DE102015114324A1

DE102015114324A1 - Präzise Amplitudendimmen der LEDs

Info

Publication number: DE102015114324A1
Application number: DE102015114324.0A
Authority: DE
Inventors: Leslaw Beigert
Original assignee: Bag Electronics GmbH
Current assignee: Bag Electronics GmbH
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorschalteinrichtung zum Betrieb einer Leuchtmittel-Einrichtung, insbesondere einer LED-Einrichtung, umfassend eine Schaltreglerschaltung zur Regelung des Stromes durch die Leuchtmittel-Einrichtung umfassend lastseitig zumindest eine Drossel, eine Diode und ein als Schalter betriebenes Halbleiterbauelement, wobei die Schaltreglerschaltung eingangsseitig an eine Versorgungsspannung und ausgangsseitig an die Leuchtmitteleinrichtung anschließbar ist; einen Steuereingang zur Aufnahme eines, einem Dimmpegel zugeordneten, externen Steuersignals; eine Einrichtung zur Erfassung des durch die Leuchtmittel-Einrichtung fließenden Stroms; eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Schaltzustandes des Halbleiterbauelements in einer Schaltreglerbetriebsphase in Abhängigkeit des erfassten Leuchtmittel-Stromes und des Dimmpegels, wenn der Dimmpegel innerhalb eines vorgegebenen Dimmpegelbereichs liegt. Die erfindungsgemäße Vorschalteinrichtung zeichnet sich dadurch aus, das die Steuereinrichtung eingerichtet ist, in einer Längsreglerphase das Halbleiterbauelement als einstellbarer Widerstand einer, die Leuchtmitteleinrichtung speisenden Längsreglerschaltung zur Regelung des Leuchtmittel-Stroms anzusteuern, wenn der dem äußeren Steuersignal zugeordnete Dimmpegel kleiner als die Dimmpegel des vorgegebenen Dimmpegelbereichs ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorschalteinrichtung zum Betrieb einer Leuchtmitteleinrichtung, insbesondere eine LED-Einrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorschalteinrichtung.
Derartige Vorschalteinrichtungen sind auf dem Gebiet wohlbekannt zur Einstellung der Helligkeit der Leuchtmitteleinrichtung wie beispielsweise einer LED-Einrichtung und vergleichsweise verlustarm und unempfindlich bei Schwankungen in der Versorgungsspannung. Eine solche herkömmliche Vorschalteinrichtung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 100 66 459 A1 offenbart. Dabei kann ein externes Steuersignal zur Festlegung des Dimmpegels auf der Grundlage eines Lichtsensorsignals, eines Potentiometers oder auch in Form eines externen, digitalen Steuersignals der Vorschalteinrichtung zugeführt werden. Solche herkömmlichen Vorschalteinrichtungen eignen sich insbesondere für das Dimmen von LED-Einrichtungen im Bereich von 100% bis 10% des jeweiligen Nennstromes der Leuchtmittel-Einrichtung. In vielen Anwendungen besteht jedoch auch der Bedarf, einen größeren Dimmbereich zum Betrieb des jeweiligen Leuchtmittels bereitzustellen. Die US 7 759 881 B1 beschreibt hierzu eine LED-Vorschalteinrichtung, welche bei großen Helligkeiten bzw. Dimmpegel den Strom der LEDs in seiner Amplitude an den Dimmpegel anpasst, wobei in Falle von niedrigen Helligkeiten bzw. Dimmpegel der LED-Strom PWM-moduliert und die Amplitude auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine herkömmliche Vorschalteinrichtung zum Betrieb einer Leuchtmitteleinrichtung, insbesondere eine LED-Einrichtung bereitzustellen, die einen großen Dimmbereich umfasst und einem geringen schaltungstechnischen Aufwand bedarf.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch eine Vorschalteinrichtung bereitgestellt mit einer Schaltreglerschaltung zur Regelung des Betriebsstroms durch die Leuchtmittel-Einrichtung, umfasst lastseitig zumindest eine Drossel, eine Diode und einen als Schalter betriebenes Halbleiterbauelement, wobei die Schaltreglerschaltung eingangsseitig an eine Versorgungspannung und ausgangsseitig an die Leuchtmitteleinrichtung anschließbar ist, ferner aufweisend einen Steuereingang zur Aufnahme eines externen Steuersignals, das einem Dimmpegel zuordenbar ist, eine Einrichtung zur Erfassung des durch die Leuchtmittel-Einrichtung fließenden Stroms sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Schaltzustandes des Halbleiterelementes in einer Schaltreglerbetriebsphase in Abhängigkeit des erfassten Leuchtmittel-Stroms und des Dimmpegels, wenn der Dimmpegel innerhalb eines vorgegebenen Dimmpegelbereichs liegt. Die erfindungsgemäße Vorschalteinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, in einer Längsreglerphase das Halbleiterbauelement als einstellbarer Widerstand einer, die Leuchtmitteleinrichtung speisenden Längsreglerschaltung zur Regelung des Leuchtmittel-Stroms anzusteuern, wenn der dem äußeren Steuersignal zugeordnete Dimmpegel kleiner als die Dimmpegel des vorgegebenen Dimmpegelbereichs ist. Die Längsreglerschaltung kann dabei lastseitig eine elektrische Reihenanordnung der Drossel und des Halbleiterbauelements umfassen.
Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung das Halbleiterbauelement, das innerhalb eines vorgegebenen Dimmpegelbereichs mit hohen Dimmpegeln in einer Schaltreglerschaltung als Schalter, insbesondere als Schalttransistor, zur Regelung des Laststroms verwendet wird, und bei niedrigen Dimmpegeln in einer Längsreglerschaltung zur Regelung des Laststroms als steuerbarer Widerstand angesteuert wird, kann der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung wesentlich vereinfacht werden. Die erfindungsgemäße Vorschalteinrichtung eignet sich somit insbesondere zum Amplitudendimmen einer LED-Einrichtung über den gesamten Dimmbereich, beispielsweise 100% bis 1% des Nennstroms der jeweiligen LED-Einrichtung. Dabei kann eine aus der Vielzahl der bekannten Schaltreglerschaltungen zur Anwendung kommen, beispielsweise ein Hochsetzsteller oder auch ein Tiefsetzsteller. Das in dieser Schaltreglerschaltung eingesetzte Halbleiterbauelement wird dabei je nach Betriebsart, die durch den Dimmpegel festgelegt wird, als reiner Ein-Aus-Schalter in der Schaltregler-Betriebsart und als einstellbarer Widerstand in der Längsregler-Betriebsart angesteuert.
Die Einrichtung zur Erfassung des durch die Leuchtmittel-Einrichtung fließenden Betriebsstroms, insbesondere des LED-Stromes, kann durch einen elektrisch in Reihe zur Leuchtmittel-Einrichtung angeordneten Sensorwiderstand, dessen Spannung abgetastet wird, bereitgestellt werden. Der Steuereingang zur Aufnahme eines Steuersignals kann beispielsweise ein Lichtsensorsignal zur Angabe des Umgebungslichtes oder ein Potentiometersignal aufnehmen, das jeweils intern einem Dimmpegel zuordenbar, d.h. assoziiert ist. Darüber hinaus kann dieser Steuereingang zur Aufnahme eines externen Steuersignals auch eingerichtet sein, ein derartiges analoges oder digitales Steuersignal aufzunehmen, dass Information über den Dimmpegel trägt.
Weitere erfindungsgemäße Weiterbildungen und Merkmale sind in der nachfolgenden allgemeinen Beschreibung, der Figurenbeschreibung, den Figuren sowie in den Unteransprüchen angegeben.
Um den Schaltungsaufbau der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung weiter zu vereinfachen, kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung ein Steuerbauteil zur Steuerung der Schaltreglerschaltung, insbesondere in Form eines Steuer- und Regel-ICs aufweist, das ausgangsseitig mit einem Steuereingang des Halbleiterbauelements zum Steuern von dessen Schaltzustand verbunden ist, wobei das Steuerbauteil einen ersten Eingangsanschluss aufweist, der mit dem Ausgang einer Sensoreinrichtung zur Erfassung des durch die Leuchtmittel-Stroms verbunden ist und einen zweiten Eingangsanschluss, an welchem ein vom Dimmwert abhängiges Sollwertsignal anliegt. Die Steuerung der Schaltreglerphase der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung kann insofern von einem zugeordneten und in Bezug auf seine Funktionalitäten optimierten Steuerbauteil gesteuert werden.
Um die einzelnen Betriebsphasen, Schaltreglerphase und Längsreglerphase bei der Verwendung eines spezifischen Steuerbauteils wie eines ICs zur Regelung des Laststroms durch die Leuchtmitteleinrichtung in der Schaltreglerphase determiniert zu trennen bzw. einen vorgegebenen Übergang zwischen den beiden Phasen bereitzustellen, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass das Steuerbauteil über einen weiteren Eingangsanschluss zum Ein- bzw. Ausschalten ansteuerbar ist. Diese Schaltung des Steuerbauteils kann beispielsweise durch eine übergeordnete Steuerung, insbesondere einen Controller durchgeführt werden.
Um bei den Dimmpegeln, insbesondere bei niedrigen Dimmpegeln, d.h. innerhalb der Längsreglerphase der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung, eine hohe Dimmpegelauflösung bzw. entsprechend eine hohe Leuchtmittel-Stromauflösung bereitzustellen, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist zur Ausgabe eines ersten Pulsweitenmodulations-Signals und zumindest eines zweiten Pulsweitenmodulations-Signals, wobei der Tastgrad des ersten und/oder des zweiten PWM-Signals in Abhängigkeit des externen Steuersignals bzw. Dimmpegels eingestellt ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest in bestimmten Betriebszuständen der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung, insbesondere in der Längsreglerphase, zur Festlegung eines Leuchtmittel-Strom-Sollwertes bzw. eines diesen Strom-Sollwert angebenden Steuersignals, eines der PWM-Signale verwendet wird, um das andere PWM-Signal umzuwandeln. Beispielsweise können zwei PWM-Signale zur Festlegung bzw. Erzeugung eines Leuchtmittel-Strom-Sollwertes gemischt werden.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Taktfrequenz der beiden PWM-Signale zumindest in einer oder auch in beiden Betriebsphasen Schaltreglerphase und Längsreglerphase fest, d.h. unveränderlich ist. Die Taktfrequenzen der beiden PWM-Signale können unterschiedlich eingestellt sein. Beispielsweise kann die Taktfrequenz des ersten PWM-Signals zumindest das Fünffache, insbesondere zumindest das Achtfache der Taktfrequenz des zweiten PWM-Signals betragen.
