DE102014221511A1

DE102014221511A1 - PFC-Schaltung mit spannungsabhängiger Signalzuführung

Info

Publication number: DE102014221511A1
Application number: DE102014221511.0A
Authority: DE
Inventors: Dominik Züger; Christian Nesensohn
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-04-28
Also published as: AT16263U1

Abstract

In einem Aspekt wird ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere wenigstens eine LED, bereitgestellt, aufweisend eine ausgehend von einer Netzspannung versorgte aktive Leistungsfaktorkorrekturschaltung mit einem durch eine Steuereinheit angesteuerten getakteten Schalter, wobei das Betriebsgerät eine Steuereinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Taktung des Schalters abhängig von einem zugeführten Messsignal durchzuführen, sowie eine Signalverarbeitungseinheit, die in zeitlichen Bereichen um den Scheitel der Netzspannung herum, bspw. in zeitlichen Bereichen, in denen die Amplitude der Netzspannung über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, die Amplitude des Messsignals derart verändert, dass sich während der zeitlichen Bereiche eine sich durch die somit ergebende Taktung des Schalters verringerte Leistungsaufnahme der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ergibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsgerät für den Betrieb von Leuchtmitteln, insbesondere LEDs. Das Betriebsgerät weist dabei eine PFC-Schaltung, das heißt eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung, auf. Ein getakteter Schalter der PFC-Schaltung wird durch eine Steuereinheit angesteuert und insbesondere getaktet betrieben. Dabei ist der Steuereinheit wenigstens ein Signal zugeführt, von dem abhängig die Steuereinheit den Schalter ansteuert. Insbesondere weist das die PFC-Schaltung an einer Drossel eine Messwicklung auf, von der ausgehend der Steuereinheit ein Stromsignal zugeführt ist. Die Steuereinheit kann anhand des so zugeführten Stromsignals beispielsweise einen Nulldurchgang einer das Betriebsgerät versorgenden elektrischen Versorgung, insbesondere einer gleichgerichteten Netzspannung erkennen bzw. durch eine Überwachung des Stroms durch die Messwicklung erfassen. Gewöhnlich wird dabei die Steuereinheit den Schalter so ansteuern, dass der Schalter immer dann eingeschaltet wird, wenn der Strom durch die Messwicklung auf null abgesunken ist. Die Erfindung betrifft also auch eine Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur und ein Verfahren zum Steuern einer solchen Schaltung.
Eine Leistungsfaktorkorrektur („Power Factor Correction”, PFC) wird eingesetzt, um Oberwellenströme in einem Eingangsstrom zu beseitigen bzw. zumindest zu verringern. Oberwellenströme können insbesondere bei nicht-linearen Verbrauchern, wie es beispielsweise Gleichrichter mit nachfolgender Glättung in Netzteilen sind, auftreten, da bei derartigen Verbrauchern der Eingangsstrom trotz der sinusförmigen Eingangsspannung in seiner Phase verschoben und nicht-sinusförmig verzerrt wird. Den dabei auftretenden höherfrequenten Oberschwingungen kann durch eine dem jeweiligen Gerät vorgeschaltete aktive oder getaktete Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung entgegengewirkt werden.
Leistungsfaktorkorrektur-Schaltungen werden auch bei Betriebsgeräten für Leuchtmittel eingesetzt, beispielsweise bei elektronischen Vorschaltgeräten oder LED-Konvertern. Die Verwendung derartiger Schaltungen bei Geräten zum Betreiben von Leuchtmitteln ist wünschenswert oder erforderlich, da Normen die zulässige Rücksendung von Oberwellen in das Versorgungsnetz beschränken.
Für Leistungsfaktorkorrekturschaltungen wird häufig eine Schaltungstopologie verwendet, die auf der Topologie eines Aufwärtswandlers beruht. Dabei wird eine mit einer gleichgerichteten Wechselspannung versorgte Induktivität oder Spule durch Einschalten und Ausschalten eines steuerbaren Schalters mit Energie geladen bzw. entladen. Der Entladestrom der Induktivität fließt über eine Diode zu einer Ausgangskapazität, so dass am Ausgang eine gegenüber der Eingangsspannung erhöhte Gleichspannung abgegriffen werden kann. Ebenso sind jedoch auch andere Konverterarten in Leistungsfaktorkorrektur-Schaltungen üblich, wie beispielsweise Flyback-Konverter oder Buck-Konverter.
Eine derartige Leistungsfaktorkorrekturschaltung kann in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Insbesondere ist ein Betrieb mit einem kontinuierlichen Strom durch die zuvor erwähnte Induktivität (so genannter „Continuous Conduction Mode”, CCM), ein Betrieb mit einem diskontinuierlichen Induktivitäts- oder Spulenstrom („Discontinuous Conduction Mode”, auch DCM-Betriebsmodus) oder ein Betrieb im Grenzbereich zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Strom durch die Induktivität bekannt. Der zuletzt erwähnte Betriebsmodus, der gerade an der Grenze zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Betrieb liegt, wird auch als so genannter „Critical Conduction Mode”, „Boundary Conduction Mode” oder „Borderline Conduction Mode” (BCM-Betriebsmodus) bezeichnet.
Um eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung im BCM-Betriebsmodus zu betreiben, kann eine Steuereinheit eingesetzt werden, die an einem Eingang ein Eingangssignal empfängt, das von dem Strom in der Induktivität abhängt. Das Eingangssignal kann beispielsweise induktiv mit einer Detektionswindung oder Messwicklung erfasst und dem Eingang zugeführt werden. Die Steuereinheit kann so ausgestaltet sein, dass sie basierend auf dem Eingangssignal Nulldurchgänge des Stroms durch die Induktivität erkennt und als Antwort darauf ein Steuersignal aussteuert, um einen neuen Ladevorgang der Induktivität zu beginnen. Die Steuereinheit kann das Signal, das vom Strom durch die Induktivität abhängt, mit einem Schwellenwert vergleichen, um ein erneutes Schalten des Schalters in den Ein-Zustand abhängig von einem Ergebnis des Schwellenwertvergleichs einzuleiten. Entsprechend ausgestaltete Steuereinheiten können in Form von integrierten Halbleiterschaltungen ausgeführt sein (bzw. als integrierte Schaltung IC, anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC, als Mikrokontroller, ...).
