zum Anderen sind die Spulen L1 bis L3 infolge ihrer Anordnung innerhalb der Vorrichtung V ebenfalls galvanisch miteinander (beispielsweise auch über weitere Bauelemente wie beispielsweise die Leuchtdioden D) verbunden.
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Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Schalteinrichtung 4, die vorzugsweise in Form eines Transistors, beispielsweise eines Feldeffekttransistors FET, vorgesehen ist. Die Schalteinrichtung 4 ist vorzugsweise an einem gemeinsamen Knoten sämtlicher Stränge 1 bis 3 mit dem einen Anschluss verbunden, und ist mit dem weiteren Anschluss (beispielsweise Source) mit einem negativen Potential oder Massepotential der allgemeinen Leistungsversorgungseinrichtung verbunden. Ein Steueranschluss (Gate) der Schalteinrichtung 4 ist mit einer Steuerleitung 5 verbunden. Mittels der Steuerleitung 5 kann die Schalteinrichtung 4 in einen beliebigen vorbestimmten Schaltzustand gebracht werden. Vorzugsweise wird über die Steuerleitung 5 die Schalteinrichtung 4 gezielt und entsprechend einem vorbestimmten Takt ein- und ausgeschaltet, sodass die Gesamtheit der zumindest zwei Stränge 1 bis 3 mit Leuchtdioden D ein- oder ausgeschaltet oder eine Leistungssteuerung durchgeführt werden kann.
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Bei einer entsprechenden Ansteuerung der Schalteinrichtung 4 über die Steuerleitung 5 kann ein Steuerungseinfluss in Verbindung mit einer Pulsbreitenmodulation PWM erreicht werden. In diesem Fall wird den Strängen 1 bis 3 einschließlich der zugehörigen Leuchtdioden D und der Spulen L1 bis L3 ein getakteter Gleichstrom zugeführt. Da in diesem Falle im Hinblick auf die in der Vorrichtung V angeordneten Spulen L1 bis L3 Ströme durch Induktivitäten ein- und ausgeschaltet werden, ist zum Schutz der in der Schaltungsanordnung der Vorrichtung V eingesetzten Leuchtdioden D ein Freilaufelement F parallel zu sämtlichen Strängen 1 bis 3 und in umgekehrter Polarität angeordnet.
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Bei einem Betrieb mittels einer Pulsbreitenmodulation PWM können verwendete Frequenzen der Ansteuerung im Bereich von 20 kHz liegen. Auch sind Frequenzen von etwa 70 kHz bis 100 kHz verwendbar. Bei diesen Frequenzen ist das Flimmern der Leuchtdioden für das menschliche Auge praktisch nicht oder kaum wahrnehmbar.
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Das Freilaufelement F, das beispielsweise in Form einer Diode (Freilaufdiode, Schutzdiode) vorgesehen sein kann, dient zum Schutz vor Überspannungen und somit unerlaubt hohen Spannungen, die in Folge des Abschaltens der Spulen L1 bis L3 durch deren Selbstinduktivität entstehen.
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Mit der Schaltungsanordnung der Vorrichtung V gemäß der Darstellung in 1 wird die Möglichkeit erreicht, für sämtliche Stränge (oder Zweige) der Schaltungsanordnung mit jeweils in Reihe geschalteten Leuchtdioden D und somit durch einen gemeinsamen Schaltwandler in Verbindung mit der Schalteinrichtung 4 und einer möglichen PWM-Ansteuerung an der Steuerleitung 5 einen Ausgleich von Strömen in der Schaltungsanordnung zu erreichen, falls beispielsweise durch eine Exemplarstreuung der einzelnen Leuchtdioden D in den jeweiligen Strängen 1 bis 3 ungleiche Ströme fließen, sodass eine mindere Belastung oder eine Überbelastung eines einzelnen Strangs weitgehend ausgeschlossen werden kann.
