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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ansteuerung mehrerer in Reihe geschalteter Leuchtmittel bzw. einen integrierten Schaltkreis zur Ansteuerung mehrerer in Reihe geschalteter Leuchtmittel.
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Grundsatzlich ist es ein Problem, Halbleiterleuchtelemente, z. B. Leuchtdioden (LED) oder LED-Systeme, direkt an einem elektrischen Stromnetz zu betreiben, insbesondere wenn die Halbleiterleuchtelemente dimmbar sein und zumindest näherungsweise eine sinusförmige Stromaufnahme aufweisen sollen.
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Bekannte Ansätze verwenden Aufwarts- oder Abwartswandler zur Einstellung einer Versorgungsspannung für die Halbleiterleuchtelemente. Auch wird ein Siebkondensator nach der Netzgleichrichtung eingesetzt, um den Strom in den Halbleiterleuchtelementen auf einem nahezu konstanten Pegel zu halten. Derartige Losungen sind nicht dimmbar. Weiterhin ist der Stromverlauf durch die Halbleiterleuchtelemente nicht sinusformig, was zu einer nachteiligen Belastung oder zu unerwünschten Storungen des Wechselstromnetzes führt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Losung anzugeben, Halbleiterleuchtelemente dimmbar über eine Netzspannung effizient zu betreiben und das Stromnetzwerk möglichst wenig (durch eine nichtsinusformige Stromaufnahme) zu stören.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentanspruche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Anspruchen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung oder eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen zur Ansteuerung mehrerer in Reihe geschalteter Leuchtmittel,
- – umfassend eine Steuereinheit und mehrere elektronische Schalter, wobei die mehreren elektronischen Schalter in Abhangigkeit von einer gleichgerichteten Netzspannung ansteuerbar sind,
- – wobei die mehreren elektronischen Schalter parallel zu den Leuchtmitteln angeordnet sind,
- – wobei jeder der mehreren elektronischen Schalter bei Aktivierung jeweils mindestens eines der in Reihe geschalteten Leuchtmittel kurzschließt,
- – wobei die mehreren elektronischen Schalter ein gemeinsames Bezugspotential aufweisen.
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Insbesondere werden abhangig von der Hohe der gleichgerichteten Netzspannung unterschiedliche elektronische Schalter angesteuert. So können uber die gleichgerichtete Netzspannung stufenweise unterschiedliche elektronische Schalter aktiviert werden und somit eine unterschiedliche Anzahl der in Reihe geschalteten Leuchtmittel aktiviert oder deaktiviert werden. Der Verlauf einer pulsierenden Gleichspannung kann somit genutzt werden, um abhängig von deren Spannungswert unterschiedlich viele der Leuchtmittel zu aktivieren bzw. zu deaktivieren.
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Die elektronischen Schalter sind parallel zu den Leuchtmitteln angeordnet. Insbesondere kann jeder elektronische Schalter bei dessen Aktivierung eine unterschiedliche Anzahl von Leuchtmitteln uberbrucken (bzw. kurzschließen). Es ist von Vorteil, wenn die elektronischen Schalter so angeordnet sind, dass bei Aktivierung eines ersten elektronischen Schalters eines der Leuchtmittel, bei Aktivierung eines zweiten elektronischen Schalters zwei der Leuchtmittel, bei Aktivierung eines dritten elektronischen Schalters drei der Leuchtmittel, etc. uberbruckbar sind. Bei Aktivierung des letzten elektronischen Schalters werden beispielsweise alle bis auf eines der in Reihe geschalteten Leuchtmittel uberbruckt.
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Durch das gemeinsame Bezugspotential der elektronischen Schalter wird beispielsweise sichergestellt, dass jeder der elektronischen Schalter mit der gleichen Schaltspannung aktivierbar ist.
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Eine Weiterbildung ist es, dass das Leuchtmittel mindestens ein Halbleiterleuchtelement, insbesondere eine Gruppe von Halbleiterleuchtelementen umfasst.
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Bei dem Halbleiterleuchtelement kann es sich um eine Leuchtdiode (LED) handeln.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass anhand der Steuereinheit eine Erfassung und Auswertung der gleichgerichteten Netzspannung erfolgt und abhängig von einer Hohe der erfassten Netzspannung mehr oder weniger viele Leuchtmittel über die elektronischen Schalter aktivierbar sind.
