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Die Erfindung bezieht sich auf einen getakteten Wandler und insbesondere einen DC/DC-Wandler, beispielsweise einen Buck-Konverter, einen Boost-Konverter, oder einen Flyback-Konverter, für den Betrieb eines dimmbaren Leuchtmittels, insbesondere wenigstens einer LED bzw. einem LED-Modul.
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Aus der
WO 2014/047668 A2 ist eine Betriebsschaltung mit getaktetem Konverter zur Ansteuerung einer LED-Strecke bekannt, bei der ein Schalter dazu dient, einen Strompfad zwischen einem Messwiderstand und einem Tiefpaßfilter während einer Einschaltzeitdauer eines PWM-Signals freizugeben und ansonsten zu unterbrechen.
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Nach diesem Stand der Technik wird einem durch einen hochfrequent angesteuerten, getakteten Schalter erzeugtes Signal ein im Vergleich dazu niederfrequentes PWM-Signal überlagert, insbesondere einem Betriebsstrom/einer Betriebsspannung für ein Leuchtmittel. Durch das hochfrequente Schalten des Schalters wird ein Rippel erzeugt, der mit dem Betriebsstrom/der Betriebsspannung dem Leuchtmittel zugeführt wird.
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Ein Nachteil ist nunmehr, dass insbesondere bei sehr hohen Leistungen nahe 100% der Nennleistung des Leuchtmittels, d.h. insbesondere bei einem Dimmgrad von nahezu 100%, durch das hochfrequente Schalten des Wandlerschalters ein relativ hoher Rippel in der Versorgungsspannung des Leuchtmittels auftreten kann. Somit besteht die Gefahr, dass ein überschwingender Rippel die Belastungsgrenzen des Leuchtmittels überschreitet und so das Leuchtmittel beschädigt oder zerstört (oder der Rippel für das menschliche Auge erfassbar als Fluktuation der Lichtleistung erscheint). Insbesondere bei Wandlern mit unterschiedlich starken Leuchtmittel-Strömen/-Spannungen hat bei einer Nennleistung von nahezu 100% der daraus folgende Maximalstrom/die Maximalspannung an dem Leuchtmittel einen sehr hohen Rippel. Andererseits ergibt sich weiter das Problem, dass bei bekannten Filterschaltungen bei Überlagerung eines PWM-Signals die Flanken des PWM-Signals beim Dimmen mit niedrigen Dimmgraden, z.B. ca. 1–5%, „verschleifen“, was letztendlich die Vorteile eines PWM-Dimmens verringert. Insbesondere wird das PWM-Dimmen eingesetzt, um bei niedrigen Dimmgraden konstante Farbpunkte des Leuchtmittels zu gewährleisten.
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Zur Lösung der oben genannten Probleme stellt die Erfindung eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einem ersten Aspekt wird ein getakteter Wandler für dimmbare Leuchtmittel, insbesondere für eine LED-Strecke mit wenigstens einer LED, bereitgestellt, wobei der getaktete Wandler ausgehend von einer elektrischen Versorgung, insbesondere einer DC-Spannung, versorgbar ist und einen durch eine Steuereinheit getakteten ersten Schalter aufweist, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, der von dem getakteten Wandler an die Leuchtmittel zugeführten Spannung ein PWM-Signal zu überlagern, das im Verhältnis zu einer Frequenz der Taktung des ersten Schalters niederfrequent ist, wobei ein zweiter Schalter vorgesehen ist, der dazu eingerichtet ist, Filtereigenschaften einer Filterschaltung des getakteten Wandlers, die die von dem getakteten Wandler an die Leuchtmittel ausgegebene Spannung an einem Ausgang des Wandlers filtert, zu verändern, und wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den zweiten Schalter zu aktivieren oder zu deaktivieren.
