DE60211526T2

DE60211526T2 - Led schaltkreis

Info

Publication number: DE60211526T2
Application number: DE60211526T
Authority: DE
Inventors: J. Marcel BUCKS; B. Engbert NIJHOF
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds LLC
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2022-07-19
Also published as: WO2003009654A1; ATE326826T1; JP2004536434A; EP1415518B1; DE60211526D1; US6972525B2; US20040170037A1; EP1415518A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zum Betreiben einer Last, welche Schaltanordnung versehen ist mit

– Eingangsklemmen zum Anschließen einer Speisequelle,
– Ausgangsklemmen zum Anschließen der zu betreibenden Last, einer ersten Reihenschaltung zwischen einer der Eingangsklemmen und einer der Ausgangsklemmen, die zumindest eine Selbstinduktivität, einen Kondensator und eine Diode enthält,
– einer zweiten Reihenschaltung zwischen den Eingangsklemmen, die zumindest die genannte Selbstinduktivität und ein Schaltelement enthält, das mit hoher Frequenz abwechselnd in einen leitenden Zustand und einen nicht leitenden Zustand geschaltet wird,
– einer dritten Reihenschaltung zwischen den Ausgangsklemmen, die zumindest die genannte Diode und eine induktive Wicklung enthält.

Eine Schaltanordnung der eingangs erwähnten Art ist aus US 5.682.306 bekannt. Bei der bekannten Schaltanordnung, die auch unter dem Namen SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) bekannt ist, bildet die Selbstinduktivität ein erstes Energiespeicherelement und liegt am Kondensator eine Spannung an, die im Wesentlichen von der Größe einer an die Eingangsklemmen angelegten Eingangsspannung ist. Diese Art Wandler erweist sich als geeignet, als Last ein LED-Array zu betreiben, das zumindest eine LED umfasst. LED-Arrays sind für eine Verwendung als Lichtquelle sehr geeignet, beispielsweise in einer Ampelanlage, unter anderem wegen ihres geringen Energieverbrauchs im Vergleich zu Glühlampen, die zum Gebrauch in solchen Ampelanlagen geeignet sind, und auf Grund der Tatsache, dass sie eine viel längere Lebensdauer haben als die betreffenden Glühlampen. Bei einer solchen Anwendung werden die Schaltanordnung und das betreffende LED-Array im Allgemeinen mit Energie aus einem öffentlichen Netz als Stromversorgungsquelle gespeist.
Ein Nachteil der bekannten Schaltanordnung ist das Auftreten eines relativ hohen Funkstörpegels (EMI).
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme zur Verringerung des EMI-Pegels zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Schaltanordnung der eingangs erwähnten Art als erfindungsgemäße Schaltanordnung dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Wicklung eine Sekundärwicklung eines Transformators bildet, der eine Primärwicklung hat, die Teil sowohl der ersten als auch der zweiten Reihenschaltung ist.
Auf diese Weise wird erreicht, dass ein durch das hochfrequente Schalten des Schaltelementes bewirktes hochfrequentes Spannungssignal an der Selbstinduktivität großenteils wirksam kompensiert wird. Dadurch wird das Entstehen von EMI deutlich verringert werden. Da mit der Primärwicklung in der Praxis keine vollständige Kompensation erfolgt, kann vorteilhaft eine weitere Verringerung erreicht werden, indem ein Bypasskondensator zwischen den Eingangsklemmen angeordnet wird, der als Umgehung für das in der Selbstinduktivität durch das Schaltelement generierte, mit Welligkeit behaftete hochfrequente Stromsignal wirkt.
Ein optimales Ergebnis kann erhalten werden, wenn die Anordnung entsprechend der Beziehung 2π[(L1 + Ls)C3]1/2 > δ,konfiguriert ist, mit:
L1 die Größe der Selbstinduktivität in H,
Ls die Größe der Selbstinduktivität der Sekundärwicklung in H,
C3 die Kapazität des Kondensators in F, und
δ, in s, der Bruchteil jeder Schaltperiode des Schaltelementes, in dem das Schaltelement in seinen nicht leitenden Zustand geschaltet ist.
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltanordnung besteht die Sekundärwicklung aus einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung, wobei die zweite Wicklung in der ersten Reihenschaltung aufgenommen ist und auch einen Verbindungspunkt mit der ersten Wicklung hat. Somit ist eine Autotransformatorfunktion zustande gebracht worden, mit der Folge, dass das periodische Schalten des Schaltelementes in einen nicht leitenden Zustand bei einer verringerten Stromstärke erfolgt. Eine andere Folge ist, dass dies zu einer Zunahme von δ führt. Beide Folgen haben einen vorteilhaften Einfluss hinsichtlich der Verringerung des unerwünschten Einflusses von EMI, einerseits infolge der Verringerung der Menge an EMI und andererseits infolge einer Verschiebung zu niedrigeren Frequenzen.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung sollen an Hand einer Zeichnung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Schema einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung,
2 eine Variante der Schaltanordnung von 1,
3A ein Strom- und Spannungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung und
3B ein Strom- und Spannungsdiagramm einer nicht erfindungsgemäßem Schaltanordnung.
Eine erfindungsgemäße Schaltanordnung zum Betreiben zumindest einer LED wird in 1 gezeigt, wobei die Schaltanordnung versehen ist mit

