Die vorliegende Erfindung behandelt eine Spannungsmessschaltung für eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) sowie Betriebsschaltungen für LEDs mit einer derartigen Schaltung zur Messung der Spannung über einer LED-Strecke, die eine oder mehrere LEDs aufweist. Die LEDs können u.a. organische oder anorganische LEDs sein.
Es ist grundsätzlich bekannt, eine Betriebsschaltung mit Schaltreglern, insbesondere Tiefsetzsteller (Buck Converter), Hochsetzstellern, Flyback-Konvertern etc. zur Ansteuerung von LEDs zu verwenden (diese Schaltregler können sämtlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden). Dabei steuert eine Steuereinheit einen getakteten Halbleiter-Leistungsschalter an, mittels dem in dessen eingeschalteten Zustand eine Induktivität magnetisiert wird, wobei sich die Induktivität im ausgeschalteten Zustand des Schalters dann bspw. über die LED entlädt bzw. entmagnetisiert. Je nach Schaltung muss aber der Strom nicht gezwungenermassen während der Ein- und Ausschaltphase durch die Leuchtdiodenstrecke fliessen (siehe z.B. Hochsetzsteller).
Für den Betrieb von LEDs ist der Einsatz einer Betriebsschaltung mit Regelung vorteilhaft. Diese bedarf einer rückgeführten Messgröße, beispielsweise der an den LEDs abfallenden Spannung oder durch die LEDs fließenden Strom. Es ist vorteilhaft, die Spannung über der LED-Strecke zu kennen. Es kann auch vorteilhaft sein, die LED-Spannung für eine Fehlerüberwachung (z.B. Kurzschlussdetektion, Überlasterkennung, usw.) zu nutzen.
Bei dieser Schaltung wird einerseits eine sog. Busspannung Vin, d.h. eine DC-Versorgungsspannung, und andererseits die LED-Kathodenspannung Vkath gemessen. Eine Steuereinheit (in
Bei dieser Form der Spannungsmessschaltung tritt an jedem Spannungsmessabgriff M1, M2, also bei beiden Spannungsteilern ST1, ST2, eine Verlustleistung auf. Eine solche Verlustleistung kann bspw. bis zu mehreren 100mW pro LED-Kanal, d.h. pro LED-Strecke betragen, wobei LED-Beleuchtungsmittel mehrere dieser Kanäle aufwiesen können.
Darüber hinaus tritt das Problem auf, dass der kontinuierlich durch den Spannungsteiler für die LED-Kathodenspannungsmessung fließende Strom, insbesondere bei sehr effizienten LEDs, zu einem ungewünschten Glimmen der LEDs führen kann, auch wenn die LEDs eigentlich ausgeschaltet sein sollten. Dieses Glimmen könnte nur durch Abschalten der Versorgungsspannung oder durch Kurzschließen der LEDs abgestellt werden. Hierfür wäre eine zusätzliche Antiglimmschaltung notwendig, die zusätzlichen Aufwand und womöglich Verlustleistung zur Folge hätte.
Ferner entsteht bei einem Herausnehmen einer LED aus der Schaltung eine große Ausgangsspannung: Das kathodenseitige Potential wird dabei aufgrund der Tatsache, dass der Filterkondensator C1 über den Spannungsteiler ST2 geladen wird, auf das Potential Null gezogen, während anodenseitig eine beliebig hohe Versorgungsspannung (beispielsweise 400 Volt) anliegen kann. Bei einem sogenannten "hot-swapping", d.h. bei einem Austausch einer LED während des Betriebs, besteht dabei die Gefahr, dass die LED durch hohe Impulsströme, die durch das Entladen des Filterkondensators entstehen, zerstört werden können.
Der Erfindung liegt darum die Aufgabe zu Grunde, eine Spannungsmessschaltung bereitzustellen, bei der zumindest eines der oben genannten Probleme ansatzweise verringert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Die Erfindung behandelt also in einem ersten Aspekt eine Spannungsmessschaltung für eine Leuchtdiodenstrecke mit mindestens einer Leuchtdiode. Eine Gleichspannung wird der Leuchtdiodenstrecke zugeführt. Parallel zu der Leuchtdiodenstrecke ist die Primärseite eines Stromspiegels geschaltet. Auf der Sekundärseite des Stromspiegels wird nun erfindungsgemäß an einem Messwiderstand eine zum Spannungsabfall über der Leuchtdiodenstrecke proportionale Messspannung abgegriffen.