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Der Steuereinheit kann ein Dimmsignal zugeführt werden, insbesondere über einen Beleuchtungsgerätebus, das einen an den Leuchtmitteln durch die Steuereinheit einzustellenden Dimmgrad anzeigt, und wobei die die Steuereinheit das PWM-Signal überlagert, wenn der einzustellende Dimmgrad einen Schwellenwert unterschreitet.
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Der zweite Schalter kann die Filterschaltung durch Zu- oder Abschalten von Schaltungskomponenten, insbesondere wenigstens einer Kapazität, einer Induktivität, und/oder eines Widerstands, verändern.
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Der zweite Schalter kann die Filterschaltung durch Verändern einer Schaltungskomponente verändern, insbesondere durch Verändern eines Induktivitätswerts, eines Kapazitätswerts und/oder eines Widerstandswerts.
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Der Steuereinheit kann ein den einzustellenden Dimmgrad widergebender Parameter zugeführt werden.
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Der getaktete Wandler kann ein DC/DC-Wandler sein, insbesondere ein Buckwander (Abwärtswandler), Boostwandler (Hochsetzsteller), oder Flybackwandler (Sperrwandler).
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Bei einem Dimmgrad über dem Schwellenwert kann statt eines PWM-Signals ein Amplitudenmodulations-Signal überlagert werden.
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Die Spannung an den Leuchtmitteln kann an einem Spannungsteiler erfasst und der Steuereinheit als Ist-Größe für den aktuellen Dimmgrad zugeführt werden.
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Der Schwellenwert für den Dimmgrad kann ca. 1% bis ca. 55%, vorzugsweise 5% bis 45 % entsprechen.
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Der getaktete Wandler kann ausgehend von einem Energiespeicher, insbesondere einem Speicherkondensator, gespeist werden.
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Die Filterschaltung kann ein Tiefpaßfilter, ein LC-Filter oder Bandpassfilter sein, das während der PWM-Signal-Überlagerung eine andere Kennlinie, z.B. eine höhere Grenzfrequenz, aufweist als bei der Amplitudenmodulations-Signal-Überlagerung.
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Die Steuereinheit kann das PWM-Signal und/oder das Amplitudenmodulations-Signal überlagern durch Ansteuerung eines weiteren Schalters.
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In einem weiteren Aspekt wird ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere LEDs, mit einem getakteten Wandler bereitgestellt wie er vorstehend beschrieben ist.
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Die Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die Figur beschrieben. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein adaptives Filter verwendet wird, wobei sich die Adaptivität insbesondere darauf bezieht, dass beispielsweise eine Veränderung der Filtereigenschaften und vorzugsweise durch Zu- und Abschalten eines Filterelements, abhängig von einem Dimmgrad erfolgt. Dabei weist der getaktete Wandler also insbesondere stets einen Filter auf, der lediglich in seinen Eigenschaften verändert wird.
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Insbesondere ist eine Steuereinheit SE vorgesehen, die den getakteten Schalter des getakteten Wandlers für dimmbare Leuchtmittel taktet. Dieser Steuereinheit wird ein einzustellender Dimmgrad zugeführt, z.B. über eine Busleitung für Beleuchtungsmittel, beispielsweise einen DALI- oder DSI-Bus, bzw. ein den Dimmgrad wiedergebender Parameter.
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Wie in 1 gezeigt, steuert die Steuereinheit SE zunächst einen ersten Schalter SW hochfrequent an. Wird der Schalter SW eingeschaltet, d.h. leitend geschaltet, so kann an einem Meßwiderstand Rshunt der Strom durch den Schalter SW erfasst werden. Dieser Strom steigt während der Einschaltphase des ersten Schalters SW im Wesentlichen linear an und fällt beim Öffnen des ersten Schalters SW, d.h. bei seiner Deaktivierung, auf Null ab. In der Folge zeigt der Strom durch die Spule Lbuck einen zickzackförmigen zeitlichen Verlauf. Bei eingeschaltetem ersten Schalter SW zeigt der Strom eine ansteigende Flanke und bei ausgeschaltetem ersten Schalter SW ergibt sich eine abfallende Flanke. Während der Freilaufphase ist der Strom durch den ersten Schalter SW, der insbesondere als Transistor und insbesondere als MOSFET ausgebildet sein kann, daher Null, bevor er beim erneuten Einschalten des ersten Schalters SW wieder ansteigt.
