DE102022130130A1

DE102022130130A1 - Treibervorrichtung mit Glimmunterdrückung für LED-Leuchtmittel und verbesserter Effizienz

Info

Publication number: DE102022130130A1
Application number: DE102022130130.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Nesensohn
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2022-11-15
Filing date: 2022-11-15
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Eine Treibervorrichtung 1 für Leuchtdioden (LED), umfasst: eine Konverterschaltung 8 ausgelegt dafür, einen Strom ILEDzu erzeugen und an ein Leuchtmodul 2 mit zumindest einer LED auszugeben, sowie einen Ausgangsschaltkreises 9 mit einem ersten Ausgangsanschluss LED1+zur Ausgabe des Stroms ILED, wobei der Ausgangsschaltkreis 9 zumindest eine Antiglimmschaltung 6 in einem ersten Zweig 9.1 verbunden mit dem ersten Ausgangsanschluss LED1+aufweist. Die Treibervorrichtung 1 zeichnet sich dadurch aus, dass der Ausgangsschaltkreis 9 ferner zumindest einem zweiten Zweig 9.2 elektrisch parallel zu dem zumindest einen ersten Zweig 9.1 geschaltet aufweist, wobei der zweite Zweig 9.2 dafür ausgelegt ist, den Strom ILEDdirekt über einen zweiten Ausgangsanschluss LED2+des zumindest einen zweiten Zweiges 9.2 an das Leuchtmodul 2 auszugeben.

Description

Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Treibervorrichtungen für elektrische Lastschaltkreise und insbesondere auf dem Feld der der Treibervorrichtungen für den Betrieb von Leuchtmitteln, die Leuchtdioden aufweisen. Es wird ein Leuchtmitteltreiber mit einem Anti-Glimm- Schaltkreis und einer erhöhten Effizienz vorgestellt.
In Leuchten werden gegenwärtig regelmäßig Leuchtdioden (LED) als lichterzeugende Elemente eingesetzt, denen ein mittels Treibervorrichtungen erzeugter Gleichstrom zugeführt wird. Die Treibervorrichtungen können dafür ausgelegt sein, einen dimmbaren Gleichstrom für eine steuerbare Lichtabgabe durch die Leuchtdioden zu erzeugen und an ein Leuchtmodul mit den LEDs zuzuführen. Die Treibervorrichtung erzeugt dafür einen Laststrom, der von 0 A bzw. einem Dimm-Wert (Dimm-Level) von 0 % in einem Bereitschaftsmodus (Standby-Modus) der Leuchte bis zu einem Maximalwert des Laststroms bei einem Dimm-Wert von 100 % entsprechend eines zugeführten Steuersignals veränderbar ist.
Ein unerwünschtes und oft beobachtbares Phänomen bei Betrieb der Leuchte im Bereitschaftsmodus ist dabei, dass trotz einer Regelung des Laststroms auf einen Stromwert von 0 A eine geringfügige Lichtabgabe durch die LEDs eines angeschlossenen Leuchtmoduls der Leuchte erfolgt. Die Ursache für dieses für einen Beobachter sichtbaren Glimmens sind Leckströme, die durch die Leuchtdioden und über einen Schutzleiteranschluss PE der Leuchte und ihrer Treibervorrichtung zu einer Netzstromversorgung fließen können.
Es ist bekannt, in einer Treibervorrichtung Anti-Glimmschaltkreise (Antiglimmschaltungen) jeweils verbunden mit den Ausgangsanschlüssen vorzusehen, über die der Laststrom für die LEDs an ein Leuchtmodul ausgegeben wird. Die Anti-Glimmschaltkreise vermeiden die unerwünschte und störende Lichtabgabe im Bereitschaftsmodus. Allerdings bewirken die im Lastzweig der Treibervorrichtung angeordneten Anti-Glimmschaltkreise eine nachteilige Verminderung der elektrischen Effizienz der Treibervorrichtung im Betriebs, die durchaus in einer Größenordnung von 1% liegen kann. Im Fall von Betriebsvorrichtungen für Beleuchtungszwecke mit entsprechend langen Betriebsdauern sind damit für einen Nutzer deutlich höhere Energie- und somit Betriebskosten zu erwarten.
Es besteht daher die Aufgabenstellung, verbesserte Lösungen für Treibervorrichtungen für den Betrieb von Leuchtdioden zu schaffen, die die vorhergehend diskutierten Nachteilen Rechnung tragen.
Die Treibervorrichtung für Leuchtdioden nach Anspruch 1 und die Leuchte nach dem entsprechenden unabhängigen Anspruch stellen eine vorteilhafte Lösung der Aufgabe bereit.
Die zusätzlichen Merkmale der abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Treibervorrichtung für Leuchtdioden nach einem ersten Aspekt umfasst eine Konverterschaltung ausgelegt dafür, einen Strom zu erzeugen und an ein Leuchtmodul mit zumindest einer Leuchtdiode auszugeben. Weiter umfasst die Treibervorrichtung einen Ausgangsschaltkreis mit einem ersten Ausgangsanschluss zur Ausgabe des Stroms, wobei der Ausgangsschaltkreis zumindest eine Antiglimmschaltung in einem ersten Zweig verbunden mit dem ersten Ausgangsanschluss aufweist. Die Treibervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Ausgangsschaltkreis ferner zumindest einen zweiten Zweig elektrisch parallel zu dem zumindest einen ersten Zweig geschaltet aufweist, wobei der zweite Zweig dafür ausgelegt ist, den Strom direkt über einen zweiten Ausgangsanschluss des zumindest einen zweiten Zweigs an das Leuchtmodul auszugeben.
Direkte Ausgabe des Stroms (Laststroms) an eine Last bedeutet, dass der Strom unmittelbar, also ohne über eine Baugruppe oder elektrische Komponente, zum Beispiel eine Antiglimmschaltung, von einem Ausgangsanschluss der Konverterschaltung zu einem Ausgangsanschluss der Treibervorrichtung geleitet wird. Die unmittelbare direkte Leitung erfolgt ausschließlich über elektrische Leitungsabschnitte und elektrische Verbindungselemente, zum Beispiel Steckverbinder, Buchsen, oder entsprechende Komponenten.
