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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für eine Beleuchtungsvorrichtung und eine Beleuchtungsvorrichtung.
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Technischer Hintergrund
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Einstufige Sperr-PFC-(Leistungsfaktorkorrektur)-Wandler werden gewöhnlich in existierenden kostengünstigen LED-Treibern verwendet, um die Netzspannung in einen von einem LED-Lichtemissionsmodul benötigten Gleichstrom umzuwandeln. Der einstufige Sperr-PFC-Wandler kann jedoch nicht an die Änderung der 50/60-Hz-Netzspannung angepasst werden, um einen geeigneten Leistungsfaktor und das THD-(gesamte harmonische Verzerrung)-Verhalten aufrechtzuerhalten. Hierdurch wird die Leistungswandlung von der Netzspannung für das LED-Modul im Laufe der Zeit inkonstant, was dazu führt, dass der dem LED-Modul zugeführte Ausgangsstrom einen erheblichen Betrag eines Brummstroms aufweist.
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Die Amplitude des ausgegebenen Brummstroms hängt von der Ausgangskapazität des verwendeten einstufigen Sperr-PFC-Wandlers und vom effektiven Reihenwiderstand des LED-Moduls ab. Die Frequenz des ausgegebenen Brummstroms beträgt im Allgemeinen 100/120 Hz, was das Doppelte der Eingangsspannung des Sperr-PFC-Wandlers ist. Abgesehen davon, kann zwischen dem ausgegebenen Brummstrom und der Netzspannung eine Phasenvoreilung auftreten, weil die Lastkennlinie des LED-Moduls resistiv und kapazitiv ist. Diese Probleme führen häufig zu einem hohen Brummanteil (im Allgemeinen größer als 35 %) und können demgemäß zu einer geringen Zuverlässigkeit und Qualität des LED-Moduls und auch zu Flackerproblemen bei Kamera- oder Videoanwendungen führen.
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Die vorstehend erwähnten Probleme werden im Stand der Technik gewöhnlich unter Verwendung eines einstufigen Sperrwandlers oder eines zweistufigen Entwurfs mit einer erheblichen Ausgangskapazität gelöst. Für den ersten Typ aus dem Stand der Technik ist, falls der effektive Reihenwiderstand des LED-Moduls 6 Ohm beträgt und die Ausgangskapazität des Sperrwandlers 500 μF beträgt, der resultierende Brummanteil 47 %, ist der resultierende Brummanteil 26 %, wenn die Ausgangskapazität auf 1000 μF verdoppelt wird und ist der resultierende Brummanteil 17 %, wenn die Ausgangskapazität auf 1500 μF verdreifacht wird. Diese Lösung wird jedoch unvorteilhaft, wenn der effektive Reihenwiderstand des LED-Moduls immer kleiner wird. Abgesehen davon erfordert eine größere Kapazität mehr Aufnahmeraum für die PCB und ein größeres Gehäuse, und die erhöhte Kapazität kann überdies zu Problemen in der Art einer Einschaltverzögerung und eines Kurzschlussstroms an der Schaltung führen.
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Bei einer zweiten Lösung aus dem Stand der Technik wird häufig eine Kombination entweder eines Verstärkungs-PFC-Moduls zuzüglich eines Sperrwandlermoduls oder eines Sperrwandler-PFC-Moduls zuzüglich eines Abwärtswandlermoduls verwendet, wobei die erste Stufe einen guten Leistungsfaktor THD und eine stabile Bus-Gleichspannung bereitstellt, während die zweite Stufe die Busspannung in einen Gleichstrom umwandelt und ihn dem LED-Modul zuführt. Wenngleich bei dieser Lösung kein Brummstrom am LED-Treiberausgang vorliegt, hat der zweistufige Entwurf verglichen mit dem kostengünstigen einstufigen Entwurf verhältnismäßig hohe Kosten und keinen kompakten Aufbau. Überdies hat der zweistufige Entwurf bei der vorliegenden Anwendung einen geringeren Wirkungsgrad als der einstufige Entwurf und unterliegt auch dem EMI-Problem.
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Kurzfassung der Erfindung
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Zum Lösen der vorstehend erwähnten technischen Probleme sieht die vorliegende Erfindung einen neuartigen Treiber für eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere einen Treiber für eine Beleuchtungsvorrichtung, bei der eine LED als Lichtquelle verwendet wird, und eine diesen Treiber aufweisende Beleuchtungsvorrichtung vor. Der Treiber gemäß der vorliegenden Erfindung kann den Brummstrom einer lichtemittierenden Einheit der Beleuchtungsvorrichtung wirksam verringern oder vermeiden.