Die Kopplung bzw. Mischung beider PWM-Signale kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass das erste PWM-Signal tiefpassgefiltert am Eingang eines durch das zweite PWM-Signal gesteuerten, elektronischen Zerhackers anliegt. Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass der Ausgang des Zerhackers mit dem Eingang eines Tiefpassfilters verbunden ist, an dessen Ausgang ein dem Sollstrom durch die Leuchtmitteleinrichtung zugeordnetes bzw. angebendes Signal abgebbar ist. Dieses Signal kann zweckmäßigerweise als Sollgröße für die Regelung des durch die Leuchtmittel-Einrichtung fließenden Stroms in der Schaltreglerphase und/oder der Längsreglerphase verwendet werden, sodass mit der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung ein hochaufgelöstes Amplitudendimmen bei hohen und/oder niedrigen Dimmpegeln bereitgestellt werden kann.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass der elektronische Zerhacker ausgeschaltet, d.h. nicht über das zweite PWM-Signal zum Ein- und Ausschalten angesteuert ist, wenn das externe Signal einem Dimmpegel zugeordnet bzw. assoziiert ist, der innerhalb des vorbestimmten Dimmpegelbereichs liegt. Auf diese Weise kann der Sollwert in der Schaltreglerphase durch herkömmliche Weise mit dem Einstellen des Tastgrades eines einzelnen und tiefpassgefilterten PWM-Signals eingestellt werden. Sobald der einzustellende Dimmpegel außerhalb des vorgegebenen Dimmpegelbereichs liegt und somit in die Längsreglerphase gewechselt wird, kann zweckmäßigerweise über den durch das zweite PWM-Signal gesteuerte Zerhacker das tiefpassgefilterte erste PWM-Signal hochaufgelöst heruntergesetzt werden. Dabei kann in dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass in der Längsreglerphase das erste PWM-Signal unveränderlich ist.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, den jeweiligen Tastgrad beider PWM-Signale in gleicher Weise, insbesondere nach einer mathematischen Funktion abhängig vom Dimmpegel einzustellen. Beispielsweise kann der Tastgrad beider PWM-Signale entsprechend dem Dimmpegel eingestellt sein, z.B. bei einem Dimmpegel von 50 %, ein Tastgrad von 50%.
Die Schwelle, an welcher von der Schaltreglerphase in die Längsreglerphase bei der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung gewechselt wird, kann insbesondere von der Verwendung des jeweiligen Leuchtmittels abhängig gemacht werden. Zweckmäßigerweise kann für viele LEDs der vorgegebene Dimmpegelbereich zwischen 100% und einer unteren Dimmpegelschwelle von beispielsweise etwas über 10% eines Nennstrompegels der Leuchtmittel-Einrichtung eingestellt werden. Entsprechend kann das Halbleiterbauelement als einstellbarer Widerstand in der Längsreglerschaltung angesteuert werden, wenn das externe Steuersignal einem Dimmpegel zugeordnet bzw. assoziiert ist, der innerhalb eines zweiten Dimmpegelbereichs liegt, der insbesondere zwischen einem Wert etwa 10% und etwa 1% eines vorgegebenen Nennstrompegels der Leuchtmittel-Einrichtung liegt. Zweckmäßigerweise gehen die beiden angegebenen Dimmpegelbereiche lückenlos ineinander über, sodass für den Betrachter nicht erkennbar ist, wenn von der Schaltreglerphase in die Längsreglerphase gewechselt wird.
Zweckmäßigerweise kann die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung einen Controller, insbesondere in Form eines µControllers aufweisen, welcher die Längsreglersteuerung des Halbleiterbauelements, d.h. diesen als veränderbarer Widerstand steuert, wenn das externe Signal einem Dimmpegel zugeordnet bzw. assoziiert ist, der unterhalb des vorgegebenen Dimmpegelbereichs liegt. In dieser Ausführungsform kann der Controller auch eingerichtet sein, das obenstehend beschriebene Steuerbauteil zur Steuerung der Schaltreglerphase auszuschalten, wenn das externe Signal einem Dimmpegel zugeordnet bzw. assoziiert ist, der unterhalb des vorgegebenen Dimmpegelbereichs liegt, d.h. die erfindungsgemäße Vorschalteinrichtung in der Längsreglerphase betrieben wird. In ähnlicher Weise kann der Controller eingerichtet sein, das obenstehend beschriebene Steuerbauteil zur Steuerung der Schaltreglerphase einzuschalten, wenn das externe Signal einem Dimmpegel zugeordnet bzw. assoziiert ist, der innerhalb des vorgegebenen Dimmpegelbereichs liegt
Zum Aufbau der Regelstrecke in der Längsreglerphase kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass der Ausgang der Sensoreinrichtung zur Erfassung des Leuchtmittel-Stromes mit dem Eingang eines einstellbaren Verstärkers verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Eingang eines Differenzverstärkers gekoppelt ist, wobei an einem weiteren Eingang des Differenzverstärkers ein dem Sollwert des Laststromes zugeordnetes bzw. assoziiertes Steuersignal anliegt und der Ausgang des Differenzverstärkers an dem Steuereingang des Halbleiterbauelementes angeschlossen ist. Damit kann das insbesondere bei kleinen Leuchtmittel-Strompegeln geringe Sensorsignal verstärkt und dann mit dem Sollwert verglichen werden zur Längsregelung des Laststroms.