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Somit wird die Spannung der gleichgerichteten Netzspannung (z. B. in pulsierender Halbwellenform mit doppelter Frequenz der Netzwechselspannung) genutzt, um die elektronischen Schalter anzusteuern und abhängig von der Höhe der Netzspannung unterschiedlich viele der in Reihe geschalteten Leuchtmittel ein- oder auszuschalten.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass anhand der Steuereinheit eine dimmbare Ansteuerung der Leuchtmittel erfolgt.
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So kann mittels einer Referenzspannung, die von einem Benutzer veranderbar sein kann, eine Helligkeitsregelung (Dimmung) der in Reihe geschalteten Leuchtmittel erfolgen.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Steuereinheit einen Spannungsfolger zur Erfassung der Netzspannung aufweist, dessen Ausgangssignal an eine Komparatorbank geleitet wird, anhand derer die elektronischen Schalter abhangig von der Hohe der Netzspannung ansteuerbar sind.
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Anstatt des Spannungsfolgers kann jede Schaltung zur Spannungserfassung genutzt werden. Die Komparatorbank umfasst beispielsweise eine Anordnung von mehreren Operationsverstarkern, deren nichtinvertierende Eingange mit unterschiedlichen Werten einer Referenzspannung belegt sein konnen. Diese Werte konnen z. B. über einen Spannungsteiler aus einer Referenzspannung gewonnen werden. Jeder Ausgang eines Komparators wird zur Ansteuerung eines elektronischen Schalters verwendet. Insbesondere kann der Ausgang des Komparators über einen Treiber mit dem elektronischen Schalter verbunden sein.
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Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die Steuereinheit und die elektronischen Schalter gemeinsam in einem Schaltkreis integriert ausgefuhrt sind.
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Im Rahmen einer zusatzlichen Weiterbildung weist die Schaltung eine spannungsgesteuerte Stromquelle auf, die uber die gleichgerichtete Netzspannung betreibbar ist und die in Reihe mit den mehreren in Reihe geschalteten Leuchtmitteln angeordnet ist.
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Durch die Ansteuerung der spannungsgesteuerten Stromquelle mittels der z. B. sinusformähnlichen pulsierenden gleichgerichteten Netzspannung wird erreicht, dass bei geringen Spannungswerten (bei denen nur ein Leuchtmittel oder wenige Leuchtmittel aktiviert sind) auch ein entsprechend angepasster kleinerer Strom durch die Leuchtmittel fließt als bei hohen Spannungswerten (bei denen z. B. alle Leuchtmittel aktiviert sind). Somit stellt die spannungsgesteuerte Stromquelle einen für die gerade aktive Anzahl von Leuchtmitteln geeigneten Strom bereit. Sowohl die Anzahl der aktiven Leuchtmittel als auch der Strom durch diese Leuchtmittel wird daher durch die Kurvenform der gleichgerichteten Netzspannung beeinflusst bzw. eingestellt. Dies fuhrt vorteilhaft zu einer nahezu sinusförmigen Stromaufnahme und minimiert somit Storungen, die von der Schaltung ausgehend auf das Stromnetz wirken.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die Steuereinheit, die elektronischen Schalter und die spannungsgesteuerte Stromquelle gemeinsam in einem integrierten Schaltkreis angeordnet sind.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass die elektronischen Schalter Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren, Bipolartransistoren und/oder Mosfets umfassen.
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Eine alternative Ausfuhrungsform besteht darin, dass die Steuereinheit Treiber zur Ansteuerung der elektronischen Schalter aufweist.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen integrierten Schaltkreis umfassend die Steuereinheit und die elektronischen Schalter wie hierin beschrieben.
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Optional kann auch die hier beschriebene spannungsgesteuerte Stromquelle Teil des integrierten Schaltkreises sein.
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Eine Weiterbildung ist es, dass der integrierte Schaltkreis zumindest teilweise als ein ASIC, ein FPGA oder ein Mikrokontroller ausgefuhrt ist.
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Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erlautert.
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Es zeigen:
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1A bis 1C ein schematisches Schaltbild zum Betrieb mehrerer in Reihe geschalteter Leuchtdioden an einer Netzwechselspannung;
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2 ein schematisches Blockschaltbild, das den Ansatz zur Ansteuerung von Leuchtmitteln veranschaulicht.
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1A bis 1C zeigen ein schematisches Schaltbild zum Betrieb mehrerer in Reihe geschalteter Leuchtdioden 101 bis 108 an einer Netzwechselspannung 109.
