DE102015203249A1

DE102015203249A1 - Abwärtswandler zum Betreiben von Leuchtmitteln mit Spitzenstromwertsteuerung und Mittelstromwerterfassung

Info

Publication number: DE102015203249A1
Application number: DE102015203249.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dumka; Andre Mitterbacher; Lukas Saccavini
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2016-08-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abwärtswandler zum Betreiben von Leuchtmitteln mit einer Steuerschaltung (4). Die Steuerschaltung (4) ist dazu ausgelegt, mittels Ansteuerung des Schalters (5) den Abwärtswandler (3) in einem Grenzbetriebsmodus zu betreiben, wenn die durch das Leuchtmittel (2) gebildete Last so hoch ist, dass die sich ergebende Abschaltschwelle über einem vorgegebenen Mindestwert der Abschaltschwelle liegt, und in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle zu betreiben, wenn die durch das Leuchtmittel (2) gebildete Last so niedrig ist, dass die sich bei einem Grenzbetriebsmodus ergebende Abschaltschwelle unter dem vorgegebenen Mindestwert der Abschaltschwelle liegen würde. Das den Strom wiedergebenden Signal wird sowohl im Falle des Grenzbetriebsmodus wie auch im Falle des diskontinuierlichen Betriebsmodus der Steuerschaltung (4) zugeführt, ohne extern einer Mittelwertbildung unterzogen zu werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abwärtswandler zum Betreiben von Leuchtmitteln und ein Verfahren zum Steuern eines solchen Abwärtswandlers. Die Erfindung betrifft insbesondere Abwärtswandler, die in Betriebsgeräten zum Versorgen einer oder mehrerer Leuchtdioden eingesetzt werden.
Ein Betriebsgerät zum Versorgen einer oder mehrerer Leuchtdioden ist aus der WO 2013/152368 A1 bekannt. Solche Betriebsgeräte dienen hauptsächlich dazu, eine gewünschte Energieversorgung für das Leuchtmittel, wie zum Beispiel eine Leuchtdiode (LED) oder aus mehreren in Serie und/oder parallel verschalteten Leuchtdioden, bereitzustellen. Zusätzliche Funktionen, wie das Dimmen der Leuchtmittel oder die Veränderung/Anpassung der Lichtfarbe, können in dem Betriebsgerät vorgesehen sein.
Die Lichtabstrahlung einer Leuchtdiode hängt vom Stromfluss durch die Leuchtdiode ab. Zur Helligkeitssteuerung oder Helligkeitsregelung werden Leuchtdioden daher typischerweise in einem Modus betrieben, in dem der Stromfluss durch die Leuchtdiode durch das Betriebsgerät gesteuert oder geregelt wird.
Zur Ansteuerung von Leuchtdioden können Schaltregler verwendet werden, beispielsweise Abwärtswandler, die in der Technik auch als Tiefsetzsteller oder Buck-Konverter bezeichnet werden. In einem derartigen Betriebsgerät steuert eine Steuereinrichtung einen schnellen Schalter an, der im eingeschalteten Zustand einen Stromfluss durch die Leuchtdiode und eine Spule bewirkt. Nach dem Ausschalten treibt die Spule den Strom weiter durch die Leuchtdiode.
Für die Steuer- oder Regelung wird von der Steuerschaltung des Abwärtswandlers eine Vielzahl von Messgrößen erfasst, um Abweichungen von vorgegebenen Betriebsparametern, wie Lichtfarbe und Helligkeit, oder Verschiebungen im Lichtspektrum bei unterschiedlichen Dimmpegeln, entgegenwirken zu können.
Für die Erfassung der Messgrößen und das Erzeugen von entsprechenden Signalen die der Steuerschaltung zuführbar bzw. von dieser verarbeitbar sind, werden zusätzliche Bauteile/Schaltungen benötigt, was den Aufbau des Abwärtswandlers insgesamt komplex und teuer macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren anzugeben, die die beschriebenen Probleme verringern. Aufgabe ist es insbesondere, einen Abwärtswandler, ein Betriebsgerät und ein Verfahren zum Steuern eines Abwärtswandlers für den Betrieb von einem oder mehreren Leuchtmitteln bereitzustellen, die eine genaue Steuerung und Regelung mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau erlauben.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Erfindung wird durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche weitergebildet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Abwärtswandler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln eine Steuerschaltung, die einen Schalter des Abwärtswandlers ansteuert, und Mittel zum direkten oder indirekten Erfassen des Stroms durch das oder die Leuchtmittel und zur Zuführung eines diesen Strom wiedergebenden Signals an die Steuerschaltung auf. Dabei wird der Schalter ausgeschaltet, wenn das Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle erreicht hat. Die Steuerschaltung ist ausgelegt, mittels Ansteuerung des Schalters den Abwärtswandler in einem Grenzbetriebsmodus zu betreiben, wenn die durch das oder die mehreren Leuchtmittel gebildete Last so hoch ist, dass die sich ergebende Abschaltschwelle über einem vorgegebenen Mindestwert der Abschaltschwelle liegt, und in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle zu betreiben, wenn die durch das oder die mehreren Leuchtmittel gebildete Last so niedrig ist, dass die sich bei einem Grenzbetriebsmodus ergebende Abschaltschwelle unter dem vorgegebenen Mindestwert der Abschaltschwelle liegen würde, wobei das Signal sowohl im Falle des Grenzbetriebsmodus als auch im Falle des diskontinuierlichen Betriebsmodus der Steuerschaltung zugeführt wird, ohne extern einer Mittelwertbildung unterzogen zu werden. D. h. die Steuerschaltung ist so eingerichtet, dass sie sowohl im Grenzbetriebsmodus als auch im diskontinuierlichen Modus den Schalter auf Basis des zugeführten, den Strom wiedergebenden Signals ansteuert.