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In diesem Falle stellen die Leuchtdioden D in einer Reihenschaltung je Strang die Last (mit einer kapazitiven Komponente) für den Schaltwandler dar, der in Verbindung mit der Schalteinrichtung 4 und den jeweiligen Spulen L1 bis L3 gebildet ist.
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Die auf dem gemeinsamen Magnetkern K aufgebrachten bzw. angeordneten Spulen (Induktivitäten) L1 bis L3 sind im gleichen Wicklungssinn und mit gleicher Windungsanzahl aufgebrachte Spulen, sodass gleichartige und gleichphasige Wicklungen gebildet werden und in dem gemeinsamen Magnetkern K die gleichsinnige Durchflutung ergeben. Die Anzahl der Spulen entspricht vorzugsweise die Anzahl der einzelnen Stränge 1 bis 3 (Zweige der Schaltungsanordnung), sodass in entsprechender Weise in Abhängigkeit von der Anzahl der Stränge die Anzahl der Spulen vorgesehen ist und der gemeinsame Magnetkern K derart ausgebildet ist, dass die Anzahl der Spulen getragen werden kann und eine optimale magnetische Kopplung zwischen den Spulen gewährleistet ist.
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Durch die in gleicher Weise ausgeführten und auch gleichphasig angeordneten und beschalteten Spulen L1 bis L3 auf dem gemeinsamen Magnetkern K teilt sich die Magnetisierungsenergie im Magnetkern bei gleicher Windungszahl annähernd paritätisch in der Schaltungsanordnung der Vorrichtung V auf. Dies führt zu annähernd gleichen Strömen in den einzelnen Wicklungen und damit auch in den angeschlossenen einzelnen Strängen 1 bis 3 der Leuchtdioden D, sodass über die magnetische Kopplung der Spulen L1 bis L3 auch störende Unterschiede in der Brennspannung einzelner Stränge 1 bis 3 ausgeglichen werden können. Bei den auf demselben gemeinsamen Magnetkern aufgebrachten Spulen L1 bis L3 tritt ein Gleichstrom mit einem Dreiecksanteil auf, der von dem Auf- und Abbauen des Magnetfeld in dem gemeinsamen Magnetkern verursacht wird, wenn eine Ansteuerung mittels der Schalteinrichtung 4 (mit einem Ein- und Ausschalten der Spannung Vcc der Leistungsversorgungseinrichtung) durchgeführt wird.
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Mit einer jeweiligen Magnetfeldänderung des gemeinsamen Magnetfelds im gemeinsamen Magnetkern K wird je Kernvolumen eine bestimmte Energiemenge für die darauf angeordneten Spulen L1 bis L3 zur Verfügung gestellt, die sich über die Windungen paritätisch aufteilt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Leuchtdioden D als Lasten der Schaltungsanordnung der Vorrichtung V beschränkt und stellt nur ein Ausführungsbeispiel dar. Es sind ebenfalls andere Lasten, beispielsweise auch ohmsche Lasten anstelle der Vielzahl der Leuchtdioden denkbar, wenn eine elektrische Steuerungsvorrichtung benötigt wird, bei der in verschiedenen Strängen oder Zweigen der Schaltungsanordnung annähernd gleiche Ströme fließen sollen. Im Allgemeinen können sämtliche Arten von Lasten angesteuert bzw. betrieben werden, sofern diese Lasten etwa mit dem gleichen Strom betrieben werden müssen und sich dann im Betrieb an den Lasten entsprechende (auch unterschiedliche) Spannungen einstellen.
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Wird bei einer Anordnung gemäß 1 mittels eines der Schalter S1 bis S3 einer der Stränge abgeschaltet, so fließt in diesem Strang kein Strom und die zugehörige Spule trägt nicht zur gemeinsamen Durchflutung im gemeinsamen Magnetkern bei. In diesem Fall wird sich der Strom dann paritätisch auf die verbliebenen aktiven Wicklungen bzw. Spulen aufteilen. Dies bedeutet auch eine Stromerhöhung in den einzelnen verbleibenden Strängen und bedarf somit einer Regelung vorzugsweise über die Schaltungseinrichtung 4 in Sinne einer Anpassung des Puls-Pausen-Verhältnisses (d. h. der PWM-Kenngrößen). Hierbei kann eine Stromerfassung mittels eines entsprechenden Sensors vorgesehen sein.