Um die Ausgangsleistung anpassen zu können, kann die Zeitdauer, in der der Schalter jeweils in den Ein-Zustand, also leitend, geschaltet wird und die auch als „T_on-Zeit” bezeichnet wird, angepasst werden.
Betriebsgeräte für Leuchtmittel sollen für größere Leistungsbereiche verwendbar sein. Bei herkömmlichen Leistungsfaktorkorrektur-Schaltungen, bei denen die Steuereinheit bei einem Nulldurchgang des Stroms durch die Induktivität den Schalter erneut schaltet, kann die Bereitstellung von Ausgangsleistungen, die klein im Vergleich zur maximalen Ausgangsleistung sind, mit Schwierigkeiten verbunden sein. Beispielsweise kann die T_on-Zeit nicht beliebig verkürzt werden. Es kann zu einem unerwünschten Übergang in einen so genannten „Burst”-Modus kommen, bei dem zur Vermeidung unzulässig hoher Ausgangsspannungen die Leistungsfaktorkorrekturschaltung vorübergehend ausgeschaltet bleibt. Die resultierenden Helligkeitsschwankungen in dem Licht, das von dem Leuchtmittel ausgegeben wird, werden als unangenehm empfunden. Die Helligkeitsschwankungen sind also durch das menschliche Auge z. B. als flackern wahrnehmbar. Dies läuft dem Ziel zuwider, eine möglichst gleichförmige Lichtabgabe zu gewährleisten.
Aus dem Stand der Technik ist z. B. bekannt, dass, wenn ein Betriebsgerät eine geringe Last betreiben soll, gleichzeitig jedoch eine hohe Netzspannungsamplitude anliegt, ein Wechsel der Betriebsart erfolgt. Beispielsweise kann von der Ansteuerung von dem kontinuierlichen, nicht-lückenden Betrieb (CCM) in den diskontinuierlichen, lückenden Betrieb (DCM) gewechselt werden. Insbesondere erfolgen ein Ausschalten des getakteten Schalters bei Erreichen einer maximalen Busspannung und ein Wiedereinschalten des Schalters nach einem Absinken unter einen vordefinierten Hysteresewert, insbesondere in einen niederfrequenten Bereich von insbesondere kleiner als 10 Hz.
Somit ergibt sich auch ein Problem dahingehend, dass in einem Grenzbetrieb zwischen dem nicht-lückenden Betrieb und dem lückenden Betrieb (BCM) eine vorgegebene minimale Einschaltzeitdauer (T_on-Zeit) eingestellt und dann, da eine Energieübertragung durch die PFC-Schaltung nicht weiter reduziert werden kann, ein Anstieg der von der PFC-Schaltung ausgegebenen Ausgangsspannung erfolgt. Dies resultiert in der bereits erwähnten Veränderung der von den angeschlossenen Leuchtmitteln abgegebenen Helligkeit beziehungsweise einer Helligkeits-Fluktuation.
Da diese periodischen Veränderungen wahrnehmbar sind, ist es ein Ziel der Erfindung, diesen Anstieg der PFC-Ausgangsspannung zu vermeiden und insbesondere einen Betrieb ohne periodische Störung zu erlauben. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur bereitzustellen, die das Risiko eines Übergangs in den „Burst”-Modus bei Abgabe kleinerer Leistungen verringert.
Die Erfindung stellt daher ein Betriebsgerät und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einem ersten Aspekt wird ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere wenigstens eine LED, bereitgestellt, aufweisend eine ausgehend von einer Netzspannung versorgte aktive Leistungsfaktorkorrekturschaltung mit einem durch eine Steuereinheit angesteuerten getakteten Schalter, wobei das Betriebsgerät eine Steuereinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Taktung des Schalters abhängig von einem zugeführten Messsignal durchzuführen, sowie eine Signalverarbeitungseinheit, die in zeitlichen Bereichen um den Scheitel der Netzspannung herum, bspw. in zeitlichen Bereichen, in denen die Amplitude der Netzspannung über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, die Amplitude des Messsignals derart verändert, dass sich während der zeitlichen Bereiche eine sich durch die somit ergebende Taktung des Schalters verringerte Leistungsaufnahme der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ergibt.
Die Signalverarbeitungseinheit kann die Leistungsfaktorkorrekturschaltung selektiv deaktivieren und/oder aktivieren.
Das Messsignal kann einen Verlauf einer Netzspannung wiedergeben. Insbesondere kann das Messsignal ein Spannungssignal sein. Das Messsignal kann ein von der Netzspannung abgeleitetes Signal sein.
Das Messsignal kann einen Strom durch eine Spule der Leistungsfaktorkorrekturschaltung wiedergeben.
Das Messsignal kann der Steuereinheit von einem Spannungsteiler und/oder einem Strommesswiderstand zugeführt werden.
Die Signalverarbeitungseinheit kann das Messsignal verändern, und insbesondere einen Pegel eines Messsignals anheben, insbesondere bis die Netzspannung einen zweiten Schwellenwert unterschreitet.
Das Messsignal kann ein Stromrückführsignal sein, das von einer Messwicklung an einer Induktivität der Leistungsfaktorkorrekturschaltung der Steuereinheit zugeführt ist.
Die Netzspannung kann eine gleichgerichtete Wechselspannung sein.