Dem Nutzer wird somit die Möglichkeit geboten, mittels Wahl entweder des ersten Ausganganschlusses oder des zweiten Ausgangsanschlusses einen entsprechenden Anwendungsschwerpunkt für die Treibervorrichtung in einer Anwendung in einer Leuchte zu bestimmen. Die Anwendungsschwerpunkte können entweder verbesserte Glimmunterdrückung in einem Bereitschaftsmodus der Leuchte oder eine hohe Effizienz aufgrund eines hohen Wirkungsgrads der Leuchte bei einem Betriebsmodus mit Lichtabgabe der Leuchte sein.
Eine Ausführung der Treibervorrichtung für Leuchtdioden zeigt den Ausgangsschaltkreis ausgebildet mit einer zweiten Antiglimmschaltung in einem dritten Zweig verbunden mit einem dritten Ausgangsanschluss, und einen vierten Zweig elektrisch parallel zu dem dritten Zweig geschaltet angeordnet. Der vierte Zweig ist dafür ausgelegt, den Strom über einen vierten Ausgangsanschluss des vierten Zweiges direkt an das Leuchtmodul auszugeben.
Eine Ausführung der Treibervorrichtung für Leuchtdioden ist dafür ausgelegt, den Strom als einen dimmbaren Strom zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich ist die Treibervorrichtung dafür ausgelegt ist, in einen Bereitschaftsmodus zu schalten.
Ein Bereitschaftsmodus wird auch mit der englischen Übersetzung Standby-Modus bezeichnet. Die Treibervorrichtung ist in dem Bereitschaftsmodus mit der Netzstromversorgung verbunden, der Laststrom für das Leuchtmodul ist jedoch auf 0 A geregelt, da keine Lichtabgabe durch das Leuchtmodul gefordert und erwünscht ist.
Die Treibervorrichtung in einer Ausführung ist dafür ausgelegt, den Strom ohne galvanische Trennung ausgehend von einem eingangsseitigen Netzspannungsanschluss der Treibervorrichtung zu erzeugen. Insbesondere ist die Treibervorrichtung ohne Trennung eines ausgangsseitigen Schaltungsbereichs der Konverterschaltung auf Schutzkleinspannungsniveau von Schaltungen der Treibervorrichtung auf einem Spannungsniveau, das nicht Vorgaben des Schutzkleinspannungsniveaus erfüllt, ausgelegt.
Das Schutzkleinspannungsniveau, auch Sicherheitskleinspannungsebene, wird auch mit dem englischen Begriff Safety Extra Low Voltage, abgekürzt SELV, bezeichnet.
Die zumindest eine Antiglimmschaltung und gegebenenfalls die zweite Antiglimmschaltung einer Ausführung der Treibervorrichtung für Leuchtdioden umfasst jeweils zumindest eine Diode oder zumindest einen Feldeffekttransistor.
Diode oder Feldeffekttransistor ermöglichen eine Trennung des Leuchtmoduls von dem DC/DC-Konverterschaltkreis, wenn kein Strom für das Leuchtmodul im Bereitschaftsmodus erzeugt wird. Da Diode und Feldeffekttransistor eine zusätzliche Verlustleistung bei einem Strom ungleich 0 A an das Leuchtmodul bewirken, ist der erfindungsgemäße Ausgangsschaltkreis, der dem Nutzer eine Möglichkeit bietet, in Anwendungsfällen in denen eine erhöhte Effizienz im Vordergrund steht, die mittels Diode oder Feldeffekttransistor implementierten Schalter mittels Leitungsabschnitten zu umgehen, besonders vorteilhaft.
In einem zweiten Aspekt löst eine Leuchte mit zumindest einer Treibervorrichtung in einer der Ausführungen nach dem ersten Aspekt die Aufgabe entsprechend.
Die Leuchte umfasst neben zumindest einer Treibervorrichtung zumindest ein der Treibervorrichtung zugeordnetes und von dieser mit Strom versorgtes Leuchtmodul. Die Treibervorrichtung und das Leuchtmodul können in einem Gehäuse oder an einem Träger angeordnet sein.
Die nachfolgende Beschreibung einer Ausführung der Erfindung bezieht sich auf die beiliegenden Figuren, in denen

1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Leuchte mit einer Ausführung der Treibervorrichtung zeigt,
2 zwei beispielhaft Blockschaltbilder von bekannten Leuchten zeigt, deren Darstellung Vorteile der Treibervorrichtung nach 1 verdeutlicht,
3 ein vereinfachtes Schaltbild eines ersten Beispiels einer Anti-Glimm-Schaltung wiedergibt, und
4 ein vereinfachtes Schaltbild eines zweiten Beispiels einer Anti-Glimm-Schaltung zeigt.

In den Figuren bezeichnen gleiche Referenzzeichen gleiche oder entsprechende Elemente. Eine Beschreibung gleicher Referenzzeichen in unterschiedlichen Figuren ist vermieden, wo dies ohne Einschränkung der Verständlichkeit möglich erscheint.
1 gibt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Leuchte 11 mit einer Ausführung der Treibervorrichtung 1 wieder.
Die Leuchte 11 ist mit zwei Baugruppen dargestellt, die in einem Leuchtengehäuse 3 angeordnet sind. Die Leuchte 11 umfasst eine Leuchtmodul 2 mit zumindest einer, regelmäßig einer Vielzahl von Leuchtdioden LED, sowie eine Treibervorrichtung 1.
Die Leuchte 11 kann eine Mehrzahl Treibervorrichtungen 1 und entsprechend zugeordnete Leuchtmodule 2 umfassen.
