DE102020103921A1

DE102020103921A1 - Betriebsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung

Info

Publication number: DE102020103921A1
Application number: DE102020103921.2A
Authority: DE
Inventors: Elmar Hinrichs; Michael Kolb
Original assignee: Vossloh Schwabe Deutschland GmbH
Current assignee: Vossloh Schwabe Deutschland GmbH
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2021-08-19
Anticipated expiration: 2040-02-15
Also published as: DE102020103921B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung (10) zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung (17). Die Betriebsvorrichtung (10) hat eine Wandlereinheit (12) mit einer Wandlerinduktivität (32). Es wird ein binäres Wandlerschaltsignal (W) für einen Wandlerschalter (30) der Wandlereinheit (12) erzeugt, aufweisend eine aktive Phasendauer (PA) und eine passive Phasendauer (PP). Eine Einschaltzeitdauer (TE) des Wandlerschalters (30) wird derart vorgegeben, dass ein betreffender Mindestwert für die aktive Phasendauer (PA) nicht unterschritten wird. Hierzu wird eine Einschaltfunktion (FE) verwendet. Eine verbleibende Differenz zwischen einem sich dadurch ergebenden ersten Strommittelwert (IM1) und einem durch eine Dimmfunktion (FD) vorgegebenen Sollstrommittelwert (ISoll) wird minimiert oder eliminiert durch Ermitteln einer passiven Phasendauer (PP), die sich an jede aktive Phasendauer (PA) anschließt. Während der passiven Phasendauer (PP) bleibt der Wandlerschalter (30) in seinem sperrenden Zustand.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung, die an die Betriebsvorrichtung angeschlossen ist.
Problematisch ist das Dimmen auf geringe Leuchtleistungen. Beim Dimmen durch Pulsweitenmodulation können hohe Frequenzen erreicht werden, wodurch sich die Schaltverluste erhöhen und auch kritische Frequenzen im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit oder störende Geräusche entstehen können.
Aus DE 10 2013 216 877 A1 ist das Einfügen einer Ausschaltzeit nach jedem Schalttakt eines Wandlerschalters bekannt, so dass ein diskontinuierlicher Betrieb erfolgt. Während einer aktiven Phasendauer fließt ein Strom durch die Leuchtmittelanordnung. Anschließend wird das erneute Einschalten während einer passiven Phasendauer verzögert, in der kein Strom fließt, bevor der Stromfluss im darauffolgenden Schalttakt wieder ermöglicht wird. Beim Übergang in einen kleineren Leistungsbereich wird die Einschaltzeit, während der der Wandlerschalter leitet, nicht mehr verringert, sondern nur noch die zeitliche Dauer der passiven Phasendauer zur Veränderung der Leistung verwendet.
WO 2016/050689 A2 beschreibt einen getakteten elektronischen Energiewandler, der für dimmbare Vorschaltgeräte verwendet werden kann. Das bekannte Einfügen einer zusätzlichen Ausschaltzeit nach jedem Schalttakt wird als kritisch angesehen, da beim Umschalten eines Wandlerschalters in den sperrenden Zustand Spannungsschwingungen am Wandlerschalter auftreten, insbesondere durch parasitäre energiespeichernde Elemente. Zur Lösung dieses Problems wird daher vorgeschlagen, in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus am Ende jedes Schalttakts eine Ausschaltzeit einzufügen, deren Dauer auf die Eigenfrequenz des Schaltkreises derart abgestimmt ist, dass der nächste Einschaltzeitpunkt des Wandlerschalters in einem Minimum der schwingenden Spannung am Wandlerschalter erfolgt. Dadurch kann der Einschaltzeitpunkt des Wandlerschalters unabhängig von der aktuell zu übertragenden Leistung eine nahezu optimale Schaltentlastung ermöglichen.
Bei einer derartigen Vorgehensweise ist das Wählen des Einschaltzeitpunktes des Wandlerschalters von erheblicher Bedeutung. Hierfür muss die eingefügte Zusatzausschaltdauer an die Eigenfrequenz des gebildeten Schwingkreises angepasst werden, was voraussetzt, dass die Eigenfrequenz bekannt ist. Die Eigenfrequenz hängt konkret von parasitären Effekten und den Bauteileigenschaften ab, die in der Praxis aufgrund von Toleranzen der elektrischen Eigenschaften der verwendeten Bauelemente oft nicht ohne Weiteres berechnet werden kann und dann im Einzelfall empirisch ermittelt werden muss. Durch dieses Verfahren ist die Ausschaltzeit und damit auch die einstellbare Helligkeit beim Dimmen einer Leuchte durch die Eigenfrequenz quantisiert.
EP 2 269 292 B1 beschreibt einen Leistungswandler zum Betreiben einer Gruppe von Leuchtdioden. Jede Gruppe von Leuchtdioden ist mit einem Kanal eines Multiplexers verbunden. Der Multiplexer hat eine Schaltperiode, die zumindest das Neunfache einer vorbestimmten Zyklusperiode eines Wandlerschalters des Leistungswandlers aufweist.
Aus EP 1 576 858 B1 ist eine Einrichtung zum Betreiben eines LED-Moduls bekannt. Die Versorgungseinrichtung hat eine Wandlereinheit mit einem Wandlerschalter, der über ein pulsbreitenmoduliertes Wandlerschaltsignal angesteuert wird. Während einer aktiven Phase wird der Wandlerschalter mit hoher Frequenz zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand umgeschaltet. Während einer sich anschließenden passiven Phase verbleibt der Wandlerschalter in seinem sperrenden Zustand.
EP 2 837 263 B1 offenbart ein Verfahren zum Steuern einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung in mehreren Betriebsmodi. Abhängig von einer Last wird ein geeigneter Betriebsmodus ausgewählt. In einem nicht kontinuierlichen Betriebsmodus wird zwischen dem Ausschalten des Schaltmittels und eines erneuten Einschalten des Schaltmittels eine Mindestwartezeit eingehalten. Das erneute Wiedereinschalten erfolgt außerdem abhängig von einer Spannung, die über einem Wandlerschalter der Leistungsfaktorkorrekturschaltung anliegt. Das Einschalten des Wandlerschalters erfolgt insbesondere dann, wenn diese Spannung im Wesentlichen ihr lokales Minimum aufweist.
Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine Betriebsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung zu schaffen, mittels der bzw. dem das Einstellen insbesondere von geringen Leuchtleistungen auf einfache Weise und dennoch genau erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Betriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 19 gelöst.
Die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung hat eine Wandlereinheit mit Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen. An die Eingangsanschlüsse kann eine Gleichspannung angelegt werden, beispielsweise von einer Gleichspannungsquelle. An die Ausgangsanschlüsse kann die Leuchtmittelanordnung angeschlossen werden. Die Wandlereinheit hat einen Wandlerschalter und eine Wandlerinduktivität.
Der Wandlerschalter ist durch einen Steuerschaltkreis ansteuerbar. Dieser ist dazu eingerichtet, die Wandlereinheit bzw. den Wandlerschalter basierend auf einem Dimmwert anzusteuern. Der Dimmwert beschreibt eine gewünschte Helligkeit, also die Sollhelligkeit, einer Leuchtmittelanordnung. Er kann beispielsweise durch ein Signal oder einen Einstellwert vorgegeben werden. Der Dimmwert kann beispielsweise ein Sollstromstärke beschreiben für einen Strommittelwert eines durch die Wandlereinheit fließenden Stroms, der zumindest teilweise durch die Leuchtmitteleinheit fließt. Beispielsweise kann die Sollstromstärke einen Mittelwert eines durch eine Wandlerinduktivität fließenden Induktivitätsstroms beschreiben, der nachfolgend auch als mittlerer Induktivitätsstrom bezeichnet wird.
Der Steuerschaltkreis weist eine Messschaltung, eine Wandlerschalteinheit und einen Ausgangsschaltkreis auf.
Die Messschaltung ist dazu eingerichtet, wenigstens eine Messgröße zu erfassen, die einen durch die Wandlerinduktivität fließenden Induktivitätsstrom beschreibt. Die wenigstens eine Messgröße wird an den Steuerschaltkreis übermittelt.