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Abgesehen davon weist der Treiber gemäß der vorliegenden Erfindung eine geringere Anzahl von Bestandteilen, geringere Kosten und einen kompakten Aufbau auf, und dieser Treiber hat überdies eine gute Kompatibilität und kann mit beliebigen Konstantstrom-LED-Treibern mit einem Brummstrom zusammenarbeiten, und zwar unabhängig davon, ob die Konstantstromtreiber vom Regelschleifentyp, vom PSR-Typ oder durch einen Optokoppler geregelt sind. Die Schnittstelle des Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch einfach und weist positive und negative Anschlüsse auf und kann als ein autonomes Produkt verwendet werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine solche Treiberschaltung gelöst, welche Folgendes umfasst: ein erstes Treibermodul, wobei das erste Treibermodul dafür ausgelegt ist, ein Wechselstromsignal von einer Leistungsversorgung in ein Konstantstrom-Treibersignal umzuwandeln, das einer lichtemittierenden Einheit der Beleuchtungsvorrichtung zugeführt wird, und wobei die Treiberschaltung ferner ein zweites Treibermodul umfasst und wobei das zweite Treibermodul in Reihe mit dem ersten Treibermodul und der lichtemittierenden Einheit geschaltet ist und dafür ausgelegt ist, eine Spannung zu halten, die durch das Konstantstrom-Treibersignal an das zweite Treibermodul angelegt ist, und wobei das zweite Treibermodul ferner ein erstes Schaltmittel umfasst, das durch die gehaltene Spannung angesteuert wird, um es einzuschalten, so dass ein vom zweiten Treibermodul ausgegebenes Stromsignal ein Gleichstromsignal ist.
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Das zweite Treibermodul der Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen Spitzenwert der von der gesamten Treiberschaltung erfahrenen Spannung abtasten und halten, wobei die erfahrene Spannung häufig eine Überlagerung einer Gleichstromkomponente und einer Wechselstromkomponente ist. Das zweite Treibermodul der Treiberschaltung wird durch eine entsprechend der gehaltenen Spannung erhaltene konstante Spannung angesteuert, um einen Gleichstrom zu leiten, wodurch das zweite Treibermodul eine Kennlinie geringer Impedanz für den Gleichstrom, jedoch eine Kennlinie hoher Impedanz für den Wechselstrom aufweist, so dass es gewährleistet, dass der durch das zweite Treibermodul fließende Strom ein Gleichstrom ist, und die Treiberschaltung kann den Brummstrom auf diese Weise verringern.
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Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das zweite Treibermodul ferner eine Spannungshalteeinheit zum Abtasten des Konstantstrom-Treibersignals und zum Halten einer Spannung, die durch das Konstantstrom-Treibersignal an das zweite Treibermodul angelegt ist, und eine Ausführungseinheit, die so ausgelegt ist, dass ansprechend auf die gehaltene Spannung ein vom zweiten Treibermodul ausgegebenes Stromsignal ein Gleichstromsignal ist. Wenn das zweite Treibermodul beispielsweise mit einem Konstantstromtreiber für eine LED verbunden wird, kann die Spannungshalteeinheit des zweiten Treibermoduls die daran angelegte Spannung abtasten und halten, und die Spannungshalteeinheit kann auf diese Weise der Ausführungseinheit eine konstante Spannung zuführen, um die Ausführung beispielsweise in der Art eines konstanten Stroms zu treiben und zu steuern, so dass die Ausführungseinheit einen Gleichstrom ausgibt.
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Vorteilhafterweise umfasst die Treiberschaltung für ein Beispiel der vorliegenden Erfindung ferner eine zusätzliche Halteeinheit zum Halten einer Spannung zusammen mit der Spannungshalteeinheit, wobei die Spannung durch das Konstantstrom-Treibersignal an das zweite Treibermodul angelegt wird. Die zusätzliche Halteeinheit unterstützt die Spannungshalteeinheit dabei, die von der Spannungshalteeinheit abgetastete Spannung zu halten, wodurch die Stabilität der Treiberschaltung wirksam verbessert wird.
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Vorteilhafterweise umfasst die Treiberschaltung ferner eine Strombegrenzungseinheit zum Steuern eines maximalen durch das zweite Treibermodul fließenden Stroms. Die Strombegrenzungseinheit kann den maximal zulässigen Strom des zweiten Treibermoduls steuern, um das zweite Treibermodul vor einer Beschädigung durch einen Überstrom in Fällen, in denen ein Kurzschluss der LED-Last auftritt, zu schützen.