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Vorzugsweise wird der Schalter SW ausgeschaltet, wenn eine Abschaltschwelle, die insbesondere in der Steuereinheit SE abgelegt sein kann, erreicht ist. An dem ersten Schalter SW kann daher der zeitliche Verlauf des Stroms durch den Schalter durch die Steuereinheit SE erfasst werden. Weiter kann die Steuereinheit beispielsweise intern einen Filter, z.B. einen Tiefpaßfilter enthalten, um so den erfassten Strom zeitlich zu mitteln.
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Dem hochfrequenten, näherungsweise zickzackförmige Verlauf des Stroms bzw. der Spannung, der/die durch den Wandler an das Leuchtmittel LED an Anschlüssen A, B geliefert wird, kann durch die Steuereinheit SE beispielsweise mittels eines zweiten Schalters SPWM ein im Verhältnis zur Taktung des ersten Schalters SW niederfrequentes Pulsweitenmodulationssignal (LF PWM, Low Frequent PWM, im folgenden als PWM-Signal bezeichnet) überlagert werden. Dabei kann der Strom durch die Spule LBuck auf Null abfallen, bevor wieder eingeschaltet wird. Dies entspricht dem sogenannten Grenzbetrieb (Borderline-Betriebsmodus). Es ist auch möglich, die Schaltung im sogenannten lückenden Betrieb (discontinuous conduction mode) zu betreiben, wobei hier nach Erreichen des Nulldurchgangs, d.h. nach einem vollständigen Entmagnetisieren bzw. Entladen der Induktivität Lbuck für eine bestimmte Zeitdauer kein Einschalten des ersten Schalters SW erfolgt. Selbstverständlich kann auch im nicht-lückenden Betrieb (continuous conduction mode) ein Betrieb erfolgen, wobei hier die Induktivität Lbuck stets so geladen ist, dass der Nullpunkt nicht erreicht wird.
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Beispielsweise werden dem Leuchtmittel durch die Steuereinheit SE niederfrequente (typischerweise mit einer Frequenz im Bereich von 100–1000 Hz) Pulspakete mit vorzugsweise im zeitlichen Mittel konstante Amplitude zugeführt. Dem Strom bzw. der Spannung innerhalb des Pulspaketes ist dann der oben angeführte hochfrequente Rippel überlagert. Die Helligkeit des Leuchtmittels kann nun durch die Frequenz der Pulspakete gesteuert werden. Beispielsweise können die Leuchtmittel gedimmt werden, indem der zeitliche Abstand zwischen den Pulspaketen vergrößert wird.
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Es wird somit die hochfrequente Taktung des ersten Schalters SW mit einem PWM-Signal des zweiten Schalters SPWM kombiniert, wobei die Frequenz des PWM-Signals im Verhältnis zur Frequenz der hochfrequenten Taktung des ersten Schalters SW niederfrequent ist. Somit ergibt sich eine hochfrequente Taktung des ersten Schalters SW, welche von längeren Pausen ohne Taktung unterbrochen wird, wobei diese längeren Pausen durch die Ausschaltphase des niederfrequent angesteuerten PWM-Schalters SPWM erzeugt werden. Vorzugsweise ist die Frequenz der hochfrequenten Taktung des ersten Schalters SW und des zweiten Schalters SPWM aufeinander abgestimmt, um Flackereffekte beim Betrieb des Leuchtmittels zu vermeiden. Eine Möglichkeit der Abstimmung ist, dass die Frequenz der hochfrequenten Taktung des ersten Schalters SW ein ganzteiliges Vielfaches der niederfrequenten Taktung des zweiten Schalters SPWM ist.