– Eingangsklemmen 1, 2 zum Anschließen einer Speisequelle,
– Ausgangsklemmen 3, 4 zum Anschließen der zu betreibenden LED,
– einer ersten Reihenschaltung I zwischen einer der Eingangsklemmen 1 und einer der Ausgangsklemmen 3, die zumindest eine Selbstinduktivität L, einen Kondensator C und eine Diode D enthält,
– einer zweiten Reihenschaltung II zwischen den Eingangsklemmen 1, 2, die zumindest die genannte Selbstinduktivität L und ein Schaltelement S enthält, das mit hoher Frequenz abwechselnd in einen leitenden Zustand und einen nicht leitenden Zustand geschaltet wird,
– einer dritten Reihenschaltung III zwischen den Ausgangsklemmen 3, 4, die zumindest die Diode D und eine induktive Wicklung SW enthält, Darüber hinaus ist zwischen den Ausgangsklemmen 3, 4 ein Pufferkondensator CB angeordnet.

Die induktive Wicklung bildet eine Sekundärwicklung SW eines Transformators T, der eine Primärwicklung PW hat, die Teil sowohl der ersten als auch der zweiten Reihenschaltung ist. Ein Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement S und der Primärwicklung PW bildet eine Drain d des Schaltelementes S.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen den Eingangsklemmen 1, 2 ein Bypasskondensator BYC angeordnet
Bei einer Variante der in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Schaltanordnung besteht die Sekundärwicklung aus einer ersten Wicklung SW1 und einer zweiten Wicklung SW2, wobei die zweite Wicklung in der ersten Reihenschaltung I aufgenommen ist und auch einen Verbindungspunkt VB mit der ersten Wicklung SW1 hat. Vorzugsweise ist die zweite Wicklung SW2 mittels einer Snubber-Schaltung 5 direkt mit einer der Ausgangsklemmen verbunden. Die Snubber-Schaltung 5 sorgt insbesondere für eine Verringerung von Spannungsspitzen, die beim Ausschalten des Schaltelements S auftreten. Dies begünstigt eine weitere Verringerung der Erzeugung von Störsignalen, was überraschenderweise einen vernachlässigbaren Effekt auf die Leistungsübertragung der induktiven Wicklung hat.
Eine praktische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung, wie in 2 beschrieben, ist insbesondere geeignet, mit einer Speisequelle von 110 V, 60 Hz betrieben zu werden. Die Schaltanordnung ist zum Betreiben eines LED-Array geeignet, das beispielsweise Teil einer Ampelanlage ist. Ein in der Praxis verwendetes Array ist beispielsweise vom Typ GR 690053224, hergestellt von Lumileds Lighting, welches Array achtzehn LEDs umfasst, wobei die LEDs grünes Licht emittieren. Die Schaltanordnung ist imstande, das Array im Betrieb mit einem im Bereich zwischen 300 mA und 1,1 A geregelten Strom zu speisen, in Abhängigkeit unter anderem von der Temperatur des Array.
In der Schaltanordnung hat die Selbstinduktivität einen Wert L1 in der Größenordnung von 3900 μH, der Kondensator C eine Kapazität C3 von 47 nF und die Sekundärwicklung SW des Transformators T eine Selbstinduktivität Ls von 120 μH. Das Wicklungsverhältnis der Primärwicklung PW und der Sekundärwicklung SW beträgt 1:1. Die Primär- und die Sekundärwicklung umfassen 62 bzw. 56 Windungen. Die erste Wicklung SW1 und die zweite Wicklung SW2 der Sekundärwicklung haben je 28 Wicklungen und eine Selbstinduktivität von 50 μH. Der Pufferkondensator CB hat einen Wert von 330 μH. Das Schaltelement S ist aus einem MOSFET vom Typ IRF730 aufgebaut, hergestellt von International Rectifier. Die Größe des Bypasskondensators BYC beträgt 100 nF.
Wenn ein wie oben beschriebenes, angeschlossenes Array bei einer gleichgerichteten Sinusspannung von 110 V betrieben wird, wird das Schaltelement beim Nulldurchgang der Speisequelle mit hoher Frequenz, die zwischen 50 kHz und maximal 160 kHz variiert, abwechselnd in einen leitenden und einen nicht leitenden Zustand geschaltet.
3A zeigt ein Strom- und Spannungsdiagramm der oben beschriebenen praktischen Schaltanordnung, in dem die horizontale Achse die Zeitachse bildet. Die Schaltanordnung wird mit 120 V Gleichspannung gespeist. Kurve 100 zeigt den Verlauf der Spannung am Ort der Drain d des MOSFET, der das Schaltelement S bildet. Der Strom, der am Ort der Drain d fließt, wird in der Kurve 101 dargestellt.
Zum Vergleich zeigt 3B ein Strom- und Spannungsdiagramm einer Schaltanordnung, die nur eine induktive Wicklung umfasst, die genauso aufgebaut ist wie die, die in 3A dargestellt ist. In dem Diagramm zeigen die Kurven 200 bzw. 201 den Verlauf der Spannung am Ort der Drain und den Verlauf des Stroms am Ort der Drain.
Der Bruchteil δ jeder Schaltperiode des Schaltelementes, in dem das Schaltelement in einen nicht leitenden Zustand geschaltet wird, beträgt 7 μs. Ein Vergleich zwischen den Kurven 101 und 201 zeigt, dass die Schwankung in der Stärke des Stroms von 87 mA im Fall der Kurve 201 auf 17 mA im Fall der erfindungsgemäßen Schaltanordnung herabgesetzt worden ist. Darüber hinaus ist deutlich, dass eine während des periodischen Schaltens des Schaltelementes in einen nicht leitenden Zustand auftretende hochfrequente Welligkeit im Fall der erfindungsgemäßen Schaltanordnung erheblich in der Größe verringert worden ist. Auf diese Weise wird das Auftreten eines hochfrequenten Signals an der Selbstinduktivität infolge des hochfrequenten Schaltens des Schaltelementes nahezu vollständig verhindert, wodurch das Entstehen von EMI in signifikantem Ausmaß verringert worden ist.