Die Wandlerschalteinheit ist dazu eingerichtet, ein binäres Ausgangssignal zu erzeugen. Die Wandlerschalteinheit kann als integrierter Schaltkreis ausgebildet sein, beispielsweise durch ein auf dem Markt erhältliches Standard-Bauelement, das auch als PFC-IC bezeichnet werden kann („PFC“ steht für „Power Factor Correction“, also Leistungsfaktorkorrektur) . Die hier beschriebene mittels des PFC-ICs realisierte Schaltung bzw. Funktion ist nicht oder nicht ausschließlich zur Leistungsfaktorkorrektur eingerichtet. Der PFC-IC ermöglicht zumindest auch eine vorteilhafte Realisierung der Wandlerschalteinheit.
Die Wandlerschalteinheit ist konkret dazu eingerichtet, bei einem erkannten Nulldurchgang des Induktivitätsstromes eine erste Zustandsänderung des binären Ausgangssignals zu bewirken und bei einem erkannten Erreichen eines vorgebbaren Peakstromwertes (Scheitelstromwert) des Induktivitätsstromes eine zweite Zustandsänderung des binären Ausgangssignals zu bewirken. Das Feststellen, dass der Induktivitätsstrom einen Nulldurchgang aufweist oder einen Peakstromwert erreicht hat, erfolgt anhand der wenigstens einen Messgröße. Eine Messgröße kann zur Auswertung verwendet werden, ob der Induktivitätsstrom einen Nulldurchgang hat und eine andere Messgröße kann zur Auswertung verwendet werden, ob der Induktivitätsstrom den vorgegebenen Peakstromwert erreicht hat. Der Peakstromwert kann verändert werden und kann abhängig vom Betriebszustand der Betriebsvorrichtung gewählt bzw. eingestellt werden.
Die erste Zustandsänderung kann beispielsweise eine steigende Flanke des binären Ausgangssignals sein und die zweite Zustandsänderung kann beispielsweise eine fallende Flanke des binären Ausgangssignals sein. Insbesondere ist die Wandlerschalteinheit dazu eingerichtet, nur die erste Zustandsänderung und die zweite Zustandsänderung wie vorstehend erläutert zu bewirken bzw. durchzuführen. Sowohl wischen der ersten Zustandsänderung und der zweiten Zustandsänderung, als auch zwischen der zweiten Zustandsänderung und der ersten Zustandsänderung ist das binäre Ausgangssignal bevorzugt unverändert und im Wesentlichen konstant.
Der Ausgangsschaltkreis des Steuerschaltkreises ist dazu eingerichtet, das binäre Ausgangssignal der Wandlerschalteinheit zu verwenden und daraus ein binäres Wandlerschaltsignal für den Wandlerschalter zu erzeugen, das auf dem angeforderten Betriebszustand, also insbesondere der angeforderten Helligkeit der Leuchtmittelanordnung basiert. Dazu führt der Ausgangsschaltkreis die nachfolgend erläuterten Schritte durch.
Das Wandlerschaltsignal hat eine aktive Phasendauer und eine sich unmittelbar daran anschließende passive Phasendauer. Die aktive Phasendauer und die passive Phasendauer definieren die Periodendauer des binären Wandlerschaltsignals. Zu Beginn der aktiven Phasendauer weist das binäre Wandlerschaltsignal eine Zustandsänderung auf, beispielsweise eine steigende Flanke. Nach Ablauf einer Einschaltdauer weist das binäre Wandlerschaltsignal eine komplementäre Zustandsänderung auf, beispielsweise eine fallende Flanke. Das binäre Wandlerschaltsignal ist dazu eingerichtet, den Wandlerschalter während der Einschaltdauer in dem leitenden Zustand zu halten und anschließend während der verbleibenden Zeit innerhalb der Periodendauer in dem sperrenden Zustand zu halten. Während der Einschaltdauer steigt der Induktivitätsstrom bis zu dem Peakstromwert an. Nach dem Ende der Einschaltdauer sinkt der Induktivitätsstrom vom Peakstromwert bis zu einem Nulldurchgang, insbesondere dem ersten Nulldurchgang mit einer positiven Steigung des Induktivitätsstroms, der das Ende der aktiven Phasendauer definiert.
Die Einschaltdauer oder ein damit zusammenhängender Parameter wird durch den Ausgangsschaltkreis basierend auf einer Einschaltfunktion ermittelt. Die Einschaltfunktion ist im Ausgangsschaltkreis vorgegeben und definiert einen Zusammenhang zwischen dem Dimmwert und einem Einschaltwert. Der Einschaltwert charakterisiert wiederum die Einschaltdauer und/oder einen damit zusammenhängenden Parameter, wie z.B. den Peakstromwert. Vorzugsweise wird ein linearer Zusammenhang zwischen der Einschaltdauer und dem Peakstromwert angenommen. Der durch die Einschaltfunktion abhängig vom Dimmwert angegebene Einschaltwert kann proportional zur Einschaltdauer und proportional zum Peakstromwert sein. Der Verlauf des Induktivitätsstromes hängt von den Bauteilen der Leuchtmittelanordnung und der Wandlereinheit ab, wobei vorzugsweise auch für den abfallenden Induktivitätsstrom während der aktiven Phasendauer ein linearer Zusammenhang angenommen werden kann. In Abwandlung hierzu können auch andere Zusammenhänge des Stromverlaufs des Induktivitätsstromes während der aktiven Phase angenommen werden. Jedenfalls charakterisiert der Einschaltwert einen ersten Strommittelwert des Induktivitätsstromes während der aktiven Phasendauer.
Die passive Phasendauer des binären Wandlerschaltsignals wird basierend auf dem ersten Strommittelwert, einem Sollstrommittelwert des Induktivitätsstromes und einer sich von der Einschaltfunktion unterscheidenden Dimmfunktion bestimmt. Der Sollstrommittelwert wird durch den Dimmwert vorgegeben.
Die Einschaltfunktion beschreibt den Strommittelwert des Induktivitätsstromes und/oder durch die Leuchtmittelanordnung abhängig vom Dimmwert unter der Annahme eines kontinuierlichen Betriebs der Wandlereinrichtung. Die Dimmfunktion beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Dimmwert und einem gewünschten Strommittelwert im nicht kontinuierlichen bzw. lückenden Betrieb. Die Dimmfunktion verläuft vorzugsweise von einem Koordinatenursprung bis zu einem Endpunkt, der durch den maximalen Dimmwert und die maximale Helligkeit der Leuchtmittelanordnung definiert ist. Die Einschaltfunktion verläuft insbesondere immer oberhalb der Dimmfunktion.
Bedingt durch Signalverzögerungen in der Wandlerschalteinheit und den Schaltverzögerungen des Wandlerschalters ergibt sich eine maximal mögliche Schaltfrequenz. Nähert man sich dieser Schaltfrequenz an, so führt die Verzögerung zu einem Peakstrom, der größer werden kann als gewünscht. Diese Abweichung kann zu groß werden. Aber bereits vorher sind die Schaltverluste zu groß und der Wandlerschalter wird zu heiß. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann mittels der Einschaltfunktion ein minimaler Peakstromwert eingestellt werden. Somit kann mittels der Einschaltfunktion sehr einfach sichergestellt werden, dass die aktive Phase eine Mindestlänge nicht unterschreitet.
Die Einschaltfunktion gibt die Helligkeit der Leuchtmittelanordnung für den kontinuierlichen, nicht lückenden Betrieb des Wandlerschaltsignals vor. Gegenüber einem gewünschten Helligkeitsverlauf ist diese Helligkeit zu groß. Der gewünschte Helligkeitsverlauf wird durch die Dimmfunktion definiert. Die Differenz zwischen dem ersten Sollstrommittelwert und dem Sollstrommittelwert des Induktivitätsstromes wird dadurch ausgeglichen, dass auf die aktive Phasendauer eine passive Phasendauer folgt. In der passiven Phasendauer bleibt der Wandlerschalter in seinem sperrenden Zustand. Im Mittel wird dadurch die gewünschte Helligkeit der Leuchtmittelanordnung erreicht und auf einfache und sichere Weise das Einhalten einer Mindestlänge für die Einschaltdauer bzw. die aktive Phase sichergestellt bzw. das Unterschreiten eines unteren Grenzwertes für den Peakstromwert vermieden.
