Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Es handelt sich dabei insbesondere um ein elektronisches Betriebsgerät zum Betrieb
von Leuchtdioden das eine Einrichtung zum Einstellen des Effektivwerts des Betriebsstroms
der Leuchtdioden enthält, wobei diese Einrichtung eine gepulste Arbeitsweise aufweist.
Stand der Technik
[0002] Zum Betrieb von Leuchtdioden, weiterhin mit LED abgekürzt, ist folgende Schaltungsanordnung
verbreitet: Eine Energiequelle, z.B. ein öffentliches Versorgungsnetz oder eine Batterie,
speist einen elektronischen Konverter, der eine Versorgungsspannung bereitstellt.
Die LEDs sind in der Regel über zwei Anschlussleitungen mit der Versorgungsspannung
verbunden. Es können eine oder mehrere LEDs an einer Versorgungsspannung betrieben
werden. Mehrere LEDs werden in der Regel in Serie geschaltet und bilden einen sog.
Strang. Mehrere Stränge können parallel geschaltet werden, wobei zwischen den Strängen
auch Querverbindungen möglich sind. Werden mehrere LEDs an einer Versorgungsspannung
angeschlossen, so sind sie meist zu sog. LED-Modulen zusammengefasst, die auch Strombegrenzungswiderstände
enthalten können. Zusammen mit einer Spannungsregelung im elektronischen Konverter
wird damit ein gewünschter Betriebsstrom für angeschlossene LEDs realisiert. Die in
Rede stehenden Schaltungsanordnungen sind nicht nur zum Betrieb von LED geeignet.
Es ist auch möglich, damit sog. Organic Light Emitting Devices (OLED) zu betreiben.
[0003] Oft besteht der Wunsch den Effektivwert des Betriebsstroms der LEDs einstellen zu
können und zwar ohne in den elektronischen Konverter einzugreifen. Dies ermöglicht
das Dimmen der angeschlossen LEDs oder die Anschlussmöglichkeit verschiedener Typen
oder einer unterschiedlichen Anzahl von LEDs an ein und derselben Versorgungsspannung.
Die Einstellmöglichkeit des Effektivwerts des Betriebsstroms der LEDs wird durch Einfügen
eines elektronischen Schalters in eine Anschlussleitung realisiert. In welche Anschlussleitung
der elektronische Schalter eingefügt wird, ist prinzipiell beliebig. In der deutschen
Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 10136658.2 (Scilla) ist die besagte Einstellmöglichkeit
des Effektivwerts des Betriebsstroms der LEDs beschrieben. Der elektronische Schalter
kann kostengünstig als MOSFET ausgeführt sein. Durch Öffnen des Schalters wird der
Betriebsstrom der LEDs unterbrochen. Durch periodisches Öffnen und Schließen des elektronischen
Schalters wird eine gepulste Arbeitsweise für den Betrieb der LEDs realisiert. Das
Verhältnis der Dauer des geschlossnen Zustands des Schalters zur Dauer des geöffneten
Zustands legt ein Tastverhältnis fest. Durch ein geeignetes Tastverhältnis kann ein
gewünschter Effektivwert für den Betriebsstrom der Leuchtdioden eingestellt werden.
Der Maximalwert des Betriebsstroms der LEDs, der sich bei eingeschaltetem elektronischen
Schalter einstellt, wird von der Versorgungsspannung vorgegeben.
[0004] Der elektronische Schalter und eine dazugehörige Ansteuerschaltung kann zusammen
mit dem elektronischen Konverter zu einer Einheit in einem Gehäuse zusammengefasst
sein. Es ist aber auch möglich, den elektronischen Schalter und die Ansteuerschaltung
als separate Dimmeinheit in einem separaten Gehäuse auszubilden. Diese Dimmeinheit
kann dann, wenn eine Einstellmöglichkeit für den Effektivwert des Betriebsstroms der
LEDs gewünscht wird, zwischen den elektronischen Konverter und die LEDs geschaltet
werden.