Besonders vorteilhaft kann der Verstärkungsfaktor des einstellbaren Verstärkers durch den Controller in Abhängigkeit des externen und einen Dimmpegel zugeordneten bzw. assoziierten Signals gesteuert werden, sodass die Verstärkung des Sensorsignals automatisch an das jeweilige Messsignal angepasst wird.
Verfahrensseitig wird die obige Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Steuern des Betriebes einer Leuchtmittel-Einrichtung, insbesondere einer LED-Einrichtung, bei dem der durch die Leuchtmittel-Einrichtung fließende Strom mittels einer Schaltreglerschaltung, lastseitig umfassend zumindest eine Drossel, eine Diode und ein als Schalter betriebenes Halbleiterbauelement geregelt wird, wobei der Schaltzustand des Halbleiterbauelements in einer Schaltreglerbetriebsphase gesteuert wird in Abhängigkeit eines, einem Dimmpegel zuordnenbaren, externen Steuersignals und des Leuchtmittel-Stroms, wenn der Dimmpegel innerhalb eines vorgegebenen Dimmpegelbereichs liegt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, das Halbleiterbauelement in einer Längsreglerphase zur Bereitstellung einer Längsregelung des Leuchtmittel-Stroms als einstellbarer Widerstand angesteuert wird, wenn der Dimmpegel kleiner als die Dimmpegel des vorgegebenen Dimmpegelbereichs ist.
Dabei kann zur Bereitstellung eines vom Dimmpegel abhängigen Sollwertsignals ein erstes Pulsweitenweitenmodulations-Signal (PWM-Signal) und ein zweiten Pulsweitenweitenmodulations-Signal (PWM-Signal) erzeugt werden, wobei der Tastgrad des ersten und/oder des zweiten PWM-Signals in Abhängigkeit des externen Steuersignals (zugeordneter Dimmpegel) eingestellt wird.
Vorteilhaft kann das erste PWM-Signal tiefpassgefiltert (Rt1, Ct1), über das zweite PWM-Signal gesteuert, elektronisch zerhackt und nachfolgend tiefpassgefiltert (Rt2, Ct2) zur Bereitstellung des Sollwertsignals verarbeitet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einer Ausführungsform und einiger Abwandlungen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung,
2 eine abgewandelte Ausführungsform der Vorschalteinrichtung gemäß 1 und
3–5 Zeitdiagramme von charakteristischen Schaltungsgrößen für unterschiedliche Betriebsphasen der Schaltung gemäß 2
zeigt.
1 ist eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes 1 zum Speisen einer LED-Anordnung 80, welche hier eine Reihenanordnung von LEDs aufweist. Als Versorgungsspannung ist die Spannung Uein angegeben, welche im Gerät beispielsweise eine Zwischenkreisspannung sein kann, die durch Gleichrichten einer am Vorschaltgerät anliegenden Netzspannung erzeugbar ist. Als Schaltregler ist in der beschriebenen Ausführungsform ein Tiefsetzsteller angeordnet, lastseitig umfassend einen geschalteten Transistor 11, eine Drossel 12, eine Diode 13, einen Kondensator 14 sowie die LED-Anordnung 80.
Der Transistor 11 wird in einer Schaltreglerphase mittels eines herkömmlichen Steuerungs- und Regelungs-IC 31 gesteuert, dessen Steuerausgang 35 mit dem Steuereingang des Transistors 11 verbunden ist. Für die Regelung erhält das Steuerungs-IC 31 über dessen Ist-Eingang 34 eine Spannung Uist, die proportional dem Strom durch die LED-Anordnung 80 Iled ist.
In der beschriebenen Ausführungsform erhält das Steuerungs-IC 31 die Sollgröße Usoll über den Soll-Eingang 33. Zur Erzeugung der Sollgröße ist ein µController 40 vorgesehen, welcher eine digitale Schnittstelle 41 aufweist zum Empfang von digitalen Signalen nach dem DALI(Digital Adressable Lighting Interface)-Standard. Der µController ist eingerichtet, ein pulsweitenmoduliertes Signal PWM1 mit vorgegebener Amplitude und vorgegebener Taktfrequenz am Ausgang 43 auszugeben, wobei der Tastgrad in Abhängigkeit des über den Digitaleingang 41 empfangenen Dimmgrads eingestellt wird. Das vom µController 40 ausgegebene PWM-Signal PWM1 wird über den durch den Widerstand 50 und den Kondensator 51 gebildeten Filter tiefpassgefiltert, wobei die gefilterte Spannung U1 nach Durchlaufen des Inverters 52 als Sollgröße Usoll am Eingang 33 des Steuerungs-ICs anliegt.
Die in 1 mit dem Bezugszeichen 20 eingegrenzten Schaltungsbauteile dienen steuerungstechnisch zur Bereitstellung einer Längsreglerschaltung und umfassen eine Reihenschaltung eines Verstärkers und eines Differenzverstärkers. Dabei weist der Verstärker in der beschriebenen Ausführungsform zur Verstärkung der über den Messwiderstand 15 abfallenden Spannung Uist einen Operationsverstärker 21 sowie zur Festlegung des Verstärkungsfaktors A zwei Widerstände A2, R2V0 auf. Die verstärkte Spannung (Uist × A) liegt am Nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärker 24 an, an dessen zweiten Eingang der Sollwert Usoll anliegt zur Differenzverstärkung und Ausgabe eines Spannungswertes Ut, mit welchem in der Längsreglerphase der Transistor 11 als steuerbarer Widerstand angesteuert wird.
