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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Niedervolt Beleuchtungssystem
mit einem Transformator, einem Gleichrichter, an dessen Ausgang
eine Betriebsspannung bereitgestellt wird, wenigstens einer LED-Leuchte,
die mit dem Gleichrichter verbunden ist, und einer Regelschaltung,
welche die anliegende Betriebsspannung auf eine Leuchtenspannung
mit einem vorgegebenen, im wesentlichen festen Pegel einstellt.
Außerdem
betrifft die vorliegende Erfindung eine Regelschaltung für den Betrieb
einer LED-Leuchte
in einem Niedervolt-Beleuchtungssystem, wobei die Regelschaltung
eine anliegende Spannung auf eine Leuchtenspannung, die eine Gleichspannung
mit einem vorgegebenen, im wesentlichen festen Pegel ist, wandelt.
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Derartige
Beleuchtungssysteme sind im Stand der Technik bekannt. In den Beleuchtungssystemen
wird zunächst
aus einer Netzspannung von üblicherweise
230 V durch Transformieren eine Versorgungsspannung von üblicherweise
12 V auf an sich bekannte Weise bereitgestellt. An diese Versorgungsspannung
werden bei Niedervolt Beleuchtungssystemen mit Wechselspannung einzelne Leuchten
direkt angeschlossen, wohingegen bei Niedervolt Beleuchtungssystemen
mit Gleichspannung nach dem Transformieren eine Gleichrichtung erfolgt, und
die einzelnen Leuchten an die gleichgerichtete Betriebsspannung
angeschlossen sind. Bei der Verwendung von LED-Leuchten muss die
Betriebsspannung zusätzlich
zu auf etwa 3,5 V angepasst werden. Die Anpassung der Spannung wird
bei bekannten Regelschaltungen auf verschiedene Weise durchgeführt.
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Zunächst kann
eine LED-Leuchte z. B. mit einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet
an die Betriebsspannung angeschlossen werden, so dass die Betriebsspannung
in eine Leuchtenspannung von 3,5 V, die an der LED-Leuchte anliegt,
und eine Spannung, die an dem Vorwiderstand anliegt, geteilt wird.
Nachteilig hieran ist jedoch, dass aufgrund des verwendeten Vorwiderstandes
eine hohe Verlustleistung entsteht. Zusätzlich kann sich aufgrund von Schwankungen
der Betriebsspannung und der Umgebungstemperatur die Helligkeit
der LED-Leuchte stark ändern,
da LED-Leuchten eine nichtlineare Spannungs-/Stromkennlinie aufweisen,
die außerdem
temperaturabhängig
ist.
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Alternativ
kann die LED-Leuchte in Reihe mit einem Transistor und einem Vorwiderstand
geschaltet sein, wobei Transistor und Vorwiderstand eine Stromsteuerung
und -begrenzung bewirken. Dadurch wird die Helligkeit der Leuchtdiode
unabhängig von
Spannungs- und Temperaturschwankungen eingestellt. Nachteilig ist
jedoch ebenfalls die hohe Verlustleistung, die an dem Transistor
und dem Vorwiderstand entsteht.
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Auch
kann die Betriebsspannung über
einen DC-DC-Wandler direkt in die Leuchtenspannung umgewandelt werden.
Derartige DC-DC-Wandler erzeugen durch eine Pulsweitenmodulation
mit nachgeschaltetem Tiefpassfilter eine feste, kontinuierliche Ausgangsspannung,
die so gewählt
wird, dass die LED-Leuchte mit dem von dem Hersteller vorgegebenen
typischen Stromwert betrieben wird. Der DC-DC-Wandler umfasst eine
Regeleinrichtung, durch welche die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers
bei Schwankungen der Betriebsspannung stabil gehalten wird. Dieser
Betrieb der LED-Leuchte mit dem DC-DC-Wandler führt dazu, dass die Verlustleistung
deutlich reduziert werden kann, da in dem DC-DC-Wandler nur geringe
Verlust anfallen.