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Insbesondere aus Gründen der Farbkonstanz soll innerhalb eines Pulspakets die Amplitude des Rippels möglichst gering sein. So kann bei fix vorgebebener Frequenz das Einschaltverhältnis für die hochfrequente Taktung des ersten Schalters SW abhängig von einem Mittelwert des/der ermittelten Stroms/Spannung durch das Leuchtmittel eingestellt werden. Die Aufrechterhaltung des Stroms durch das Leuchtmittel kann durch die Parallelschaltung eines optionalen Kondensators CLED (nicht gezeigt) zu dem Leuchtmittel erfolgen. Insbesondere puffert der Energiespeicher CLED Energie, um, wenn der Spulenstrom auf Null abgesunken ist, das Leuchtmittel LED zu speisen.
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Alternativ kann die Einstellung des Stroms durch/der Spannung an das/dem Leuchtmittel LED durch eine geeignete Wahl des Einschaltzeitpunkts und Ausschaltzeitpunkts des ersten Schalters SW erfolgen. Die Zeitpunkte können beispielsweise so gewählt werden, dass der erste Schalter SW eingeschaltet wird, wenn der Strom einen bestimmten Minimalreferenzwert unterschreitet und ausgeschaltet wird, wenn der Strom einen Maximalreferenzwert überschreitet (Abschaltschwellenwert). Der minimale Referenzwert kann dabei Null sein.
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Weiter kann die Spannung an dem Leuchtmittel LED durch Messung an einem dem Leuchtmittel nachgeschalteten Spannungsteiler (nicht gezeigt) ermittelt werden, der in Serie zu dem Leuchtmittel geschaltet ist. Die Spannung über dem Leuchtmittel ergibt sich dann aus der Differenz zwischen einer Versorgungsspannung VBUS, von der ausgehend der getaktete Wandler gespeist ist, und der an dem Spannungsteiler erfassten Spannung über der Last LED. Die Steuereinheit SE könnte die Spannung über dem Leuchtmittel LED aber beispielsweise auch anhand einer Messung einer Spannung an der Spule Lbuck erfassen. Dies ist exemplarisch in 1 dargestellt, wobei eine Spannung Vbuck an einem Spannungsteiler erfasst wird, der durch Widerstände R1, R2 gebildet ist.
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Dabei kann eine Messung während der Ausschaltzeitdauer des ersten Schalters SW erfolgen. Alternativ kann auch eine Spannungsmessung auch an einer Drosselwicklung ZX während der Entmagnetisierungsphase der Spule Lbuck erfolgen. Der Strom durch die Last kann indirekt durch Berechnung der übertragenen Leistung und der erfassten Spannung über dem Leuchtmittel LED ermittelt werden. Die Ermittlung und/oder die Berechnungen erfolgen dabei vorzugsweise in der Steuereinheit SE. Es kann bei der Berechnung der übertragenen Leistung auch ein Korrekturfaktor einbezogen werden, der beispielsweise das Schaltverhalten und/oder die Verluste des Wandlers mit einbezieht.
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Der berechnete LED Strom kann somit als Istwertgröße für eine Regelung des Leuchtmittelstroms/der Leuchtmittelspannung verwendet werden. Als Steuergröße für die Regelung kann einerseits die Einschaltzeitdauer Ton des ersten Schalters SW (Wandlerschalter des Buck-Konverters) verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Tastverhältnis der niederfrequenten Ansteuerung des zweiten Schalters SPWM verwendet werden.