Die Funktionsweise der in 1 angegebenen Schaltung sei mit weiteren Details zunächst mit Bezug auf die Schaltreglerphase erläutert, wobei in dieser Phase die steuerungsseitigen Längsreglerbauteile 21–25 funktionslos sind. Dabei kann am Ausgang des Differenzverstärkers ein vom µController 40 steuerbarer und in der 1 nicht dargestellter Umschalter vorgesehen sein, der den Ausgang des Differenzverstärkers vom Steuereingang des Transistors 11 in der Schaltreglerphase trennt. In der beschriebenen Ausführungsform liegt über den Digitaleingang 41 am µController 40 ein externer Dimmpegel im Bereich zwischen 100% und 10% an. Mit Beginn der Schaltreglerphase steuert der µController 40 über seinen Steuereingang 42 das Steuerungs-IC 31 über dessen Steuereingang 32 ein. Der µController 40 gibt ferner an seinem PWM-Ausgang 43 ein PWM-Signal aus, dessen Tastgrad durch den externen Dimmpegel festgelegt ist. Das ausgegebene Signal PWM1 wird wie schon beschrieben tiefpassgefiltert und liegt als Usoll am Steuerungseingang 33 des Steuerungs-ICs 31 an. Das Steuerungs-IC 31 steuert den Transistor 11 über seinen Ausgang 35 zum Ein/Ausschalten an, wobei eine Regelung des Messwertes Uist auf den Sollwert Usoll erfolgt. Der Steuerungs-IC 31 steuert den Transistor 11 über die Zeitdauer Ton ein und die Dauer Toff aus. Nach dem Einschalten fließt in der dargestellten Ausführungsform der Strom Iled durch die LED-Anordnung 80, die Drossel 12, den Transistor 11 und den Messwiderstand 15. Während der Toff-Zeit wird die aufgeladene Drossel 12 entladen, sodass ein Stromfluss über die Diode D1, die LED-Anordnung 80 und die Drossel erfolgt.
Wenn der über den Digitaleingang 41 angelegte externe Dimmpegel < 10% liegt, schaltet die Einrichtung gemäß 1 in eine Längsreglerphase um, zu welcher der Micro-Controller 40 den Steuerungs-IC 31 über die Steuerungsleitung 42 und den Eingang 32 am IC ausschaltet. Gleichzeitig kann der Ausgang des Differenzverstärkers über den oben erwähnten und in 1 nicht dargestellten und durch den µController gesteuerten Umschalter mit dem Steuereingang des Transistors 11 verbunden werden. Der µController 40 gibt in Bezug auf den Tastgrad des PWM-Signals ein an den extern zugeführten Dimmpegel angepasstes Signal PWM1 aus, das tiefpassgefiltert wiederum als Usoll am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 24 anliegt.
Im Unterschied zu der Schaltreglerphase wird in der Längsreglerphase das vom Messwiderstand 15 abgegebene Messsignal Uist durch den ersten Operationsverstärker 21 verstärkt, wobei der Verstärkungsfaktor A vom Verhältnis der beiden Widerstände R2 und R2V0 abhängt. Die verstärkte Spannung Uist × A wird mit dem Sollwert Usoll im nachgeschalteten Differenzverstärker verarbeitet. Dessen Ausgang ist über den nicht dargestellten Umschalter in der Längsreglerphase mit dem Steuereingang des Transistors 11 verbunden, sodass über die Steuerspannung Ut in Abhängigkeit der durch die LED-Anordnung 80 fließenden Stroms Iled und des Sollwertes Usoll der Widerstand des Transistors 11 zum Einstellen des Stromes iLED gesteuert wird.
2 zeigt eine Variante der in 1 dargestellten erfindungsgemäß ausgebildeten Vorschalteinrichtung, wiederum in einer Prinzipdarstellung. Auch diese Einrichtung ist zum Betrieb in einer Schaltreglerphase und in einer Längsreglerphase, abhängig von dem am Eingang 41 anliegenden, externen Steuersignal bzw. Dimmpegel, ausgebildet. Im Folgenden wird die Beschreibung zur Vermeidung von Wiederholungen im Wesentlichen auf die Unterschiede zur Schaltung gemäß 1 beschränkt. Diese betrifft die Steuerungsseite, insbesondere in Bezug auf die Erzeugung der Regeleingangsgröße Usoll und in Bezug auf die Festlegung der Verstärkung des Messsignals Uist. Darüber hinaus ist der in 1 nicht dargestellte Umschalter 60 zum Schalten des Ausgangs 35 des IC 31 bzw. des Ausgangs des Differenzverstärkers auf den Steuereingang des Transistors 11 für den Wechsel zwischen Schaltreglerphase und Längsregelphase in 2 angegeben. Dieser Umschalter 60 weist einen Steuereingang 61 auf, der hier mit dem Steuereingang 47 des µController 40 verbunden ist.