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Schließlich kann
der oben genannte DC-DC-Wandler auch derart eingesetzt werden, dass
die Regeleinrichtung als Rückkopplungsgröße den Strom
durch die LED-Leuchte verwendet. Dazu wird in Reihe zu der LED-Leuchte
ein kleiner Messwiderstand vorgesehen, so dass über die an dem Messwiderstand
abfallende Spannung der Strom durch die LED-Leuchte erfasst werden kann. Damit kann
zusätzlich
zu der Kompensation der Betriebsspannung auch eine Temperaturkompensation
der LED-Leuchte durchgeführt
werden. Durch die Wahl eines kleinen Messwiderstandes können die
anfallenden Verluste klein gehalten werden.
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Nachteilig
an allen vorgenannten Niedervolt Beleuchtungssystemen und Regelschaltungen
ist, dass die Verwendung von LED-Leuchten in gedimmten Beleuchtungssystemen
nicht möglich
ist bzw. das Dimmen keine Auswirkung auf die Leuchtleistung der LED-Leuchten
hat.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Niedervolt Beleuchtungssystem
bereitzustellen, welches die Einstellung der Leuchtleistung von
LED-Leuchten ermöglicht.
Des weiteren soll eine Regelschaltung für die Verwendung in einem dimmbaren
Niedervolt Beleuchtungssystem bereitgestellt werden, welche das
Dimmen der LED-Leuchte ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass ein Dimmer vorgesehen ist, um einen Pegel der Betriebsspannung
zu variieren, und die Regelschaltung ausgeführt ist, abhängig von
dem Pegel der Betriebsspannung die Leuchtleistung der LED-Leuchte
unter Beibehaltung des Pegels der Leuchtenspannung zu steuern.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es also, die Betriebsspannung von üblicherweise
maximal 12 V zunächst
auf die vom Hersteller vorgegebene feste Leuchtenspannung von üblicherweise
3,5 V zu wandeln, die beim Anlegen an die LED-Leuchte die vom Hersteller vorgegebene
typische Strom stärke
anhand der Diodenkennlinie ergibt. Zusätzlich wird der Pegel der Betriebsspannung
und damit die Einstellung des Dimmers erfasst. In Abhängigkeit
von diesem Pegel der Betriebsspannung wird die LED-Leuchte mit Spannungspulsen
mit vorgegebenem Spannungspegel und Stromstärke angesteuert. Durch die
Veränderung
der Pulse bzw. ihrer zeitlichen Abfolgen wird die Leuchtleistung
der LED-Leuchte und damit deren Helligkeit in Abhängigkeit
von der Dimmereinstellung modifiziert. Die dabei erzeugten einzelnen
Lichtpulse werden von einem Menschen nicht separat wahrgenommen,
so dass sich ein insgesamt gleichmäßiger Beleuchtungseindruck
ergibt.
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Der
Dimmer kann in an sich bekannter Weise vor oder nach dem Transformator
als Phasenschnittdimmer oder auf der Ausgangsseite des Gleichrichters
als elektronischer Gleichspannungsdimmer vorgesehen sein. Unabhängig davon
bewirkt das Dimmen entweder eine direkte oder über den Transformator und/oder
Gleichrichter eine indirekte Veränderung
des Pegels der Betriebsspannung. Damit ist es prinzipiell ausreichend,
die Veränderung
der Betriebsspannung für
die Anpassung der Leuchtleistung der LED-Leuchte zu erfassen.
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Ein
bestehendes Niedervolt Beleuchtungssystem für den Betrieb von LEDs kann
in einfacher Weise durch die Dimmfunktion zur Verwendung von LED-Leuchten
erweitert werden, ohne dass das gesamte Beleuchtungssystem neu gestaltet
werden muss. Es ist lediglich erforderlich, einen Dimmer anzuschließen und
eine Regelschaltung gemäß der Erfindung
nachzurüsten.
Durch die Regelschaltung ist die LED-Leuchte wie zuvor beschrieben
dimmbar und kann daher zusammen mit der Regelschaltung zum Beispiel
als Austausch für
eine Leuchte in dem Niedervolt Beleuchtungssystem verwendet werden. Durch
den bei LED-Leuchten gegenüber
herkömmlichen
Leuchten geringen Stromverbrauch kann dieser Austausch die Betriebskosten
senken.