Somit kann der Abwärtswandler bei höherer Last im Grenzbetriebsmodus betrieben werden, was eine einfache und genaue Steuerung des Stroms durch das oder die Leuchtmittel mittels der Änderungen der Abschaltschwelle erlaubt. Fällt der Maximalwert des Stroms durch das oder die mehreren Leuchtmittel bzw. die Abschaltschwelle aufgrund von unterschiedlichen Lastanforderungen, wie Dimmen, auf einen so geringen Wert, dass eine weitere Verringerung zu Problemen hinsichtlich der Erfassung, Verarbeitung, etc. dieses geringen Stromwerts führen würde, kann ein Umschalten in einen diskontinuierlichen Betriebsmodus, bei dem dann allein die Totzeit des Stroms die Stellgröße darstellt, erfolgen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Abwärtswandler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln eine Steuerschaltung auf, die einen Schalter des Abwärtswandlers ansteuert, und Mittel zum direkten oder indirekten Erfassen des Stroms durch das oder die mehreren Leuchtmitteln und zur Zuführung eines diesen Strom wiedergebenden Signals an die Steuerschaltung auf, wobei der Schalter ausgeschaltet wird, wenn das Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle erreicht hat. Die Steuerschaltung ist dazu ausgelegt, mittels Ansteuerung des Schalters den Abwärtswandler in einem Grenzbetriebsmodus zu betreiben, wenn die durch das oder die mehreren Leuchtmittel gebildete Last so hoch ist, dass die sich ergebende Abschaltschwelle über einem vorgegebenen Mindestwert liegt, und in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus zu betreiben, wenn die durch das oder die mehreren Leuchtmittel gebildete Last so niedrig ist, dass die sich bei einem Grenzbetriebsmodus ergebende Abschaltschwelle unter dem vorgegeben Mindestwert der Abschaltschwelle liegen würde. Das den Strom wiedergebende Signal kann sowohl im Falle des Grenzbetriebsmodus wie auch im Falle des diskontinuierlichen Betriebsmodus der Steuerschaltung zugeführt werden, ohne extern einer Mittelwertbildung unterzogen zu werden.
Beim diskontinuierlichen Betriebsmodus kann es, wenn der Zeitpunkt des Wiedereinschaltens neben der Lastanforderung/Dimmpegelvorgabe auch vom Spannungsverlauf (Nulldurchgang oder Spannungsminimum) über dem Schalter abhängt, zu einem verspäteten Wiedereinschalten und somit zu einem geringeren Strommittelwert als gewünscht kommen. Durch das Abwechseln von dem diskontinuierlichen Betriebsmodus und dem Grenzbetriebsmodus kann dies insbesondere in einem Übergangsbereich durch den erhöhten Strommittelwert in dem darauffolgenden Grenzbetriebsmodus ausgeglichen werden.
Die Steuerschaltung kann dazu ausgelegt sein, von dem Betrieb, in dem der Abwärtswandler in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus betrieben wird, in einen Betrieb, in dem der Abwärtswandler in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle nicht abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus betrieben wird, zu wechseln, wenn ein erstes Steuersignal von der Steuerschaltung empfangen wurde oder wenn der Zeitabschnitt T_Period, in dem die Steuerschaltung den Schalter ein, aus und wieder einschaltet, einen Maximalwert annimmt.
Die Steuerschaltung kann dazu ausgelegt sein, von dem Betrieb, in dem der Abwärtswandler in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle nicht abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus betrieben wird, in den Betrieb, in dem der Abwärtswandler in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus betrieben wird, zu wechseln, wenn ein zweites Steuersignal von der Steuerschaltung empfangen wurde oder wenn der Zeitabschnitt T_Period, in dem die Steuerschaltung den Schalter ein, aus und wieder einschaltet, einen Minimalmalwert annimmt.
Das oder die mehreren Leuchtmittel können Leuchtdioden sein.
Die Steuerschaltung kann einen Komparator zum Vergleichen des Signals mit einem den Mindestwert repräsentierenden Signal aufweisen.