Erkennbar weist der µController 40 der Ausführungsform gemäß 2 einen weiteren PWM-Ausgang 44 zur Abgabe eines zweiten Signals PWM2 auf, mit welchem ein als elektronischer Zerhacker arbeitender Transistor 54 angesteuert ist. Die Amplitude des Signals PWM2 ist so eingestellt, das zu Zeiten Th_on des Signals PWM2 der Transistor 54 durchgeschaltet und zu Zeiten Th_off offengeschaltet ist. Dabei liegt die Taktfrequenz des Signals PWM2 sehr viel höher als die Taktfrequenz PWM1. In der Th_on-Stellung des Transistors 54 wird insofern das tiefpassgefilterte Signal U1 zum Signal U1‘ zerhackt und dann auf den durch die beiden Komponenten 55, 56 gebildeten Tiefpass zur Abgabe der Regelgröße Usoll verarbeitet. Um in solchen Situationen, in welchen der elektronischer Zerhacker ausgeschaltet ist, das vom Inverter 52 abgegebene Signal nicht zu beeinflussen, ist vorgesehen, die Zeitenkonstante τ1 = Rt2 × Ct2 sehr viel geringer als die Zeitkonstante τ2 = Rt1 × Ct1 einzustellen. Der Sollwert Usoll ergibt sich demnach zu: Usoll = U1 × Tastgrad(PWM2).
Mit den beschriebenen Ausgestaltung der einzelnen Komponenten zeigen die in 1 und 2 angegebenen, erfindungsgemäß gestalteten Vorschalteinrichtungen 1 in der Schaltreglerphase und in der Längsreglerphase keine prinzipiellen Unterschiede in Bezug auf die Ausgabe des ersten PWM-Signals PWM1. In beiden Ausführungsformen verändert der µController 40 über den gesamten erlaubten Dimmbereich zwischen 100% und 1% den Tastgrad des Signals PWM1 entsprechend zum Dimmpegel. Ferner ist bei der in 2 angegebenen Ausführungsform vorgesehen, dass sich gleichzeitig mit dem Signal PWM1 auch das am Ausgang 44 ausgegebene zweite Signal PWM2 über den gesamten erlaubten Dimmpegelbereich in Abhängigkeit des Dimmpegels entsprechend verändert, wobei mit dem zweiten Signal PWM2 der Zerhacker 54 angesteuert wird. Durch die beschriebene Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung gemäß 2 kann eine höhere Auflösung beim Amplitudendimmen der LED-Anordnung 80 über den gesamten Dimmpegelbereich bereitgestellt werden, ohne dass übliche Anforderungen an die Schalteinrichtungen zur Erzeugung der PWM-Signale erhöht sind.
In einer anderen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, ausgehend von hohen externen Dimmpegelwerten und Änderung zu kleineren externen Dimmpegelwerten zunächst allein den Tastgrad von PWM1 in Abhängigkeit des externen Dimmpegels zu vermindern und bei Erreichen eines vorgegebenen, geringen Tastgrades von PWM1 diesen konstant zu halten und den Tastgrad von PWM2 mit weiter fallendem externen Dimmpegel zu erniedrigen.
Um das Verhalten der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung gemäß 2 in Bezug auf die Längsreglerphase weiter zu verbessern, ist im Unterschied zu der in 1 angegebenen Einrichtung vorgesehen, den Verstärkungsfaktor A des Verstärkers zum Verstärken des Messsignals Uist einstellbar zu gestalten. In der Ausführungsform gemäß 2 weist der µController 40 zwei weitere Ausgänge 45, 46 auf, insbesondere zum Anlegen von Referenzspannungen an die beiden Verstärkerwiderstände 26, 27, sodass der Verstärkungsfaktor A durch die angelegten und einstellbaren Referenzspannungen sowie die Werte der Widerstände 23, 26 und 27 vom µController 40 variabel und in Abhängigkeit des Dimmpegels bzw. des Signals Uist eingestellt werden kann.
Die 3–5 zeigen den zeitlichen Verlauf der charakteristischen Größen der Vorschalteinrichtung gemäß 2 in den verschiedenen Betriebsphasen. 3 zeigt das Zeitverhalten der Ansteuerspannung Ut, der Messspannung Uist, der Sollgröße Usoll, des Drosselstroms IL1 sowie des Stroms Iled durch die LED-Anordnung 80 in der Schaltungsreglerphase, d.h. in einer Situation der beschriebenen Ausführungsform, bei welcher der externe Dimmpegel innerhalb eines oberen Dimmpegelbereichs von 100% bis ca. 10% liegt. In dem in 3 angegebenen Beispiel liegt der Nennstrom durch die LED-Anordnung 80 bei 1A, wobei der Dimmpegel 25% und der Tastgrad beider PWM-Signale PWM1 und PWM2 jeweils 50% beträgt, entsprechend einem LED-Strom von 250 mA.