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Hierbei sei angemerkt, dass die rechte Seite der 1A uber Anschlüsse 150 bis 158 mit der linken Seite der 1B verbunden ist. Weiterhin ist die rechte Seite der 1B uber die Anschlüsse 159 bis 167 mit der linken Seite der 1C verbunden. Diese Anschlusse werden in der nachfolgenden Beschreibung der Schaltung auch als Knoten bezeichnet.
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Die Netzwechselspannung 109 wird uber einen Gleichrichter 110 in eine (pulsierende) Gleichspannung umgewandelt. Die Gleichspannung steht nach dem Gleichrichter 110 an den Knoten 111 (positive Versorgungsspannung) und 112 (Massepotential) zur Verfügung.
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Der Knoten 111 ist über einen Spannungsteiler umfassend eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 113 und einem Widerstand 114 mit dem Knoten 112 verbunden. Ein Mittenabgriff zwischen den Widerstanden 113 und 114 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 115 verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 115 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 115 verbunden, der weiter mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 122 verbunden ist.
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Eine Referenzspannung 123 ist über eine Reihenschaltung umfassend Widerstände 124 bis 131 mit dem Knoten 112 verbunden.
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Ein Abgriff zwischen den Widerstanden 124 und 125 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 116 verbunden, ein Abgriff zwischen den Widerständen 125 und 126 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 117 verbunden, ein Abgriff zwischen den Widerstanden 126 und 127 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstarkers 118 verbunden, ein Abgriff zwischen den Widerständen 127 und 128 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstarkers 119 verbunden, ein Abgriff zwischen den Widerständen 128 und 129 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstarkers 120 verbunden, ein Abgriff zwischen den Widerständen 129 und 130 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstarkers 121 verbunden und ein Abgriff zwischen den Widerständen 130 und 131 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstarkers 122 verbunden.
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Ferner sind die invertierenden Eingange der Operationsverstärker 116 bis 122 miteinander bzw. mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 115 verbunden.
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Die Operationsverstarker 116 bis 122 werden vorzugsweise als Komparatoren betrieben.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 116 ist uber einen Treiber 132 und über einen Widerstand 148 mit dem Knoten 160 und somit mit dem Gate-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 145 verbunden.
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Der Ausgang des Operationsverstarkers 117 ist über einen Treiber 133 und uber einen Widerstand 168 mit dem Knoten 161 und somit mit dem Gate-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 144 verbunden.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 118 ist über einen Treiber 134 und über einen Widerstand 169 mit dem Knoten 162 und somit mit dem Gate-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 143 verbunden.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 119 ist uber einen Treiber 135 und uber einen Widerstand 170 mit dem Knoten 163 und somit mit dem Gate-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 142 verbunden.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 120 ist uber einen Treiber 136 und uber einen Widerstand 171 mit dem Knoten 164 und somit mit dem Gate-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 141 verbunden.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 121 ist uber einen Treiber 137 und uber einen Widerstand 172 mit dem Knoten 165 und somit mit dem Gate-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 140 verbunden.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 122 ist uber einen Treiber 138 und uber einen Widerstand 173 mit dem Knoten 166 und somit mit dem Gate-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 139 verbunden.
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Der Source-Anschluss der Mosfets 139 bis 145 ist mit dem Knoten 167 (und somit auch mit dem Knoten 112) verbunden.
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Der Drain-Anschluss des Mosfets 139 ist mit einem Abgriff zwischen den Leuchtdioden 101 und 102 verbunden, der Drain-Anschluss des Mosfets 140 ist mit einem Abgriff zwischen den Leuchtdioden 102 und 103 verbunden, der Drain-Anschluss des Mosfets 141 ist mit einem Abgriff zwischen den Leuchtdioden 103 und 104 verbunden, der Drain-Anschluss des Mosfets 142 ist mit einem Abgriff zwischen den Leuchtdioden 104 und 105 verbunden, der Drain-Anschluss des Mosfets 143 ist mit einem Abgriff zwischen den Leuchtdioden 105 und 106 verbunden, der Drain-Anschluss des Mosfets 144 ist mit einem Abgriff zwischen den Leuchtdioden 106 und 107 verbunden und der Drain-Anschluss des Mosfets 145 ist mit einem Abgriff zwischen den Leuchtdioden 107 und 108 verbunden.