Während einer Periodendauer weist das periodische binäre Wandlerschaltsignal genau zwei Zustandsänderungen auf, nämlich genau eine steigende Flanke und genau eine fallende Flanke. Zwischen diesen beiden Zustandsänderungen ist das binäre Wandlerschaltsignal unverändert.
Der Steuerschaltkreis ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Wandlereinheit nur dann in einem kontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben, wenn der Dimmwert maximal ist. Die Dimmfunktion befindet sich dann in ihrem Endpunkt. Die passive Phasendauer ist in diesem Fall gleich Null.
Es ist außerdem bevorzugt, wenn die Einschaltfunktion für einen minimalen Dimmwert einen Einschaltwert definiert, der einen ersten Strommittelwert des Induktivitätsstromes beschreibt, der größer ist als der durch die Dimmfunktion angegebene Sollstrommittelwert für den Induktivitätsstrom. In einem Endpunkt, der durch einen maximalen Dimmwert vorgegeben ist, können die Einschaltfunktion und die Dimmfunktion übereinstimmen. Dieser Endpunkt entspricht einem kontinuierlichen, nicht lückenden Betrieb des Wandlerschalters. Das Wandlerschaltsignal hat dabei keine passive Phasendauer bzw. die passive Phasendauer ist gleich Null. Somit kann die Differenz zwischen dem ersten Strommittelwert, der durch die Einschaltfunktion definiert ist und dem Sollstrommittelwert, der durch die Dimmfunktion definiert ist, bei einem minimalen Dimmwert maximal sein und bei einem maximalen Dimmwert minimal sein. Die Differenz kann vom minimalen Dimmwert bis zum maximalen Dimmwert kontinuierlich abnehmen.
Die Einschaltfunktion und/oder die Dimmfunktion kann bzw. können ausgehend vom minimalen Dimmwert bis zum maximalen Dimmwert einen zunehmenden Funktionswert aufweisen. Mathematisch bedeutet dies, dass die Einschaltfunktion und/oder die Dimmfunktion monoton steigend und insbesondere streng monoton steigend sein können. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Einschaltfunktion und/oder die Dimmfunktion eine Gerade sein. Die Gerade hat den Vorteil, dass die darauf aufbauenden Berechnungen einfach bleiben, da die Berechnungen sehr oft (z.B. über 100 mal pro Sekunde) durchgeführt werden müssen.
Wie bereits erläutert, kann die Einschaltfunktion durch ihren minimalen Einschaltwert eine minimale Einschaltdauer und/oder einen minimalen Peakstromwert vorgeben, der dann unabhängig von der tatsächlich eingestellten Helligkeit der Leuchtmittelanordnung nicht unterschritten wird.
Es ist vorteilhaft, wenn der Ausgangsschaltkreis dazu eingerichtet ist, eine rechnerische passive Phasendauer zu ermitteln. Der Zusammenhang zwischen der rechnerischen passiven Phasendauer und der aktiven Phasendauer bzw. dem Sollstrommittelwert kann z.B. quadratisch oder anderweitig polynominal oder proportional sein. Die rechnerische passive Phasendauer kann eine Dezimalzahl einschließlich Null sein.
Der Ausgangsschaltkreis kann außerdem dazu eingerichtet sein, aus der rechnerischen passiven Phasendauer und einer Schwingungsperiodendauer die passive Phasendauer zu bestimmen. Insbesondere kann die passive Phasendauer ein ganzzahliges Vielfaches einschließlich Null der Schwingungsperiodendauer sein. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die passive Phasendauer so bestimmt wird, dass sie maximal so groß ist wie die rechnerische passive Phasendauer. Die Differenz zwischen der rechnerischen passiven Phasendauer und der passiven Phasendauer ist bevorzugt kleiner als eine Schwingungsperiodendauer. Es wird also sichergestellt, dass die passive Phasendauer immer ein ganzzahliges Vielfaches der Schwingungsperiodendauer ist und gleichzeitig möglichst nahe an der rechnerischen passiven Phasendauer liegt. Die rechnerische passive Phasendauer wird dabei vorzugsweise stets abgerundet.
Die Schwingungsperiodendauer ist die Periodendauer einer Schwingung des Induktivitätsstromes, die sich am Ende der aktiven Phasendauer bzw. zu Beginn der passiven Phasendauer einstellt und durch die Wandlerinduktivität und etwaige vorhandene kapazitive Bauteile und/oder parasitäre Kapazitäten ergibt. Es wird ein Schwingkreis gebildet, der zur Schwingung des Induktivitätsstroms und damit zum Ausbilden einer Schwingung mit der Schwingungsperiodendauer führt. Durch das Ermitteln der passiven Phasendauer als Vielfaches der Schwingungsperiodendauer kann erreicht werden, dass in einem Nulldurchgang des Induktivitätsstromes umgeschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die am Wandlerschalter anliegende Spannung minimal und Schaltverluste können minimiert werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Ausgangsschaltkreis einen ersten Impulsschaltkreis auf, der dazu eingerichtet ist, nach Ablauf der passiven Phasendauer seit dem Auftreten der ersten Zustandsänderung des Ausgangssignals einen Startimpuls zu erzeugen. Der Startimpuls kann eine Zustandsänderung im Wandlerschaltsignal und insbesondere eine steigende Flanke bewirken. Zumindest ist das Vorliegen des Startimpulses eine notwendige Bedingung für diese Zustandsänderung im Wandlerschaltsignal. Als eine weitere Bedingung kann hinzukommen, dass das Ausgangssignal den nach der ersten Zustandsänderung eingenommen Zustand immer noch aufweist.
Der Ausgangsschaltkreis kann einen zweiten Impulsschaltkreis aufweisen. Der zweite Impulsschaltkreis ist insbesondere dazu eingerichtet, beim Auftreten der zweiten Zustandsänderung einen Endimpuls zu erzeugen. Der Endimpuls ist eine notwendige und vorzugsweise hinreichende Bedingung für eine Zustandsänderung im Wandlerschaltsignal.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Wandlereinheit als Abwärtswandler ausgebildet. Der Abwärtswandler kann auch als Tiefsetzsteller bezeichnet werden. Der Abwärtswandler kann mit galvanischer Trennung (z.B. Sperrwandler bzw. Flyback-Converter) oder ohne galvanische Trennung (z.B. Buck-Converter) ausgebildet sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Wandlereinheit einen Wandlerkondensator, der parallel zu den Ausgangsanschlüssen angeordnet ist. Der Wandlerkondensator ist daher bei angeschlossener Leuchtmittelanordnung parallel zu der Leuchtmittelanordnung geschaltet.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Wandlereinheit eine Wandlerdiode. Die Kathode der Wandlerdiode ist elektrisch mit dem Wandlerschalter und die Anode der Wandlerdiode ist elektrisch unmittelbar mit dem Wandlerkondensator verbunden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messschaltung einer der Wandlerinduktivität zugeordnete Messspule auf. In der Messspule wird abhängig vom Magnetfeld in der Wandlerinduktivität eine Messspannung induziert, die als eine Messgröße verwendet wird. Die induzierte Messspannung ist beschreibend für einen durch die Wandlerinduktivität fließenden Induktivitätsstrom.
Zusätzlich oder alternativ kann die Messschaltung einen Strommesswiderstand aufweisen. Der Strommesswiderstand ist bevorzugt in Reihe zu den Ausgangsanschlüssen bzw. in Reihe zu der daran angeschlossenen Leuchtmittelanordnung geschaltet. Die Spannung am Strommesswiderstand ist daher beschreibend für einen durch die Leuchtmittelanordnung fließenden Strom beim Betrieb.