[0005] Die Pulsfrequenz, mit der der elektronische Schalter geöffnet und geschlossen wird,
liegt üblicherweise oberhalb einer Frequenz, bei der das menschliche Auge einzelne
Lichtpulse voneinander zu unterscheiden vermag. In der Praxis kommen Frequenzen von
100Hz bis zu mehreren Kilohertz zur Anwendung. Die Anschlussleitung, in die kein elektronischer
Schalter eingefügt ist, bildet einen Pol einer Ausgangsspannung. Den anderen Pol der
Ausgangsspannung bildet der der Versorgungsspannung abgewandte Pol des elektronischen
Schalters. Die Ausgangsspannung wird den LEDs bzw. LED-Modulen zugeführt. Sie hat
einen rechteckförmigen Verlauf dessen Grundfrequenz gleich der o. g. Pulsfrequenz
ist. Insbesondere bei langen Anschlussleitungen kann dies zu elektromagnetischen Unverträglichkeiten
oder Funkstörungen führen. Um dies zu unterbinden und um einschlägige Vorschriften
(z.B. CISPR 15) einzuhalten, ist oft ein hoher Aufwand in Form von Filtern und Abschirmungen
nötig.
Darstellung der Erfindung
[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine gepulste Arbeitsweise der LEDs bewerkstelligt,
jedoch gegenüber dem Stand der Technik geringere elektromagnetische Unverträglichkeiten
oder Funkstörungen erzeugt.
[0007] Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
[0008] Wie stark die von einer in Rede stehenden Schaltungsanordnung erzeugten elektromagnetischen
Störungen sind, hängt in erster Linie von der Amplitude des Wechselanteils der o.g.
Ausgangsspannung ab. Die Ausgangsspannung setzt sich aus einem Gleichanteil und einem
Wechselanteil zusammen. Die Amplitude des Wechselanteils der Ausgangsspannung wird
im folgenden kurz mit Amplitude der Ausgangsspannung bezeichnet. Der Maximalwert der
Ausgangsspannung stellt sich bei geschlossenem elektronischen Schalter ein und ist
durch den Wert der Versorgungsspannung vorgegeben. Die Amplitude der Ausgangsspannung
ist definitionsgemäß die Hälfte der Differenz aus Maximalwert und Minimalwert der
Ausgangsspannung. Bei gegebenem Maximalwert bestimmt also der Minimalwert die Amplitude
der Ausgangsspannung und somit die Stärke der elektromagnetischen Störungen. Je kleiner
der Minimalwert der Ausgangsspannung ist, um so stärker sind die elektromagnetischen
Störungen.
[0009] Im Stand der Technik wird der Minimalwert der Ausgangsspannung im wesentlichen durch
zwei Größen bestimmt: Eine Lastimpedanz bei ausgeschaltetem elektronischen Schalter
und eine Off-Impedanz des elektronischen Schalters. Die Lastimpedanz bei ausgeschaltetem
elektronischen Schalter setzt sich zusammen aus der Impedanz der Anschlussleitungen
und der Impedanz der LEDs bei sehr kleinem Betriebsstrom. Unter der Off-Impedanz des
elektronischen Schalters ist die Impedanz des elektronischen Schalters im geöffneten
Zustand zu verstehen. Zuleitungsimpedanzen zum elektronischen Schalter können in der
Off-Impedanz berücksichtigt werden, spielen aber im allgemeinen keine Rolle. Beide
Größen, die Lastimpedanz bei ausgeschaltetem elektronischen Schalter und die Off-Impedanz
unterliegen starken Variationen bedingt z.B. durch Exemplarstreuung, Temperatur, Alterung
und Auswahl der LEDs so dass der Wert des Minimalwerts nicht genau bestimmt ist. Generell
gilt jedoch, dass der Betrag der Off-Impedanz um Größenordnungen den Betrag der Lastimpedanz
übertrifft. Auch kann angenommen werden, dass der Realteil der betreffenden Impedanzen
im wesentlichen die Eigenschaften dieser Impedanzen bestimmt. Näherungsweise fällt
somit die Ausgangsspannung bei geöffnetem elektronischen Schalter auf den Wert 0 ab.
Es ergibt sich also, dass im Stand der Technik die Amplitude der Ausgangsspannung
im wesentlichen gleich der Hälfte der Versorgungsspannung ist.