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Der Knoten 111 ist über die Knoten bzw. Anschlusse 150 und 159 über eine spannungsgesteuerte Stromquelle 146 mit der Anode der Leuchtdiode 101 verbunden und die Kathode der Leuchtdiode 108 ist mit dem Knoten 167 bzw. dem Knoten 112 verbunden.
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Die Treiber 132 bis 138 sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie fur die Mosfets 139 bis 145 einen passenden Gate- (oder Basisstrom falls Transistoren als Halbleiterschalter eingesetzt werden) zur Verfügung stellen, vorzugsweise um ein volistandiges Durchschalten der Mosfets 139 bis 145 zu gewahrleisten. Der von den Treibern 132 bis 138 bereitgestellte Gate-Strom kann so dimensioniert sein, dass das Schaltverhalten der Mosfets 139 bis 145 innerhalb einer Netzperiode hinreichend schnell ist. Auch kann der Gate-Strom so niedrig dimensioniert sein, dass durch eine geringe Leistungsaufnahme eine hohe Systemeffizienz erreicht wird.
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In einer beispielhaften Implementierung können die Werte der Widerstande 113, 114, 124 bis 131 hoch dimensioniert werden. Die gewählte Höhe ergibt sich beispielsweise als ein Kompromiss aus Störfestigkeit der Schaltung im Hinblick auf die Eingangsströme der Komparatoren 116 bis 122. Beispielsweise können die Widerstände 113, 114, 124 bis 131 in einem Bereich von 10 kOhm bis 1 MOhm liegen. Die Wiederstande 168 bis 173 und 148 konnen beispielsweise je 1 kOhm betragen.
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Der Knoten 160 ist uber eine Diode 174 mit der Basis eines npn-Transistors 195 verbunden, dessen Kollektor mit dem Knoten 161 und dessen Emitter mit dem Knoten 167 verbunden ist.
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Der Knoten 160 ist uber eine Diode 176 mit der Basis eines npn-Transistors 196 verbunden, dessen Kollektor mit dem Knoten 162 und dessen Emitter mit dem Knoten 167 verbunden ist. Weiterhin ist der Knoten 161 über eine Diode 175 mit der Basis des Transistors 196 verbunden.
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Der Knoten 160 ist uber eine Diode 179 mit der Basis eines npn-Transistors 197 verbunden, dessen Kollektor mit dem Knoten 163 und dessen Emitter mit dem Knoten 167 verbunden ist. Weiterhin sind der Knoten 161 uber eine Diode 178 und der Knoten 162 über eine Diode 177 jeweils mit der Basis des Transistors 197 verbunden.
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Der Knoten 160 ist uber eine Diode 183 mit der Basis eines npn-Transistors 198 verbunden, dessen Kollektor mit dem Knoten 164 und dessen Emitter mit dem Knoten 167 verbunden ist. Weiterhin sind der Knoten 161 uber eine Diode 182, der Knoten 162 uber eine Diode 181 und der Knoten 163 uber eine Diode 180 jeweils mit der Basis des Transistors 198 verbunden.
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Der Knoten 160 ist über eine Diode 188 mit der Basis eines npn-Transistors 199 verbunden, dessen Kollektor mit dem Knoten 165 und dessen Emitter mit dem Knoten 167 verbunden ist. Weiterhin sind der Knoten 161 über eine Diode 187, der Knoten 162 über eine Diode 186, der Knoten 163 über eine Diode 185 und der Knoten 164 uber eine Diode 184 jeweils mit der Basis des Transistors 199 verbunden.
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Der Knoten 160 ist über eine Diode 194 mit der Basis eines npn-Transistors 147 verbunden, dessen Kollektor mit dem Knoten 166 und dessen Emitter mit dem Knoten 167 verbunden ist. Weiterhin sind der Knoten 161 über eine Diode 193, der Knoten 162 über eine Diode 192, der Knoten 163 über eine Diode 191, der Knoten 164 über eine Diode 190 und der Knoten 165 über eine Diode 189 jeweils mit der Basis des Transistors 147 verbunden.
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Die Dioden 174 bis 194 sind jeweils so ausgerichtet, dass ihre Kathode in Richtung der Basis des jeweiligen Transistors 195 bis 199 und 147 zeigt.
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Hierbei sei angemerkt, dass Mittenabgriff oder Abgriff eine Moglichkeit der Kontaktierung zwischen zwei Bauelementen bezeichnet. Dies entspricht elektrisch einem Knoten, der mit mehreren Bauelementen verbunden sein kann.