Zur Erzeugung einer Gleichspannung zur Versorgung der Wandlereinheit kann eine Gleichspannungsquelle verwendet werden, die insbesondere durch einen Gleichspannungswandler gebildet sein kann. Der Gleichspannungswandler kann eine Netzspannung in eine gleichgerichtete Gleichspannung zur Versorgung der Wandlereinheit umwandeln.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung,
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Wandlereinheit und eines Steuerschaltkreises der Betriebsvorrichtung aus 1,
3 einen schematischen zeitlichen Verlauf eines Induktivitätsstromes durch eine Wandlerinduktivität der Wandlereinheit aus 2,
4 einen schematischen zeitlichen Verlauf eines binären Ausgangssignals einer Wandlerschalteinheit der Wandlereinheit aus 2,
5 einen schematischen zeitlichen Verlauf eines Signals eines ersten Impulsschaltkreises der Wandlereinheit aus 2,
6 einen schematischen zeitlichen Verlauf eines Signals eines zweiten Impulsschaltkreises der Wandlereinheit aus 2,
7 einen schematischen zeitlichen Verlauf eines Wandlerschaltsignals der Wandlereinheit aus 2 und
8 eine schematische Prinzipdarstellung einer Einschaltfunktion und einer Dimmfunktion, die jeweils einen Zusammenhang zwischen einem vorgebbaren Dimmwert und einem durch die Wandlerinduktivität der Wandlereinheit aus 2 fließenden Induktivitätsstrommittelwert beschreiben.

In 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Betriebsvorrichtung 10 veranschaulicht. Die Betriebsvorrichtung 10 weist eine Gleichspannungsquelle 11 auf, die ausgangsseitig eine Gleichspannung UG bereitstellt.
An die Gleichspannungsquelle 11 ist eine Wandlereinheit 12 angeschlossen. Die Wandlereinheit 12 hat einen ersten Eingangsanschluss 13 und einen zweiten Eingangsanschluss 14, zwischen denen die Gleichspannung UG bereitgestellt wird. Die Wandlereinheit 12 hat außerdem einen ersten Ausgangsanschluss 15 sowie einen zweiten Ausgangsanschluss 16. Eine Leuchtmittelanordnung 17 mit wenigstens einem Leuchtmittel und beispielsgemäß wenigstens einem Halbleiterleuchtmittel 18 ist an die Ausgangsanschlüsse 15, 16 angeschlossen. Sind mehrere Halbleiterleuchtmittel 18 in der Leuchtmittelanordnung 17 vorhanden, können diese in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet sein. Jedes Halbleiterleuchtmittel 18 ist beispielsgemäß durch eine Leuchtdiode gebildet.
Die Wandlereinheit 12 ist durch einen Steuerschaltkreis 19 ansteuerbar. Dem Steuerschaltkreis 19 wird von einem Dimmer 20 ein Dimmwert D bereitgestellt bzw. vorgegeben, der eine Sollstromstärke I_soll für einen Mittelwert eines durch die Wandlereinheit 12 fließenden Stromes vorgibt, von dem wiederum ein Mittelwert eines durch die Leuchtmittelanordnung 17 fließenden Leuchtmittelstroms I1 abhängt. Der Steuerschaltkreis 19 steuert die Wandlereinheit 12 abhängig vom Dimmwert D an und stellt mittels der Wandlereinheit 12 die tatsächliche Stromstärke entsprechend der angeforderten Sollstromstärke I_soll ein.
Wie es in 1 schematisch veranschaulicht ist, ist die Gleichspannungsquelle 11 beispielsgemäß durch einen Gleichspannungswandler 21 gebildet, der durch eine Steuerung 22 ansteuerbar ist. Alternativ dazu könnte der Steuerschaltkreis 19 sowohl zur Ansteuerung der Wandlereinheit 12, als auch des Gleichspannungswandlers 21 verwendet werden. Der Gleichspannungswandler 21 wandelt eine eingangsseitige Netzspannung UN in die gleichgerichtete Gleichspannung UG.
In 2 ist ein Blockschaltbild des Steuerschaltkreises 19 und der Wandlereinheit 12 für ein Ausführungsbeispiel der Betriebsvorrichtung 10 veranschaulicht. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 13 und dem zweiten Eingangsanschluss 14 liegt die Gleichspannung UG an. Beispielsgemäß ist der zweite Eingangsanschluss 14 mit einem Bezugspotential verbunden, beispielsweise einem Massepotential M.
Die Wandlereinheit 12 hat einen ansteuerbaren Wandlerschalter 30, der beim Ausführungsbeispiel durch einen Halbleiterschalter und insbesondere einen Feldeffekttransistor 31 gebildet ist. Der Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors 31 ist mit dem ersten Eingangsanschluss 13 verbunden. Der Source-Anschluss des Feldeffekttransistors 31 ist über eine Wandlerinduktivität 32 mit dem ersten Ausgangsanschluss 15 verbunden. Außerdem ist der Source-Anschluss des Feldeffekttransistors 31 mit der Kathode einer Wandlerdiode 33 verbunden, deren Anode mit dem zweiten Ausgangsanschluss 16 verbunden ist. Zwischen die Ausgangsanschlüsse 15, 16 und somit parallel zur Leuchtmittelanordnung 17 ist außerdem ein Wandlerkondensator 34 geschaltet.
Der Steuerschaltkreis 19 weist eine Wandlerschalteinheit 40, einen Ausgangsschaltkreis 41 sowie eine Messschaltung 42 auf. Die Wandlerschalteinheit 40 hat einen ersten Messeingang 43 für eine von der Messschaltung 42 bereitgestellte erste Messgröße S1 sowie einen zweiten Messeingang 44 für eine von der Messschaltung 42 bereitgestellte zweite Messgröße S2. Die Wandlerschalteinheit 40 hat außerdem einen Ausgang 45, an dem die Wandlerschalteinheit 40 ein binäres Ausgangssignal A für den Ausgangsschaltkreis 41 bereitstellt.
Die Messschaltung 42 hat beispielsgemäß eine Messspule 46, die der Wandlerinduktivität 32 derart zugeordnet ist, dass ein Magnetfeld der Wandlerinduktivität 32 eine Spannung in der Messspule 46 induzieren kann. Die in der Messspule 46 induzierte Spannung beschreibt einen Induktivitätsstrom IL, der durch die Wandlerinduktivität 32 fließt. Die Messspule 46 ist einerseits mit dem Massepotential M und andererseits über einen ohmschen Widerstand 47 mit dem ersten Messeingang 43 der Wandlerschalteinheit 40 verbunden. Die in der Messspule 46 induzierte Spannung bildet somit die erste Messgröße S1 für die Wandlerschalteinheit 40.
Beim Ausführungsbeispiel weist die Messschaltung 42 außerdem einen Strommesswiderstand 48 auf, der mit dem zweiten Ausgangsanschluss 16 der Wandlereinheit 12 verbunden ist. Mit seinem anderen Anschluss ist der Strommesswiderstand 48 mit dem Massepotential M verbunden. Die am Strommesswiderstand 48 anliegende Spannung ist charakteristisch für einen durch die Wandlerinduktivität 32 fließenden Induktivitätsstrom IL, wenn die Wandlerdiode 33 bei leitendem Wandlerschalter 30 sperrt. Die am Strommesswiderstand 48 anliegende Spannung bildet die zweite Messgröße S2. Zur Übermittlung ist der zweite Messeingang 44 mit dem Strommesswiderstand 48 auf der Seite verbunden, auf der der Strommesswiderstand 48 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 16 verbunden ist.
Die Messschaltung 42 ermöglicht somit eine Erfassung charakteristischer Merkmale des Induktivitätsstromes IL sowohl im sperrenden Zustand des Wandlerschalters 30 über die erste Messgröße S1, als auch im leitenden Zustand des Wandlerschalters 30 über die zweite Messgröße S2.
Durch die an die Ausgangsanschlüsse 15, 16 angeschlossene Leuchtmittelanordnung 17 fließt der Induktivitätsstrom IL durch die Parallelschaltung aus dem Wandlerkondensator 34 und dem wenigstens einen Halbleiterleuchtmittel 18 der Leuchtmittelanordnung 17. Durch die Leuchtmittelanordnung fließt der Leuchtmittelstrom I1 und durch den Wandlerkondensator 34 der Kondensatorstrom 12. Dabei gilt: IL = I1 + I2.
Somit ist der Induktivitätsstrom IL auch charakteristisch für den Leuchtmittelstrom I1. Zur Einstellung einer gewünschten Helligkeit bzw. Leuchtleistung entsprechend dem Dimmwert D kann daher ein Sollstrommittelwert I_Soll vorgegeben werden, der den gewünschten Mittelwert des Induktivitätsstromes IL beschreibt. Dieser Mittelwert des Induktivitätsstromes IL wird hier als Strommittelwert IM bezeichnet.