Das Leuchtengehäuse 3 verfügt über Aussparungen, die den Austritt von Licht aus dem Gehäuse ermöglichen. Ferner sind an dem Leuchtengehäuse 3 Durchführungen vorhanden, die einen elektrischen Anschluss von innerhalb des Gehäuses 3 angeordneten elektrischen Baugruppen an eine Netzstromversorgung 4 ermöglichen.
Das Leuchtengehäuse 3 kann alternativ eine Baugruppenträger oder eine Tragschiene sein, an dem die die Baugruppen der Leuchte 11, insbesondere die Treibervorrichtung 1 und das von der Treibervorrichtung 1 mit Strom versorgte Leuchtmodul 2 angebracht sind.
Die Netzstromversorgung 4 ist eine Wechselstromversorgung, dargestellt als einphasige Netzwechselstromversorgung, die regelmäßig zumindest einen Außenleiter L (umgangssprachlich: Phase), einen Neutralleiter N und einen Schutzleiter PE aufweist.
Die Treibervorrichtung 1 weist eine Netzeingangsschnittstelle 10 auf, deren Anschlüsse L, N, und PE mit den entsprechenden Leitern der Netzstromversorgung 4 verbunden sind.
Die Leuchte 11 zeigt eine elektrische Verbindung des Schutzleiters PE mit dem Leuchtengehäuse 3.
Die Leuchte 11 ist als elektrisches Betriebsmittel der Schutzklasse I dargestellt. In der Schutzklasse I ist zwingend gefordert, alle stromleitenden Teile der elektrischen Geräte der Schutzklasse I über den netzseitigen Schutzleiter PE zu erden.
Damit ist gewährleistet, dass das elektrische Potential stromleitender Teile der Leuchte 11 im Falle eines Betriebsfehlers mit unkontrolliertem Stromfluss trotz der Leitfähigkeit dieser stromleitenden Teile dem elektrischen Potential des Erdreichs entspricht.
Das Leuchtmodul 2 kann die LEDs in einer Anzahl paralleler LED-Stränge, die jeweils wiederum eine elektrische Serienschaltung einer Mehrzahl LEDs aufweisen, anordnen.
Das Leuchtmodul 2 kann ein Modulgehäuse aufweisen, in dem eine oder mehrere elektrische Leiterplatten angeordnet sind, auf den die LEDs und den LEDs zugeordnete elektrische Schaltungen aufgebracht sind. Dargestellt in 1 ist ferner eine Kapazität 5, die eine parasitäre Kapazität des Leuchtmoduls 2, bzw. der Leuchtdioden LED gegenüber dem Leuchtengehäuse 3 ist. Die parasitäre Kapazität 5 und ihre Auswirkungen werden mit Bezug zur oberen 2 diskutiert.
Die Treibervorrichtung 1 nach 1 umfasst einen Gleichrichterschaltkreis 12, der auf der Grundlage der zugeführten Netzwechselspannung eine gleichgerichtete Spannung erzeugt.
Die Treibervorrichtung 1 nach 1 zeigt ferner einen PFC-Schaltkreis 13, der insbesondere eine Leistungsfaktorkorrektur durchführt. Der PFC-Schaltkreis 13 erzeugt ausgehend von der gleichgerichteten Spannung eine Busspannung U_BUS und stellt diese für die Baugruppen der Treibervorrichtung 1 bereit.
Die Treibervorrichtung 1 nach 1 zeigt ferner einen DC/DC-Konverterschaltkreis 8, der auf Basis der Busspannung U_BUS einen abstimmbaren Laststrom I_LED für das Leuchtmodul 2 erzeugt und an einen Ausgangsschaltkreis 9 ausgibt. Der Laststrom I_LED ist ein Gleichstrom, der insbesondere entsprechend einem der Treiberschaltung 1 zugeführten Steuersignal (Dimmsignal) abstimmbar ist.
Der Ausgangsschaltkreis 9 der Treibervorrichtung 1 stellt zwei Paare von Lastanschlüssen LED₁₊, LED_1-, LED₂₊ und LED_2- für die Treibervorrichtung 1 bereit, über die der Laststrom I_LED an das Leuchtmodul 2 ausgegeben werden kann.
Das erste Paar Lastanschlüsse umfasst einen ersten Ausgangsanschluss LED₁₊ und einen zweiten Ausgangsanschluss LED_1-.
Das zweite erste Paar Lastanschlüsse umfasst einen dritten Ausgangsanschluss LED₂₊ und einen vierten Ausgangsanschluss LED_2-.
In 1 ist das erste Paar Ausganganschlüsse LED₁₊, LED_1- mit dem Leuchtmodul 2 verbunden. Insbesondere ist der erste Ausgangsanschluss LED₁₊ der Treibervorrichtung 1 mit einem ersten Eingangsanschluss des Leuchtmoduls 2 elektrisch leitend verbunden und der zweite Ausgangsanschluss LED1- der Treibervorrichtung 1 mit einem zweiten Eingangsanschluss des Leuchtmoduls 2 elektrisch leitend verbunden.
Alternativ kann, anders als in der 1 gezeigt dargestellt, auch das zweite Paar Ausganganschlüsse LED₂₊, LED_2- mit dem Leuchtmodul 2 verbunden werden. Insbesondere ist dann der dritte Ausgangsanschluss LED₂₊ der Treibervorrichtung 1 mit dem ersten Eingangsanschluss des Leuchtmoduls 2 elektrisch leitend verbunden und der vierte Ausgangsanschluss LED2- der Treibervorrichtung 1 mit dem zweiten Eingangsanschluss des Leuchtmodul s 2 elektrisch leitend verbunden.
Die genannten alternativen Anschlussmöglichkeiten für das Leuchtmodul 2 an die Treibervorrichtung 1, einerseits mittels der Ausganganschlüsse LED₁₊ und LED_1-, andererseits mittels der Ausganganschlüsse LED₂₊ und LED_2- kann durch einen Nutzer vorgenommen werden.
Der Ausgangsschaltkreis 9 der Treibervorrichtung 1 umfasst einen ersten Zweig 9.1, einen zweiten Zweig 9.2, einen dritten Zweig 9.3 und einen vierten Zweig 9.4.