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Jede Leuchtdiode 101 bis 108 kann als mindestens eine Leuchtdiode bzw. als mindestens ein Halbleiterleuchtelement ausgeführt sein. Insbesondere kann jede Leuchtdiode 101 bis 108 eine Gruppe von Leuchtdioden umfassen. Eine Sollspannung fur eine Gruppe der Leuchtdioden kann insbesondere der Gesamtspannung durch die Anzahl der Leuchtdioden pro Gruppe entsprechen.
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Mittels des Operationsverstärkers 115 (der als ein Spannungsfolger geschaltet ist) erfolgt eine Spannungserfassung. Die erfasste Spannung wird an eine Komparatorbank umfassend die Operationsverstarker 116 bis 122 weitergeleitet, wobei abhängig von der Höhe der erfassten Spannung die Komparatoren 116 bis 122 durchschalten und über den angeschlossenen invertierenden Treiber die Mosfets ansteuern.
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Die Mosfets 139 bis 145 werden abhängig von der Höhe der erfassten Spannung und damit der Netzspannung leitend gesteuert bzw. aktiviert. Beispielsweise wird der Mosfet 139 bei einer erfassten Spannung von 35 V, der Mosfet 140 bei einer erfassten Spannung von 70 V, der Mosfet 141 bei einer erfassten Spannung von 105 V, der Mosfet 142 bei einer erfassten Spannung von 140 V, etc. aktiviert.
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Vorzugsweise wird abhangig von der Höhe der Spannung an dem Mittenabgriff zwischen den Widerständen 113 und 114 nur einer der Mosfets 139 bis 145 aktiviert. Alternativ ist es auch moglich, dass bei einer vorgebbaren kleinsten Spannung alle Mosfets 139 bis 145 aktiviert werden und mit jeder Spannungsstufe ein zusatzlicher Mosfet geöffnet bzw. deaktiviert wird.
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Hierbei ist es von Vorteil, dass die elektronischen Schalter 139 bis 145 als auch die spannungsgesteuerte Stromquelle 146 integriert, z. B. in einem gemeinsamen elektronischen integrierten Schaltkreis, ausgeführt sein konnen. Alternativ ist es auch moglich, dass die spannungsgesteuerte Stromquelle 146 diskret aufgebaut ist.
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Die Ansteuerung der spannungsgesteuerten Stromquelle 146 erfolgt über die an dem Knoten 111 bereitgestellte pulsierende Gleichspannung (mit einer Frequenz von z. B. 100 Hz oder 120 Hz). Je nach Verlauf der gleichgerichteten Halbwelle der pulsierenden Gleichspannung wird ein entsprechend großer Strom von der spannungsgesteuerten Stromquelle 146 zum Betrieb der Leuchtdioden 101 bis 108 bereitgestellt. Wenn die Halbwelle der pulsierenden Gleichspannung nur einen geringen Spannungswert aufweist, wird einerseits diese Spannung von dem Operationsverstarker 115 erfasst und durch die angeschlossenen Komparatorbank derart ausgewertet, dass nur eine Leuchtdiode oder wenige Leuchtdioden aktiv sind; fur diese eine Leuchtdiode bzw. diese wenigen Leuchtdioden wird andererseits der geeignete Strom – ebenfalls basierend auf der Höhe des Momentanwerts der pulsierenden Gleichspannung – von der spannungsgesteuerten Stromquelle 146 bereitgestellt. Damit befindet sich der Stromregler in einem Arbeitspunkt, es erfolgt auf effiziente Weise eine Spannungsanpassung an die jeweilige Last.
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Durch die Verwendung von Halbleiterschaltern (im Beispiel von 1 anhand der gezeigten Mosfets 139 bis 145) mit gemeinsamem Potential des Source-Anschlusses (entsprechend konnen npn-Transistoren verwendet werden, deren Kollektoren auf einem gemeinsamen Potential liegen) vereinfacht sich die Ansteuerung der Halbleiterschalter, da die Spannung zwischen Gate-Anschluss und Source-Anschluss immer das gleiche Bezugspotential aufweisen kann. Ferner können so die Halbleiterschalter gemeinsam z. B. auf Silizium-Basis integriert werden. Optional konnen die Treiber 132 bis 138 mit den Halbleiterschaltern gemeinsam integriert ausgefuhrt sein.