Die Steuerschaltung kann dazu eingerichtet sein, in dem Grenzbetriebsmodus die Abschaltschwelle entsprechend einem empfangenen Dimmsignal zu ändern.
Die Steuerschaltung kann dazu eingerichtet sein, in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus einen Strommittelwert I_avg für den Zeitabschnitt T_Period in dem die Steuerschaltung den Schalter ein, aus und wieder einschaltet entsprechend der Gleichung: I_avg = 0,5·I_Peak·T_Active/T_Period zu ermitteln und den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters auf Grundlage des ermittelten Strommittelwerts I_avg zu bestimmen, wobei I_Peak der vorgegebene Mindestwert der Abschaltschwelle und T_Active die Summe der Einschaltdauer T_On und der Ausschaltdauer T_Off des Schalters sind. Somit ist keine zusätzliche Schaltung zur Bestimmung des Strommittelwerts und kein zusätzlicher Eingang (Pin) an der Steuerschaltung zum Eingeben des extern bestimmten Strommittelwerts nötig.
Die Steuerschaltung kann dazu eingerichtet sein, in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus den Strommittelwert I_avg nach der Ausschaltdauer T_Off des Schalters bis zum Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters kontinuierlich zu ermitteln und den ermittelten Strommittelwert I_avg kontinuierlich mit einem dem Dimmsignal entsprechenden Wert zu vergleichen, um den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens zu bestimmen.
Die Steuerschaltung kann dazu eingerichtet sein, ein den Spannungsverlauf über dem Schalter wiedergebendes Signal zu erfassen und in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens auf Grundlage des ermittelten Strommittelwerts I_avg zu bestimmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Betriebsgerät für Leuchtdioden einen der oben beschriebenen Abwärtswandler auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Steuern eines Abwärtswandlers für den Betrieb von einem oder mehreren Leuchtmitteln die Schritte Ansteuern eines Schalters des Abwärtswandlers, Erfassen des Stroms durch das oder die mehreren Leuchtmittel und Erzeugen eines diesen Strom wiedergebenden Signals auf, wobei der Schalter ausgeschaltet wird, wenn das Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle erreicht hat. Durch das Ansteuern des Schalters wird der Abwärtswandler in einem Grenzbetriebsmodus betrieben, wenn die durch das oder die mehreren Leuchtmittel gebildete Last so hoch ist, dass die sich ergebende Abschaltschwelle über einem vorgegeben Mindestwert der Abschaltschwelle liegt, und in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus betrieben, wenn die durch das oder die mehreren Leuchtmittel gebildete Last so niedrig ist, dass die sich bei einem Grenzbetriebsmodus ergebende Abschaltschwelle unter dem vorgegeben Mindestwert der Abschaltschwelle liegen würde.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schaltung eines Betriebsgeräts für Leuchtdioden nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 Diagramme mit Signalverläufen des im Grenzbetriebsmodus betriebenen Abwärtswandlers nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, und
3 Diagramme mit Signalverläufen des im diskontinuierlichen Betriebsmodus betriebenen Abwärtswandlers nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Komponenten mit gleichen Funktionen sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine Schaltung eines Betriebsgeräts 1 für Leuchtmittel 2 nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, das einen Abwärtswandler 3 mit einer Steuerschaltung 4 umfasst. Das Leuchtmittel 2 kann eine Leuchtdiode (LED) oder mehrere LEDs umfassen. Die LEDs können anorganische oder organische LEDs sein. Die mehreren LEDs können in Serie oder parallel geschaltet sein. Die mehreren LEDs können auch in komplexeren Anordnungen verschaltet sein, beispielsweise in mehreren zueinander parallel geschalteten Reihenschaltungen. Während beispielhaft drei LEDs dargestellt sind, kann das Leuchtmittel auch nur eine LED, zwei LEDs oder mehr als drei LEDs aufweisen.
Das Betriebsgerät 1, Betriebsschaltung, dient zum Betrieb der wenigstens einen LED 2. Dem Betriebsgerät 1 wird eine Versorgungsspannung Vin zugeführt, die eine Gleichspannung oder eine gleichgerichtete Wechselspannung sein kann. Das Betriebsgerät 1 kann eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung umfassen, welche die Versorgungsspannung Vin bereitstellt (nicht gezeigt).
Der steuerbare Schalter 5 und die Spule 6 sind in Reihe zwischen den Eingang und den Ausgang des Abwärtswandlers 3 geschaltet. Wenn die wenigstens eine LED 2 mit dem Abwärtswandler 3 verbunden ist, sind der steuerbare Schalter 5, die Spule 6 und die wenigstens eine LED 2 in Reihe geschaltet. Eine Diode 7 ist parallel zu der wenigstens einen LED 2 und der Spule 6 geschaltet. Ein Kondensator 8 kann parallel zu den Ausgangsanschlüssen 9, 10 geschaltet sein, so dass der Kondensator 8 parallel zu der wenigstens einen LED 2 geschaltet ist. Der Kondensator 8 ist ein optionales Element der gezeigten Schaltung. Der Kondensator 8 kann bei weiteren Ausführungsbeispielen weggelassen werden.