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Vorzugsweise umfasst die Spannungshalteeinheit für ein Beispiel der vorliegenden Erfindung einen Kondensator zum Zuführen einer konstanten Treiberspannung zur Ausführungseinheit. Die Spannung des Kondensators liegt auf einem konstanten Wert, um dem ersten Schaltmittel einen konstanten Treiberstrom zuzuführen, so dass das erste Schaltmittel einen Gleichstrom ausgeben kann. Abgesehen davon wird während des maximalen Spannungsabfalls der Treiberschaltung der Kondensator geladen, und dementsprechend ist das zweite Treibermodul der Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht eine weitere Stromsteuereinrichtung außer dem ersten Treibermodul, sondern eine Spannungssteuereinrichtung. Mit Hilfe der Gleichspannung am Kondensator ermöglicht das zweite Treibermodul nur die Ausgabe eines Gleichstroms.
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Vorzugsweise umfasst die zusätzliche Halteeinheit ein zweites Schaltmittel, das dafür ausgelegt ist, mit dem ersten Schaltmittel eine Darlington-Stufe zu bilden. Die Darlington-Stufe, die aus dem ersten und dem zweiten Schaltmittel besteht, kann den Verbrauch des Kondensators minimieren, und der Kondensator wird vollständig geladen, um der Darlington-Stufe elektrische Treiberenergie zuzuführen, um den LED-Strom aushalten zu können.
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Vorzugsweise sind das erste und das zweite Schaltmittel als Bipolartransistoren oder MOSFET ausgelegt.
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Vorzugsweise umfasst die Spannungshalteeinheit ferner eine erste Diode und eine zweite Diode, wobei die Kathode der ersten Diode mit der Kathode der zweiten Diode verbunden ist und die Anode der zweiten Diode mit dem Kondensator verbunden ist. Die Summe der Spannungen an der ersten Diode, der zweiten Diode und dem Kondensator definiert einen Spitzenwert einer Spannung am zweiten Treibermodul der Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst die zusätzliche Halteeinheit einen ersten Transistor, einen ersten Widerstand, der ein Ende aufweist, das mit der Steuerelektrode des ersten Transistors verbunden ist, und einen zweiten Widerstand, der mit der Referenzelektrode des ersten Transistors verbunden ist, wobei das andere Ende des ersten Widerstands mit einem Knoten zwischen der zweiten Diode und dem Kondensator verbunden ist. Weil die Spannung des Kondensators konstant ist, kann der Ausgangsstrom des ersten Transistors ein konstanter Strom sein.
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Vorzugsweise umfasst die Ausführungseinheit einen zweiten Transistor, einen dritten Widerstand, der zwischen die Steuerelektrode des zweiten Transistors und die Referenzelektrode des ersten Transistors geschaltet ist, und einen vierten Widerstand, der mit der Referenzelektrode des zweiten Transistors verbunden ist. Weil der Ausgangsstrom des ersten Transistors konstant ist, ist auch der den zweiten Transistor ansteuernde Strom konstant, weshalb die Stromausgabe vom zweiten Transistor auch ein konstanter Strom sein kann, wodurch der vom zweiten Treibermodul der Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung geleitete Strom ein Gleichstrom ist.
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Vorzugsweise umfasst die Strombegrenzungseinheit einen dritten Transistor und einen fünften Widerstand, wobei der fünfte Widerstand zwischen die Steuerelektrode des dritten Transistors und die Referenzelektrode des zweiten Transistors geschaltet ist und die Arbeitselektrode des dritten Transistors mit einem Knoten zwischen der Steuerelektrode des ersten Transistors und dem ersten Widerstand verbunden ist.
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Die andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine solche Beleuchtungsvorrichtung gelöst, welche eine lichtemittierende Einheit und die Treiberschaltung, wie vorstehend beschrieben, welche an die lichtemittierende Einheit angeschlossen ist, umfasst. Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Treiberschaltung mit geringen Kosten und einem einfachen Aufbau auf und kann den Brummstrom der lichtemittierenden Einheit wirksam verringern oder vermeiden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die anliegende Zeichnung bildet einen Teil der vorliegenden Beschreibung und wird verwendet, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu verbessern. Diese anliegende Zeichnung veranschaulicht die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und wird verwendet, um zusammen mit der Beschreibung die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. In der anliegenden Zeichnung sind gleiche Komponenten durch die gleichen Bezugszahlen repräsentiert. Es zeigen:
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1 ein schematisches Funktionsblockdiagramm einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und
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2 ein schematisches Diagramm einer Schaltungsstruktur eines zweiten Treibermoduls einer Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt ein schematisches Funktionsblockdiagramm einer Beleuchtungsvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Beleuchtungsvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere eine lichtemittierende Einheit L, die als LED ausgelegt ist, und eine Treiberschaltung 100. Die Treiberschaltung 100 umfasst insbesondere ein erstes Treibermodul 101, welches der lichtemittierenden Einheit L der Beleuchtungsvorrichtung 200 einen konstanten Strom zuführt, wobei das erste Treibermodul 101 als ein Konstantstrom-LED- Treiber implementiert sein kann, welcher der LED einen konstanten Strom zuführt. Dieser Konstantstrom-LED-Treiber kann ein Wechselstromsignal von einer Leistungsversorgung in ein konstantes Treibersignal für die Ausgabe umwandeln.