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Ist die Steuergröße die Einschaltzeitdauer Ton des Wandlers, so kann die Abschaltschwelle für den ersten Schalter SW der Steuereinheit abhängig von dem Mittelwert des Stroms über dem ersten Schalter SW verschoben werden. Das Tastverhältnis der niederfrequenten PWM-Ansteuerung kann zumindest in einem Teilbereich des Betriebs der Last, beispielsweise bei hohen Helligkeiten, d.h. bei einem Dimmgrad von beispielsweise um 100%, bei einem Einschaltverhältnis von 100% oder nah an diesem Bereich eingestellt werden. Hier kann die Höhe des Stroms durch die Last und somit die Helligkeit des von den Leuchtmitteln emittierten Lichts durch die Anpassung der Abschaltschwelle für den ersten Schalter SW und somit über die Steuergröße der Einschaltzeitdauer Ton des Konverters beeinflusst werden.
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Es ist jedoch auch möglich, dass eine kombinierte Änderung sowohl des Tastverhältnisses der niederfrequenten PWM Ansteuerung des zweiten Schalters SPWM als auch die Anpassung der Abschaltschwelle für den ersten Schalter SW zumindest in einem Teilbereich des Betriebs der Last erfolgen kann. Alternativ kann in einem Teilbereich des Betriebs der Last auch nur eine Anpassung der Abschaltschwelle des ersten Schalters SW erfolgen.
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Die Steuereinheit SE erfasst weiter vorzugsweise ein Signal, dass die Versorgungsspannung VBUS wiedergibt. Ein Signal, das einen Strom durch einen Schalter SW wiedergibt (in den Einschaltzeitdauern des zweiten Schalters SW) kann ebenso erfasst werden. Der optionale Kondensator CLED, der parallel zur Last LED vorgesehen sein kann, vermeidet, dass der Strom durch die Last dem Verlauf des Stroms durch die Spule Lbuck folgt. Bei nichtleitend fähig geschalteten ersten Schalter SW, d.h. insbesondere während der Phase der Entmagnetisierung der Spule Lbuck kann der Strom durch die LED aufgrund der in dem Energiespeicher CLED zwischengespeicherten Energie aufrecht erhalten werden. Ein die Busspannung wiedergebendes Spannungssignal VBUS_Sense kann beispielsweise an einem Spannungsteiler erfasst werden, der in 1 durch die Widerstände R3, R4 dargestellt ist.
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Das niederfrequente PWM Signal muss nicht von der Steuereinheit SE selbst erzeugt werden, sondern kann auch von außerhalb durch ein extern zugeführtes PWM Steuersignal zugeführt werden.
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Der in 1 gezeigte getaktete Wandler weist weiter ein Filter auf, das in 1 als LC-Filter dargestellt ist. Dabei wird das Filter durch die Kapazität CF und die Induktivität LF verwirklicht.
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Wie in 1 dargestellt, weißt die Schaltung einen dritten Schalter SF auf, der dazu vorgesehen ist, die Filterschaltung mit dem LC-Filter adaptiv zu verändern. Der Steuereinheit SE wird, wie bereits erwähnt, ein Dimmsignal Dim zugeführt, das anzeigt, welcher Dimmgrad durch die Steuereinheit SE eingestellt werden soll. Dabei kann ein Dimmgrad von 100% beispielsweise einem Betrieb des Leuchtmittels bei voller Helligkeit entsprechen, während ein Dimmgrad von beispielsweise 1–5% ein Dimmen auf einen sehr niedrigen Wert und damit einen Betrieb mit stark reduzierter Helligkeit anzeigt. Insbesondere steuert die Steuereinheit SE den dritten Schalter SF abhängig von dem Dimmsignal Dim. Insbesondere kann durch leitend schalten des dritten Schalters SF der weitere Kondensator Capapt der Filterschaltung zugeschaltet werden, sodass sich eine CLC-Filterschaltung aus der Kapazität CF, der Induktivität LF und der weiteren Kapazität Cadapt ergibt.