Der erste Zweig 9.1 ist mit einem ersten Eingang des Ausgangsschaltkreises 9 elektrisch leitend verbunden, der wiederum mit dem ersten Ausgangsanschluss des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 elektrisch leitend verbunden ist. Der erste Zweig 9.1 umfasst ferner den ersten Ausgangsanschluss LED₁₊. Der erste Eingang des Ausgangsschaltkreises 9 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss LED₁₊ über einen ersten Antiglimmschaltkreis 6 verbunden.
Allgemein sind Antiglimmschaltkreise 6, 7 (Auch: Antglimmschaltung 6, 7) insbesondere in nicht-isolierten Treibervorrichtungen 1 vorgesehen. Der Antiglimmschaltkreis 6, 7 ist dafür eingerichtet, einen Lastausgang der Treibervorrichtung 1 von der Treibervorrichtung 1 elektrisch zu trennen und damit einen Leckstrom über die Leuchtdioden des an den Lastausgang der Treibervorrichtung 1 angeschlossenen Leuchtmoduls 2 zu unterbinden.
Der erste Zweig 9.1 verbindet somit den ersten Ausgangsanschluss LED₁₊ des ersten Zweigs 9.1 mit dem ersten Ausgangsanschluss des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 über den ersten Antiglimmschaltkreis 6.
Der dritte Zweig 9.3 ist mit einem zweiten Eingang des Ausgangsschaltkreises 9 elektrisch leitend verbunden, der wiederum mit dem zweiten Ausgangsanschluss des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 elektrisch leitend verbunden ist. Der dritte Zweig 9.3 umfasst ferner den zweiten Ausgangsanschluss LED_1-. Der zweite Eingang des Ausgangsschaltkreises 9 ist mit dem dritten Ausgangsanschluss LED_1- über einen zweiten Antiglimmschaltkreis 7 verbunden.
Der dritte Zweig 9.3 verbindet somit den zweiten Ausgangsanschluss LED_1- des dritten Zweigs 9.3 mit dem zweiten Ausgangsanschluss des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 über den zweiten Antiglimmschaltkreis 7.
In alternativen Ausführungen der Treibervorrichtung 1 ist im dritten Zweig 9.3 kein Antiglimmschaltkreis 7 vorhanden. In dieser alternativen Ausführung kann der dritte Zweig 9.3 und der vierte Zweig 9.4 durch eine gemeinsame Leitung von dem zweiten Ausgangsanschluss des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 zu einem gemeinsamen Ausgangsanschluss LED1-/LED2- verwirklicht werden.
Ist entsprechend der Darstellung in 1 ist das erste Paar Ausganganschlüsse LED₁₊, LED_1- mit dem Leuchtmodul 2 verbunden, so kann durch die Antiglimmschaltkreise 6, 7 ein Leckstrom und somit ein unerwünschtes Glimmen der LEDs des Leuchtmoduls 2 unterbunden werden. Wird die Leuchte 11 mit einem von Null verschiedenen Laststrom I_LED, also mit einer Lichtabgabe durch das Leuchtmodul 2 betrieben, ist allerdings aufgrund der Einfügedämpfung der Antiglimmschaltkreise 6, 7 im Laststrompfad eine entsprechend verringerte Effizienz der Leuchte 11 festzustellen.
Die Leuchte 11 weist ferner den zweiten Zweig 9.2 und den vierten Zweig 9.4 auf.
Der zweite Zweig 9.2 ist mit dem ersten Eingang des Ausgangsschaltkreises 9 elektrisch leitend verbunden, der wiederum mit dem ersten Ausgangsanschluss des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 elektrisch leitend verbunden ist. Der zweite Zweig 9.2 umfasst ferner den dritten Ausgangsanschluss LED₂₊. Der erste Eingang des Ausgangsschaltkreises 9 ist mit dem dritten Ausgangsanschluss LED₂₊ direkt elektrisch leitend verbunden.
Der zweite Zweig 9.3 verbindet somit den dritten Ausgangsanschluss LED2+ des zweiten Zweigs 9.2 mit dem ersten Ausgangsanschluss des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 unmittelbar elektrisch leitend, also insbesondere ohne einen dazwischengeschalteten Antiglimmschaltkreis 6, 7.
Der vierte Zweig 9.4 ist mit dem zweiten Eingang des Ausgangsschaltkreises 9 elektrisch leitend verbunden, der wiederum mit dem zweiten Ausgangsanschluss des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 elektrisch leitend verbunden ist. Der vierte Zweig 9.4 umfasst ferner den vierten Ausgangsanschluss LED_2-. Der erste Eingang des Ausgangsschaltkreises 9 ist mit dem vierten Ausgangsanschluss LED_2- direkt elektrisch leitend verbunden.
Der vierte Zweig verbindet somit den vierten Ausgangsanschluss LED2- des vierten Zweigs 9.4 mit dem zweiten Ausgangsanschluss des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 unmittelbar elektrisch leitend, also insbesondere ohne einen dazwischengeschalteten Antiglimmschaltkreis 6, 7.
Ist alternativ zu der Darstellung in 1 nicht das erste Paar Ausganganschlüsse LED₁₊, LED_1-, sondern das zweite Paar Ausganganschlüsse LED₂₊, LED_2- mit dem Leuchtmodul 2 verbunden, so kann durch die Antiglimmschaltkreise 6, 7 keine Unterdrückung des Leckstroms und somit kein Verhindern eines unerwünschten Glimmens der LEDs des Leuchtmoduls 2 geleistet werden. Wird die Leuchte 11 mit einem von Null verschiedenen Laststrom I_LED, also mit einer Lichtabgabe durch das Leuchtmodul 2 betrieben, ist aufgrund der aus dem Laststrompfad genommenen Antiglimmschaltkreise 6, 7 eine entsprechende verringerte Effizienz der Leuchte 11 vermieden.