Der Schwellenwert kann gleich dem zweiten Schwellenwert sein.
Die Signalverarbeitungseinheit kann bei Erreichen des Schwellenwertes einen Eingang der Steuereinheit mit einem bestimmten Potential verbinden. Das bestimmte Potential kann Masse sein.
Die Signalverarbeitungseinheit kann einen weiteren Schalter aufweisen, der leitend schaltet, wenn die Netzspannung den Schwellenwert erreicht, und nicht-leitend schaltet, wenn der zweite Schwellenwert erreicht wird.
Die Signalverarbeitungseinheit kann insbesondere bei leitendem weiteren Schalter einen Widerstand eines Spannungsteilers überbrücken.
Die Signalverarbeitungseinheit kann einen noch weiteren Schalter aktivieren, der einen Eingang der Steuereinheit mit einer definierten Spannung, insbesondere einer Steuereinheit-Versorgungsspannung verbindet.
In einem weiteren Aspekt wird eine Leuchte oder Lampe mit einem Betriebsgerät bereitgestellt, wie es vorstehend beschrieben ist.
In noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum betreiben eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel, insbesondere wenigstens einer LED, bereitgestellt, aufweisend eine ausgehend von einer Netzspannung versorgte aktive Leistungsfaktorkorrekturschaltung mit einem durch eine Steuereinheit angesteuerten getakteten Schalter, wobei das Betriebsgerät eine Steuereinheit aufweist, die die Taktung des Schalters abhängig von einem zugeführten Messsignal durchführt, sowie eine Signalverarbeitungseinheit, die in zeitlichen Bereichen um den Scheitel der Netzspannung herum, bspw. in zeitlichen Bereichen, in denen die Amplitude der Netzspannung über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, die Amplitude des Messsignals derart verändert, dass sich während dieser zeitlichen Bereiche eine durch die sich somit ergebende Taktung des Schalters verringerte Leistungsaufnahme der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ergibt.
Die Erfindung wird nun auch mit Blick auf die Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
1 ein Blockschaltbild eines Betriebsgeräts gemäß der Erfindung;
2 eine exemplarische Schaltungsanordnung;
3 exemplarische Signalverläufe;
4 eine exemplarische Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung;
5 weitere exemplarische Signalverläufe;
6 eine weitere exemplarische Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung; und
7 noch weitere exemplarische Signalverläufe.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Beleuchtungssystems 1, das ein Betriebsgerät 2 für ein Leuchtmittel oder eine Leuchtmittelstrecke 3 umfasst. Das Leuchtmittel 3 kann beispielsweise wenigstens eine LED aufweisen. Das Betriebsgerät 2 kann mit einem Bus oder einem Drahtloskommunikationssystem verbunden sein, um Dimmbefehle zu empfangen und/oder Statusmeldungen abzugeben.
Das Betriebsgerät 2 kann beispielsweise als elektronisches Vorschaltgerät (EVG) für Gasentladungslampen, Leuchtstofflampen oder andere Fluoreszenzleuchtmittel, oder auch als LED-Konverter ausgestaltet sein. Das Betriebsgerät 2 weist einen Gleichrichter 10 zum Gleichrichten einer Versorgungsspannung, insbesondere einer Netzspannung auf. Das Betriebsgerät 2 weist weiter eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung 11 (PFC-Schaltung) auf, die eine Ausgangsspannung für nachgeschaltete Komponenten des Betriebsgeräts 2 bereitstellt. Diese Ausgangsspannung wird auch als Ausgangsspannung V_OUT der PFC-Schaltung bezeichnet. Eine weitere Spannungsumsetzung und/oder -funktion kann über ein DC-DC Wandler 12, der als LLC-Resonanzwandler ausgestaltet sein kann und/oder einen Ausgangstreiber 13 erreicht werden. Eine Steuereinheit 14 kann verschiedene Steuer- oder Regelfunktionen erfüllen, beispielsweise zur Umsetzung von Dimmbefehlen, die über den Bus 4 betrieben werden.
Die Funktionsweise des Betriebsgeräts mit der PFC-Schaltung 11 wird nun weiter mit Bezugnahme auf die weiteren Figuren beschrieben.
2 zeigt nun ein exemplarisches Beispiel einer PFC-Schaltung 11. Eine Versorgungswechselspannung, beispielsweise die Netzspannung, wird von dem Gleichrichter 10 in eine gleichgerichtete Wechselspannung umgesetzt, die als Eingangsspannung V_IN zwischen einem Eingangsanschluss der PFC-Schaltung 11 und Masse anliegt.
Die Eingangswechselspannung V_IN wird von einem Eingangskondensator C1 gefiltert und einer Induktivität L1a zugeführt, die als Spule ausgebildet sein kann. Die Induktivität L1a ist mit einer Diode D1 zwischen dem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss der PFC-Schaltung 11 in Serie geschaltet. An dem mit einer Ausgangskapazität, bzw. einem Ausgangskondensator C2 gekoppelten Ausgangsanschluss wird eine Ausgangs-Gleichspannung V_OUT bereitgestellt. Die Ausgangs-Gleichspannung V_OUT dient zur Versorgung einer Last, welche durch die die PFC-Schaltung 11 versorgt ist.
Bei der Last kann es sich beispielsweise um einen DC-DC Wandler (Gleichspannung/Gleichspannungswandler) 12 mit einem damit verbundenen Leuchtmittel 3 beziehungsweise ein weiteres Betriebsgerät für ein Leuchtmittel handeln.
An der Verbindung zwischen der Induktivität L1a und der Diode D1 ist ein steuerbarer Schalter S1 angeschlossen, der als steuerbares Schaltmittel dient. Der steuerbare Schalter S1 kann über einen Shunt-Widerstand R4 mit Masse verbunden sein. Der Schalter S1 ist ein steuerbarer, elektronischer Schalter, insbesondere ein Leistungsschalter (beispielsweise Feldeffekttransistor FET oder MOSFET).