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Das Einschalten, bzw. Abschalten der zusätzlichen Filterkomponente Cadapt der Filterschaltung, kann auch durch aktivieren, bzw. deaktivieren des Schalters SF durch eine von der Steuereinheit SE separat vorgesehene Steuerschaltung, beispielsweise einem Mikrocontroller, ASIC, IC, ... erfolgen, dem/der die Dimminformation Dim zugeführt wird, bzw. der/die die Dimminformation Dim auf Basis von dem zugeführten Parametern generiert (beispielsweise Spannungswerte, die von einem Bewegungsmelder zugeführt werden).
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass Eigenschaften der Filterschaltung adaptiv mit dem Dimmgrad auch durch zu- bzw. abschalten oder auch einem verstellen anderer, die Filtereigenschaften bestimmender passiver Bauteile durch die Steuereinheit SE verändert werden. Dies kann beispielsweise durch abschalten und/oder zuschalten von Induktivitäten, Kapazitäten oder Widerständen erfolgen.
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Dabei ist zu bemerken, dass sich der gezeigte getaktete Wandler auf den Schaltungsteil eines Betriebsgeräts zwischen einem die Busspannung stabilisierenden Speicherkondensator (nicht gezeigt) und der LED-Strecke an den Anschlüssen A, B bezieht. Insbesondere tritt der Rippel also an der Spannung des Speicherkondensators auf.
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Wie bereits erwähnt, erfolgt die Modulation mittels der PWM Ansteuerung des zweiten Schalters SPWM abhängig von einem von der Steuereinheit einzustellenden Dimmgrad. Insbesondere kann in der Steuereinheit SE ein Schwellenwert abgespeichert sein. Beispielsweise kann dieser Schwellenwert einem Dimmgrad von 1–5% entsprechen, aber beispielsweise auch einem Dimmgrad von ca. 50% bis 55%. Unterhalb dieses Schwellenwertes, d.h. wenn ein Dimmgrad von weniger als ca. 1–5% bzw. ca. 50–55% eingestellt werden soll, erfolgt eine Überlagerung mit einem PWM-Signal. Bei hohen Dimmgraden, d.h. insbesondere bei Dimmgraden, die über dem Schwellenwert liegen, erfolgt eine Überlagerung der Spannung an dem Leuchtmittel mit einer Amplitudenmodulation.
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Das für die Leuchtmittel Versorgungsspannung vorgesehene Filter weist dabei beim Dimmen mittels der PWM-Modulation eine andere Kennlinie, beispielsweise eine höhere Grenzfrequenz, auf, wobei bei höheren Dimmgraden eine Amplitudenmodulation überlagert wird und somit einen Amplitudenmodulationsdimmen erfolgt.
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Das dynamisch einstellbare Filter beeinflusst dabei bei niedrigeren Dimmgraden die Kurvenform des PWM-Signals weniger stark. Dies wird durch zuschalten der Filterkapazität Cadapt beispielsweise dadurch erreicht, dass bei Dimmgraden unter 10% die Kapazität Cadapt durch die Aktivierung des Schalters SF abgeschaltet bzw. überbrückt wird, um eine Farbverschiebung zu vermeiden. Bei größeren Strömen wird hingegen die Kapazität Cadapt hinzugeschaltet, um den Rippelstrom auf ein für die Last spezifiziertes Maß zu beschränken.
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Es ist zu verstehen, dass die Filterschaltung auch andere Filter als den genannten LC-, bzw. CLC-Filter aufweisen kann, und dass andere Elemente durch Aktivierung bzw. Deaktivierung des Schalters SF adaptiv zu- oder abgeschaltet werden können. Weiter ist zu verstehen, dass beispielsweise auch graduell einstellbare Komponenten einer Filterschaltung durch entsprechende Veränderung ihrer Ansteuerung durch die Steuereinheit SE verändert werden können, womit insgesamt auch das Verhalten der Filterschaltung verändert wird.
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Daher kann die Filterschaltung, insbesondere als ein Tiefpaß- oder ein Bandpaß-Filter vorgesehen sein, die den Rippel verkleinert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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