Der steuerbare Schalter 5 kann ein Leistungsschalter sein. Der steuerbare Schalter 5 kann ein Feldeffekttransistor oder ein Bipolartransistor sein. Der steuerbare Schalter 5 kann ein Transistor mit isolierter Gateelektrode sein.
Die Steuerschaltung 4 kann den Schalter 5 des Abwärtswandlers 3 in einem gepulsten Betrieb betreiben, so dass jeweils ein Ausgangsstrom in Form von Pulspaketen bereitgestellt wird. Beispielsweise können bei kleineren Dimmleveln Pulspakete erzeugt werden, um die gemittelte Stromstärke und somit die vom Auge wahrgenommene Helligkeit einzustellen.
Die Steuerschaltung 4 kann eine integrierte Halbleiterschaltung sein oder eine integrierte Halbleiterschaltung umfassen. Die Steuerschaltung 4 kann als ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Controller, ein Mikrocontroller oder eine anwendungsspezifische Spezialschaltung (ASIC, „Application Specific Integrated Circuit”) oder eine Kombination der genannten Einheiten ausgestaltet sein.
Im eingeschalteten Zustand des steuerbaren Schalters 5 fließt ein Strom i_L durch die LED(s) 2 und durch die Spule 6, die dadurch magnetisiert wird. Die Spule 6 wird dadurch mit Energie geladen. Die Diode 7 sperrt in diesem Zustand. Nach dem Ausschalten des steuerbaren Schalters 5 treibt die Spule 5 den durch sie fließenden Strom i_L weiter durch die LED(s) 2 und die Diode 7. Die im Magnetfeld der Spule 5 gespeicherte Energie entlädt sich. Parallel dazu kann am Beginn des Einschaltens des steuerbaren Schalters 5 der Kondensator 8 geladen werden. Während der Ausschaltphase des steuerbaren Schalters 5, der so genannten Freilaufphase, kann sich der Kondensator 8 entladen und trägt zum Stromfluss durch die LED(s) 2 bei. Bei geeigneter Dimensionierung des Kondensators 8 kann dies zu einer Glättung des Stroms durch die LED(s) 2 führen.
Der aktuelle Spulenstrom i_L kann während der Einschaltphase mittels der über einen Messwiderstand 11 abfallenden Spannung erfasst werden. Der aktuelle Spulenstrom i_L kann insbesondere während der Ausschaltphase mit einer weiteren Induktivität 12, die magnetisch mit der Spule 6 gekoppelt ist, der Steuerschaltung 4 zugeführt und überwacht werden. Alternativ kann auch ein Strommesstransformator (nicht gezeigt) zur Erfassung des aktuellen Spulenstroms i_L vorhanden sein, der in Serie zu der Spule 6 angeordnet ist.
Die Steuerschaltung 4 vergleicht den aktuellen Spulenstrom i_L bzw. die den Spulenstrom i_L wiedergebende, an dem Widerstand 11 abfallende Spannung ISNS mit einem oberen Schaltschwellenwert I_peak und bewirkt ein Ausschalten des Schalters 5, wenn der Spulenstrom i_L den oberen Schaltschwellenwert I_peak (Abschaltschelle) erreicht. Für das Wiedereinschalten des Schalters 3 vergleicht die Steuerschaltung 4 den aktuellen Spulenstrom i_L mit einem unteren Schaltschwellenwert I_low und bewirkt ein Einschalten des Schalters 5, wenn der Spulenstrom i_L den unteren Schaltschwellenwert I_low erreicht, insbesondere, wenn der ansteigende Spulenstrom i_L, eine ansteigende Flanke des Spulenstroms i_L, den unteren Schaltschwellenwert I_low erreicht (low/high transition).
Der obere und/oder untere Schaltschwellenwert I_Peak, I_now kann intern durch die Steuerschaltung 4 erzeugt werden oder kann durch eine externe Signalquelle 19 bereitgestellt werden.
In einer möglichen Ausführungsform kann mittels der Überwachung über die weitere Induktivität 12 festgestellt werden, wann der Spulenstrom i_L während der Entladephase (Ausschaltphase) auf null abgefallen ist (und somit die Spule 6 entmagnetisiert ist). In diesem Falle wäre der untere Schaltschwellenwert I_low gleich null. Die Steuerschaltung 4 kann ein Signal sw zum Ansteuern des steuerbaren Schalters 5 ausgeben.