Dem Nutzer wird somit die Möglichkeit geboten, mittels Wahl entweder des ersten Paars Ausganganschlüsse LED₁₊, LED_1- oder des zweiten Paars Ausgangsanschlüsse LED₂₊, LED2- einen entsprechenden Anwendungsschwerpunkt für die Treibervorrichtung 1 in der Leuchte 11 bestimmen. Die Anwendungsschwerpunkte können entweder eine verbesserte Glimmunterdrückung in einem Bereitschaftsmodus der Leuchte 11 oder hohe Effizienz aufgrund eines hohen Wirkungsgrads der Leuchte 11 bei einem Betriebsmodus mit Lichtabgabe der Leuchte 11 sein.
2 stellt zwei beispielhafte Blockschaltbilder von bekannten Leuchten 14, 16 dar, deren Darstellung Vorteile der Treibervorrichtung 1 in der Leuchte 11 nach 1 verdeutlichen.
Die Leuchte 11 in der oberen 2 ist als Leuchte der Schutzklasse I dargestellt. Die Leuchte 11 entspricht mit ihren Baugruppen Gehäuse 3, und Leuchtmodul 2 der in 1 diskutierten Leuchte 11. Insbesondere ist die Leuchte 14 ein elektrisches Gerät der Schutzklasse I, bei dem alle elektrisch leitfähigen Teile der Leuchte 14 über den netzseitigen Schutzleiter PE zu erden sind. Dargestellt ist in 2 die leitende Verbindung des Schutzleiters PE der Netzstromversorgung 4 mit dem Gehäuse 3 der Leuchte 14. Damit ist gewährleistet, dass das elektrische Potential der stromleitenden Teile im Falle eines Betriebsfehlers mit unkontrolliertem Stromfluss trotz der Leitfähigkeit dieser stromleitenden Teile dem elektrischen Potential des Erdreichs entspricht.
Grundsätzlich sind als Schutzklasse für elektrische Betriebsmittel, wie zum Beispiel Leuchten 11, 14, 16, drei Schutzklassen nach EN 51140 definiert. Die Schutzklassen umfassen die Schutzklassen (SK) I, II, III. Die Schutzklassen betreffen einen Schutz gegen elektrische Schläge bei Berühren von vom Strom durchflossenen Teilen der Leuchte bei Auftreten eines Fehlers im Betrieb. Die jeweilige Schutzklasse beschreibt insbesondere, wie der netzseitige Schutzleiter PE angeschlossen werden muss oder soll.
Die Treibervorrichtung 15 ist eine bekannte Treibervorrichtung 15, die mit zwei Ausgangsanschlüssen LED+ und LED- gezeigt ist, über die die Treibervorrichtung 15 einen Laststrom I_LED an das mit den Ausgangsanschlüssen LED+, LED- leitend verbundene Leuchtmodul 2 abgibt.
In der oberen 2 ist die Problematik des Nachglimmens der LED, wenn die Treibervorrichtung 15 der bekannten Leuchte 14 in den Bereitschaftsmodus wechselt, gezeigt. Im Bereitschaftsmodus steuert die Treibervorrichtung 15 das Leuchtmodul 2 mit einem Laststrom I_LED mit dem Wert 0 an.
Die Kapazität 5 in der oberen 5 ist eine parasitäre Kapazität, deren Kapazitätswert wesentlich von der konstruktiven Ausführung der Leuchte 14 abhängt.
Die Kapazität 5 ist umso höher, je größer Flächen des Leuchtmoduls 2 sind, die aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel Kupfer, einer Kupferlegierung oder auch Aluminium bestehen. Flächen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und zugleich elektrisch leitfähigen Material können insbesondere für eine verbesserte Wärmeabführung an dem Leuchtmodul 2 vorgesehen sein. Der Wärmeübergang von einem wärmeproduzierenden Bauteil, zum Bespiel einer LED zu einem umgebenden Kühlmedium, zum Beispiel Luft, kann einer möglichen Beschädigung des Halbeiterbauteils durch Überhitzung vorbeugen. Der Wärmeübergang wird neben der Temperaturdifferenz, einer Strömungsgeschwindigkeit eines Kühlmediums maßgeblich von der wirksamen Oberfläche für den Wärmeübergang von einem Kühlkörper zu dem Kühlmedium abhängig. Eine möglichst große wirksame Oberfläche für die Kühlung kann somit die parasitäre Kapazität 5, und damit den Leckstrom vergrößern.
Ferner ist die Kapazität 5 umso höher, je kleiner ein Abstand des Modulgehäuses des Lichtmoduls 2 zu elektrisch leitfähigen, zum Beispiel metallischen Bauteilen der Leuchte 14 ist, die mit dem Schutzleiter PE der Netzversorgung 4 leitend verbunden sind. Die relevanten Bauteile der Leuchte 14, die für den Abstand und damit die Kapazität 5 besonders wirksam sind, kann zum Beispiel metallische Flächen innerhalb oder auf Leiterplatten umfassen, ebenso metallische Strukturen des Leuchtengehäuses 3.
Elektrisch leitende Flächen des Leuchtmoduls 2 sind Flächen, die aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder entsprechenden leitenden Materialien bestehen.
In der oberen 2 ist ferner ein Strompfad 19 für den Leckstrom eingezeichnet.
Über die Kapazität 5 und das elektrisch leitfähige Gehäuse 3 zu dem mit dem Gehäuse 3 verbundenen Schutzleiter PE kann der Leckstrom von der Netzspannungsversorgung 4 über die Treibervorrichtung 15 durch die Leuchtdioden LED des Leuchtmoduls 2 fließen, auch wenn die Treibervorrichtung 15 im Bereitschaftsmodus keinen Laststrom I_LED ausgibt. Eine unerwünschte Folge dieses Leckstroms ist eine Lichtabgabe durch die Leuchtdioden LED des Leuchtmoduls 2, obwohl die Treibervorrichtung 15 keinen Laststrom I_LED ausgibt.