Der Stromspiegel weist mindestens zwei Transistoren auf. Von diesen ist vorzugsweise je einer auf der Primär- und einer auf der Sekundärseite des Stromspiegels verschaltet. Zur Verbesserung des Verhaltens des Stromspiegels kommen aber auch Schaltungen mit einer grösseren Anzahl von Transistoren in Frage.
Es kann sich bei den Transitoren um Bipolar-Transistoren und/oder Feldeffekt-Transistoren handeln.
Die mindestens zwei Transistoren können auch identische elektrische Eigenschaften aufweisen. Sie können als integriertes Bauteil ausgebildet sein.
Der Messwiderstand auf der Sekundärseite des Stromspiegels ist in einer bevorzugten Ausführung in Reihe zu dem sekundärseitigen Transistors geschaltet.
Ein weiterer Widerstand auf der Primärseite des Stromspiegels ist vorzugsweise in Reihe zu dem primärseitigen Transistor geschaltet. Dieser dient der Dimensionierung des zu spiegelnden Stromes.
In einem weiteren Aspekt behandelt die Erfindung eine Betriebsschaltung für wenigstens Leuchtdiodenstrecke mit mindestens einer Leuchtdiode. Diese Betriebsschaltung weist eine Schaltreglerschaltung auf. Der Schaltreglerschaltung wird dabei eine Gleichspannung zugeführt. Außerdem stellt die Schaltreglerschaltung einen Konstantstrom für die wenigstens eine Leuchtdiodenstrecke bereit. Parallel zu der Leuchtdiodenstrecke ist die Primärseite eines Stromspiegels geschaltet. Auf der Sekundärseite wird an einem Widerstand eine zum Spannungsabfall an der Leuchtdiodenstrecke proportionale Messspannung abgegriffen.
Die Betriebsschaltung kann dabei eine erfindungsgemäße Spannungsmessschaltung aufweisen, wie sie oben beschrieben worden ist.
Der durch die Leuchtdiodenstrecke fliessende Strom wird vorzugsweise mittels einer Spule und die Taktung eines durch eine Steuer- und/oder Regelschaltung angesteuerten Schalters eingestellt.
Die Messspannung kann als Rückführsignal mit einem Sollwert verglichen werden, um abhängig von einer etwaigen Differenz als Steuergrösse den Schalter zu takten. Sie dient als Überwachung, zum Beispiel als Erkennung von Fehlern oder für eine Abschaltung (z.B. Kurzschlussdetektion, Überlasterkennung, usw.). Sämtliche Auswertefunktionen, d.h. Regelung und Fehlerüberwachung und ggf. -abschaltung) können in der bspw. als IC ausgeführten Steuer-/Regelvorrichtung integriert sein.
Bei eingeschaltetem Schalter magnetisiert sich die Spule, die sich bei ausgeschaltetem Schalter entmagnetisiert, bspw. über die wenigstens eine Leuchtdiodestrecke. Die Steuer- und/oder Regelschaltung kann dabei die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters abhängig von der Spannung über der wenigstens einen Leuchtdiode und einer zeitlich konstanten Kenngrösse der Spule bestimmen.
Die Steuer- und/oder Regelschaltung kann außerdem die Spulen-Kenngrösse über die Anstiegssteilheit des Spulenstroms und durch Einbezug der Spulenspannung erfassen.
Darüber hinaus erfasst die Steuer- und/oder Regelschaltung in einer bevorzugten Ausführungsform den Strom durch die wenigstens eine Leuchtdiode nicht.
Die Steuer- und/oder Regelschaltung kann eine integrierte Schaltung sein.
Die Steuer- und/oder Regelschaltung kann den Schalter in Form von PWM-modulierten Signalen ansteuern.
Der Schaltregler kann bspw. ein Hochsetzsteller, ein Tiefsetzsteller, ein Flyback-Konverter etc. sein.
Parallel zu der Leuchtdiodenstrecke ist vorzugsweise ein Kondensator geschaltet, insbesondere zur Glättung der Gleichspannung.