Dem Ausgangsschaltkreis 41 wird das binäre Ausgangssignal A bereitgestellt. Basierend auf dem binären Ausgangssignal A und dem Dimmwert D erzeugt der Ausgangsschaltkreis 41 ein binäres Wandlerschaltsignal W zur Ansteuerung des Wandlerschalters 30. Mittels des Wandlerschaltsignals W wird der Wandlerschalter 30 zwischen seinem leitenden Zustand und seinem sperrenden Zustand umgeschaltet.
Die hier beschriebene Funktionalität des Ausgangsschaltkreises 41 kann durch Hardwarekomponenten und/oder Softwarekomponenten realisiert werden. Zumindest Teile der Funktion des Ausgangsschaltkreises 41 können als Softwarefunktion in einem programmierbaren integrierten Schaltkreis (IC) realisiert sein. Beim Ausführungsbeispiel gehört zu dem Ausgangsschaltkreis 41 ein Mikrocomputer 52 oder irgendeine andere programmierbare Recheneinheit. Diesem Mikrocomputer 52 wird beispielsgemäß der Dimmwert D übermittelt. Der Mikrocomputer 52 ist beim Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, einen Peakstromwert IP abhängig vom Dimmwert D zu ermitteln und der Wandlerschalteinheit 40 bereitzustellen.
Der Ausgangsschaltkreis 41 hat außerdem einen ersten Impulsschaltkreis 53 sowie einen zweiten Impulsschaltkreis 54. Beiden Impulsschaltkreisen 53, 54 wird das binäre Ausgangssignal A bereitgestellt.
Der erste Impulsschaltkreis 53 ist dazu eingerichtet, einen Startimpuls PS zu erzeugen, der den Beginn des leitenden Zustands des Wandlerschalters 30 markiert. Der zweite Impulsschaltkreis 54 ist dazu eingerichtet, einen Endimpuls PR zu erzeugen, der das Ende der leitenden Phase des Wandlerschalters 30 markiert. Der Startimpuls PS wird beispielsgemäß einem Setzeingang 55 eines SR-Flipflops übermittelt. Der Endimpuls PR wird einem Rücksetzeingang 57 des SR-Flipflops übermittelt. Der Ausgang 58 des SR-Flipflops 56 ist an einen ersten Eingang eines UND-Gatters 59 angeschlossen. Einem weiteren Eingang des UND-Gatters 59 wird das binäre Ausgangssignal A übermittelt. Am Ausgang des UND-Gatters 59 wird das binäre Wandlerschaltsignal W bereitgestellt und an den Steuereingang des Wandlerschalters 30 (z.B. Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors 31) übermittelt.
Der erste Impulsschaltkreis 53 weist einen ersten Erkennungsblock 60 und einen an den ersten Erkennungsblock 60 angeschlossenen Timer 61 auf. Der erste Erkennungsblock 60 ist dazu eingerichtet, eine erste Zustandsänderung des binären Ausgangssignals A, beispielsgemäß eine steigende Flanke, zu erfassen und bei Erkennung der ersten Zustandsänderung den angeschlossenen ersten Timer 61 zu starten. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer seit Erkennung der ersten Zustandsänderung erzeugt der erste Timer 61 an seinem Ausgang den Startimpuls PS.
Analog hierzu weist der zweite Impulsschaltkreis 54 einen zweiten Erkennungsblock 62 und einen daran angeschlossenen zweiten Timer 63 auf. Der zweite Erkennungsblock 62 ist dazu eingerichtet, eine zweite Zustandsänderung des binären Ausgangssignals A und beispielsgemäß eine fallende Flanke zu erkennen und in diesem Fall den zweiten Timer 63 zu starten. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer seit der zweiten Zustandsänderung erzeugt der zweite Timer 63 den Endimpuls PR.
Der Mikrocomputer 52 ist zumindest mit dem ersten Timer 61 verbunden und dazu eingerichtet, den ersten Timer 61 zu programmieren bzw. dem ersten Timer 61 die Zeitdauer vorzugeben, die zwischen der ersten Zustandsänderung des binären Ausgangssignals A und dem Erzeugen des Startimpulses PS liegen soll. Diese Zeitdauer bildet eine passive Phasendauer PP einer Periodendauer TW des Wandlerschaltsignals W.
Die Periodendauer TW des Wandlerschaltsignals W besteht aus einer aktiven Phasendauer PA und der sich unmittelbar daran anschließenden passiven Phasendauer PP. Während der Periodendauer TW nimmt das Wandlerschaltsignal W genau einmal den Zustand H (High) und genau einmal den Zustand L (Low) an. Der Wandlerschalter 30 ist beispielsgemäß leitend, während das Wandlerschaltsignal W den Zustand H annimmt und sperrt, wenn das Wandlerschaltsignal W den Zustand L annimmt.
Anhand der 3-8 wird beispielsgemäß die Funktionsweise des Steuerschaltkreises 19 erläutert.
In 3 ist schematisch der Verlauf des Induktivitätsstromes IL veranschaulicht. Es sei angenommen, dass der Wandlerschalter 30 zu Beginn der Periodendauer TW in seinen leitenden Zustand umgeschaltet worden ist (Wandlerschaltsignal W und binäres Ausgangssignal A sind im Zustand H), wodurch der Induktivitätsstrom IL ansteigt. Wenn ein abhängig vom Dimmwert D vorgegebener Peakstromwert IP erreicht wird, kann die Wandlerschalteinheit 40 das Erreichen des Peakstromwertes IP anhand der zweiten Messgröße S2 erfassen und das binäre Ausgangssignal A wird vom Zustand H in den Zustand L umgeschaltet (zweite Zustandsänderung). Die zweite Zustandsänderung wird im zweiten Impulsschaltkreis 54 erfasst und der zweite Impulsschaltkreis erzeugt das Endsignal PR, insbesondere unmittelbar. Das Endsignal PR markiert das Ende der Einschaltzeitdauer te seit dem Umschalten des Wandlerschalters 30 in den leitenden Zustand . Mit diesem Ende der Einschaltzeitdauer te wird der Wandlerschalter 30 in den sperrenden Zustand umgeschaltet und es beginnt eine Ausschaltzeitdauer ta. Dazu muss das Wandlerschaltsignal W von seinem Zustand H in den Zustand L umgeschaltet werden. Dies erfolgt beispielsgemäß dadurch, dass der Endimpuls PR den Rücksetzeingang 57 des SR-Flipflops 56 aktiviert und der Ausgang des SR-Flipflops 56 den Zustand L (Low) annimmt. Da somit ein Eingang des UND-Gatters 59 den Zustand L aufweist, gibt das UND-Gatter 59 an seinem Ausgang ebenfalls den Zustand L aus, so dass das Wandlerschaltsignal W ebenfalls den Zustand L (Low) annimmt.
Während der Ausschaltzeitdauer ta sinkt der Induktivitätsstrom IL ab, bis er einen ersten Nulldurchgang aufweist. Zum Zeitpunkt eines vorzugsweise unmittelbar darauffolgenden ersten Nulldurchgangs, bei dem der Induktivitätsstrom IL eine positive Steigung aufweist, endet die Ausschaltzeitdauer ta und damit auch die aktive Phase PA der Periodendauer TW des Wandlerschaltsignals W. Die aktive Phase PA könnte alternativ zu dem bevorzugten Ausführungsbeispiel auch zu einem anderen Nulldurchgang des Induktivitätsstromes IL enden.
Während der sich anschließenden passiven Phasendauer PP bleibt der Wandlerschalter 30 in seinem sperrenden Zustand und das Wandlerschaltsignal W bleibt entsprechend im Zustand L. Die passive Phasendauer PP wird basierend auf dem Dimmwert D, einer Einschaltfunktion FE und einer Dimmfunktion FD ermittelt, was nachfolgend noch unter Bezugnahme auf 8 erläutert wird.
