DE10358447B3

DE10358447B3 - Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE10358447B3
Application number: DE10358447A
Authority: DE
Inventors: Volker Grosch
Original assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG
Current assignee: Insta GmbH
Priority date: 2003-12-13
Filing date: 2003-12-13
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2023-12-14

Abstract

Es wird eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren in Reihe geschalteten, als LED ausgebildeten Leuchtmitteln vorgeschlagen. Zu dem Zweck, eine Beleuchtungseinrichtung zu schaffen, bei der beim Ausfall einer LED die funktionstüchtigen LEDs unverändert in Betrieb bleiben und die nicht leuchtende LED somit einfach auffindbar ist und gegebenenfalls sofort ausgetauscht werden kann, wobei gleichzeitig die durch den Ausfall der defekten LED entstehende Verlustleistung minimiert ist, ist jedem als LED ausgebildeten Leuchtmittel eine, jeweils aus einem niederohmigen Schaltelement, einer Diode, einem Schwellwertschalter und einem Kondensator bestehende, parallel geschaltete elektronische Baugruppe zugeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung geht von einer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches konzipierten Beleuchtungseinrichtung aus.
Derartige Beleuchtungseinrichtungen sind in der Regel dafür vorgesehen, innerhalb bzw. außerhalb von Gebäuden für die gezielte Ausleuchtung ihrer Umgebung bzw. für die Anleuchtung von direkt in ihrer Umgebung befindlicher Gegenstände und/oder für eine gezielte Einkoppelung von Licht in Gegenstände zu sorgen.

Bei der aus der EP 0 853 835 B1 bekannt gewordenen Beleuchtungseinrichtung sind mehrere Leuchtmittel in Reihe geschaltet, wobei jedem Leuchtmittel jeweils eine, aus einem niederohmigen Schaltelement, einer Diode, einem Schwellwertschalter und einem Kondensator bestehende, parallel geschaltete elektronische Baugruppe zugeordnet ist.

Außerdem ist durch die JP 2002-025784 A mit zugehörigem Abstract eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren LEDs bekannt geworden, wobei jeder LED eine elektronische Baugruppe zugeordnet ist.