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Abgesehen davon umfasst diese Treiberschaltung 100 ferner ein zweites Treibermodul 102. Dieses Treibermodul 102 steht in einer Reihenschaltung mit der lichtemittierenden Einheit L und dem ersten Treibermodul 101 und ist ferner dafür ausgelegt, eine durch das Konstantstrom-Treibersignal an das zweite Treibermodul 102 angelegte Spannung abzutasten und diese Spannung zu halten, um einen Gleichstrom auszugeben, wenn eine Ansteuerung durch die gehaltene Spannung erfolgt, wodurch die Aufgabe gelöst wird, den Brummstrom der lichtemittierenden Einheit L zu verringern oder zu vermeiden.
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2 zeigt ein schematisches Diagramm einer Schaltungsstruktur des zweiten Treibermoduls 102 der Treiberschaltung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das zweite Treibermodul 102 gemäß der vorliegenden Erfindung hat Schnittstellen zur Verbindung mit dem ersten Treibermodul 101 und der licht-emittierenden Einheit L. Das zweite Treibermodul 102 ist über zwei Anschlüsse, d.h. einen ersten Anschluss T1 bzw. einen zweiten Anschluss T2, mit der lichtemittierenden Einheit L und dem ersten Treibermodul 101 verbunden, um es zwischen das erste Treibermodul 101 und die lichtemittierende Einheit L einzufügen und damit zu verbinden. Der erste Anschluss T1 und der zweite Anschluss T2 können eine positive Elektrode bzw. eine negative Elektrode sein, d.h. sie können die Richtung eines von der lichtemittierenden Einheit L zum zweiten Treibermodul 102 fließenden Stroms angeben. Das zweite Treibermodul 102 umfasst insbesondere hauptsächlich vier Einheiten, die eine Spannungshalteeinheit 1, eine Ausführungseinheit 2, eine zusätzliche Halteeinheit 3 und eine Strombegrenzungseinheit 4 sind.
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Insbesondere umfasst die Spannungshalteeinheit 1 eine erste Diode D1 und eine zweite Diode D2 sowie einen Kondensator C1. Die erste Diode D1 kann eine übliche Bipolardiode sein, und die zweite Diode D2 ist eine Zener-Diode, und alternativ ist die erste Diode D1 als eine Zener-Diode ausgelegt und ist die zweite Diode D2 als eine übliche Bipolardiode ausgelegt. Die erste Diode D1 und die zweite Diode D2 bilden eine Klemmschaltung oder eine bidirektionale Zener-Diode, d.h. eine TVS- Diode, die in der Lage ist, eine an das zweite Treibermodul 102 angelegte Spannung zu halten, wobei diese Spannung insbesondere durch jeweilige Leitungsspannungen der ersten Diode D1 und der zweiten Diode D2 begrenzt ist. Fachleute werden jedoch verstehen, dass andere Schaltungsstrukturen, welche die gleiche oder eine ähnliche Funktion aufweisen, die hier implementierte Schaltungsstruktur ersetzen können. Der geladene Kondensator C1 weist eine konstante Spannung auf, um in der Lage zu sein, der zusätzlichen Halteeinheit 3 hinter der Spannungshalteeinheit 1 einen konstanten Treiberstrom zuzuführen, wodurch der erste Transistor Q1 der zusätzlichen Halteeinheit 3 einen konstanten Strom ausgeben kann.