Der Schalter wird von einer Steuereinheit SE der PFC-Schaltung 11 ein- und ausgeschaltet, das heißt, in einen leitenden beziehungsweise nichtleitenden Zustand versetzt. Die Steuereinheit SE weist dafür einen entsprechenden Ausgang 27 zum Ansteuern beziehungsweise zur Ausgabe eines Steuersignals auf, mit dem beispielsweise die Gate-Spannung des Schalters S1 gesteuert werden kann.
Im eingeschalteten Zustand des Schalters S1 ist die Induktivität L1a über den Schalter S1 mit Masse verbunden, so dass die Induktivität L1a aufgeladen und Energie in der Induktivität L1a gespeichert wird. Ist hingegen der Schalter S1 ausgeschaltet, also offen bzw. nicht leitend, so entlädt sich die Induktivität L1a über die Diode D1 in den Ausgangskondensator C2. Die in der Induktivität L1a gespeicherte Energie wird also in den Ausgangskondensator C2 übertragen.
Der Schalter S1 wird von der Steuereinheit SE angesteuert. Die Leistungsfaktorkorrektur wird durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des Schalters S1 erzielt, wobei die Schaltfrequenz für den Schalter S1 insbesondere größer ist als die Frequenz der gleichgerichteten Eingangs-Wechselspannung V_IN. Die PFC-Schaltung 11 kann als Buskonverter arbeiten. Die Funktionsweise der Steuereinrichtung wird im Folgenden noch weiter beschrieben.
Die Steuereinheit SE weist weiter einen Eingang 25 auf. Abhängig von einem an dem Eingang 25 empfangenen Eingangssignal kann die Steuereinheit SE den Schalter S1 in den leitenden beziehungsweise nichtleitenden Zustand schalten. Das an dem Eingang 25 empfangene Eingangssignal bestimmt somit die Ausschaltzeitdauer (T_OFF-Zeit), das heißt, die Zeitdauer, während der der Schalter S1 nach dem Schalten in dem Aus-Zustand beziehungsweise im nichtleitenden Zustand bleibt, bevor er wieder in den leitenden Zustand geschaltet wird.
Die Steuereinheit SE kann das an dem Eingang 25 empfangene Eingangssignal mit einem Schwellenwert vergleichen. Dazu kann die Steuereinheit SE beispielsweise einen entsprechenden Komparator umfassen. Abhängig von einem Ergebnis des Schwellenwertvergleichs kann die Steuereinheit SE den Schalter S1 in einen Ein-Zustand schalten. Beispielsweise kann die Steuereinheit SE den Schalter S1 wieder in den leitenden Zustand schalten, wenn das an dem Eingang 25 empfangene Eingangssignal einen Schwellenwert unterschreitet. Die Steuereinheit SE kann so ausgestaltet sein, dass eine Erkennung eines Nulldurchgangs für das an dem Eingang 5 empfangene Eingangssignal durchgeführt wird. Ein erkannter Nulldurchgang kann das Einschalten des Schalters S1 in den Ein-Zustand auslösen.
Die Steuereinheit SE kann weitere Eingänge aufweisen. Beispielsweise kann ein weiterer Eingang 21 mit einem ersten Spannungsteiler mit Widerständen R5, R6 gekoppelt sein, um die Ausgangsspannung V_OUT der PFC-Schaltung 11 zu erfassen. Ein weiterer Eingang 23 kann mit einem zweiten Spannungsteiler mit Widerständen R1, R2 verbunden sein, um die geglättete Eingangsspannung zu erfassen. Die Steuereinheit SE kann so die Einschaltzeitdauer (T_on-Zeit) des Schalters S1 auch abhängig von der Eingangsspannung und/oder der Ausgangsspannung festlegen beziehungsweise steuern. Die Einschaltzeitdauer kann unabhängig von dem Eingangssignal, das an dem Eingang 25 empfangen wird, bestimmt werden. Das Eingangssignal, das an dem Eingang 25 bereitgestellt wird, kann von der Steuereinheit SE zur Bestimmung des Zeitpunkts verwendet werden, an dem der Schalter S1 wieder in den Ein-Zustand geschaltet wird und somit die Ausschaltzeitdauer (T_off-Zeit) festlegen.
Durch das an dem Eingang 25 empfangene Eingangssignal, beziehungsweise abhängig davon, kann die Steuereinheit SE anhand des Schwellenwertvergleichs ein erneutes Schalten des Schalters S1 in einen Ein-Zustand auslösen und auch einen Betrieb im lückenden Betrieb (DCM) erlauben.
Weiter weist die Schaltung eine weitere Messinduktivität L1b auf, insbesondere eine Messwicklung oder Messspule, die über einen Messwiderstand R3 mit dem Eingang 25 der Steuereinheit verbunden ist. Die Induktivität L1b ist dazu vorgesehen, das Ende einer Freilaufphase des Spulenstroms durch die Induktivität L1a zu erkennen. Der an der Messinduktivität L1b erfasste Spulenstrom wird über den Messwiderstand R3 dem Eingang 25 der Steuereinheit SE zugeführt. Erreicht der Strom durch die Induktivität L1a den Wert null, es liegt also ein Nulldurchgang vor, wird der Schalter S1 eingeschaltet, das heißt leitend geschaltet, um Energie in der Induktivität L1a zu speichern. Die Einschaltzeitdauer des Schalters S1 kann, wie gesagt, durch die Ausgangsspannung V_OUT über den Kondensator C2 bestimmt werden, die an dem ersten Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen R5, R6 erfasst wird. Dieser Spannungswert wird der Steuereinheit an Eingang 21 zugeführt.