Die Steuerschaltung 4 kann einen den Dimmlevel festlegenden Befehl ctrl an einer Schnittstelle empfangen. Alternativ oder zusätzlich kann die Betriebsschaltung 10 eingerichtet sein, um den Dimmlevel abhängig von wenigstens einem Sensorsignal zu bestimmen. Beispielsweise kann für eine Helligkeitsregelung eine Ist-Helligkeit mit einem Sensor erfasst und ein Dimmlevel abhängig von einem Vergleich von Ist-Helligkeit und Soll-Helligkeit festgelegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerschaltung 4 eingerichtet sein, um einen Dimmlevel abhängig von einer Betätigung eines Betätigungselements (nicht gezeigt), beispielsweise eines Tasters, Drehknopfes oder Schalters, zu ermitteln.
Die Steuerschaltung 4 ist dazu ausgelegt, mittels Ansteuerung des Schalters 5 den Abwärtswandler 1 in einem Grenzbetriebsmodus zu betreiben, wenn die durch die LED(s) 2 gebildete Last so hoch ist, dass die sich ergebende Abschaltschwelle über einem vorgegeben Mindestwert der Abschaltschwelle liegt, und in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle zu betreiben, wenn die durch die LED(s) 2 gebildete Last so niedrig ist, dass die sich bei einem Grenzbetriebsmodus ergebende Abschaltschwelle unter dem vorgegeben Mindestwert der Abschaltschwelle liegen würde.
2 zeigt Signalverläufe des im Grenzbetriebsmodus betriebenen Abwärtswandlers 3. Das Diagramm A1 zeigt den Zeitverlauf eines Ein- und Ausschaltzyklus bzw. dessen zeitliche Erfassung durch die Steuerschaltung 4. Das Diagramm A2 zeigt die von der Steuerschaltung 4 erzeugten Ein- und Ausschaltimpulse und das von der Steuerschaltung 4 daraufhin abgegebene Signal sw zum Ansteuern des steuerbaren Schalters 5. Das Diagramm A3 zeigt den Zeitverlauf des Signals ISNS, das den durch die LED(s) fließenden Strom wiedergibt und das mittels des Widerstandes 11 erzeugt und der Steuerschaltung 4 zugeführt wird.
Wie in den Diagrammen A2 und A3 der 2 zu sehen, erzeugt die Steuerschaltung 4 den Einschaltimpuls, wenn das ansteigende Signal ISNS den unteren Schaltschwellenwert I_low (low/high transition) erreicht (Zeitpunkt t₁). Das Signal sw zum Ansteuern des Schalters wechselt vom Ausschaltsignal zum Einschaltsignal. Erreicht die ansteigende Flanke des Signals ISNS den oberen Schaltschwellenwert I_peak (Zeitpunkt t₂), erzeugt die Steuerschaltung 4 den Ausschaltimpuls, das Signal sw zum Ansteuern des Schalters wechselt vom Einschaltsignal zum Ausschaltsignal. Die Periode des Signals ISNS (T_Period) entspricht der Summe (T_Active) der Einschaltdauer T_On und der Ausschaltdauer T_Off des Schalters 5 (Zeitspanne von t₁ bis t₃).
Der sich während des zickzackförmigen zeitlichen Verlaufs des Signals ISNS ergebende Mittelwert des Stroms stellt eine von der Steuerschaltung 4 zu steuernde bzw. zu ermittelnde Größe dar. Der Strommittelwert I_avg kann entsprechend der Gleichung: I_avg = 0,5·I_Peak (1) ermittelt werden. Die Steuerschaltung 4 steuert entsprechend der Gleichung (1) den gewünschten Mittelwert des Stroms durch die LSD(s) 2 mittels einer Veränderung der oberen Abschaltschwelle I_Peak und abhängig von einem vorgegebenen Sell-Mittelwert.
Die obere Abschaltschwelle I_Peak (Ausschaltschwelle) kann jedoch nicht beliebig abgesenkt werden, da es bei geringen Stromwerten zu Problemen hinsichtlich der Erfassung und Verarbeitung des geringen Stromwerts kommen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wechselt die Steuerschaltung 4, von dem Grenzbetriebsmodus in den diskontinuierlichen Betriebsmodus, wenn bei einem geforderten Absenken der Abschaltschwelle I_Peak diese unter einem vorgegeben Mindestwert liegen würde.
3 zeigt Signalverläufe des im diskontinuierlichen Betriebsmodus betriebenen Abwärtswandler 3. Das Diagramm B1 zeigt den Zeitverlauf des lückenden Betriebs bzw. dessen zeitliche Erfassung durch die Steuerschaltung 4. Das Diagramm B2 zeigt die von der Steuerschaltung 4 erzeugten Ein- und Ausschaltimpulse und das von der Steuerschaltung 4 daraufhin abgegebene Signal sw zum Ansteuern des steuerbaren Schalters 5. Das Diagramm B3 beschreibt den Zeitverlauf des Signals ISNS, das den durch die LED(s) fließenden Strom wiedergibt und das mittels des Widerstandes 11 erzeugt und der Steuerschaltung 4 zugeführt wird.