Das binäre Ausgangssignal A ändert zum Ende der aktiven Phasendauer PA und zu Beginn der passiven Phasendauer PP seinen Zustand und weist beispielsgemäß eine steigende Flanke auf (erste Zustandsänderung). Diese erste Zustandsänderung wird in der Wandlerschalteinheit 40 basierend auf der ersten Messgröße S1 bewirkt, wenn durch die erste Messgröße S1 der Nulldurchgang des Induktivitätsstromes IL erfasst wird. Diese erste Zustandsänderung wird wiederum im ersten Erkennungsblock 60 des ersten Impulsschaltkreises 53 erfasst, wodurch der erste Timer 61 gestartet wird. Nach Ablauf der vom Mikrocomputer 52 vorgegebenen passiven Phasendauer PP erzeugt der erste Timer 61 einen Startimpuls PS, der den Setzeingang 55 des SR-Flipflops 56 aktiviert, so dass der Ausgang 58 den Zustand H (High) annimmt. Über das UND-Gatter 59 wird zusätzlich geprüft, ob gleichzeitig auch das binäre Ausgangssignal A immer noch den Zustand H (High) aufweist und wenn dies der Fall ist, nimmt das Wandlerschaltsignal W ebenfalls den Zustand H (High) an.
Das UND-Gatter 59 kann bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel entfallen und das Ausgangssignal des SR-Flipflops 56 am Ausgang 58 kann das Wandlerschaltsignal W bilden.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Ermitteln des Peakstromwertes IP sowie der passiven Phasendauer PP zur Steuerung der Wandlereinheit 12. Wie erläutert kann der Peakstromwert IP im Mikrocomputer 52 bestimmt werden. Wird der Peakstromwert IP (Scheitelwert des Leuchtmittelstromes IL) zu klein, können die eingangs bereits geschilderten negativen Effekte entstehen. Beispielsweise kann durch eine erhöhte Schaltfrequenz die Verlustleistung zunehmen und die Temperatur des Wandlerschalters ansteigen.
Um dies zu vermeiden sind im Mikrocomputer 52 zwei voneinander verschiedene Funktionen vorgegeben. Die Dimmfunktion FD beschreibt den gewünschten Zusammenhang zwischen dem einzustellenden Strommittelwert IM des Induktivitätsstromes IL und/oder dem Strommittelwert des Leuchtmittelstromes I1 einerseits und dem vorgegebenen Dimmwert D andererseits. Der Zusammenhang ist beispielhaft in 8 veranschaulicht: Die Abszisse gibt den Dimmwert D und die Ordinate gibt den Strommittelwert IM des Induktivitätsstromes IL an. Die Ordinate könnte auch einen anderen Parameter zeigen, der mit der Helligkeit bzw. Leuchtleistung zusammenhängt, beispielsweise die Einschaltzeitdauer te oder den Peakstromwert IP.
Die Dimmfunktion FD hat beispielsgemäß einen Startpunkt im Ursprung. Sie definiert für einen minimalen Dimmwert Dmin einen minimalen Strommittelwert IM, beispielsgemäß null. Die Dimmfunktion FD hat einen Endpunkt X, der durch einen maximalen Dimmwert Dmax vorgegeben ist und dafür einen maximalen Strommittelwert IM_max angibt. In diesem Endpunkt X ist die passive Phasendauer PP minimal und vorzugsweise gleich null, so dass die Wandlereinheit 12 in einem kontinuierlichen, nicht lückenden Betrieb betrieben wird.
Bei dem hier veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Dimmfunktion FD durch eine Gerade zwischen einem Startpunkt (z.B. dem Ursprung) und dem Endpunkt X angegeben. Alternativ hierzu könnten auch andere Funktionsverläufe vorgegeben sein.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Begriff „Funktion“ alle Möglichkeiten der Zuordnung des Dimmwertes D zur gewünschten Leuchtleistung bzw. Helligkeit bzw. zum gewünschten Strommittelwert IM umfasst, wie beispielsweise Zuordnungstabellen, Kennfelder, mathematische Funktionen, usw.
Die Einschaltfunktion FE endet beispielsgemäß ebenfalls im Endpunkt X und beginnt bei einem Startpunkt Q an der Ordinate. Bei der Einschaltfunktion FE handelt es sich beim Ausführungsbeispiel ebenfalls um eine Gerade, wobei auch hier ein anderer Zusammenhang vorgegeben werden könnte.
Die Einschaltfunktion FE weist beim Ausführungsbeispiel für jeden Dimmwert D außerhalb des Endpunktes X einen größeren Funktionswert, beispielsgemäß einen größeren zugeordneten Strommittelwert IM auf, als die Dimmfunktion FD. Die Differenz Y zwischen dem durch die Dimmfunktion FD vorgegebenen Strommittelwert IM und dem durch die Einschaltfunktion FE vorgegebenen Strommittelwert IM ist umso größer, je kleiner der Dimmwert D wird.
Die Einschaltfunktion FE wird beim Ausführungsbeispiel dazu verwendet, einem Dimmwert D einen Einschaltwert E zuzuordnen, der einem ersten Strommittelwert IM1 des Strommittelwertes IM des Induktivitätsstromes IL entspricht bzw. diesen charakterisiert. Dabei ist die Einschaltfunktion FE derart vorgegeben, dass bei dem minimalen Dimmwert D_min eine Mindestdauer für die Einschaltzeitdauer te und somit ein Mindestwert für den Peakstrom IP erreicht wird (Startpunkt Q in 8). Die Einschaltfunktion FE beschreibt den ersten Strommittelwert IM1, der sich bei einem kontinuierlichen, nicht lückenden Betrieb der Wandlereinheit 12 ergeben würde.
Wie es aus 8 ersichtlich ist, ist die durch die Einschaltfunktion FE vorgegebene Helligkeit der Leuchtmittelanordnung 17 außerhalb des Endpunktes X zu groß. Mittels der Einschaltfunktion FE wird die Einschaltdauer te bzw. der Peakstromwert IP und somit die aktive Phasendauer PA bestimmt. Um dennoch die gewünschte Helligkeit zu erreichen, wird mittels der Dimmfunktion FD die passive Phasendauer PP ermittelt, die erforderlich ist, um zumindest näherungsweise und unter Berücksichtigung einer minimierten Verlustleistung den durch die Dimmfunktion FD vorgegebenen Sollstrommittelwert I_soll für den Induktivitätsstrom IL zu erhalten. Mit anderen Worten muss die Differenz Y ausgeglichen werden.
Rechnerisch kann hierzu in dem Microcomputer 52 ein Algorithmus hinterlegt werden, der basierend auf der durch den Induktivitätsstrom IL transportieren Ladungsmenge die passive Phasendauer PP berechnet. Dazu kann zunächst eine rechnerische passive Phasendauer PPr basierend auf der folgenden Formel berechnet werden: $P P r = \frac{P A \cdot I M 1}{I_{s o l l}} - P A$
Anhand der rechnerische passive Phasendauer PPr kann dann eine tatsächliche passive Phasendauer PP ermittelt werden, was nachfolgend noch erläutert wird. Der erste Strommittelwert IM1 kann zum Beispiel auf Basis folgender Gleichung ermittelt werden: $I_{s s o l l} = \frac{1}{2} [\sqrt{4 \cdot P P \cdot I M 1 \cdot m + I M 1^{2}} + I M 1]$
mit $m = \frac{I M 1}{P A}$
und mit $P A = t e + t a$
Es versteht sich, dass alternativ zum ersten Strommittelwert IM1 auch andere damit zusammenhängende Parameter in den Gleichungen (1) und (2) verwendet werden können, beispielsweise die den ersten Strommittelwert IM1 charakterisierende Einschaltzeitdauer te und/oder der Peakstromwert IP.
Die passive Phasendauer PP wird insbesondere so gewählt, dass das Umschalten des Wandlerschalters am Ende der passiven Phasendauer PP, also zu Beginn einer neuen Periode des Wandlerschaltsignals W dann stattfindet, wenn der Induktivitätsstrom IL einen Nulldurchgang und eine positive Steigung aufweist. Aufgrund der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ist dann die Spannung am Wandlerschalter 30 und beispielsgemäß die Drain-Source-Spannung des Feldeffekttransistors 31 minimal und es kann unter geringer Verlustleistung geschaltet werden.