Weiter kann die Einschaltzeitdauer des Schalters S1 von der aktuellen Versorgungsspannung V_IN abhängen, die an dem zweiten Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen R1 und R2 gebildet ist.
Ist der Schalter S1 geschlossen, steigt der Strom I_L1 durch die Induktivität L1a linear an aufgrund des Induktivitätsverhaltens. Wird der Schalter S1 jedoch geöffnet, das heißt nicht leitend geschaltet, wird der Strom durch die Induktivität L1a über die Diode D1 zu der Kapazität C2 getrieben, die hierdurch geladen wird. Während dieser Zeit fällt der Strom durch die Induktivität L1a linear auf null ab, was an dem Eingang 25 der Steuereinheit SE erkannt werden kann. Der Schalter S1 würde daher durch Ansteuerung über den Ausgang 27 der Steuereinheit SE entsprechend angesteuert und wieder eingeschaltet.
Exemplarische Signalverläufe sind in 3 gezeigt für Ein- und Ausschaltphasen 36, 37 des Schalters S1. Hier wird insbesondere der Stromverlauf I_L1 an der Induktivität L1a exemplarisch gezeigt (mitte) und ebenfalls die in der Messinduktivität L1b induzierte Spannung U_IN. Das Eingangssignal am Eingang 25 ist also abhängig vom Spulenstrom I_L durch die Induktivität L1a und erlaubt die Detektion von Nulldurchgängen des Spulenstroms. Die Steuereinheit SE kann über den Ausgang 27 ein Steuersignal zum Steuern des Schalters S1 ausgeben, das bei 31 dargestellt ist. Das erfasste Signal ist beispielsweise proportional zu einer Zeitableitung des Spulenstroms durch die Induktivität L1a.
Wenn der Schalter S1 in den Ein-Zustand geschaltet wird, steigt der Spulenstrom 33 an. Entsprechend weist das Eingangssignal 32 am Eingang 25 der Steuereinheit SE einen ersten Wert auf. Wenn nach der Einschaltzeitdauer 36 der Schalter S1 wieder in den Aus-Zustand geschaltet wird, wird Energie aus der Induktivität L1a in den Ausgangskondensator C2 übertragen. Der Spulenstrom 33 sinkt entsprechend ab. Der Abfall des Spulenstroms 33 führt dazu, dass das Eingangssignal 32 am Eingang 25 der Steuereinheit SE einen zweiten Wert aufweist. Ein Abfall des Spulenstroms auf null oder einen anderen, kleineren Schwellenwert kann erkannt werden, indem das Eingangssignal 32 mit einem Schwellenwert 34 verglichen wird. Das Erreichen des Schwellenwerts 34 wird als Zeitpunkt T_zx für einen Nulldurchgang erkannt. Als Antwort darauf schaltet die Steuereinheit SE den Schalter S1 wieder in den Ein-Zustand. Die Ausschaltzeitdauer 37, das heißt die Zeitdauer, in der der Schalter S1 nicht leitend geschaltet ist, ist so gewählt, dass ein Betrieb an der Grenze zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Stromfluss (nicht-lückendem Betrieb und lückendem Betrieb) durch die Induktivität L1a erfolgt.
Die Steuereinheit SE kann nun den Betrieb der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 11 an unterschiedliche Lasten und/oder Dimmlevel anpassen, in dem beispielsweise die Einschaltzeitdauer 36 angepasst wird. Dabei kann bei kleiner werdenden Lasten und/oder kleineren Dimmleveln, die Einschaltzeitdauer 36 auf einen zulässigen Minimalwert verringert werden. Bei Erreichen des Minimalwerts kann ein Übergang in den DCM-Betriebsmodus (lückender Betrieb) eingeleitet werden.
Da die Steuereinheit SE dazu eingerichtet ist, in dem Grenzbetrieb (BCM) zu arbeiten, ist der verfügbare Leistungsbereich begrenzt. Je kleiner die an die PFC-Schaltung 11 angeschlossene Last ist, desto kürzer wird die Einschaltzeitdauer T_ON des Schalters S1 gewählt. Dies erfolgt so lange, bis die minimale Einschaltzeitdauer für den Schalter S1 erreicht ist. Selbst diese minimale Einschaltzeitdauer ist jedoch ausreichend groß, um die Ausgangskapazität C2 am Ausgang der PFC-Schaltung 11 zu laden und so die Spannung V_OUT zu erhöhen.
Wird nun ein bestimmter Spannungswert erreicht, so schaltet die Steuereinheit SE den Schalter S1 aus, bis die Ausgangsspannung V_OUT unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt. Dies erfolgt im Zuge eines Überspannungsschutzes. Dies resultiert in dem sogenannten „Burstmode”, bei dem die Ausgangskapazität C2 jeweils bis in den Bereich des Überspannungsschutzes geladen wird und ein Laden der Ausgangskapazität C2 dann verhindert wird. Somit ergibt sich am Ausgang der PFC-Schaltung 11 ein Hochspannungsrippel mit einer Wiederholungsrate von möglicherweise wenigen Sekunden.
Um nun einen den „Burst”-Modus zu vermeiden, muss die durch die PFC-Schaltung 11 übertragene Energie begrenzt werden. Die Erfindung erlaubt es nun insbesondere, die Einschaltzeitdauer des Schalters S1 bei einem bestimmten Wert der Eingangsspannung V_IN beziehungsweise der geglätteten Netzspannung V_{IN_S} so zu begrenzen, dass weniger Energie übertragen wird. Dies erlaubt eine höhere Energieübertragung während der Arbeitszeit und deshalb längere Einschaltzeitdauern des Schalters S1.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist nun in 4 gezeigt, die eine erfindungsgemäße Signalverarbeitungseinheit SVE aufweist (Komponenten in dem gestrichelten Bereich). Mit Blick auf 2 bereits beschriebene Komponenten sind entsprechend bezeichnet. Wie in 4 zu erkennen, ist als Teil der Signalverarbeitungseinheit SVE ein dritter Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen R7 und R8 zwischen dem Eingangskondensator C1 und dem zweiten Spannungsteiler vorgesehen.