Die Abschaltschwelle I_Peak im Diagramm B3 entspricht dem vorgegebenen Mindestwert. Eine Veränderung des Strommittelwerts I_avg steuert die Steuerschaltung 4 über eine entsprechende Veränderung der Länge des Zeitintervalls t₃ bis t₄.
Der zu steuernde Strommittelwert I_avg kann im diskontinuierlichen Betriebsmodus entsprechend der Gleichung: I_avg = 0,5·I_Peak·T_Active/T_Period (2) ermittelt werden, wobei I_Peak hier der vorgegebene Mindestwert der Abschaltschwelle, T_Active die Summe der Einschaltdauer T_On und der Ausschaltdauer T_Off des Schalters 5 (Zeitspanne von t₁ bis t₃), und T_Period die Periode des Signals ISNS (Zeitspanne von t₁ bis t₄) sind. Die Steuerschaltung 4 steuert entsprechend der Gleichung (2) den gewünschten Mittelwert des Stroms durch die LED(s) 2 mittels einer Veränderung der Länge der Zeitspanne t₃ bis t₄.
Wie in 3 gezeigt, schaltet die Steuerschaltung 4 den Schalter 5 zum Zeitpunkt t₁ ein und zum Zeitpunkt t₂, an dem das Signal ISNS den oberen Schaltschwellenwert I_peak erreicht, den Schalter 5 aus. Zum Zeitpunkt t₁ kann ein Zähler oder jeweils ein Zähler zum Bestimmen von T_Active und T_Period gestartet werden. Der Strommittelwert I_avg zum Zeitpunkt t₃ kann von der Steuerschaltung 4 mittels der Gleichung (1) bestimmt werden. Erreicht die ansteigende Flanke des Signals ISNS den unteren Schaltschwellenwert I_low (Zeitpunkt t₃) wird T_Active durch Auslesen des Zählers bestimmt. Ab dem Zeitpunkt t3 kann der aktuelle Strommittelwert I_avg kontinuierlich mit der Gleichung (2) bestimmt werden, wobei der term 0,5 I_Peak·T_Active der Gleichung (2) bekannt ist und T_Period durch Auslesen des Zählers bestimmt und in die Gleichung (2) eingesetzt wird. Wird der vorgegebene Strommittelwert I_avg erreicht (Zeitpunkt t₄), schaltet die Steuerschaltung 4 den Schalter 5 wieder ein. Der beschriebene Zyklus beginnt erneut. Alternativ kann ab dem Zeitpunkt t3 der Wiedereinschaltzeitpunkt t₄ (entspricht T_Period) mit der Gleichung (2) bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt keine externe Ermittlung des Strommittelwerts I_avg, weder im Grenzbetriebsmodus noch im diskontinuierlichen Betriebsmodus. An der Steuerschaltung 4 ist nur ein Anschluss/Eingang (Pin) zum Erfassen des Signals ISNS bzw. zum Erfassen des Stromflusses durch die LED(s) 2 nötigt. Die Anzahl der Anschlüsse der Steuerschaltung 4 für eine Erfassung der Messgrößen kann reduziert werden. Der Strommittelwert I_avg wird von der Steuerschaltung 4 sowohl im Grenzbetriebsmodus als auch im diskontinuierlichen Betriebsmodus mittels des Signals ISNS bestimmt. Es werden dafür keine zusätzlichen Bauteile/Schaltungen benötigt, was den Aufbau des Abwärtswandlers 3 vereinfacht und kostengünstiger macht.
Wie in 3 gezeigt, können nach dem Ausschalten zum Zeitpunkt t₃ Oszillationen des Stromes auftreten, die durch einen aus der Spule 6, dem Kondensator 8 und anderen Kapazitäten (nicht gezeigt) gebildeten Resonanzkreis bedingt sind. Die Oszillationen des Stromes durch die Spule 5 können mittels des Signals ISNS oder mittels einer mit der Spule 6 induktiv gekoppelten Erfassungsspule 12 erfasst und von der Steuerschaltung 4 detektiert werden.
Um Schaltverluste des Schalters 5 zu vermeiden, sollten solche Oszillationen beim Wählen des Wiedereinschaltzeitpunktes berücksichtigt werden bzw. der Wiedereinschaltzeitpunkt so gewählt werden, dass zum Wiedereinschaltzeitpunkt die Spannungsschwingung über dem Schalter 5 ein Spannungsminimum zeigt. Dies bedeutet jedoch, dass das Wiedereinschalten des Schalters 5 ab dem Zeitpunkt t₃ nicht zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen kann, sondern nur in diskreten Zeitabständen, nämlich immer dann, wenn die Spannungsschwingung über demn Schalter 5 ein Spannungsminimum zeigt.