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Abhangig von der von dem Operationsverstarker 115 erfassten momentanen Netzspannung wird ab einem vorgebbaren Minimalwert immer ein Mosfet angesteuert bzw. geschaltet.
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Abhangig von der erfassten Spannung schaltet einer (oder keiner) der Komparatoren 116 bis 122. Am Ausgang des jeweiligen Komparators befindet sich ein fur den Mosfet geeigneter elektrischer Treiber 132 bis 138. Dieser steuert den Gate-Anschluss des Mosfets 139 bis 145 (bzw. die Basis eines Transistors) entsprechend an.
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Abhängig von der Höhe der momentanen Netzspannung liegt an der spannungsgesteuerten Stromquelle 146, die integriert oder diskret aufgebaut sein kann, eine unterschiedlich lange Kette von Leuchtdioden 101 bis 108 wirksam an. Bei einer geringen Netzspannung kann z. B. der Mosfet 139 leitend geschaltet sein, dadurch werden die Leuchtdioden 102 bis 108 uberbruckt und nur die Leuchtdiode 101 über die spannungsgesteuerte Stromquelle 146 gespeist. Da auch die spannungsgesteuerte Stromquelle 146 abhängig von der Höhe der Netzspannung einen Strom einpragt, wird die Leuchtdiode 101 in diesem Fall mit einem für sie geeigneten Strom gespeist. Dieser Strom ist unterschiedlich von einem deutlich höheren Strom, der z. B. von der spannungsgesteuerten Stromquelle 146 eingeprägt wird, um samtliche Leuchtdioden 101 bis 108 zu betreiben (wenn alle Mosfets 139 bis 145 sperren und die gleichgerichtete Halbwelle der Netzspannung z. B. in ihrem oder in der Nähe ihres Maximums liegt).
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Um den Powerfaktor zu optimieren, ist die spannungsgesteuerte Stromquelle 146 netzgeführt, d. h. der Strom ist beispielsweise proportional zur Netzspannung und andert sich mit dem Verlauf der Netzspannung. Damit sind Spannung und Strom in etwa in Phase und weisen einen ahnlichen zeitlichen Verlauf auf.
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2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, das den hier vorgestellten Ansatz zur Ansteuerung von Leuchtmitteln 205 veranschaulicht.
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Bei den Leuchtmitteln 205 handelt es sich beispielsweise um Halbleiterleuchtelemente oder Gruppen von Halbleiterleuchtelementen, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Insbesondere können Gruppen von Leuchtmitteln jeweils gemeinsam angesteuert werden.
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Eine pulsierende Gleichspannung 201 mit der doppelten Frequenz einer Netzwechselspannung wird einer Steuereinheit 202 zugefuhrt. Die Steuereinheit 202 kann z. B. wie in 1 gezeigt ausgeführt sein. Alternativ kann die Steuereinheit 202 auch einen Prozessor und/oder einen (Mikro-)Controller aufweisen, der abhangig von dem Verlauf der pulsierenden Gleichspannung 201 Schalter 203 ansteuert. Die Schalter 203 konnen den in 1 gezeigten Mosfets entsprechen.
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Grundsätzlich ist es möglich, andere elektronische Schalter, z. B. (Bipolar-)Transistoren, zu verwenden.
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Die Steuereinheit 202 wertet den Verlauf einer Halbwelle der pulsierenden Gleichspannung 201 aus, indem abhangig von der Hohe der Spannung der Halbwelle einer oder mehrere der Schalter 203 angesteuert wird/werden, so dass dem Spannungsverlauf angepasst stufenweise die Leuchtmittel 205 uber die Schalter 203 aktiviert werden (hierbei kann stufenweise die Anzahl der aktivierten Leuchtmittel 205 entsprechend der Höhe des Spannungsverlaufs erhöht werden). Dazu wird vorzugsweise die Halbwelle in Stufen oder Schaltschwellen unterteilt, so dass mit ansteigender Spannung stufenweise die Leuchtmittel 205 zugeschaltet werden und mit abfallender Spannung der Halbwelle stufenweise die Leuchtmittel 205 wieder abgeschaltet werden.