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Die vorstehend beschriebene elektrische Steuerungsvorrichtung V stellt somit eine Vorrichtung dar zur verlustarmen dynamischen Aufteilung von Strömen in einem Netzwerk in Verbindung mit einem Schaltwandler. Das Netzwerk wird durch die entsprechenden Stränge mit den jeweils in Reihe geschalteten Leuchtdioden D gebildet, beispielsweise die Stränge 1 bis 3 gemäß der Darstellung in 1. Die elektrische Steuerungsvorrichtung kann bei einer Beleuchtungsvorrichtung angewendet werden, bei der eine Vielzahl von Lasten, beispielsweise die Leuchtdioden D, in zumindest zwei Strängen mit einer gleichen Anzahl in jedem Strang und zueinander in Reihe geschaltet vorgesehen ist. Die Vorrichtung ist mit der Vielzahl der Leuchtdioden verbindbar.
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Gemäß 1 sind in der Schaltungsanordnung der Vorrichtung V drei Stränge 1 bis 3 mit jeweils in Reihe zueinander geschalteten Leuchtdioden D und den zugehörigen Spulen L1 bis L3 angeordnet. Die Stränge sind hierbei gleichartig ausgeführt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anzahl von beispielsweise drei Strängen festgelegt, und es kann eine Anordnung von jeweiligen Spulen mit einem gemeinsamen Magnetkern bei zumindest zwei Strängen oder auch einer größeren Anzahl als drei Stränge gebildet werden. Es ist somit die Anzahl der Stränge nicht begrenzt und wird lediglich in Verbindung mit der Leistungsfähigkeit der Leistungsversorgungseinrichtung bestimmt, mit der die Vorrichtung V verbindbar ist.
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In diesem Fall ist die erhöhte Anzahl von Spulen in Abhängigkeit von der Anzahl der Stränge vorgesehen, und es umfasst ebenfalls der gemeinsame Magnetkern K die Vielzahl der Spulen. Somit ist insbesondere der Magnetkern K derart ausgebildet, die der Anzahl der Stränge entsprechende Anzahl der Spulen oder Induktivitäten zu tragen, so dass jede Spule über das gemeinsame Magnetfeld mit jeder anderen Spule verkettet ist.
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Verschiedene Arten der Anordnung der Spulen auf dem gemeinsamen Magnetkern K sind in 2 gezeigt.
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Gemäß der Darstellung in 2a ist lediglich vereinfacht und schematisch dargestellt, dass auf dem gemeinsamen und in vereinfachter Form dargestellten Magnetkern Ka beispielsweise vier gleichartige Spulen L1 bis L4 mit gleichem Wicklungssinn und gleicher Windungsanzahl (d. h. in gleicher Ausgestaltung) aufgebracht sind. Die Darstellung in 2a dient zur Veranschaulichung, dass die vier Spulen L1 bis L4 auf dem gemeinsamen Magnetkern Ka angeordnet und somit über das gemeinsame Magnetfeld miteinander verbunden sind.
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Tatsächliche Ausführungsformen (Beispiele) sind in den 2b und 2c gezeigt, wobei in 2b ein annähernd kreisringförmiger Magnetkern Kb angegeben ist, auf dem beispielsweise drei gleichartige Spulen (bezüglich Wicklungssinn und Windungszahl) angeordnet sind. 2c zeigt den gemeinsamen Magnetkern Kc, bei dem jeder Schenkel zwei von insgesamt vier gleichen Spulen L1 bis L4 trägt.