Des Weiteren ist es aus der DE 202 03 326 U1 bekannt, bei einer solchen Beleuchtungseinrichtung jeder LED eine parallel geschaltete Z-Diode zuzuordnen. Durch solche Anordnungen ist es möglich, beim Ausfall einer oder mehrerer LEDs die Beleuchtung durch die verbleibenden funktionstüchtigen LEDs weiter zu betreiben. Der Ausfall einer LED bzw. der Ausfall einer geringen Anzahl von LEDs führt bei solchen Beleuchtungseinrichtung, insbesondere beim Einsatz von Hochstrom-LEDs zu einer nicht tolerierbaren Verlustleistung.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung zu schaffen, bei der beim Ausfall einer LED die funktionstüchtigen LEDs unverändert in Betrieb bleiben und die nicht leuchtende LED somit einfach auffindbar ist und gegebenenfalls sofort ausgetauscht werden kann, wobei gleichzeitig die durch den Ausfall der defekten LED entstehende Verlustleitung minimiert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Bei einer solchermaßen ausgebildeten Beleuchtungseinrichtung ist besonders vorteilhaft, dass die benötigte Kühlleistung minimiert ist und somit ein besonders kompakter und preisgünstiger Aufbau der Beleuchtungseinrichtung gegeben ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Anhand dreier Schaltbilder sei der erfindungsgemäße Gegenstand im Prinzip näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer solchen Beleuchtungseinrichtung;
2 ein Schaltbild einer solchen Beleuchtungseinrichtung mit einem als Operationsverstärker ausgeführten Schwellwertschalter;
3 ein Schaltbild einer solchen Beleuchtungseinrichtung mit einem durch Bipolartransistoren realisierten Schwellwertschalter.
Wie näher aus den Schaltbildern hervorgeht, besteht eine solche Beleuchtungseinrichtung im Wesentlichen aus mehreren in Reihe geschalteten, als LEDs ausgebildeten Leuchtmitteln 1, wobei jedem als LED ausgebildeten Leuchtmittel 1 eine parallel geschaltete, elektronische Baugruppe zugeordnet ist. Jede einem Leuchtmittel 1 zugeordnete elektronische Baugruppe weist dabei im Wesentlichen ein niederohmiges Schaltelement T1, eine Diode D1, einen Schwellwertschalter SWS1 und einen Kondensator C1 auf.
Wie insbesondere aus 1 hervorgeht, ist das niederohmige Schaltelement T1 derart angeordnet, dass der erste Anschluss A1 der Schaltstrecke mit der Anode der LED und der zweite Anschluss A2 der Schaltstrecke mit der Kathode der LED in Verbindung steht. Der Ausgang A des Schwellwertschalters SWS1 steuert den Steueranschluss des niederohmigen Schaltelementes T1, so dass der Ausgang A des Schwellwertschalters SWS1 beim Überschreiten eines bestimmten ersten Spannungswertes an seinem Eingang high wird und beim Unterschreiten eines bestimmten zweiten Spannungswertes an seinem Eingang low wird. Der Kondensator C1 steht zum einen mit der Kathode der Diode D1 und zum anderen mit der Anode der LED in Verbindung, so dass die Spannung zum einen zur Versorgung des Schwellwertschalters SWS1 genutzt wird und zum anderen dem Eingang E des Schwellwertschalters SWS1 zugeführt wird.
Um das niederohmige Schaltelement T1 so ansteuern zu können, dass die an ihm anfallende Verlustleistung minimal wird, ist z.B. eine permanent vorhandene Steuerspannung > 5V erforderlich. Da das niederohmige Schaltelement T1 im durchgesteuerten Zustand nahezu keinen Spannungsabfall verursacht, kann diese Spannung bei ständiger Ansteuerung des niederohmige Schaltelementes T1 jedoch nicht aufgebaut werden. Hieraus folgt, dass das niederohmige Schaltelement T1 phasenweise gesperrt werden muss, damit in diesen Phasen der Kondensator C1 über die Diode D1 aufgeladen werden kann. Somit kann der Kondensator C1 in der Durchsteuerungsphase des niederohmigen Schaltelementes T1 die Energie zur Ansteuerung bereitstellen.
Wie insbesondere aus 2 hervorgeht lässt sich der Schwellwertschalter SWS1 besonders vorteilhaft durch den Einsatz eines Operationsverstärkers O realisieren. Dabei steuert der Ausgang OA des Operationsverstärkers O das niederohmige Schaltelement T1. Der invertierende Eingang – des Operationsverstärkers O erhält eine näherungsweise konstante Referenzspannung, die aus der am Kondensator C1 anstehenden Spannung mit einem dritten Widerstand R3 und einer Z-Diode D2 gewonnen wird. Der nicht invertierende Eingang + des Operationsverstärkers O ist über einen ersten Widerstand R1 mit dem Ausgang OA des Operationsverstärkers O verbunden und steht über einen zweiten Widerstand R2 mit dem Kondensator C1 in Verbindung.
Falls ein als LED ausgebildetes Leuchtmittel 1 defekt ist gilt:
Solange die Spannung am nicht invertierenden Eingang + kleiner als die am invertierenden Eingang – des Operationsverstärkers O anliegende Spannung ist, bleibt das niederohmige Schaltelement T1 gesperrt und der aus der Stromquelle I stammende Strom fließt in den Kondensator C1, wodurch sich die an ihm liegende Spannung zunehmend erhöht. Überschreitet die Spannung am nicht invertierenden Eingang + die Referenzspannung an Z-Diode D2, so kippt der Ausgang OA des Operationsverstärkers O. Hierdurch wird zum einen die Spannung am nicht invertierenden Eingang + schlagartig um einen gewissen Betrag vergrößert, so dass der Ausgang OA des Operationsverstärkers O auch bei sinkender Spannung des Kondensators C1 zunächst high bleibt und zum anderen das niederohmige Schaltelement T1 durchgesteuert wird. Der Strom der Stromquelle I lädt somit nicht mehr den Kondensator C1, sondern wird verlustarm über das niederohmige Schaltelement T1 an der restlichen Schaltung vorbeigeführt.
Die Spannung des Kondensators C1 sinkt nun langsam, da dieser die Steuerschaltung versorgen muss. Wird die Referenzspannung unterschritten, so kippt der Ausgang OA des Operationsverstärkers O auf low, die Spannung am nicht invertierenden Eingang + sinkt schlagartig und das niederohmige Schaltelement T1 wird gesperrt und gibt den Ladevorgang des Kondensators C1 wieder frei. Dieser wird nun wieder so lange geladen, bis die Spannung am nicht invertierenden Eingang + des Operationsverstärkers O die Referenzspannung überschreitet.
Ist das als LED ausgeführte Leuchtmittel 1 intakt, klemmt dieses die Spannung über das niederohmige Schaltelement T1 auf einen so niedrigen Pegel, dass der Ausgang AO des Operationsverstärkers O nie high wird.
Wie insbesondere aus 3 hervorgeht, ist es bei vielen Anwendungen vorteilhaft, den Schwellwertschalter SWS1 unter Anwendung einer reinen Transistorschaltung zu realisieren. Die Funktion des Schwellwertschalters SWS1 übernimmt dabei die um die Bipolartransistoren T2, T3 bekanntermaßen aufgebaute Schaltung.
Falls das als LED ausgebildete Leuchtmittel 1 defekt ist gilt:
So lange die Spannung am Kondensator C1 zu klein ist, um die Z-Diode D2 leitend zu machen, wird der zweite Bipolartransistor T3 gesperrt. Der erste Bipolartransistor T2 kann dann über den zweiten Widerstand R2 leiten und sperrt damit das niederohmige Schaltelement T1. Die Stromquelle I lädt nun den Kondensator C1 bis die Z-Diode D2 leitend wird. Der zweite Bipolartransistor T3 wird leitend, sperrt damit den ersten Bipolartransistor T2 und erhöht den Pegel an der Basis des zweiten Bipolartransistor T3, so dass die Spannung an der Z-Diode D2 unter den ursprünglich zum Leiten des niederohmigen Schaltelementes T1 erforderlichen Pegel sinken muss, um eine Sperrung des zweiten Bipolartransistor T3 herbeizuführen. Mit gesperrtem erstem Bipolartransistor T2 kann das niederohmige Schaltelement T1 leiten und führt somit niederohmig den Strom an der Schaltung vorbei. Erst nach unterschreiten des neuen Grenzwertes wird der Kondensator C1 wieder geladen.
Bei intaktem als LED ausgebildeten Leuchtmittel 1 klemmt dieses die Spannung über das niederohmige Schaltelement T1 auf einem Pegel der nicht ausreicht, um die Z-Diode D2 jemals leitend zu machen.
Durch die vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen ist es auf einfache Art und Weise realisiert, dass beim Ausfall einer LED die funktionstüchtigen LEDs weiterhin unverändert betriebsbereit bleiben und somit die nicht leuchtende LED einfach auffindbar ist und gegebenenfalls sofort ausgetauscht werden kann. Vorteilhaft ist bei diesen Schaltungsanordnungen, dass auch beim Einsatz von Hochstrom-LEDs auf einfache Art und Weise eine Ausfallkontrolle realisiert ist, bei der die entstehende Verlustleitung minimiert ist. Somit ist die benötigte Kühlleistung minimiert, so dass ein besonders kompakter und preisgünstiger Aufbau der Beleuchtungseinrichtung gegeben ist.