Die Erfindung betrifft auch ein LED-Modul, aufweisend wenigstens eine LED, die von der Betriebsschaltung versorgt ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Beleuchtungsvorrichtung, aufweisend ein LED-Modul mit wenigstens einer LED, die von der Betriebsschaltung versorgt ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Spannungsmessung für eine Leuchtdiodenstrecke mit mindestens einer Leuchtdiode, wobei der Leuchtdiode eine Gleichspannung zugeführt wird, und parallel zu der Leuchtdiodenstrecke die Primärseite eines Stromspiegels geschaltet ist, wobei auf der Sekundärseite des Stromspiegels an einem Messwiderstand eine zum Spannungsabfall über der Leuchtdiodenstrecke proportionale Messspannung abgegriffen wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
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In dem Beispiel von
Die erfindungsgemäße LED-Spannungsmessschaltung 1 findet Anwendung in einer Betriebsschaltung 2, die zum Betreiben einer Leuchtdiodenstrecke L ausgelegt ist. Es soll jedoch vorweg genommen werden, dass die erfindungsgemäße Spannungsmessschaltung nicht auf die Betriebsschaltung 2 beschränkt ist, sondern vielmehr in jeder Schaltung eingesetzt werden kann, in der eine Spannungsmessung vorgenommen werden soll. Insofern ist die Erfindung auch nicht auf den Bereich der LEDs beschränkt, sondern kann in einer Schaltung mit jeder beliebigen Last verwendet werden.
Der Betriebsschaltung 2 wird eine Eingangs-Gleichspannung Vin oder eine gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt.
Eine Schaltreglerschaltung SRS weist eine Serienschaltung zwischen einem Halbleiter-Leistungsschalter S1 (beispielsweise einem MOSFET) und einer Freilaufdiode D1 auf. Die Serienschaltung magnetisiert in eingeschaltetem Zustand des Schalters S1 eine Induktivität L1 mittels des durch den Schalter S1 fliessenden Stroms. Im ausgeschalteten Zustand des Schalters S1 entlädt sich die in der Spule L1 gespeicherte Energie in Form eines abfallenden Stroms i durch die Leuchtdiodenstrecke LED (die Spule L1 entmagnetisiert sich). Somit ergibt sich ein Stromverlauf, bei dem sich ansteigende Zyklen und abfallende Zyklen mit der Periodizität der Schalteransteuerung abwechseln. Für die Lichtleistung entscheidend ist dabei der zeitlich gemittelte Strom. Der dreieckförmige Strom durch die Leuchtdiodenstrecke kann dabei durch einen Filterkondensator C1 geglättet werden.
Es ist eine Steuer- und/oder Regelschaltung SR vorgesehen, die als Stellgrösse der Regelung der Leuchtdiodenleistung die Taktung des Schalters S1 beispielsweise in Form von PWM-modulierten Signalen vorgibt. Als Rückführsignal, auf das geregelt wird (und das bspw. mit einem Sollwert verglichen wird), wird zumindest der Strom gemessen, der durch die LED-Strecke L fliesst. Dieser LED-Strom kann dabei an einer beliebigen Stelle im LED-Strompfad gemessen werden.
Für den korrekten Betrieb der LEDs ist aber neben dem LED-Strom auch die Spannung über der LED-Strecke von Interesse. Die Spannung über der LED-Strecke wird mittels der beschriebenen Schaltung mit Stromspiegel gemessen.
Die Leuchtdiodenstrecke weist eine oder mehrere parallel, vorzugsweise jedoch in Serie geschaltete LEDs und / oder OLEDs auf. Dabei kann es sich bspw. um monochromatische LEDs, Farbstoff-konvertierte weiße LEDs und/oder um RGB-LED Module handeln. Bei letzteren ist es besonders vorteilhaft, wenn jede Leuchtfarbe in einer separaten LED-Strecke ("LED-Kanal") angeordnet ist und jede LED-Strecke über ein eigenes Rückführsignal, wie beispielsweise den in der LED-Strecke fliessenden Strom, geregelt wird.