Der Begriff Leckstrom bezeichnet hier einen elektrischen Strom, der zumindest abschnittsweise über den Strompfad 19 fließt, der nicht für die Leitung eines elektrischen Stroms vorgesehen ist. Der Leckstrom im vorliegenden Fall kann auch als Ableitstrom, Masseableitstrom, Erdableitstrom (engl. earth leakage current) oder Fehlerstrom bezeichnet werden.
Um einen Leckstrom über die Leuchtdioden LED zum Schutzleiter PE zu vermeiden, werden üblich Antiglimmschaltkreise 6, 7 in dem Ausgangsschaltkreis 9 der Treibervorrichtungen 1, 14, 16 eingesetzt, die für die Treibervorrichtung im Bereitschaftsmodus die Leuchtdioden LED von der Netzstromversorgung trennen. Dies betrifft insbesondere nicht-isolierte Treibervorrichtungen 1, 14.
Die untere 2 zeigt ein weitere bekannte Leuchte 16, die eine Treibervorrichtung 17 der Schutzklasse II umfasst, die den Laststrom I_LED erzeugt und an das Leuchtmodul 2 der Leuchte 16 über die Lastanschlüsse LED+ und LED- ausgibt. Die Leuchte 16 umfasst ferner ein Leuchtengehäuse 3', das im Gegensatz zu dem Leuchtengehäuse 3 keinen Anschluss an den Schutzleiter PE der Netzstromversorgung aufweist. Die Leuchte 16 und die Treibervorrichtung 17 verfügen über eine doppelte Isolierung stromführender Teile. Eine parasitäre Kapazität 5' der Leuchte 16 ist, da der Strompfad 19 des Leckstroms nach Masse durch den fehlenden Anschluss des netzseitigen Schutzleiters PE für die Leuchte 16 unterbrochen ist, von geringerer Auswirkung hinsichtlich eines unerwünschten Glimmens der LEDs im Bereitschaftsbetriebsmodus der Leuchte 16, als dies für die Leuchte 14 der oberen 2 der Fall ist.
In den 3 und 4 werden Beispiele für derartige Antiglimmschaltkreise 6, 7 gezeigt und nachfolgend mit Bezug zu den Figuren diskutiert. Es bleibt zunächst festzuhalten, dass die Antiglimmschaltkreise 6, 7 üblicherweise Schalter, insbesondere Halbleiterschalter ausgeführt mittels Feldeffekttransistoren oder Dioden aufweisen. Diese Schalter bewirken zusätzliche Leitungsverluste in dem Ausgangsschaltkreis 9 der Treibervorrichtungen 1, 12, 14, wenn die Treibervorrichtungen 1, 15, 17 einen Laststrom I_LED über die Ausgangsanschlüsse LED+ und LED- an das Leuchtmodul 2 ausgibt.
Die Leuchte 14 in der unteren 2 ist entgegen der Leuchte 14 der oberen 2 als elektrisches Betriebsmittel der Schutzklasse II dargestellt. Elektrischen Geräte, hier der Leuchte 14, der Schutzklasse II weisen eine verstärkte oder doppelte Isolierung zwischen einem Netzstromkreis und der Ausgangsspannung und einem metallischen, somit elektrisch leitfähigen, Gehäuse 3 auf. Oftmals weisen elektrische Geräte der Schutzklasse II keinen Anschluss für einen Schutzleiter auf, wie es für die Leuchte 14 in der unteren 2 gezeigt ist. Verfügt das elektrische Gerät der Schutzklasse II über einen Schutzleiteranschluss, so ist der Anschluss an den netzseitigen Schutzleiter PE optional.
In Abhängigkeit von der Konstruktion der Leuchte 14, 16 kann der Leckstrom über den Schutzleiter PE zur Erde verringert werden, so dass die Leuchtdioden LED kein wahrnehmbares Licht abgeben, auch wenn die Leuchtdioden LED im Bereitschaftsmodus der Leuchte 14, 16 verbunden bleiben.
Die untere 2 zeigt dies für die Leuchte 14 der Schutzklasse II, die nicht mit dem Schutzleiter PE de Netzstromversorgung 4 verbunden ist. Damit ist jedoch erhöhter Aufwand in Konstruktion und Fertigung der Leuchte 14 verbunden, da eine verstärkte oder doppelte Isolierung zwischen Netzstromversorgung, Ausgangsspannung und dem Gehäuse 3 erforderlich ist. Dieser Aufwand ist so nicht erforderlich für die Leuchte 11 mit der Treibervorrichtung 1 nach 1.
Ferner kann mittels erhöhtem Aufwand und entsprechend zusätzlichen Einschränkungen bei Design der Leuchte 14 , 16 versucht werden, die Kapazität 5 des Leuchtmoduls 2 gegenüber dem Gehäuse 3 zu verringern, um entsprechend den Leckstrom zu vermindern und die unerwünschte Lichtabgabe zu vermeiden. Auch dieser Ansatz ist mit zusätzlichen Kosten und Einschränkungen verbunden, die so nicht bei der Leuchte 11 mit der Treibervorrichtung 1 nach 1 entstehen.
Elektrische Geräte und Leuchten der Schutzklasse III arbeiten mit Schutzkleinspannung, so zum Beispiel mit Spannungen der Größenordnung von 12 Volt. Der netzseitige Schutzleiter darf bei elektrischen Geräten und Leuchten der Schutzklasse III nicht angeschlossen werden.
3 gibt ein vereinfachtes Schaltbild eines ersten Beispiels einer Anti-Glimm-Schaltung wieder.
Aufgabe einer Anti-Glimm-Schaltung , wie sie in Antiglimmschaltkreisen 6, 7 insbesondere in nicht-isolierten Treibervorrichtungen 1 eingesetzt wird, ist, den Lastausgang, also die Ausganganschlüsse LED₁₊ und LED_1- der Treibervorrichtung 1 von der den entsprechend Ausgängen des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 der Treibervorrichtung 1 elektrisch zu trennen und damit einen Leckstrom über die Leuchtdioden des an den Lastausgang der Treibervorrichtung 1 angeschlossenen Leuchtmoduls 2 zu unterbinden. Mittels der Antiglimmschaltkreisen 6, 7 wird somit der Leckstrom zumindest verringert, und das durch den Leckstrom durch die LEDs abgegebene Licht entsprechend vermindert, im günstigsten Fall vollständig ist keine Lichtabgabe mehr wahrnehmbar.