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Im Einzelnen können die Spulen auf dem gemeinsamen Magnetkern K oder Ka bis Kc nebeneinander angeordnet sein. Die einzelnen Wicklungen der Spulen können auch bifilar bei zwei Spulen oder multifilar bei mehreren Spulen ausgeführt sein, sodass die Spulen auch geschichtet auf dem gemeinsamen Magnetkern (beispielsweise auf einem Schenkel desselben) angeordnet sind. Die Spulen können ebenfalls aufeinanderfolgend auf dem gemeinsamen Magnetkern gestapelt werden, was etwa einer Anordnung gemäß 2 entspricht, wobei in 2c ein paarweises Stapeln gezeigt ist.
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Vorzugsweise sind die Spulen L1 bis L3 im Sinne einer gewünschten optimalen Verkettung mit dem gemeinsamen Magnetfeld und einer vereinfachten oder erleichterten Herstellung multifilar ausgebildet, sodass beispielsweise mit einem Wicklungsvorgang mehrere Spulen mit guter Verkettung hergestellt werden können. Im Allgemeinen ist eine bifilar oder multifilar gebildete Spulenanordnung einer Anordnung mit Einzelspulen überlegen. Die erwünschte Stromsymmetrierung oder der erwünschte Stromausgleich zwischen den Strängen ist umso besser, je besser die magnetische Kopplung der Spulen auf dem gemeinsamen Magnetkern ist, d. h. wenn sämtliche beteiligte Wicklungen (Spulen) tatsächlich von im Wesentlichen demselben Magnetfeld durchflutet werden.
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In jedem Fall sind die mehreren, d. h. die zumindest zwei Spulen von zumindest zwei Strängen mit Verbrauchern (Lasten, beispielsweise Leuchtdioden) derart auf dem gemeinsamen Magnetkern angeordnet, dass sie gleiche Windungszahl und gleichen Wicklungssinn aufweisen und optimal miteinander durch das Magnetfeld verkettet sind. Mit der optimalen Verkettung über das gemeinsame Magnetfeld wird der erwünschte Ausgleich im Falle einer ohne diese Maßnahme in der Schaltungsanordnung auftretenden Ungleichmäßigkeit der Strangströme erreicht. Dies bedeutet eine gleichmäßige Leistungszufuhr zu sämtlichen Lasten, beispielsweise den Leuchtdioden D, und somit auch zu einer gleichmäßigen Ausleuchtung innerhalb der Gesamtzahl der Leuchtdioden (beispielsweise einer geometrischen Leuchtdiodenanordnung) und einer verbesserten Lichtabgabe derselben.
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Die Anordnung einer Mehrzahl von Spulen auf einem gemeinsamen Magnetkern kann auch als eine Lösung mit Potenzialtrennung aufgebaut sein. In diesem Fall werden Übertrager verwendet, die eine von einem Schaltelement (wie die Schalteinrichtung 4) angesteuerte Primärwicklung und entsprechend der Anzahl der zu betreibenden Stränge eine gleiche Anzahl von Spulen als Sekundärwicklungen aufweist.
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Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, neben der potenzialgetrennten Lösung auch in Abhängigkeit von speziellen Bedingungen eine oder eine bestimmte Anzahl von Spulen relativ zu den übrigen Spulen andersartig auszuführen. So würde eine Wicklung mit der halben Windungszahl wegen der gleichen Durchflutung gegenüber weiteren Spulen mit der unveränderten normalen Windungszahl den doppelten Strom führen. Mittels der vorstehen beschriebenen Anordnung kann somit auch ein Strang oder Zweig mit der halben Brennspannung und mit etwa dem doppelten Strom betrieben werden.