Wird der Schalter 5 nicht zu dem von der Steuerschaltung 4 nach der Gleichung (2) ermittelten Zeitpunkt auf Grund von Spannungsschwingung über den Schalter 5 wiedereingeschaltet sondern später, wird der vorgegebene Strommittelwert I_avg nicht exakt erreicht und fällt z. B. niedriger aus.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt ein Abwechseln von dem diskontinuierlichen Betriebsmodus und dem Grenzbetriebsmodus, wenn die durch die LED(s) gebildete Last so niedrig ist, dass die sich bei einem Grenzbetriebsmodus ergebende obere Abschaltschwelle I_peak unter dem vorgegeben Mindestwert der Abschaltschwelle I_peak liegen würde.
Dieses Abwechseln kann insbesondere in einem Übergangsbereich zu einem genaueren Strommittelwert I_avg über zwei Perioden T_Period führen, da der aus dem diskontinuierlichen Betriebsmodus resultierende zu niedrige Strommittelwert I_avg mit dem im darauffolgenden Grenzbetriebsmodus zu hohen Strommittelwert I_avg ausgleichen werden kann. Dieser Aspekt des Abwechselns von dem diskontinuierlichen Betriebsmodus und dem Grenzbetriebsmodus stellt für sich einen vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Jedoch wird das Signal ISNS sowohl im Falle des Grenzbetriebsmodus wie auch im Falle des diskontinuierlichen Betriebsmodus der Steuerschaltung zugeführt, ohne externe Mittelwertbildung unterzogen zu werden.
Das Ende eines Wechselbetriebs bzw. der Übergang vom Wechselbetrieb zu einem fortwährenden diskontinuierlichen Betriebsmodus kann mittels eines empfangenen Steuersignals ausgelöst werden oder von der Länge des Zeitabschnittes t₃ bis t₄ oder der Länge der Periode T_Period des diskontinuierlichen Betriebsmodus abhängig sein, wobei ein Ende eines Wechselbetriebs bzw. der Übergang vom Wechselbetrieb zu einem fortwährenden diskontinuierlichen Betriebsmodus erfolgt, wenn die Länge einen Maximalwert annimmt. Der Wechsel im Mischbetrieb erfolgt nach jeweils einigen, wenigen Schaltzyklen.
In gleicher Weise kann ein Übergang vom einem fortwährenden diskontinuierlichen Betriebsmodus zu dem Wechselbetrieb mittels eines empfangenen Steuersignals ausgelöst werden oder von der Länge des Zeitabschnittes t₃ bis t₄ oder der Länge der Periode T_Period des diskontinuierlichen Betriebsmodus abhängig sein, wobei ein Start eines Wechselbetriebs bzw. der Übergang vom einem fortwährenden diskontinuierlichen Betriebsmodus zum Wechselbetrieb erfolgt, wenn die Länge einen Minimalwert annimmt. Der Minimalwert und der Maximalwert können gleich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/152368 A1 [0002]

Claims

Abwärtswandler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln, aufweisend eine Steuerschaltung (4), die einen Schalter (5) des Abwärtswandlers (3) ansteuert, Mittel (11) zum direkten oder indirekten Erfassen des Stroms durch das oder die Leuchtmittel (2) und zur Zuführung eines diesen Strom wiedergebenden Signals an die Steuerschaltung (4), wobei der Schalter (5) ausgeschaltet wird, wenn das Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle erreicht hat, wobei die Steuerschaltung (4) dazu ausgelegt ist, mittels Ansteuerung des Schalters (5) den Abwärtswandler (3) – in einem Grenzbetriebsmodus zu betreiben, wenn die durch das oder die Leuchtmittel (2) gebildete Last so hoch ist, dass die sich ergebende Abschaltschwelle über einem vorgegebenen Mindestwert der Abschaltschwelle liegt, und – in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle zu betreiben, wenn die durch das oder die Leuchtmittel (2) gebildete Last so niedrig ist, dass die sich bei einem Grenzbetriebsmodus ergebende Abschaltschwelle unter dem vorgegebenen Mindestwert der Abschaltschwelle liegen würde, wobei die Steuerschaltung (4) so eingerichtet ist, dass sie sowohl im Grenzbetriebsmodus als auch im diskontinuierlichen Betriebsmodus auf Basis des zugeführten, den Strom wiedergebenden Signals den Schalter (5) ansteuert.
Abwärtswandler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln, aufweisend eine Steuerschaltung (4), die einen Schalter (5) des Abwärtswandlers (3) ansteuert, Mittel (11) zum direkten oder indirekten Erfassen des Stroms durch das oder die Leuchtmittel (2) und zur Zuführung eines diesen Strom wiedergebenden Signals an die Steuerschaltung (4), wobei die Steuerschaltung (4) so eingerichtet ist, dass der Schalter (5) ausgeschaltet wird, wenn das Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle erreicht hat, und die Steuerschaltung (4) dazu ausgelegt ist, mittels Ansteuerung des Schalters (5) den Abwärtswandler (3) – in einem Grenzbetriebsmodus zu betreiben, wenn die durch das oder die Leuchtmittel (2) gebildete Last so hoch ist, dass die sich ergebende Abschaltschwelle über einem vorgegebenen Mindestwert liegt, und – in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus zu betreiben, wenn die durch das oder die Leuchtmittel (2) gebildete Last so niedrig ist, dass die sich bei einem Grenzbetriebsmodus ergebende Abschaltschwelle unter dem vorgegebenen Mindestwert der Abschaltschwelle liegen würde.