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Weiterhin wird die pulsierende Gleichspannung 201 auch einer spannungsgesteuerten Stromquelle 204 zugefuhrt, anhand derer ein Strom durch die Leuchtmittel 205 abhängig von der Spannung der Halbwelle bereitgestellt (insbesondere begrenzt) wird. Somit kann erreicht werden, dass sich auch der Strom durch die Leuchtmittel 205 im Wesentlichen in Phase mit der Netzspannung befindet, was sich gunstig auf den Powerfaktor auswirkt und störende Einflüsse der Schaltung auf das Stromnetz reduziert bzw. verhindert.
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Alternativ ist es moglich, dass die Steuereinheit 202 die spannungsgesteuerte Stromquelle 204 ansteuert.
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Die vorgestellte Losung weist insbesondere die folgenden Vorteile auf:
Die Anordnung kann weitgehend integriert aufgebaut sein. Dadurch ist eine kompakte und gunstige Herstellung möglich. Durch die Referenzspannung 123 kann eine flexible Dimmbarkeit erreicht werden. Ferner ist die Lösung fur eine Vielzahl moglicher Leuchtmittel flexibel skalierbar, indem z. B. die Schwellwerte für die einzelnen Komparatoren entsprechend gewahlt werden. Die Schaltung ermöglicht eine nahezu sinusförmige Stromaufnahme, was Störungen des Stromnetzes minimiert. Auch ist es von Vorteil, dass der gezeigte Ansatz fur große Leistungen einfach umsetzbar ist. Weiterhin ist es ein Vorteil, dass Teile der Schaltung aufgrund des gemeinsamen Massepotentials monolithisch integrierbar (gemeinsames Substratpotential bei Silizium) sind.
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Zur Optimierung des Wirkungsgrads kann eine Spannung am Eingang des Operationsverstarkers 115 oder an anderen Punkten der Schaltung so eingestellt werden, dass die Schaltschwellenbreite eines Schaltschritts, der Nennspannung einer LED-Teilkette entspricht (im obigen Beispiel: 35 V).
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Auch ist es von Vorteil, dass bei einer Anpassung auf eine andere Netzspannung, die Anzahl der in Reihe geschalteten LEDs und demzufolge die Schaltschwellenbreite flexibel angepasst werden kann.
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Die Komparatorbank kann vorzugsweise so ausgelegt sein, das während eines Schaltübergang kurz auch die (beiden) benachbarten elektronischen Schalter einen Schaltvorgang ausfuhren, um Stromspitzen an der spannungsgesteuerten Stromquelle zu vermeiden. Somit wird verhindert, dass kurzfristig wahrend eines Schaltubergangs alle elektronischen Schalter öffnen und dadurch Stromspitzen entstehen. Insbesondere ist es von Vorteil, die elektronischen Schalter mit geringen Schaltstromen anzusteuern, weil so die elektronischen Schalter langsamer in einen Sattigungszustand übergehen, was zu einer zusätzlichen Reduzierung von Stromspitzen beitragt.
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Bezugszeichenliste
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- 101 bis 108
- Leuchtdiode bzw. Gruppe von Halbleiterleuchtelementen
- 109
- Netzwechselspannung
- 110
- Gleichrichter
- 111, 112
- Knoten
- 113, 114
- Widerstand
- 115
- Operationsverstarker (Spannungsfolger zur Erfassung der Hohe der pulsierenden gleichgerichteten Netzspannung)
- 116 bis 122
- Operationsverstarker (als Komparator betrieben)
- 123
- Referenzspannung insbesondere zur Einstellung der Dimmung (Helligkeitsregelung)
- 124 bis 131
- in Reihe geschaltete Widerstande
- 132 bis 138
- Treiber (z. B. Schmitt-Trigger)
- 139 bis 145
- elektronische Schalter (n-Kanal Mosfets)
- 146
- spannungsgesteuerte Stromquelle
- 150 bis 167
- Anschlüsse bzw. Knoten
- 148, 168 bis 173
- Widerstand
- 174 bis 194
- Diode
- 195 bis 199, 147
- npn-Transistor
- 201
- gleichgerichtete pulsierende Netzspannung (doppelte Frequenz im Vergleich zur Netz(wechsel)spannung)
- 202
- Steuereinheit
- 203
- elektronische Schalter
- 204
- spannungsgesteuerte Stromquelle
- 205
- Leuchtmittel (z. B. Reihenschaltung aus Halbleiterleuchtelementen oder Reihenschaltung aus Halbleiterleuchtsystemen, wobei jedes Halbleiterleuchtsystem mindestens ein Halbleiterleuchtelement aufweist)