Claims

Schaltanordnung zum Betreiben zumindest einer LED, welche Schaltanordnung versehen ist mit – Eingangsklemmen (1, 2) zum Anschließen einer Speisequelle, – Ausgangsklemmen (3, 4) zum Anschließen der zu betreibenden LED, – einer ersten Reihenschaltung zwischen einer der Eingangsklemmen (1, 2) und einer der Ausgangsklemmen(3, 4), die zumindest eine Selbstinduktivität (L), einen Kondensator (C) und eine Diode (D) enthält, – einer zweiten Reihenschaltung zwischen den Eingangsklemmen (1, 2), die zumindest die genannte Selbstinduktivität (L) und ein Schaltelement (S) enthält, das mit hoher Frequenz abwechselnd in einen leitenden Zustand und einen nicht leitenden Zustand geschaltet wird, – einer dritten Reihenschaltung zwischen den Ausgangsklemmen (3, 4), die zumindest die genannte Diode (D) und eine induktive Wicklung enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Wicklung eine Sekundärwicklung (SW) eines Transformators (T) bildet, der eine Primärwicklung (PW) hat, die Teil sowohl der ersten als auch der zweiten Reihenschaltung ist.
Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Eingangsklemmen (1, 2) ein Bypasskondensator (BYC) angeordnet ist.
Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung entsprechend der Beziehung 2π[(L1 + Ls)C3]1/2 > δ,konfiguriert ist, mit: L1 die Größe der Selbstinduktivität (L) in H, Ls die Größe der Selbstinduktivität der Sekundärwicklung (SW) in H, C3 die Kapazität des Kondensators (C) in F, und δ, in s, der Bruchteil jeder Schaltperiode des Schaltelementes (S), in dem das Schaltelement in seinen nicht leitenden Zustand geschaltet ist.
Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (SW) aus einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung besteht, wobei die zweite Wicklung in der genannten ersten Reihenschaltung aufgenommen ist und auch einen Verbindungspunkt mit der ersten Wicklung hat.