[0010] Erfindungsgemäß wird parallel zum elektronischen Schalter eine Pulldown-Einrichtung
geschaltet. Der Wert des Widerstands der Pulldown-Einrichtung sollte so gewählt sein,
dass in der Parallelschaltung aus Pulldown-Einrichtung und Off-Impedanz die Off-Impedanz
vernachlässigt werden kann, damit Variationen der Offimpedanz keinen Einfluss auf
die Ausgangsspannung haben. Durch die erfindungsgemäße Pulldown-Einrichtung kann der
Minimalwert der Ausgangsspannung eingestellt werden. Der Minimalwert wird erfindungsgemäß
deutlich von 0 abweichen und somit wesentlich größer sein als im Stand der Technik.
Damit wird gegenüber dem Stand der Technik die Amplitude der Ausgangsspannung reduziert,
was zu einer erfindungsgemäßen Reduzierung der elektromagnetischen Störungen führt.
[0011] Der Wert des Widerstands der Pulldown-Einrichtung darf erfindungsgemäß nicht so klein
sein, dass er in der Größenordnung des Widerstandes des elektronischen Schalters im
geschlossenen Zustand liegt. In diesem Fall wäre die Wirkung des elektronischen Schalters
und somit die Wirkung des gepulsten Betriebs eingeschränkt. Durch Öffnen des elektronischen
Schalters wird der Betriebsstrom der LEDs abgesenkt. Durch das Verhältnis des Betriebsstroms
bei geschlossenem elektronischen Schalter zum Betriebsstroms bei geöffnetem elektronischen
Schalter wird ein Absenkfaktor beschrieben. Eine Einschränkung des gepulsten Betriebs
ist erfindungsgemäß dann nicht gegeben, wenn der Wert des Absenkfaktors mindestens
10 ist. Wird der Absenkfaktor größer als 1000 so ist keine wirksame erfindungsgemäße
Reduzierung der elektromagnetischen Unverträglichkeiten mehr gegeben.
[0012] Die erfindungsgemäß kostengünstigste Realisierung der Pulldown-Einrichtung ist ein
Pulldown-Widerstand. Soll jedoch der Wert des Absenkfaktors konstant bleiben, auch
wenn sich Betriebsparameter wie Lastimpedanz oder Versorgungsspannung ändern, so muss
die Pulldown-Einrichtung erfindungsgemäß durch einen einstellbaren Pulldown-Widerstand
realisiert werden. Dies kann in Form eines oder mehrerer Halbleiter, z.B. FETs geschehen,
die als spannungsgesteuerte Widerstände betrieben werden. Auch ein nicht kontinuierlich
veränderbarer Widerstand, z. B. in Form einer schaltbaren Widerstandskaskade, ist
denkbar. Der einstellbare Pulldown-Widerstand wird von einer Regeleinrichtung gesteuert.
Diese erfasst einen aktuellen Absenkfaktor und stellt den einstellbaren Pulldown-Widerstand
so ein, dass ein vorgegebener Absenkfaktor eingehalten wird. Zur Erfassung des aktuellen
Absenkfaktors wird der Regeleinrichtung der Betriebsstrom der LED oder der Strom durch
den elektronischen Schalter und den einstellbaren Pulldown-Widerstand zugeführt. Da
der Absenkfaktor durch den Betriebsstrom definiert ist, genügt die alleinige Erfassung
des Betriebsstroms, um den Absenkfaktor zu ermitteln. Da der Betriebsstrom im wesentlichen
die Summe des Stroms durch den elektronischen Schalter und des Stromes durch den einstellbaren
Pulldown-Widerstand ist, genügt es auch diese beiden Ströme zu erfassen, um den Absenkfaktor
zu ermitteln. Näherungsweise kann bei geschlossenem elektronischen Schalter der Strom
durch den elektronischen Schalter gleich dem Betriebsstrom gesetzt werden. Um eine
Aussage über den Absenkfaktor treffen zu können kann auch die Amplitude der Ausgangsspannung
ausgewertet werden. Für den Fall, dass die Versorgungsspannung konstant ist, genügt
es, die Spannung über dem elektronischen Schalter auszuwerten.