An einem Mittenpunkt des dritten Spannungsteilers ist eine Zenerdiode Z1 vorgesehen, die mit ihrer Katode an dem Mittenpunkt verbunden ist. Die Anode der Zenerdiode ist mit der Basis eines Transistors Q1 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q1 ist über einen Verbindungswiderstand R9 mit der Basis eines zweiten Transistors Q2 verbunden, während der Emitter des Transistors Q1 mit einem weiteren Potenzial, insbesondere Masse verbunden ist. In dem Pfad zwischen Emitter des Transistors Q1 und Masse kann ein Offset-Widerstand R_OFF vorgesehen sein, der in 4 gepunktet eingezeichnet ist. Hierdurch kann ein Potenzial definiert werden, das bei Aktivierung des Transistors Q1 eingestellt wird. Der Verbindungswiderstand R9 ist mit der Basis des zweiten Transistors Q2 verbunden, dessen Emitter mit einer Spannungsquelle beziehungsweise einem Potenzial einer Spannungsquelle verbunden ist. Hierbei handelt es sich insbesondere um die Steuereinheit-Versorgungsspannung VCC. Der Kollektor des zweiten Transistors Q2 ist hingegen über eine zweite Diode D2 in Durchlassrichtung mit dem Eingang 25 der Steuereinheit SE verbunden.
Liegt nun an dem Widerstand R8 des dritten Spannungsteilers eine definierte Spannung an (diese durch Dimensionierung der Widerstände R8, R9 des dritten Spannungsteilers eingestellt werden) und übersteigt diese definierte Spannung die Durchbruchsspannung der Zenerdiode und die Basis-Emitter-Spannung des ersten Transistors Q1, so wird der Pfad zwischen dem Kollektor und dem Emitter des ersten Transistors Q1 leitend. Leitet der erste Transistor Q1, so wird auch der zweite Transistor Q2 leitend und der Nulldurchgangserkennungseingang 25 der Steuereinheit SE wird mit dem Potenzial VCC verbunden. In der Folge kann die Steuereinheit SE keinen Nulldurchgang des Stroms I_L1 durch die Induktivität L1a beziehungsweise eine Freilaufphase der Induktivität L1a bestimmen und die Steuereinheit SE wird den Schalter S1 nicht einschalten.
Da folglich die PFC-Schaltung 11 bei Spitzenwerten der Spannung beziehungsweise bei Spannungswerten der elektrischen Versorgungsspannung über einen Schwellenwert ausgeschaltet ist, muss die Einschaltzeitdauer des Schalters S1 während der aktiven Phase der PFC-Schaltung 11 erhöht werden, um einen ausreichenden Leistungstransfer zu gewährleisten. Hierdurch wird jedoch der „Burstmode” der PFC-Schaltung 11 verhindert. Die Transistoren Q1, Q2 sin also spannungsgesteuerte Schalter.
5 zeigt eine entsprechende exemplarische Darstellung des Spannungsverlaufs durch den Eingangskondensator C1 (oben) und des Stromverlaufs durch die Induktivität L1a (unten). Ebenfalls ist die Abschaltschwelle THR der PFC-Schaltung 11 durch eine gestrichelte Linie eingezeichnet. Dieser Schwellenwert THR entspricht folglich dem Spannungswert, an dem der erste Transistor Q1 leitend geschaltet wird. Es wird also in zeitlichen Bereichen, in denen die Amplitude der Netzspannung über dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, die Amplitude des Messsignals, das der Steuereinheit SE zugeführt ist, derart verändert, dass sich während der zeitlichen Bereiche eine verringerte Leistungsaufnahme der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ergibt. Oben ist die Spannung V_C1 an dem Eingangskondensator C1 aufgetragen, wie sie an dem dritten Spannungsteiler erfasst wird. Bei Überschreiten des Schwellenwertes THR, d. h. ab dem Zeitpunkt ab dem der Transistor Q1 schaltet, wird die PFC-Schaltung deaktiviert. Ein resultierender Verlauf des Stroms I_L1 durch die Spule L1a ist unten aufgetragen.
Allgemein wird also im Bereich der Spitzenwerte der elektrischen Versorgungsspannung, insbesondere der gleichgerichteten Netzspannung, selektiv die Stromerfassung am Eingangssignal der Steuereinheit SE verändert. Insbesondere kann in diesem Bereich, das heißt, in dem Bereich oberhalb des Schwellenwerts, bzw. im Bereich des Scheitels der Versorgungsspannung das an dem Eingang 25 der Steuereinheit SE zugeführte Stromerfassungssignal so nach oben verschoben werden, dass in dem seitlichen Bereich der Spitzenwerte der gleichgerichteten Netzspannung, die Steuereinheit keinen Nulldurchgang des Spulenstroms durch die Induktivität L1a erfassen kann. Hierdurch wird eine Art lückender Betrieb (discontinuos conduction mode, DCM) durch Manipulation des von der Messinduktivität Lb1 zugeführten Signals im Bereich der Spitzen der Netzspannung erzielt. Der dem lückenden Betrieb zumindest ähnliche Betrieb kann dabei einen 100 Hz-Rhythmus aufweisen.
Das selektive Deaktivieren der PFC-Schaltung 11 kann jedoch zu einem erhöhten 100 Hz-Rippel führen, der unter Umständen akustisch wahrnehmbar sein kann. In einer weiteren Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, wird nunmehr nicht mehr ein der Steuereinheit SE zugeführtes Stromsignal verändert, sondern das die geglättete Netzspannung V_{IN_S} wiedergebende Signal, das an dem zweiten Spannungsteiler erfasst wird, wird verändert.