Diese Bedingung kann dadurch erfüllt werden, dass die passive Phasendauer als ganzzahliges Vielfaches einschließlich null einer Schwingungsperiodendauer TS ( 3) gewählt wird. Die Schwingungsperiodendauer TS ergibt sich durch eine Schwingkreisbildung der Wandlerinduktivität 32 mit kapazitiven Anteilen der mit der Wandlerinduktivität 32 verbundenen Bauteile, beispielsweise dem Wandlerkondensator 34. Die sich ergebende Schwingung des Induktivitätsstromes IL ist in 3 schematisch veranschaulicht. Die Schwingungsperiodendauer TS kann durch Messung und/oder Berechnung und/oder Simulation für den konkreten Anwendungsfall und die Dimensionierung der verwendeten Bauteile ermittelt werden. Die Schwingungsperiodendauer TS wird im Ausgangsschaltkreis 41 ermittelt und/oder vorgegeben und kann beispielsweise im Microcomputer 52 oder einem damit verbundenen Speicherbaustein abgespeichert sein.
Anhand der beispielsweise gemäß Gleichung (1) ermittelten rechnerischen passiven Phasendauer PPr kann somit eine tatsächliche passive Phasendauer PP ermittelt werden. Die passive Phasendauer PP entspricht dann der abgerundeten ganzen Zahl aus dem Quotienten der rechnerischen passiven Phasendauer PPr geteilt durch die Schwingungsperiodendauer TS: $P P = [\frac{P P r}{T S}] \cdot T S$
[0091] Die passive Phasendauer PP ist somit maximal so groß wie die rechnerische passive Phasendauer PPr, wobei die Differenz zwischen der passiven Phasendauer PP und der rechnerischen passiven Phasendauer PPr kleiner ist als eine Schwingungsperiodendauer TS. Durch die Abrundungsfunktion der Gleichung (3) wird sichergestellt, dass auch eine passive Phasendauer PP gleich null erreicht werden kann und bei einem maximalen Dimmwert D_max tatsächlich die maximal mögliche Helligkeit der Leuchtmittelanordnung 17 eingestellt werden kann (kontinuierlicher, nicht lückender Betrieb).
Die Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung 10 zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung 17. Die Betriebsvorrichtung 10 hat eine Wandlereinheit 12 aufweisend eine Wandlerinduktivität 32, durch die ein Induktivitätsstrom IL fließt, der einen Strommittelwert IM hat. Über einen Dimmwert D wird ein Strommittelwert I_soll für den Strommittelwert IM vorgegeben und einem Steuerschaltkreis 19 der Betriebsvorrichtung 10 bereitgestellt. In einer Wandlerschalteinheit 40 des Steuerschaltkreises 19 wird ein binäres Ausgangssignal A erzeugt, das eine erste Zustandsänderung bei einem Nulldurchgang des Induktivitätsstromes IL und eine zweite Zustandsänderung bei Erreichen eines Peakstromwertes IP des Induktivitätsstromes IL aufweist. In einem Ausgangsschaltkreis 41 wird basierend auf den binären Ausgangssignal A das binäre Wandlerschaltsignal W für einen Wandlerschalter 30 der Wandlereinheit 12 erzeugt, das eine Periodendauer TW aufweist, das der Summe einer aktiven Phasendauer PA und einer passiven Phasendauer PP entspricht.
Die aktive Phasendauer PA und/oder der Peakstromwert IP und/oder eine Einschaltzeitdauer te des Wandlerschalters 30 werden derart vorgegeben, dass ein Mindestwert für die aktive Phasendauer PA und/oder den Peakstromwert IP und/oder die Einschaltzeitdauer te nicht unterschritten wird. Hierzu wird eine Einschaltfunktion FE verwendet. Eine etwaige verbleibende Differenz Y zwischen einem durch die Einschaltfunktion FE bestimmten ersten Strommittelwert IM1 und einem durch eine Dimmfunktion FD vorgegebenen Sollstrommittelwert I_soll wird minimiert oder eliminiert, indem auf jede aktive Phasendauer PA eine von der Differenz Y abhängige passive Phasendauer PP folgt. Während der passiven Phasendauer PP bleibt der Wandlerschalter 30 in seinem sperrenden Zustand.
Bezugszeichenliste

10: Betriebsvorrichtung
11: Gleichspannungsquelle
12: Wandlereinheit
13: erster Eingangsanschluss
14: zweiter Eingangsanschluss
15: erster Ausgangsanschluss
16: zweiter Ausgangsanschluss
17: Leuchtmittelanordnung
18: Halbleiterleuchtmittel
19: Steuerschaltkreis
20: Dimmer
21: Gleichspannungswandler
22: Steuerung
30: Wandlerschalter
31: Feldeffekttransistor
32: Wandlerinduktivität
33: Wandlerdiode
34: Wandlerkondensator
40: Wandlerschalteinheit
41: Ausgangsschaltkreis
42: Messschaltung
43: erster Messeingang
44: zweiter Messeingang
45: Ausgang der Wandlerschalteinheit
46: Messspule
47: Ohmscher Widerstand
48: Strommmesswiderstand
52: Mikrocomputer
53: erster Impulsschaltkreis
54: zweiter Impulsschaltkreis
55: Setzeingang des SR-Flipflops
56: SR-Flipflop
57: Rücksetzeingang des SR-Flipflops
58: Ausgang des SR-Flipflops
59: UND-Gatter
60: erster Erkennungsblock
61: erster Timer
62: zweiter Erkennungsblock
63: zweiter Timer
A: binäres Ausgangssignal
D: Dimmwert
Dmax: maximaler Dimmwert
Dmin: minimaler Dimmwert
FD: Dimmfunktion
FE: Einschaltfunktion
11: Leuchtmittelstrom
12: Kondensatorstrom
IL: Induktivitätsstrom
IM: Strommittelwert des Induktivitätsstromes
IM1: erster Strommittelwert des Induktivitätsstromes
IP: Peakstromwert
Isoll: Sollstrommittelwert des Induktivitätsstromes
M: Massepotential
PA: aktive Phasendauer
PP: passive Phasendauer
PR: Endimpuls
PS: Startimpuls
S1: erste Messgröße
S2: zweite Messgröße
ta: Ausschaltzeitdauer
te: Einschaltzeitdauer
TS: Schwingungsperiodendauer
TW: Periodendauer des Wandlerschaltsignals
UG: Gleichspannung
UN: Netzspannung
Q: Startpunkt
W: binäres Wandlerschaltsignal
X: Endpunkt
Y: Differenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013216877 A1 [0003]
WO 2016/050689 A2 [0004]
EP 2269292 B1 [0006]
EP 1576858 B1 [0007]
EP 2837263 B1 [0008]

Claims

Betriebsvorrichtung (10), die zum Betreiben einer daran angeschlossenen Leuchtmittelanordnung (17) eingerichtet ist, mit einer Wandlereinheit (12), die Eingangsanschlüsse (13, 14) zum Anlegen einer Gleichspannung (UG), mit der Leuchtmittelanordnung (17) elektrisch verbindbare Ausgangsanschlüsse (15, 16), einen ansteuerbaren Wandlerschalter (30) und eine Wandlerinduktivität (32) aufweist, mit einem Steuerschaltkreis (19), dem ein die Sollhelligkeit der Leuchtmittelanordnung (17) charakterisierender Dimmwert (D) bereitgestellt wird und der eine Messschaltung (42), eine Wandlerschalteinheit (40) und einen Ausgangsschaltkreis (41) aufweist, wobei die Messschaltung (42) dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Messgröße (S1, S2) zu erfassen, die einen durch die Wandlerinduktivität (32) fließenden Induktivitätsstrom (IL) charakterisiert, und der Wandlerschalteinheit (40) bereitzustellen, wobei die Wandlerschalteinheit (40) dazu eingerichtet ist, bei einem erkannten Nulldurchgang des Induktivitätsstromes (IL) eine erste Zustandsänderung eines binären Ausgangssignals (A) zu bewirken und bei einem erkannten Erreichen eines vorgebbaren Peakstromwertes (IP) des Induktivitätsstromes (IL) eine zweite Zustandsänderung des binären Ausgangssignals (A) zu bewirken, wobei der Ausgangsschaltkreis (41) dazu eingerichtet ist, zur Bestimmung eines binären Wandlerschaltsignals (W) folgende Schritte auszuführen: - Ermitteln eines die Einschaltdauer (te) einer aktiven Phasendauer (PA) einer Periodendauer (TW) des binären Wandlerschaltsignals (W) und/oder den Peakstromwert (IP) des Induktivitätsstromes beschreibenden Einschaltwertes (E), der einen ersten Strommittelwert (IM1) des Induktivitätsstroms (IL) während der aktiven Phasendauer (PA) charakterisiert, basierend auf dem Dimmwert (D) und einer vorgegebenen Einschaltfunktion (FE), - Ermitteln einer passiven Phasendauer (PP) der Periodendauer (TW) des binären Wandlerschaltsignals (W) basierend auf dem ersten Strommittelwert (IM1) und einem Sollstrommittelwert (I_soll) des Induktivitätsstroms (IL), der sich aus dem Dimmwert (D) und einer sich von der Einschaltfunktion (FE) unterscheidenden Dimmfunktion (FD) ergibt, - Erzeugen eines periodischen binären Wandlerschaltsignals (W) mit einer Periodendauer (TW), die der Summe aus der aktiven Phasendauer (PA) und der passiven Phasendauer (PP) entspricht, wobei das Wandlerschaltsignal (W) dazu eingerichtet ist, den Wandlerschalter (30) nach Ablauf der passiven Phasendauer (PP) seit dem Auftreten der ersten Zustandsänderung des Ausgangssignals (A) in den leitenden Zustand umzuschalten und von diesem Zeitpunkt nach Ablauf der Einschaltdauer (te) in den sperrenden Zustand umzuschalten.
Betriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Steuerschaltkreis (19) dazu eingerichtet ist, die Wandlereinheit (12) nur dann in einem kontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben, wenn der Dimmwert (D) maximal ist.
Betriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einschaltfunktion (FE) für einen minimalen Dimmwert (D_min) einen Einschaltwert (E) angibt, der einen ersten Strommittelwert (IM1) des Induktivitätsstroms (IL) beschreibt, der größer ist als der durch die Dimmfunktion (FD) vorgegebene Sollstrommittelwert (I_soll) des Induktivitätsstroms (IL).
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einschaltfunktion (FE) und die Dimmfunktion (FD) in einem Endpunkt übereinstimmen, der durch einen maximalen Dimmwert (D_max) vorgegeben ist.
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einschaltfunktion (FE) und/oder die Dimmfunktion (FD) ausgehend vom minimalen Dimmwert (D_min) bis zum maximalen Dimmwert (D_max) zunehmende Funktionswerte aufweisen.
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einschaltfunktion (FE) durch ihren minimalen Einschaltwert eine minimale Einschaltdauer (te) und/oder einen minimalen Peakstromwert (IP) beschreibt, die bzw. der nicht unterschritten wird.
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausgangsschaltkreis (41) dazu eingerichtet ist, eine rechnerische passive Phasendauer (PPr) zu ermitteln und aus der rechnerischen passiven Phasendauer (PPr) und einer Schwingungsperiodendauer (TS) des Induktivitätsstromes (IL) die passive Phasendauer (PP) zu bestimmen.
Betriebsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Ausgangsschaltkreis (41) dazu eingerichtet ist, die passive Phasendauer (PP) derart zu bestimmen, dass diese ein ganzzahliges Vielfaches einschließlich null der Schwingungsperiodendauer (TS) ist und dass die Differenz zwischen der rechnerischen passive Phasendauer (PPr) und der passive Phasendauer (PP) kleiner ist als eine Schwingungsperiodendauer (TS).
Betriebsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Ausgangsschaltkreis (41) dazu eingerichtet ist, die passive Phasendauer (PP) derart zu bestimmen, dass sie maximal so groß ist wie die rechnerischen passive Phasendauer (PPr).
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausgangsschaltkreis (41) einen ersten Impulsschaltkreis (53) aufweist, der dazu eingerichtet ist, nach Ablauf der passiven Phasendauer (PP) seit dem Auftreten der ersten Zustandsänderung des Ausgangssignals (A) einen Startimpuls (PS) zu erzeugen.
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausgangsschaltkreis (41) einen zweiten Impulsschaltkreis (54) aufweist, der dazu eingerichtet ist, bei der zweiten Zustandsänderung einen Endimpuls (PR) zu erzeugen.
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandlereinheit (12) als Abwärtswandler ausgebildet ist.
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandlereinheit (12) einen Wandlerkondensator (34) aufweist, der parallel zu den Ausgangsanschlüssen (15, 16) geschaltet ist.
Betriebsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Wandlereinheit (12) eine Wandlerdiode (33) aufweist, deren Kathode unmittelbar elektrisch mit dem Wandlerschalter (30) und der Wandlerinduktivität (32) verbunden ist, und deren Anode unmittelbar elektrisch mit dem Wandlerkondensator (34) verbunden ist.
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messschaltung (42) eine der Wandlerinduktivität (32) zugeordnete Messspule (46) aufweist, in der durch ein Magnetfeld der Wandlerinduktivität (32) als eine erste Messgröße (S1) eine Spannung induziert wird.
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messschaltung (42) einen Strommesswiderstand (48) aufweist, der in Reihe zu den Ausgangsanschlüssen (15, 16) geschaltet ist.
Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gleichspannungswandler (21) zur Erzeugung der Gleichspannung (UG) vorhanden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung (17) mittels einer Betriebsvorrichtung (10) aufweisend eine Wandlereinheit (12), die einen Wandlerschalter (30), eine Wandlerinduktivität (32), Eingangsanschlüsse (13, 14) und mit der Leuchtmittelanordnung (17) elektrisch verbundene Ausgangsanschlüsse (15, 16) aufweist, einen Steuerschaltkreis (19), der eine Wandlerschalteinheit (40), eine Messschaltung (42) und einen Ausgangsschaltkreis (41) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Anlegen einer Gleichspannung (UG) an die Eingangsanschlüsse (13, 14) der Wandlereinheit (12), - Bereitstellen eines die Sollhelligkeit der Leuchtmittelanordnung (17) charakterisierenden Dimmwerts (D), - Erfassen wenigstens einer Messgröße (S1, S2), die einen durch die Wandlerinduktivität (32) fließenden Induktivitätsstrom (IL) charakterisiert, mittels der Messschaltung (42) und Bereitstellen der wenigstens einen Messgröße (S1, S2) für die Wandlerschalteinheit (40), - Bewirken einer ersten Zustandsänderung eines binären Ausgangssignals (A) bei einem erkannten Nulldurchgang des Induktivitätsstromes (IL) und Bewirken einer zweiten Zustandsänderung des binären Ausgangssignals (A) bei einem erkannten Erreichen eines vorgebbaren Peakstromwertes (IP) des Induktivitätsstromes (IL) mittels der Wandlerschalteinheit (40), - Ermitteln eines die Einschaltdauer (te) einer aktiven Phasendauer (PA) beschreibenden Einschaltwertes (E), die einen ersten Strommittelwert (IM1) des Induktivitätsstroms (IL) während der aktiven Phasendauer (PA) charakterisiert, basierend auf dem Dimmwert (D) und einer vorgegebenen Einschaltfunktion (FE), - Ermitteln einer passiven Phasendauer (PP) basierend auf dem ersten Strommittelwert (IM1) und einem Sollstrommittelwert (I_soll) des Induktivitätsstroms (IL), der sich aus dem Dimmwert (D) und einer sich von der Einschaltfunktion (FE) unterscheidenden Dimmfunktion (FD) ergibt, - Erzeugen eines periodischen binären Wandlerschaltsignals (W) mit einer Periodendauer (TW) mittels des Ausgangsschaltkreises (41), wobei die Periodendauer (TW) der Summe aus der aktiven Phasendauer (PA) und der passiven Phasendauer (PP) entspricht, wobei das Wandlerschaltsignal (W) den Wandlerschalter (30) nach Ablauf der passiven Phasendauer (PP) seit dem Auftreten der ersten Zustandsänderung des Ausgangssignals (A) in den leitenden Zustand und von diesem Zeitpunkt erst nach Ablauf der Einschaltdauer (te) in den sperrenden Zustand umschaltet.