[0013] Durch die erfindungsgemäße Pulldown-Einrichtung sind die oben beschriebenen Variationen
der Amplitude der Ausgangsspannung, die durch die Off-Impedanz des elektronischen
Schalters bedingt sind, eliminiert. Was bleibt, sind Variationen, die durch die Lastimpedanz
verursacht werden. Diese können erfindungsgemäß durch eine Pullup-Einrichtung eliminiert
werden, der an die Ausgangsspannung angeschlossen wird und damit parallel zu den LEDs
geschaltet ist. Die oben ausgeführten Dimensionierungsregeln für die Pulldown-Einrichtung
gelten auch bei Vorhandensein der Pullup-Einrichtung.
[0014] Erfindungsgemäß wird die Pullup-Einrichtung kostengünstig durch einen Pullup-Widerstand
realisiert. Der Wert des Pullup-Widerstands muss zwischen den Werten liegen, die sich
für den Betrag der Lastimpedanz bei geöffnetem und bei geschlossenem elektronischen
Schalter ergeben. Bei geschlossenem elektronischen Schalter ist der Betriebsstrom
durch die LEDs hoch und somit die Lastimpedanz niedrig. Vorteilhaft wird der Wert
des Pullup-Widerstands größer gewählt als diese niedrige Lastimpedanz, damit der elektronische
Konverter im wesentlichen Energie an die LEDs liefert und nicht an den Pullup-Widerstand.
Bei geöffnetem elektronischen Schalter ist der Betriebsstrom durch die LEDs niedrig
und somit, bedingt durch die nichtlinearen Eigenschaften der LEDs, die Lastimpedanz
hoch. Der Wert des Pullup-Widerstands muss niedriger sein als diese hohe Lastimpedanz,
damit sich erfindungsgemäß die Variationen der hohen Lastimpedanz nicht auf die Amplitude
der Ausgangsspannung auswirken.
[0015] Sowohl Pullup- als auch Pulldown-Widerstand müssen nicht zwingend durch einen einzelnen
Widerstand realisiert sein. Selbstverständlich ist auch die Realisierung durch Parallel-
oder Serienschaltung von mehreren Widerständen möglich. Parallel zu den Widerständen
können z. B. zur Reduzierung der Flankensteilheit der Ausgangsspannung auch Reaktanzen
geschaltet sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0016] Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- Figur 1
- ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betrieb von LEDs,
- Figur 2
- den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung einer Schaltungsanordnung zum Betrieb
von LEDs 'nach dem Stand der Technik,
- Figur 3
- den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zum Betrieb von LEDs,
- Figur 4
- ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betrieb von LEDs
mit einstellbarem geregeltem Pulldown-Widcrstand.
[0017] Im folgenden werden Widerstände durch den Buchstaben R, Schalter durch den Buchstaben
S, Spannungen durch den Buchstaben V, und Verbindungsstellen durch den Buchstaben
J jeweils gefolgt von einer Zahl bezeichnet.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[0018] In Figur 1 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum
Betrieb von LEDs dargestellt. Ein elektronischer Konverter 1 liefert an den Verbindungsstellen
J1, J2 eine Versorgungsspannung V1 an ein Dimmmodul 2. Das Dimmmodul 2 liefert an
den Verbindungsstellen J3, J4 eine Ausgangsspannung V2 an die LEDs 3. Ein Stück einer
ersten Anschlussleitung vom elektronischen Konverter 1 zu den LEDs 3 wird durch eine
Verbindung von der Verbindungsstelle J1 zur Verbindungsstelle J2 im Dimmmodul 2 gebildet.
Ein Stück einer zweiten Anschlussleitung vom elektronischen Konverter 1 zu den LEDs
3 führt von der Verbindungsstelle J2 2 über einen elektronischen Schalter S 1 im Dimmmodul
zur Verbindungsstelle J4. Eine Ansteuerschaltung 4 steuert den elektronischen Schalter
S1 derart, dass die LEDs 3 in einer gepulsten Arbeitsweise betrieben werden. Erfindungsgemäß
ist parallel zum elektronischen Schalter S1 ein Pulldown-Widerstand R2 geschaltet.
Die Funktion und die Dimensionierungsregeln für R2 sind dem Abschnitt zur Darstellung
der Erfindung zu entnehmen. Dies gilt gleichermaßen für einen erfindungsgemäßen Pullup-widerstand,
der im Dimmmodul 2 zwischen J3 und J4 geschaltet ist.