Bekanntlich erfasst die Steuereinheit SE die Netzspannung so, dass die Energieaufnahme durch die PFC-Schaltung 11 den Sinusverlauf der elektrischen Versorgungsspannung nachbilden kann. Die Einschaltzeitdauer des Schalters S1 wird insbesondere länger gewählt, je höher die aktuelle Amplitude der Netzspannung V_IN beziehungsweise der elektrischen Versorgungsspannung ist.
6 zeigt nun eine Ausführungsform der Erfindung, die in weiten Teilen der Schaltung aus 4 entspricht. Gleiche Schaltungsteile sind entsprechend gleich bezeichnet. Im Wesentlichen ist lediglich die Signalverarbeitungseinheit SVE' anders ausgestaltet.
Wie aus 6 ersichtlich, ist wieder ein dritter Spannungsteiler mit den Widerständen R7', R8' vorgesehen, der zwischen dem Eingangskondensator C1 und dem zweiten Spannungsteiler aus den Widerständen R1, R2 vorgesehen ist. An einem Mittenpunkt des dritten Spannungsteilers ist wie in 4 eine Zenerdiode Z1' vorgesehen, die mit der Basis eines Transistors Q1' verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Q1' ist dabei mit einem Mittenpunkt des zweiten Spannungsteilers verbunden und somit mit dem Eingang 23 der Steuereinheit SE. Der Emitter des Transistors Q1' ist mit einem definierten Potenzial verbunden, insbesondere mit Masse. Jedoch kann vorgesehen sein, dass in dem Verbindungszweig zwischen Emitter und Masse ein weiterer Offset-Widerstand R_OFF' angeordnet ist, der gewählt sein kann, um ein entsprechendes Potenzial einzustellen. Der optionale Offset-Widerstand R_OFF' ist in der 6 gepunktet dargestellt.
Steigt nun die an dem Mittenpunkt des dritten Spannungsteilers definierte Spannung an (diese kann durch entsprechende Dimensionierung der Widerstände R7' und R8' eingestellt werden) und entspricht folglich die Spannung an dem Widerstand R8' der Durchbruchsspannung der Zenerdiode Z1 plus der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q1, beziehungsweise überschreitet sie diese, so wird der Pfad zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors Q1 leitend. Dadurch wird der Eingang 23 der Steuereinheit SE wird mit Masse beziehungsweise dem definierten Potenzial verbunden. Insbesondere wird der potenzialniedrigere Widerstand R2 des zweiten Spannungsteilers überbrückt. Hierdurch sinkt die an dem Eingang 23 der Steuereinheit SE erkannte Spannung auf null ab. Die Steuereinheit SE kann das am Eingang empfangene Signal zur Bestimmung der Einschaltzeitdauer des Schalters S1 bestimmen. Die Einschaltzeitdauer des Schalters S1 wird daher auf ein Minimum reduziert.
Die Signalverarbeitungseinheit SVE' manipuliert nun also die Erfassung der elektrischen Versorgungsspannung dahingehend, dass bei hohen Amplituden der elektrischen Versorgungsspannung eine niedrigere Netzspannungsamplitude an der Steuereinheit SE erkannt wird. Dies erfolgt dadurch, dass selektiv der zweite Spannungsteiler und insbesondere der Widerstand R2 des zweiten Spannungsteilers kurzgeschlossen wird, indem der Mittenpunkt und damit das Signal am Eingang 23 der Steuereinheit SE über den Transistor Q1 kurzgeschlossen wird. Da nun an der Steuereinheit SE statt einer hohen Amplitude der elektrischen Versorgungsspannung eine relativ niedrige Amplitude erkannt wird, wird die Einschaltzeitdauer (T_on-Zeit) auf einen Minimalwert eingestellt.
Der Vorteil gegenüber der Anordnung aus 4 besteht dann darin, dass im Bereich der hohen Spannungsamplituden nicht das Schalten des PFC-Schalters S1 komplett deaktiviert wird. Vielmehr erfolgt ein Schalten bei minimaler Einschaltzeitdauer (T_on-Zeit).
Da insgesamt die Energieübertragung durch die eigentlich zu geringe Energieübertragung im Bereich der hohen Amplituden verringert werden würde, kompensiert die Steuereinheit SE beziehungsweise ein Regelalgorithmus, der in der Steuereinheit SE implementiert ist, und dem die Ausgangsspannung der PFC-Schaltung 11 zugeführt wird, diese geringere Energieübertragung dadurch, dass zur Vermeidung eines Absinkens der Busspannung die Einschaltzeitdauer außerhalb der hohen Spannungsamplituden erhöht wird.
7 veranschaulicht einen entsprechenden Signalverlauf. Im oberen Teil ist einerseits die Spannung V_C1 an dem Eingangskondensator C1 aufgetragen, wie sie an dem dritten Spannungsteiler erfasst wird. V_R2 stellt die Spannung an dem Wiederstand R2 des zweiten Spannungsteilers dar. Bei Überschreiten des Schwellenwertes THR, d. h. ab dem Zeitpunkt ab dem der Transistor Q1' schaltet, fällt die Spannung VR2 auf null. Ein entsprechender Verlauf des Stroms I_L1 durch die Spule L1a ist unten aufgetragen.