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Die zusätzliche Halteeinheit 3, die sich hinter der Spannungshalteeinheit 1 befindet, umfasst einen ersten Widerstand R1, einen ersten Transistor Q1 und einen zweiten Widerstand R2, wobei der erste Widerstand R1 und der zweite Widerstand R2 mit einer Steuerelektrode bzw. einer Referenzelektrode des ersten Transistors Q1 verbunden sind. Bei einem Beispiel der vorliegenden Erfindung ist der erste Transistor Q1 als ein erster Bipolartransistor implementiert, so dass der erste Bipolartransistor eine Basis und einen Emitter aufweist, die mit dem ersten Widerstand R1 bzw. dem zweiten Widerstand R2 verbunden sind. Der zweite Widerstand R2 ist dafür eingerichtet, das Verschwinden des Durchschaltstroms des ersten Transistors Q1 in einigen speziellen Situationen zu verhindern, um die Stabilität zu verbessern. Auf diese Weise ist der Basis-Emitter-Strom des ersten Transistors Q1, wenn eine Ansteuerung durch die konstante Spannung des Kondensators C1 erfolgt, unter dem gegebenen Umstand, dass die Änderungen der Basis-Emitter-Spannung des ersten Transistors Q1 in der Schaltung umgangen werden, konstant, was dann dazu führt, dass auch der Kollektor-Emitter-Strom des ersten Transistors Q1 konstant ist.
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Die Ausführungseinheit 2 des zweiten Treibermoduls 102 umfasst einen zweiten Transistor Q2, der auch als ein Bipolartransistor ausgelegt ist, und einen dritten Widerstand R3 und einen vierten Widerstand R4, die mit einer Steuerelektrode bzw. einer Referenzelektrode des zweiten Transistors Q2 verbunden sind. In Fällen, in denen der zweite Transistor Q2 als ein zweiter Bipolartransistor ausgelegt ist, ist die Basis des zweiten Bipolartransistors mit der Referenzelektrode des ersten Transistors Q1, d.h. dem Emitter des ersten Bipolartransistors, über den dritten Widerstand R3 verbunden. Der erste Transistor Q1 und der zweite Transistor Q2 bilden eine Darlington-Stufe. Weil der Strom am Kollektor-Emitter des ersten Bipolartransistors konstant ist, wie vorstehend erwähnt wurde, ist der Strom am Basis-Emitter des zweiten Bipolartransistors auch konstant, so dass der Strom am Kollektor-Emitter des zweiten Bipolartransistors auch konstant ist. Gemäß einem solchen Beispiel kann in Fällen, in denen der Kondensator C1 eine konstante Spannung bereitstellt, der zweite Transistor Q2 in der Ausführungseinheit 2 einen Gleichstrom ausgeben.
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Die Strombegrenzungseinheit 4 ist dafür ausgelegt, den maximal zulässigen Strom des zweiten Treibermoduls 102 zu steuern. Die Strombegrenzungseinheit 4 umfasst einen dritten Transistor Q3 und einen fünften Widerstand R5, wobei der dritte Transistor Q3 vorzugsweise als ein dritter Bipolartransistor ausgelegt ist, dessen Kollektor an die Basis des ersten Bipolartransistors angeschlossen ist und dessen Basis über den fünften Widerstand R5 an den Emitter des zweiten Bipolartransistors angeschlossen ist. Auf diese Weise kann die Strombegrenzungseinheit 4 den Strom im zweiten Treibermodul begrenzen und ist vor einer Beschädigung durch einen Überstrom in Fällen geschützt, in denen ein Kurzschluss an einer daran angeschlossenen LED-Last auftritt. Abgesehen davon kann die Strombegrenzungseinheit 4 gemäß der vorliegenden Erfindung in einigen speziellen Situationen auch in der Hot-plug-in-Anwendung eingesetzt werden, weil sie die durch einen Überstrom hervorgerufene Beschädigung begrenzen oder verhindern kann.
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Vorstehend wurden lediglich bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angegeben, sie schränken die vorliegende Erfindung jedoch nicht ein. Fachleute werden verstehen, dass an der vorliegenden Erfindung verschiedene Abänderungen und Modifikationen vorgenommen werden können. Alle Abänderungen, gleichwertigen Substitutionen und Verbesserungen, die innerhalb des Gedankens und des Prinzips der vorliegenden Erfindung liegen, sollen durch den Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung abgedeckt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spannungshalteeinheit
- 2
- Ausführungseinheit
- 3
- zusätzliche Halteeinheit
- 4
- Strombegrenzungseinheit
- 100
- Treiberschaltung
- 101
- erstes Treibermodul
- 102
- zweites Treibermodul
- 200
- Beleuchtungsvorrichtung
- T1
- erster Anschluss
- T2
- zweiter Anschluss
- L
- lichtemittierende Einheit
- D1
- erste Diode
- D2
- zweite Diode
- R1
- erster Widerstand
- R2
- zweiter Widerstand
- R3
- dritter Widerstand
- R4
- vierter Widerstand
- R5
- fünfter Widerstand
- Q1
- erster Transistor
- Q2
- zweiter Transistor
- Q3
- dritter Transistor
- C1
- Kondensator