[0019] Figur 2 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung V2 über der Zeit t einer Schaltungsanordnung
zum Betrieb von LEDs nach dem Stand der Technik (ohne R1 und R2). Der Verlauf ist
im wesentlichen rechteckförmig. Der Maximalwert von V2 wird immer angenommen, wenn
der elektronische Schalter S1 geschlossen ist, der Minimalwert von V2 wird immer angenommen
wenn S1 geöffnet ist. Der Maximalwert von V2 entspricht im wesentlichen der Versorgungsspannung
V1, die der elektronische Konverter 1 liefert. Der Minimalwert von V2 ist näherungsweise
0. Damit ergibt sich für die Amplitude von V2 nach dem Stand der Technik im wesentlichen
der Wert

[0020] Figur 3 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung V2 über der Zeit t einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung zum Betrieb von LEDs (mit R1 und R2). Wie in Figur 2 ist der Verlauf
im wesentlichen rechteckförmig. Der Maximalwert von V2 wird immer angenommen, wenn
der elektronische Schalter S1 geschlossen ist, der Minimalwert von V2 wird immer angenommen
wenn S1 geöffnet ist. Der Maximalwert von V2 entspricht im wesentlichen der Versorgungsspannung
V1, die der elektronische Konverter 1 liefert. Der Minimalwert ist V3, wobei bei Beachtung
der o. g. Anmerkungen zur Dimensionierung von R1 und R2 im wesentlichen gilt:

[0021] Damit ergibt sich für die Amplitude von V2 im wesentlichen ein erfindungsgemäßer
Wert von

[0022] Insbesondere für den Fall, dass R1 wesentlich größer ist als R2, ergibt sich erfindungsgemäß
eine starke Reduzierung der Amplitude von V2 gegenüber dem Stand der Technik.
[0023] In Figur 4 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum
Betrieb von LEDs mit einstellbarem geregeltem Pulldown-Widerstand dargestellt. Gegenüber
Figur 1 ist in Figur 4 der Pulldown-Widerstand R2 als einstellbarer Widerstand ausgeführt,
der von einer Regeleinrichtung 5 gesteuert wird. Die Regeleinrichtung 5 stellt den
Pulldown-Widerstand R2 so ein, dass ein in der Regeleinrichtung abgelegter vorgegebener
Absenkwert eingehalten wird. Durch eine Messeinrichtung 6 wird der Regeleinrichtung
5 ein Messwert für den Betriebsstrom der LEDs zugeführt. Die Amplitude des Wechselanteils
des Betriebsstroms der LEDs ist ein Maß für den aktuellen Absenkwert. Der aktuelle
Absenkwert kann damit in der Regeleinrichtung 5 ermittelt werden.
1. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtdioden, die einen Betriebsstrom aufweisen,
der im wesentlichen durch einen elektronischen Schalter fließt, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum elektronischen Schalter eine Pulldown-Einrichtung geschaltet ist, deren
Widerstand einen Wert aufweist, der so dimensioniert ist, dass das Verhältnis des
Betriebsstroms bei geschlossenem elektronischen Schalter zum Betriebsstroms bei geöffnetem
elektronischen Schalter durch einen Absenkfaktor beschrieben wird, der mindestens
den Wert 10 annimmt.
2. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtdioden gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Leuchtdioden eine Pullup-Einrichtung geschaltet ist.
3. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtdioden gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Pulldown-Einrichtung durch einen Pulldown-Widerstand realisiert ist.
4. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtdioden gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Pulldown-Einrichtung durch einen einstellbaren Pulldown-Widerstand realisiert
ist, wobei eine Regeleinrichtung den Wert des Pulldown-Widerstands so einstellt, dass
ein vorgegebener Absenkfaktor eingehalten wird.
5. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtdioden gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Pulldown-Widerstand durch mindestens ein Halbleiterbauelement realisiert
ist.
6. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtdioden gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Pulldown-Widerstand durch mehrere schaltbare Widerstände realisiert
ist.
7. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtdioden gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die dass die Pullup-Einrichtung durch einen Pullup-Widerstand realisiert ist.
8. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtdioden gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der elektronischer Schalter durch einen MOSFET realisiert ist.