Ganz allgemein ist die Idee gemäß diesem Aspekt der Erfindung, dass im Bereich der Netzspannungsspitzen, also immer dann wenn die Netzspannung einen vorgegebenen Schwellenwert THR überschreitet, das Rückführmesssignal für die Netzspannung gezielt verringert wird.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird tatsächlich ein Nulldurchgang der Netzspannung vorgetäuscht, indem der Widerstand R2 des Widerstandsteilers kurzgeschlossen wird. Alternativ kann der Emitter nicht auf Massepotential, sondern über einen weiteren Widerstand R_OFF, R_OFF' auf Masse geführt werden. Somit würde der Steuereinheit SE an dem Eingang 23 nicht ein Nulldurchgang, sondern nur eine verringerte Netzspannungsamplitude größer als Null vorgespielt werden. Dies führt dazu, dass die Steuereinheit SE dann nicht die minimale Ton-Zeit für den Nulldurchgang einstellen wird, sondern eine verringerte, aber eben nicht die minimale Ton-Zeit, was dazu führt, dass die Sprünge zwischen dem Aktivieren/Deaktivieren der PFC-Schaltung hinsichtlich der Ton-Zeit weniger drastisch ausfallen, was weiterhin Vorteile hinsichtlich des 100 Hz-Rippels und akustischer Störungen hat.
Der weitere Widerstand R_OFF, R_OFF' kann auch am Kollektor des Schalters Q1, Q1' verschaltet werden. Insgesamt wird die Parallelschaltung des Widerstands R2 mit dem wenigstens einen weiteren zugeschalteten parallelen Widerstand R_OFF, R_OFF' im Zweig des Transistors Q1, Q1' den Widerstandsteiler derart verändern, dass das Signal am Eingang 23 der Steuereinheit SE des PFCs eine niedrigere Netzspannung als tatsächlich aktuell anliegend vorspielt.
Da dadurch die Verzerrung der Regelung des PFCs in Sachen optimalem Leistungsfaktor verschlechtert wird, kann das Aktivieren der oben genannten Funktion auf geringe Lastbereiche, d. h. insbesondere bei einem Herabdimmen der angeschlossenen Leuchtmittelstrecke, beschränkt werden.

Claims

Betriebsgerät für Leuchtmittel (3), insbesondere wenigstens eine LED, aufweisend: – eine ausgehend von einer Netzspannung (V_IN) versorgte aktive Leistungsfaktorkorrekturschaltung (11) mit einem durch eine Steuereinheit (SE) angesteuerten getakteten Schalter (S1), wobei – das Betriebsgerät (2) die Steuereinheit (SE) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Taktung des Schalters (S1) abhängig von einem zugeführten Messsignal durchzuführen, sowie eine Signalverarbeitungseinheit (SVE, SVE'), die in zeitlichen Bereichen um den Scheitel der Netzspannung (V_IN) herum, bspw. in zeitlichen Bereichen, in denen die Amplitude der Netzspannung (V_IN) über einem vorgegebenen Schwellenwert (THR) liegt, die Amplitude des Messsignals derart verändert, dass sich während dieser zeitlichen Bereiche eine durch die sich somit ergebende Taktung des Schalters (S1) verringerte Leistungsaufnahme der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (11) ergibt.
Betriebsgerät nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinheit (SVE, SVE') die Leistungsfaktorkorrekturschaltung (11) selektiv deaktiviert und/oder aktiviert.
Betriebsgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Messsignal einen Verlauf einer Netzspannung (V_IN) wiedergibt und/oder ein von der Netzspannung (V_IN) abgeleitetes Signal ist.
Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Messsignal einen Strom durch eine Spule (L1a) der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (11) widergibt.
Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Messsignal der Steuereinheit (SE) von einem Spannungsteiler (R1, R2) und/oder einem Strommesswiderstand (R3) zugeführt ist.
Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (SVE, SVE') das Messsignal verändert, und insbesondere einen Pegel eines Messsignals anhebt, insbesondere bis die Netzspannung (V_IN) einen zweiten Schwellenwert unterschreitet.
Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Messsignal ein Stromrückführsignal ist, das von einer Messwicklung an einer Induktivität (L1b) der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (11) der Steuereinheit (SE) zugeführt ist.
Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Netzspannung (V_IN) eine gleichgerichtete Wechselspannung ist.
Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Schwellenwert (THR) gleich dem zweiten Schwellenwert ist.
Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (SVE, SVE') dazu eingerichtet ist, bei Erreichen des Schwellenwertes (THR) einen Eingang der Steuereinheit (SE) mit einem bestimmten Potential zu verbinden.
Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (SVE, SVE') einen weiteren Schalter (Q1) aufweist, der leitend schaltet, wenn die Netzspannung (V_IN) den Schwellenwert (THR) erreicht, und nicht-leitend schaltet, wenn der zweite Schwellenwert erreicht wird.
Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (SVE, SVE') insbesondere bei leitendem weiteren Schalter (Q1) einen Widerstand des Spannungsteilers (R1, R2) überbrückt.
Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (SVE, SVE') einen noch weiteren Schalter (Q1) aktiviert, der einen Eingang der Steuereinheit (SE) mit einer definierten Spannung, insbesondere einer Steuereinheit-Versorgungsspannung (VCC) verbindet.
Leuchte oder Lampe mit einem Betriebsgerät nach einem der vorgehenden Ansprüche sowie mit wenigstens einem Leuchtmittel.
Verfahren zum Betreiben eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel (3), insbesondere wenigstens einer LED, aufweisend eine ausgehend von einer Netzspannung (V_IN) versorgte aktive Leistungsfaktorkorrekturschaltung (11) mit einem durch eine Steuereinheit (SE) angesteuerten getakteten Schalter (S1), wobei das Betriebsgerät (2) die Steuereinheit (11) aufweist, die die Taktung des Schalters (S1) abhängig von einem zugeführten Messsignal durchführt, sowie eine Signalverarbeitungseinheit (SVE, SVE'), die in zeitlichen Bereichen um den Scheitel der Netzspannung (V_IN) herum, bspw. in zeitlichen Bereichen, in denen die Amplitude der Netzspannung (V_IN) über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, die Amplitude des Messsignals derart verändert, dass sich während dieser zeitlichen Bereiche eine durch die sich somit ergebende Taktung des Schalters (S1) verringerte Leistungsaufnahme der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (11) ergibt.