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Vorzugsweise
umfasst die Regelschaltung eine Pulsweitensteuerung. Die Pulsweitensteuerung ist
ein Verfahren, das eine besonders einfache Anpassung der Leuchtleistung
ermöglicht.
Die Pulsweitensteuerung ist bevorzugt für die Erzeugung von Pulsfolgen
mit wenigstens 100 Hz ausgeführt.
Dadurch wird sichergestellt, dass die einzelnen von der LED-Leuchte
abgegebenen Lichtpulse nicht als einzelne Blitze, sondern als gleichmäßiges Licht
wahrgenommen werden.
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Des
weiteren kann die Regelschaltung einen DC-DC-Wandler umfassen, der
aus der Betriebsspannung die Leuchtenspannung erzeugt und den Pegel
der Leuchtenspannung ein- und ausschaltet. Der DC-DC-Wandler liefert
weitestgehend unabhängig
von der anliegenden Betriebsspannung den konstanten Pegel für die Leuchtenspannung
und führt außerdem die
Schaltvorgänge
für die
Pulsweitenmodulation durch. Der DC-DC-Wandler kann beispielsweise
ein Buck-Wandler oder ein Sepic-Wandler sein. Der Sepic-Wandler
erlaubt gegenüber
dem Buck-Wandler eine größere Veränderung
der Betriebsspannung, da der Pegel der Betriebsspannung niedriger
als der Pegel der Leuchtenspannung werden kann.
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Zur
Begrenzung von Spannungsspitzen der Leuchtenspannung kann dem DC-DC-Wandler
ein Tiefpassfilter nachgeschaltet sein. Dadurch kann eine Beschädigung oder
gar eine Zerstörung
der LED-Leuchte verhindert werden.
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Auch
kann die Regelschaltung eine Messeinrichtung zur Messung der Stromstärke durch
die LED-Leuchte aufweisen und der DC-DC-Wandler eine Kompensation
des Pegels der Leuchtenspannung abhängig von der gemessenen Stromstärke durchführen. Auf
diese Weise wird eine Stromansteuerung der LED-Leuchte erreicht,
wodurch einerseits eine Temperaturkompensation der LED-Leuchte und andererseits
eine Strombegrenzung durch die LED-Leuchte stattfindet. Aufgrund
der bei LED-Leuchten typischen hohen Veränderung des Stroms bei bereits
geringen Spannungsschwankungen ist diese Art der Ansteuerung von
LED-Leuchten besonders vorteilhat.
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Des
weiteren kann die Regelschaltung eine Speichereinheit aufweisen,
in der eine Kennlinie zwischen der Betriebsspannung und einer gewünschten Leuchtleistung
der LED-Leuchte
gespeichert ist, und die Leuchtleistung kann abhängig von der gespeicherten
Kennlinie gesteuert werden. Dadurch kann die Leuchtleistung der
LED-Leuchte auf verschiedene Weisen in Abhängigkeit von der anliegenden
Betriebsspannung eingestellt werden. So kann die Leuchtlei stung
z. B. linear mit der Betriebsspannung verändert werden, allerdings sind
auch z. B. exponentielle oder logarhythmische Kennlinien möglich. Zusätzlich kann
in der Kennlinie berücksichtigt
werden, welche effektiven Spannungen und Ströme erforderlich sind, um die
gewünschte
Leuchtleistung zu erhalten. Aus diesen Informationen ergibt sich
z. B. eine jeweilige Pulsweite, mit der die LED-Leuchte angesteuert wird.
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Schließlich kann
die Regelschaltung integral mit dem Gleichrichter ausgeführt sein.
Dies erlaubt den einfachen Betrieb der Regelschaltung auch in Niedervolt
Beleuchtungssystemen, die eine Wechselspannung verwenden.
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Hinsichtlich
weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die
Unteransprüche sowie
die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Schaltplan eines erfindungsgemäßen Niedervolt-Gleichspannungs-Beleuchtungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 einen
Schaltplan einer Regelschaltung für das Beleuchtungssystem gemäß 1,
und
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3 einen
Kennlinie, die den Zusammenhang von Strom und Spannung für eine Leuchtdiode zeigt.