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Die jeweiligen in den Strängen vorgesehenen Spulen (Wicklungen der Induktivitäten) L1 bis L3, beispielsweise gemäß 1, stellen sowohl eine Komponente des Schaltwandlers dar, mittels dessen die Leistungssteuerung durch die Schalteinrichtung 4 erfolgen kann, als auch Bauelemente zur Bereitstellung eines Ausgleichs hinsichtlich der Stromaufteilung in den parallel Strängen oder Zweigen der jeweiligen Verbraucher. Mittels der vorstehenden Anordnung ist somit ein Aufwärts- oder Abwärtswandler (englisch: boost converter, buck converter) vorgesehen, dessen Induktivität (Speicherdrossel) durch mehrere gleichsinnige Wicklung bzw. Spulen auf einem gemeinsamen Magnetkern gebildet wird. Hierbei liegt eine Seite (d. h. jeweils einer der Anschlüsse) der mehreren Spulen an der Schalteinrichtung, wie die Schalteinrichtung 4 gemäß 1, und die jeweiligen anderen Anschlüsse der Spulen liegen an den hinsichtlich der Stromaufteilung zu beeinflussenden Verbrauchern, d. h. bilden einen gemeinsamen Knoten mit den betreffenden Anschluss der Schalteinrichtung 4.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 3 sind zu speisende bzw. zu betreibende Verbraucher V11, V12, V13, V14 und V21, V22 und V23 in zwei Gruppen G1 und G2 aufgeteilt, so dass in jeder Gruppe G1 und G2 ein gemeinsamer Magnetkern K1 oder K2 für die jeweiligen Verbraucher in der betreffenden Gruppe G1 oder G2 vorgesehen ist. Der erste Magnetkern K1 ist somit der ersten Gruppe G1 der Verbraucher V11, V12, V13, V14 mit vier Strängen oder Zweigen zugeordnet, während der zweite Magnetkern K2 der zweiten Gruppe der Verbraucher V21, V22 und V23 mit drei Strängen oder Zweigen zugeordnet ist. Die beiden Magnetkerne K1 und K2 sind nicht miteinander magnetisch verbunden. An den jeweiligen Magnetkernen K1 und K2 sind die Spulen (Induktivitäten) L11, L12, L13 und L14 sowie L1, L22 und L23 angeordnet. Die Anzahl der jeweiligen Spulen L11, L12, L13 und L14 und L21, L22 und L23 entspricht der Anzahl der Stränge in jeder Gruppe G1 und G2. Parallel zu den Strängen der Anordnung gemäß 3 ist ein Freilaufelement F geschaltet.
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Mit dieser Anordnung gemäß 3 ergibt sich der vorstehend in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiels beschriebene Stromausgleich (d. h. die gewünschte Stromsymmetrierung) innerhalb jeder Gruppe.
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Bei gleichartigen Verbrauchern und somit gleichartigen Spulen L11 bis L14 und L21 bis L23 können die Magnetkerne K1 und K2 auch miteinander zur magnetischen Verkopplung verbunden werden, um wahlweise einen Stromausgleich innerhalb der gesamten Anordnung zu erreichen. Die Wirksamkeit des Stromausgleichs wird umso besser, je besser die magnetische Kopplung zwischen den Magnetkernen K1 und K2 ist.
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Bei unterschiedlich ausgeführten Spulen L11 bis L14 und L21 bis L23 in den einzelnen Gruppen G1 und G2 können auch unterschiedliche Verbraucher (die jeweils innerhalb einer Gruppe gleich sind) mit unterschiedlichen Bedingungen betrieben werden. Die Anzahl der Gruppen ist nicht beschränkt. Ebenso ist die Anzahl der in 3 angegebenen Verbraucher in jeder Gruppe lediglich beispielhaft. Die Erfindung ist auf diese Konfiguration nicht festgelegt.
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Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren beschrieben.
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Es ist für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann jedoch selbstverständlich, dass die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den vorstehend beschrieben Figuren und die für die jeweiligen Bauteile und Komponenten verwendeten Bezugszeichen in den Figuren und der Beschreibung sowie die beispielhaften Angaben nicht einschränkend auszulegen sind. Somit ist die Erfindung auf die angegebene Darstellung in den Figuren nicht beschränkt. Vielmehr werden als zur Erfindung gehörig sämtliche Ausführungsformen und Varianten angesehen, die unter die beigefügten Patentansprüche fallen.