4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Signale PWM1, U1, U1‘ zur Erzeugung der Sollgröße Usoll für eine Situation in der Schaltungsreglerphase, wobei der über den digitalen Eingang 41 des Micro-Controllers 40 vorgebene Dimmpegel wie zu 3 angegeben auf 25% eingestellt ist und der Strom durch die LED-Anordnung 250 mA beträgt. In dem beschriebenen Beispiel beträgt die Frequenz des ersten PWM-Signals 8 kH, wobei der Tastgrad entsprechend dem vorgegebenen Dimmlevel auf 50% eingestellt ist. Das tiefpassgefilterte Signal U1 zeigt den über den angegebenen Zeitbereich konstanten Verlauf. Diese Spannung wird nun mit dem zweiten PWM-Signal PWM2 geschaltet, wobei dieses Signal in dem beschriebenen Beispiel eine Frequenz von 1kH und entsprechend dem eingestellten Dimmlevel einen Tastgrad wiederum von 50% aufweist. Das resultierende Signal U1‘ kann einer Multiplikation der beiden Signale PWM2 und U1 entsprechen. Die nachfolgende Tiefpassfilterung über die Bauelemente 55, 56 führt zu Usoll als Eingangsgröße für das Steuerungs-IC 31, welches die Regelung des Stromes durch die LED-Anordnung 80 in der Schaltreglerphase durchführt.
5 zeigt den Zeitverlauf der Größen Iled, Uist, (Iist × A) und Ut in einer Situation, bei welcher die erfindungsgemäße Vorschalteinrichtung gemäß 2 in der Längsreglerphase betrieben wird, hier bei einem Tastgrad des zweiten PWM Signals von 10% und einem durch das erste PWM Signal PWM1 festgelegter Stromwert von 100 mA, sodass der LED-Strom 10mA beträgt. Um bei dem kleinen LED-Strom diesen genau zu messen, wird die Abtastspannung Uist über den Operationsverstärker 21 verstärkt, wobei der Verstärkungsfaktor A durch den µController 40 angepasst wird.
In der beschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorschalteinrichtung kann eine LED-Anordnung mit hoher Auflösung amplitudengedimmt werden, wobei zwei PWM-Signale PWM1 und PWM2 verwendet werden. Mit einem Signal PWM1 und einem Tiefpass Rt1, Ct1 wird ein Spannungswert U1 generiert, der einem gewünschten LED-Stromwert entspricht. Um einen hochauflösenden Dimmwert dieses LED-Stromwertes einzustellen, wird der Spannungspegel U1 mit dem Tastverhältnis des zweiten Signals PWM2 geschaltet. Das dadurch entstehende PWM-Signal U1‘ wird über einen weiteren Tiefpass Rt2, Ct2 zum Spannungspegel Usoll gewandelt, wobei sich Usoll zu Usoll = U1 × (Tastverhältnis PWM2) ergibt.
Bezugszeichenliste

1, 1‘: Vorschaltgerät
10: Tiefsetzsteller, Schaltregler
11: Transistor
12: Drossel
13: Diode
14: Kondensator
15: Messwiderstand
20: Längsreglerbauteile
21, 22: Operationsverstärker
23: Widerstand
24: Operationsverstärker
25: Kondensator
26, 27: Widerstand
30: Steuerung
31: Steuerungs-IC
32: Aus-/Eingang
33: Sollwert-Eingang
34: Istwert-Eingang
35: Steuerausgang
40: µController
41: Digitaler Steuereingang, digit. Schnittstelle
42: Steuerausgang
43: PWM-Ausgang
44: PWM-Ausgang
45, 46: Verstärkerausgang
47: Steuerausgang
50: Widerstand
51: Kondensator
52: Inverter
60: Umschalter
61: Steuereingang
80: LED-Anordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10066459 A1 [0002]
US 7759881 B1 [0002]

Claims

Vorschalteinrichtung (1, 1‘) zum Betrieb einer Leuchtmittel-Einrichtung, insbesondere einer LED-Einrichtung (80), umfassend – eine Schaltreglerschaltung (10) zur Regelung des Stromes durch die Leuchtmittel-Einrichtung umfassend lastseitig zumindest eine Drossel (12), eine Diode (13) und ein als Schalter betriebenes Halbleiterbauelement, wobei die Schaltreglerschaltung (10) eingangsseitig an eine Versorgungsspannung und ausgangsseitig an die Leuchtmitteleinrichtung anschließbar ist; – einen Steuereingang (41) zur Aufnahme eines, einem Dimmpegel zugeordneten, externen Steuersignals; – eine Einrichtung zur Erfassung des durch die Leuchtmittel-Einrichtung fließenden Stroms (Iled); – eine Steuereinrichtung (31, 40) zur Steuerung des Schaltzustandes des Halbleiterbauelements in einer Schaltreglerbetriebsphase in Abhängigkeit des erfassten Leuchtmittel-Stromes und des Dimmpegels, wenn der Dimmpegel innerhalb eines vorgegebenen Dimmpegelbereichs liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (31, 40) eingerichtet ist, in einer Längsreglerphase das Halbleiterbauelement als einstellbarer Widerstand einer, die Leuchtmitteleinrichtung speisenden Längsreglerschaltung zur Regelung des Leuchtmittel-Stroms anzusteuern, wenn der dem äußeren Steuersignal zugeordnete Dimmpegel kleiner als die Dimmpegel des vorgegebenen Dimmpegelbereichs ist.
Vorschalteinrichtung (1, 1‘) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (31, 40) zumindest ein Steuerbauteil (31) umfasst, das ausgangsseitig mit einem Steuereingang des Halbleiterbauelements zum Steuern von dessen Schaltzustand in der Schaltreglerbetriebsphase verbunden ist und das einen ersten Eingangsanschluss (34) aufweist, der mit dem Ausgang einer Sensoreinrichtung zur Erfassung des Leuchtmittel-Stroms verbunden ist und einen zweiten Eingangsanschluss (33), an welchem ein vom Dimmpegel abhängiges Sollwertsignal (Usoll) anliegt.