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In
der 1 ist ein Niedervolt Beleuchtungssystem 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Zu dem Beleuchtungssystem 1 gehören ein Transformator 2 und
ein Gleichrichter 3, an welchen über eine Regelschaltung 4 eine
zu betreibende Leuchtdiode 5 angeschlossen ist. Die Regelschaltung 4 dient
dazu, für
die Leuchtdiode 5 eine gleichbleibende Leuchtenspannung
U5 zur Verfügung zu stellen. Zu dem Beleuchtungssystem
gehört
ferner ein Dimmer 6, um die Helligkeit einzustellen.
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Der
Dimmer 6 ist eingangsseitig an eine Netzspannung U1, hier eine übliche 230 V Wechselspannung,
angeschlossen und liefert eine Ausgangsspannung U2,
die kleiner oder gleich der Netzspannung U1 ist
und die an dem Transformator 2 als Eingangsspannung anliegt.
Der Dimmer 6 verfügt über eine
an sich bekannte Phasenschnittsteuerung, die den Effektivwert der
Ausgangsspannung U2 verringert.
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In
den Transformator 2 wird die anliegende Spannung U2 auf eine niedrigere Spannung U3 transformiert.
Der maximale Effektivwert der Spannung U3 entspricht
den in Niedervolt-Beleuchtungssystemen üblichen 12 V. Diese Spannung
U3 wird anschließend zu einer Betriebsspannung
U4 gleichgerichtet. Der Pegel der Betriebsspannung
U4 ist dabei von dem Effektivwert der Ausgangsspannung
U2 abhängig
und ändert
sich durch das Dimmen.
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Die
Regelschaltung 4, die im Detail in 2 gezeigt
ist, umfasst einen DC-DC-Wandler 10, der als Sepic-Wandler ausgeführt ist.
Der Sepic-Wandler 10, an dessen Eingang die Betriebsspannung
U4 anliegt, stellt die Leuchtenspannung
U5 mit einem vorgegebenen, im Wesentlichen
festen Pegel bereit. Dieser Pegel der Leuchtenspannung U5 korrespondiert gemäß einer Kennlinie der Leuchtdiode 5,
die in 3 gezeigt ist, mit einem von dem Hersteller der Leuchtdiode 5 vorgegebenen
Betriebsstrom.
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Der
Pegel der Leuchtenspannung U5 wird von dem
Sepic-Wandler 10 unabhängig von
dem eingestellten Pegel der Betriebsspannung U4 auf
die erforderliche Leuchtenspannung U4 der
Leuchtdiode 5, hier 3,5 V, eingestellt. Der Sepic-Wandler 10 liefert den
erforderlichen Pegel der Leuchtenspannung U5 selbst
in dem Fall, dass die Betriebsspannung U4 niedriger
als der Pegel der Leuchtenspannung U5 ist.
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Der
Sepic-Wandler 10 umfasst ein nicht gezeigtes Schaltelement
zur Durchführung
einer Pulsweitensteuerung, mit der die Leuchtenspannung U5 abhängig
von einem von außen
zugeführten
Steuersignal S geschaltet wird. Außerdem verfügt der Sepic-Wandler 10 über eine
nicht im Detail gezeigte Messeinrichtung mit einem Messeingang M.
Der Messwert der Messeinrichtung dient der Kompensation des Pegels
der Leuchtenspannung U5.
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Dem
Sepic-Wandler 10 ist ein Tiefpassfilter 11 bestehend
aus einer Spule 12 und einem Kondensator 13 nachgeschal tet.
Der Tiefpassfilter 11 reduziert Spannungsspitzen, die bei
den Schaltvorgängen
des Sepic-Wandlers 10 auftreten können.
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Des
weiteren verfügt
die Regelschaltung 4 über
eine Steuereinheit 15, die an dem Steuereingang S des Sepic-Wandlers 10 ein
Steuersignal zur Steuerung der Pulsweitenmodulation zur Verfügung stellt.
Die Steuereinheit 15 und der Sepic-Wandler 10 sind
für eine
Pulsweitensteuerung mit Pulsfolgen von über 100 Hz ausgeführt.