Das Beispiel einer Anti-Glimm-Schaltung nach 3 ist insbesondere für Antiglimmschaltkreise 6, 7 für niedrige Lastströme I_LED geeignet. Niedrige Lastströme I_LED können elektrische Ströme in der Größenordnung um 0. 5A sein.
Einzelne Komponenten der Anti-Glimm-Schaltung nach 3 werden im Folgenden kurz mit ihren entsprechenden Auswirkungen auf die Effizienz der Treibervorrichtung 1 diskutiert.
Die Diode D44 entkoppelt den ersten Lastausgang LED₁₊ von dem ersten Ausgang des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 im Bereitschaftsmodus der Leuchte 11.
Bei ein Laststrom I_LED mit einem Wert von 0.5 A, und einer Flussspannung U_F für D44 mit einem Wert von 0.6 V kann die entstehende Verlustleistung der Diode D44 mit 0.3 W angesetzt werden.
Der Feldeffekttransistor M₄₃ entkoppelt den zweiten Lastausgang LED1- von dem zweiten Ausgang des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 im Bereitschaftsmodus der Leuchte 11. Der Feldeffekttransistor M₄₃ ist als Schalter zur Trennung der elektrischen Verbindung von einem Ausgang des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 zu einem Ausgangsanschluss LED_1- der Treibervorrichtung 1 eingesetzt. Der Feldeffekttransistor M43 wird von einem Schaltsteuersignal 21 angesteuert und öffnet die elektrische Verbindung, wenn die Leuchte 11 sich in einem Bereitschaftsmodus mit einem Laststrom von 0 A arbeitet.
Ist der Feldeffekttransistor M43 in einem Betriebsmodus mit einem von 0 verschiedenen Laststrom I_LED leitend, so fließt der Laststrom I_LED durch den Feldeffekttransistor M43 und es entsteht eine Verlustleistung. Bei ein Laststrom I_LED mit einem Wert von 0.5 A, und einer Vorwärtsspannung U_ds mit einem Wert von 0.3 V für M43 kann die entstehende Verlustleistung des Feldeffekttransistors M43 mit 0.15 W angesetzt werden.
Damit ist die gesamte Verlustleistung für die Anti-Glimm-Schaltung nach 3 mit 0.45 W anzunehmen. Wird eine Treiberschaltung 1 für eine Leistung von 45W angenommen, so ist von einer um 1 % verringerten Effizienz auszugehen. Der Begriff Effizienz kann hier als ein elektrischer Wirkungsgrad aufgefasst werden.
Diese Überlegung auf Grundlage der Verlustleistung der Antiglimmschaltkreise 6, 7 in einem Betrieb mit einem von 0 (Null) verschiedenen Laststrom I_LED berücksichtigt nicht, dass der Feldeffekttransistor M43 ein zusätzlicher Schutz gegen Spannungsspitzen auf den Leitern L, N der Netzstromversorgung 4 gegenüber dem Schutzleiter PE erfordern kann.
Ferner vernachlässigen die Überlegungen auf Grundlage der Verlustleistung der Antiglimmschaltkreise 6, 7 in einem Betrieb mit einem von 0 (Null) verschiedenen Laststrom I_LED, dass für den Schaltvorgang des Feldeffekttransistors M43 eine zusätzliche Erzeugung des Schaltsteuersignals erforderlich ist.
Das Schaltsteuersignal 21 kann in einem Steuerschaltkreis der Treibervorrichtung 1, insbesondere auch in einem Steuerschaltkreis des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 erzeugt und dem Antiglimmschaltkreis 6, 7 zugeführt werden.
4 zeigt ein weiteres vereinfachtes Schaltbild das ein zweites Beispiels einer Anti-Glimm-Schaltung zeigt.
Das Beispiel einer Anti-Glimm-Schaltung nach 4 ist insbesondere für Antiglimmschaltkreise 6, 7 für höhere Lastströme I_LED geeignet. Höhere Lastströme I_LED können elektrische Ströme in der Größenordnung um 1.0 A sein.
Einzelne Komponenten der Anti-Glimm-Schaltung nach 4 werden im Folgenden kurz mit ihren entsprechenden Auswirkungen auf die Effizienz der Treibervorrichtung 1 diskutiert.
Der Feldeffekttransistor M50 entkoppelt den ersten Lastausgang LED₁₊ von dem ersten Ausgang des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 in dem Bereitschaftsmodus der Leuchte 11.
Bei ein Laststrom I_LED mit einem Wert von 1.0 A, und einer Drain-Source-Spannung U_ds (Senke-Quell-Spannung U_ds) für M50 mit einem Wert von 0.3 V kann die entstehende Verlustleistung aufgrund des Feldeffekttransistors M50 mit 0.3 W angesetzt werden.
Der Feldeffekttransistor M51 entkoppelt den zweiten Lastausgang LED1- von dem zweiten Ausgang des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 im Bereitschaftsmodus der Leuchte 11.
Bei ein Laststrom I_LED mit einem Wert von 1.0 A, und einer Drain-Source-Spannung U_ds (Senke-Quell-Spannung U_ds) mit einem Wert von 0.3 V für M51 kann die entstehende Verlustleistung des Feldeffekttransistors M51 mit 0.15 W angesetzt werden.
Damit ist die gesamte Verlustleistung für die Anti-Glimm-Schaltung nach 3 mit 0.6 W anzunehmen. Wird eine Treiberschaltung 1 für eine Leistung von 60W angenommen, so ist von einer um 1 % verringerten Effizienz auszugehen.