Claims

Beleuchtungseinrichtung mit mehreren, von einer Stromquelle versorgten, in Reihe geschalteten, als LED ausgebildeten Leuchtmitteln, dadurch gekennzeichnet, dass jeder LED zumindest eine, jeweils aus einem niederohmigen Schaltelement, einer Diode, einem Schwellwertschalter und einem Kondensator bestehende, parallel geschaltete elektronische Baugruppe zugeordnet ist, dass das niederohmige Schaltelement (T1) derart angeordnet ist, das der erste Anschluss (A1) der Schaltstrecke mit der Anode der LED und der zweite Anschluss (A2) der Schaltstrecke mit der Kathode der LED in Verbindung steht, und dass der Ausgang (A) des Schwellwertschalters (SWS1) den Steueranschluss des niederohmigen Schaltelementes (T1) steuert, so dass der Ausgang (A) des Schwellwertschalters (SWS1) beim Überschreiten eines bestimmten ersten Spannungswertes an seinem Eingang high wird, und dass der Ausgang (A) des Schwellwertschalters (SWS1) beim Unterschreiten eines bestimmten zweiten Spannungswertes an seinem Eingang low wird, und dass der Kondensator (C1) zum einen mit der Kathode der Diode (D1) in Verbindung steht, deren Anode mit der Anode der LED in Verbindung steht, und zum anderen mit der Kathode der LED in Verbindung steht, so dass die Spannung am Kondenstator (C1) zum einen zur Versorgung des Schwellwertschalters (SWS1) genutzt wird und zum anderen dem Eingang (E) des Schwellwertschalters (SWS1) zuführbar ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein als LED ausgebildetes Leuchtmittel (1) als Hochstrom-LED ausgeführt ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertschalter (SWS1) als mitgekoppelter Operationsverstärker (o) ausgeführt ist, dessen nicht invertierender Anschluss (+) seine Spannung über einen zweiten Widerstand (R2) aus der Spannung am Kondensator (C1) und über einen ersten Widerstand (R1) aus seinem eigenen Ausgang (OA) bezieht und dessen invertierender Eingang (–) mit einer aus einer konstanten Spannungsquelle stammenden Spannung in Verbindung steht.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertschalter (SWS1) als diskrete Schaltung unter Anwendung von Bipolartransistoren (T2, T3) ausgeführt ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das niederohmige Schaltelement (T1) als MOSFET ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das niederohmige Schaltelement (T1) als IGBT ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitbestimmenden Bauelemente der elektronischen Baugruppe so dimensioniert sind, dass sich im Fehlerfall eine Wiederholfrequenz einstellt, die derart hoch ist, dass die durch das Takten entstehenden Einbrüche im Lichtstrom vom menschlichen Auge nicht wahrnehmbar sind.