Abwärtswandler nach Anspruch 2, wobei wobei die Steuerschaltung (4) so eingerichtet ist, dass sie sowohl im Grenzbetriebsmodus als auch im diskontinuierlichen Betriebsmodus auf Basis des zugeführten, den Strom wiedergebenden Signals den Schalter (5) ansteuert.
Abwärtswandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuerschaltung (4) dazu ausgelegt ist, von dem Betrieb, in dem der Abwärtswandler (3) in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus betrieben wird, in einen Betrieb, in dem der Abwärtswandler (4) in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle nicht abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus betrieben wird, wechselt, wenn ein erstes Steuersignal von der Steuerschaltung (4) empfangen wurde oder wenn der Zeitabschnitt T_Period, in dem die Steuerschaltung (4) den Schalter (5) ein, aus und wieder einschaltet, einen Maximalwert annimmt.
Abwärtswandler nach Anspruch 4, wobei die Steuerschaltung (4) dazu ausgelegt ist, von dem Betrieb, in dem der Abwärtswandler (3) in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle nicht abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus betrieben wird, in den Betrieb, in dem der Abwärtswandler (3) in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus betrieben wird, wechselt, wenn ein zweites Steuersignal von der Steuerschaltung (4) empfangen wurde oder wenn der Zeitabschnitt T_Period, in dem die Steuerschaltung (4) den Schalter (5) ein, aus und wieder einschaltet, einen Minimalmalwert annimmt.
Abwärtswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerschaltung (4) einen Komparator (12, 13) zum Vergleichen des Signals mit einem den Mindestwert repräsentierenden Signal aufweist.
Abwärtswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Steuerschaltung (4) ein Dimmsignal zuführbar ist und die Steuerschaltung (4) eingerichtet ist, in dem Grenzbetriebsmodus die Abschaltschwelle entsprechend dem Dimmsignal zu ändern.
Abwärtswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerschaltung (4) eingerichtet ist, in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus einen Strommittelwert I_avg für den Zeitabschnitt T_Period, in dem die Steuerschaltung den Schalter ein, aus und wieder einschaltet, entsprechend der Gleichung: I_avg = 0,5·I_Peak·T_Active/T_Period zu ermitteln, wobei I_Peak der vorgegebene Mindestwert der Abschaltschwelle und T_Active die Summe der Einschaltdauer T_On und der Ausschaltdauer T_Off des Schalters (5) sind, und die Steuerschaltung (4) eingerichtet ist, in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters (5) auf Grundlage des ermittelten Strommittelwerts I_avg zu bestimmen.
Abwärtswandler nach Anspruch 7 und 8, wobei die Steuerschaltung (4) eingerichtet ist, in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus den Strommittelwert I_avg nach der Ausschaltdauer T_Off des Schalters (5) bis zum Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters (5) kontinuierlich zu ermitteln und den ermittelten Strommittelwert I_avg kontinuierlich mit einem dem Dimmsignal entsprechenden Wert zu vergleichen, um den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens zu bestimmen.
Abwärtswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Steuerschaltung (4) ein den Spannungsverlauf über dem Schalter (5) wiedergebendes Signal zuführbar ist, und die Steuerschaltung eingerichtet ist, in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens auf Grundlage des ermittelten Strommittelwerts (I_avg) zu bestimmen.
Betriebsgerät für Leuchtdioden, aufweisend einen Abwärtswandler (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zum Steuern eines Abwärtswandlers für den Betrieb von einem oder mehreren Leuchtmitteln, mit den Schritten: Ansteuern eines Schalters (5) des Abwärtswandlers (5), und Erfassen des Stroms durch das oder die mehreren Leuchtmittel und Erzeugen eines diesen Strom wiedergebenden Signals, wobei der Schalter (5) ausgeschaltet wird, wenn das Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle erreicht hat, wobei durch Ansteuern des Schalters (5) der Abwärtswandler (3) – in einem Grenzbetriebsmodus betrieben wird, wenn die durch das oder die mehreren Leuchtmittel (2) gebildete Last so hoch ist, dass die sich ergebende Abschaltschwelle über einem vorgegebenen Mindestwert der Abschaltschwelle liegt, und – in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit dem Mindestwert der Abschaltschwelle abwechselnd mit dem Grenzbetriebsmodus betrieben wird, wenn die durch das oder die mehreren Leuchtmittel (2) gebildete Last so niedrig ist, dass die sich bei einem Grenzbetriebsmodus ergebende Abschaltschwelle unter dem vorgegebenen Mindestwert der Abschaltschwelle liegen würde.