Diese Überlegungen auf Grundlage der Verlustleistung der Antiglimmschaltkreise 6, 7 in einem Betrieb mit einem von 0 (Null) verschiedenen Laststrom I_LED berücksichtigen analog zu 3 nicht, dass für die Feldeffekttransistoren M50, M51 ein zusätzlicher Schutz gegen Spannungsspitzen auf den Leitern L, N gegenüber dem Schutzleiter PE erforderlich sein wird.
Ferner vernachlässigen die Überlegungen auf Grundlage der Verlustleistung der Antiglimmschaltkreise 6, 7 in einem Betrieb mit einem von 0 (Null) verschiedenen Laststrom I_LED, dass für den Schaltvorgang der Feldeffekttransistoren M50, M51 eine zusätzliche Erzeugung eines Schaltsteuersignals 22 erforderlich ist. Das Schaltsteuersignal 22 öffnet bei Übergang der Treibervorrichtung 1 in den Bereitschaftsmodus mit einem Laststrom I_LED gleich 0A den als Schalter arbeitenden Feldeffekttransistor M51.
Das Schaltsteuersignal 22 kann in einem Steuerschaltkreis der Treibervorrichtung 1, insbesondere auch in einem Steuerschaltkreis des DC/DC-Konverterschaltkreises 8 erzeugt und dem Antiglimmschaltkreis 6, 7 zugeführt werden.
Die Treibervorrichtung 1 schafft für einen Designer oder Anwender die Möglichkeit, zu bestimmen, ob in der spezifischen Anwendung in der Leuchte 11 eine Unterdrückung eines sichtbaren Glimmens der LEDs im Bereitschaftsmodus de Leuchte 11, oder eine hohe elektrische Effizienz der Leuchte 11 im Betrieb eine höhere Priorität hat.
Bei einer Anwendung mit einer angestrebten hohen Effizienz der Leuchte 11 kann der Anwender die Lastausgänge LED₂₊ und LED_2- der Treibervorrichtung 1 für den Anschluss des Leuchtmoduls 2 nutzen. In dieser Anwendung ist eine verschlechterte Glimmunterdrückung in einem Bereitschaftsmodus der Leuchte 11 in Kauf zu nehmen.
Bei einer Anwendung mit einer angestrebten guten Unterdrückung eines Glimmens der LEDs im Bereitschaftsmodus der Leuchte 11 kann der Anwender die Lastausgänge LED₁₊ und LED_1- der Treibervorrichtung 1 für den Anschluss des Leuchtmoduls 1 nutzen. In diesem Fall ist eine geringere Effizienz der Treiberschaltung 1 und damit der Leuchte 11 hinzunehmen.
Der Hersteller sowie Vertriebspartner des Herstellers der Treibervorrichtung 1 können mit einer Ausführung der Treibervorrichtung 1 zwei unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte abdecken. Damit ist die Treibervorrichtung 1 mit entsprechenden Vorteilen gewerblich anwendbar.

Claims

Treibervorrichtung für Leuchtdioden (LED), umfassend: eine Konverterschaltung (8) ausgelegt dafür, einen Strom (I_LED) zu erzeugen und an ein Leuchtmodul (2) mit zumindest einer Leuchtdiode (LED) auszugeben, einen Ausgangsschaltkreises (9) mit einem ersten Ausgangsanschluss (LED₁₊) zur Ausgabe des Stroms (I_LED), wobei der Ausgangsschaltkreis (9) zumindest eine Antiglimmschaltung (6) in einem ersten Zweig (9.1) verbunden mit dem ersten Ausgangsanschluss (LED₁₊) aufweist, und dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsschaltkreis (9) ferner zumindest einem zweiten Zweig (9.2) elektrisch parallel zu dem zumindest einen ersten Zweig (9.1) geschaltet aufweist, wobei der zweite Zweig (9.2) dafür ausgelegt ist, den Strom (I_LED) direkt über einen zweiten Ausgangsanschluss (LED₂₊) des zumindest einen zweiten Zweiges (9.2) an das Leuchtmodul (2) auszugeben.
Treibervorrichtung für Leuchtdioden (LED) nach Anspruch 1, wobei der Ausgangsschaltkreis (9) eine zweite Antiglimmschaltung (7) in einem dritten Zweig (9.3) verbunden mit einem dritten Ausgangsanschluss (LED_1-) aufweist, und der Ausgangsschaltkreis (9) einen vierten Zweig (9.4) elektrisch parallel zu dem dritten Zweig (9.3) geschaltet angeordnet aufweist, wobei der vierte Zweig (9.4) dafür ausgelegt ist, den Strom (I_LED) über einen vierten Ausgangsanschluss (LED_2-) des vierten Zweiges (9.4) direkt an das Leuchtmodul (2) auszugeben.
Treibervorrichtung für Leuchtdioden (LED) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Treibervorrichtung (1) dafür ausgelegt ist, den Strom (I_LED) als einen dimmbaren Strom zu erzeugen, und/oder die Treibervorrichtung (1) dafür ausgelegt ist, in einen Bereitschaftsmodus zu schalten.
Treibervorrichtung für Leuchtdioden (LED) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Treibervorrichtung (1) ausgelegt ist, den Strom (I_LED) ohne galvanische Trennung von einem eingangsseitigen Netzspannungsanschluss der Treibervorrichtung (1) zu erzeugen, insbesondere ohne Trennung eines ausgangsseitigen Schaltungsbereichs der Konverterschaltung (8) auf Sicherheitskleinspannungsniveau von Schaltungen der Treibervorrichtung (8) auf einem Spannungsniveau, das nicht Vorgaben des Sicherheitskleinspannungsniveaus erfüllt.
Treibervorrichtung für Leuchtdioden (LED) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Antiglimmschaltung (6) und gegebenenfalls die zumindest zweite Antiglimmschaltung (7) zumindest eine Diode (D44) oder zumindest einen Feldeffekttransistor (M43, M50, M51) umfassen.
Leuchte mit zumindest einer Treibervorrichtung (1) für Leuchtdioden (LED) nach einem der vorangehenden Ansprüche.