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Die
Steuereinheit 15 umfasst zwei Anschlüsse 16, 17,
welche die Betriebsspannung U4 abgreifen,
um deren Pegel zu messen. Zusätzlich
verfügt die
Steuereinheit 15 über
eine nicht gezeigte Speichereinheit, in der eine nicht gezeigte
Kennlinie gespeichert ist. Die Kennlinie gibt einen Zusammenhang
zwischen der Betriebsspannung U4 und einer Leuchtleistung
der Leuchtdiode 5 wieder. Zusätzlich ist der jeweiligen Leuchtleistung
eine Pulsweite zugeordnet, mit der die Leuchtleistung an der Leuchtdiode 5 erzeugbar
ist.
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Ausgangsseitig
ist an die Regelschaltung 4 ein Messwiderstand 20 angeschlossen.
Der durch den Messwiderstand 20 fließende Strom I bewirkt einen
Spannungsabfall über
den Widerstand 20, der von dem Sepic-Wandler 10 über die
Messverbindung 21 an dem Messeingang M erfasst wird.
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Im
Betrieb liegt zunächst
ohne Nutzung der Dimmfunktion des Dimmers 6 bei eingeschalteter Netzspannung
U1 der maximale Pegel der Betriebsspannung
U4 am Eingang der Regelschaltung 4 an. Der
Sepic-Wandler 10 liefert ausgangsseitig die Leuchtenspannung
U5 für
die zu betreibende Leuchtdiode 5 mit einem festen Pegel
von 3,5 V. Die Steuereinheit 15 misst die anliegende Betriebsspannung U4 und vergleicht den Messwert mit der gespeicherten
Kennlinie. In dem Fall der maximalen Betriebsspannung U4 steuert
die Steuereinheit 15 den Sepic-Wandler 10 derart
an, dass er quasi kontinuierlich die Leuchtenspannung U5 bereitstellt,
und die Leuchtleistung der Leuchtdiode 5 und damit deren Helligkeit
ist maximal.
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Sobald
die Dimmfunktion des Dimmers 6 benutzt wird, ändert sich
die Betriebsspannung U4, und diese Änderung
wird von der Steuereinheit 15 über die Anschlüsse 16, 17 erfasst.
Die Steuereinheit 15 vergleicht die aktuell anliegende
Betriebsspannung U4 mit der Kennlinie, um
daraus eine gewünschte Leuchtleistung
für die
Leuchtdiode 5 zu erhalten. Daraus ermittelt die Steuereinheit 15 das
zu der Leuchtleistung korrespondierende Pulsverhältnis für die Leuchtenspannung U5.
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Die
Steuereinheit 15 steuert den Sepic-Wandler 10 über das
Steuersignal S so an, dass dieser Pulsfolgen der Leuchtenspannung
U5 gemäß des ermittelten
Pulsverhältnisses
bei quasi konstantem Pegel der Leuchtenspannung U5 erzeugt.
Somit wird bei jedem Puls der Leuchtenspannung U5 der von
dem Hersteller spezifizierte typische Strom I gemäß der Diodenkennlinie
durch die Leuchtdiode 5 eingestellt. Die gewünschte Leuchtleistung
ergibt sich aus den Effektivwerten von Strom I und Leuchtenspannung
U5, die durch das Pulsverhältnis eingestellt
werden.
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Darüber hinaus
variiert der Sepic-Wandler 10 den Pegel der Leuchtenspannung
U5 abhängig von
dem über
den Messwiderstand 20 gemessenen Spannungsabfall. So wird
direkt der durch die Leuchtdiode 5 fließende Strom I bestimmt. Über eine Kompensation
der Leuchtenspannung U5 kann der Strom I
für jeden
Puls auf dem für
die Leuchtdiode 5 vorgegebenen Wert gehalten werden. Dadurch
werden insbesondere Temperaturschwankungen, die bei der Leuchtdiode 5 zu
einer starken Verschiebung der Strom-Spannungs-Kennlinie (siehe 3)
führen, ausgeglichen.
Somit sind die Helligkeit und auch andere Parameter, z. B. die Farbtemperatur,
des von der Leuchtdiode 5 erzeugten Lichts während jedes Pulses
gleich. Auch wird der Strom I durch die Leuchtdiode 5 auf
den vom Hersteller spezifizierten typischen Strom begrenzt.