Vorschalteinrichtung (1, 1‘) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerbauteil (31) über einen weiteren Eingangsanschluss (32) zum Ein- bzw. Ausschalten ansteuerbar ist.
Vorschalteinrichtung (1‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (31, 40) ausgebildet ist zur Ausgabe eines ersten Pulsweitenweitenmodulations-Signals (PWM1) und eines zweiten Pulsweitenweitenmodulations-Signals (PWM2), wobei der Tastgrad des ersten und/oder des zweiten PWM-Signals in Abhängigkeit des externen Steuersignals eingestellt ist.
Vorschalteinrichtung (1‘) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste PWM-Signal (PWM1) tiefpassgefiltert (Rt1, Ct1) am Eingang eines durch das zweite PWM-Signal (PWM2) gesteuerten, elektronischen Zerhackers anliegt, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Tiefpassfilters (Rt2, Ct2) verbunden ist, an dessen Ausgang ein vom Dimmpegel abhängiges Sollwertsignal (Usoll) abgebbar ist.
Vorschalteinrichtung (1‘) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die Taktfrequenz des ersten PWM-Signals (PWM1) zumindest das Fünffache, insbesondere zumindest das Achtfache der Taktfrequenz des zweiten PWM-Signals (PWM2) beträgt.
Vorschalteinrichtung (1‘) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Taktfrequenz beider PWM-Signale (PWM1, PWM2) konstant gehalten wird und/oder der jeweilige Tastgrad beider PWM-Signale in gleicher Weise abhängig vom Dimmpegel eingestellt wird.
Vorschalteinrichtung (1, 1‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Dimmpegelbereich zwischen 100 % und einer Dimmpegelschwelle eines vorgegebenen Nennstrompegels der Leuchtmittel-Einrichtung liegt, wobei die Dimmpegelschwelle insbesondere über 10 % liegt.
Vorschalteinrichtung (1, 1‘) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement als einstellbarer Widerstand in der Längsreglerbetriebsphase angesteuert ist, wenn das externe Steuersignal einem Dimmpegel zugeordnet ist, welcher innerhalb eines zweiten, sich an den vorgegebenen Dimmpegelbereich anschließenden Dimmpegelbereichs liegt, und insbesondere zwischen etwa 10 % und etwa 1 % eines vorgegebenen Nennstrompegels der Leuchtmittel-Einrichtung liegt.
Vorschalteinrichtung (1, 1‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung einen Controller (40) aufweist, der das Halbleiterbauelement in der Längsreglerbetriebsphase steuert.
Vorschalteinrichtung (1, 1‘) nach Anspruch 3 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (40) beim Übergang von der Schaltreglerbetriebsphase in die Längsreglerbetriebsphase das Steuerbauteil (31) ausschaltet.
Vorschalteinrichtung (1, 1‘) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Sensoreinrichtung mit dem Eingang eines Verstärkers (21) verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Eingang eines Differenzverstärkers (24, 25) verbunden ist, wobei an einem weiteren Eingang des Differenzverstärkers der Sollwert des Stromes durch die Leuchtmitteleinrichtung anliegt und der Ausgang des Differenzverstärkers (24, 25) an dem Steuereingang des Halbleiterbauelementes, insbesondere eines Transistors, angeschlossen ist.
Vorschalteinrichtung (1, 1‘) nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker einen einstellbaren Verstärkungsfaktor aufweist, der durch den Controller in Abhängigkeit des externen Signals bzw. des zugeordneten Dimmpegels gesteuert ist.
Verfahren zum Steuern des Betriebes einer Leuchtmittel-Einrichtung, insbesondere einer LED-Einrichtung, bei dem der durch die Leuchtmittel-Einrichtung fließende Strom mittels einer Schaltreglerschaltung (10), lastseitig umfassend zumindest eine Drossel (12), eine Diode (13) und ein als Schalter betriebenes Halbleiterbauelement geregelt wird, wobei der Schaltzustand des Halbleiterbauelements in einer Schaltreglerbetriebsphase gesteuert wird in Abhängigkeit eines, einem Dimmpegel zuordnenbaren, externen Steuersignals und des Leuchtmittel-Stroms, wenn der Dimmpegel innerhalb eines vorgegebenen Dimmpegelbereichs liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement in einer Längsreglerphase zur Bereitstellung einer Längsreglung des Leuchtmittel-Stroms als einstellbarer Widerstand angesteuert wird, wenn der Dimmpegel kleiner als die Dimmpegel des vorgegebenen Dimmpegelbereichs ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung eines vom Dimmpegel abhängigen Sollwertsignals (Usoll) ein erstes Pulsweitenweitenmodulations-Signal (PWM1) und ein zweiten Pulsweitenweitenmodulations-Signal (PWM2) erzeugt werden, wobei der Tastgrad des ersten und/oder des zweiten PWM-Signals in Abhängigkeit des externen Steuersignals eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste PWM-Signal (PWM1) tiefpassgefiltert (Rt1, Ct1), über das zweite PWM-Signal (PWM2) gesteuert, elektronisch zerhackt und nachfolgend tiefpassgefiltert (Rt2, Ct2) zur Bereitstellung des Sollwertsignals (Usoll) verarbeitet werden.