Parallel zu der Leuchtdiodenstrecke ist die Primärseite P1 eines Stromspiegels S geschaltet. Der Stromspiegel kann dabei auf der Primärseite wie auf der Sekundärseite jeweils einen Transistor T1, T2 und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand R1, R2 aufweisen. Bei den Transistoren handelt es in der Ausführungsform von
Die eigentliche Messung der LED-Spannung findet durch die Sekundärseite P2 des Stromspiegels S statt. Aufgrund der Stromspiegelfunktion fließt der identische Strom auf der Sekundärseite wie auf der Primärseite des Stromspiegels S und somit durch einen sekundärseitigen Messwiderstand R2. Die Spannung Umess an diesem Widerstand R2 gibt somit die LED-Spannung Uled wieder. Der Widerstand R1 auf der Primärseite P1 dient der Dimensionierung der am Widerstand R2 abgegriffenen Messspannung Umess. Die gemessene Spannung Umess ist also proportional zu der Spannung Uled, wobei der Faktor zwischen beiden Spannungen durch die Größe der Widerstände R1 und R2 eingestellt werden kann.
Die Messung der LED-Spannung für eine Fehlerüberwachung wie z.B. Kurzschlussdetektion oder Überlasterkennung an der LED-Strecke oder auch im Ausgangskreis oder der Verkabelung genutzt werden. Zusätzlich kann die Messung der LED-Spannung für die Bestimmung der LED-Stromes oder der LED-Temperatur genutzt werden, es kann also eine indirekte Erfassung des LED-Stromes oder der LED-Temperatur erfolgen. Dabei kann mit Hilfe von Wertetabellen oder abgelegten Kennlinien bzw. Formeln mit Hilfe der gemessenen LED-Spannung auf den LED-Strom oder die LED-Temperatur geschlossen werden.
Ein Vorteil ist nunmehr, dass die Verluste, die beim Stand der Technik (siehe oben) aufgrund der Messschaltung für die Busspannung bzw. die LED Spannung auch im Ruhezustand auftreten, nun nicht mehr vorliegen, da die Busspannung nicht mehr gemessen werden muss, um die Spannung über der LED-Strecke zu ermitteln.
Im Standby-Betrieb (d.h. anliegende Versorgungsspannung, aber keine Lichtemission der LEDs) wird die Ladung, d.h. die Spannung, über den parallel zur LED geschalteten Kondensator C1 über den Widerstand R1 der Primärseite P1 des Stromspiegels S entladen. Somit geht die Spannung über der LED gegen Null. Auch im Standby-Zustand wird also kein Strom mehr durch den Widerstand R1 oder R2 des Stromspiegels fließen. Somit geht auch stationär die Verlustleistung im Standby-Betrieb gegen Null.
Da kathodenseitig nunmehr auch nicht mehr die Leuchtdiodenstrecke L über eine Messschaltung mit Masse verbunden ist, ist auch das Problem des ungewünschten Glimmens der LEDs verringert.
Ein weiterer Vorteil ist, dass wenn die LED aus der Schaltung entfernt wird, die Spannung über den Kondensator C1 durch den Widerstand R1 auf der Primärseite P1 des Stromspiegels entladen wird. Wenn dann die LED wieder eingesetzt wird, fällt nicht unmittelbar die Spannung des geladenen Kondensators C1 ab, sondern vielmehr wird erst beim Wiedereinschalten wieder eine Spannung über der LED anliegen. Beim oben beschriebenen Stand der Technik ist das Problem, dass beim Wiedereinsetzen das kathodenseitige Potential aufgrund des Messkanals auf Null gezogen wird, während anodenseitig die Versorgungsspannung von beispielsweise 400 Volt anliegt, somit behoben.
Wird ein sogenanntes 'hot-swapping' gemacht, was dem Herausnehmen und erneuten Einsetzen einer LED im laufenden Betrieb entspricht, ist das Risiko, dass die LED zerstört wird deutlich kleiner als beim Stand der Technik. Das ,hot-swapping' ist elektrisch gleichbedeutend mit einem Unterbrechungsfehler, d.h. dass die LED-Strecke unterbrochen wird und dann wieder Versorgungsspannung anliegt. Wie bereits oben beschrieben, wirkt die Spannungsmessschaltung diesem Risiko beim 'hot-swapping' entgegen, da die Spannung über den Kondensator C1 durch den Widerstand R1 auf der Primärseite P1 des Stromspiegels entladen wird.
Da die beiden Transistoren T1 und T2 des Stromspiegels identische elektrische Eigenschaften aufweisen sollten, sind die beiden Transistoren vorzugsweise in einem Bauteil integriert.
Somit wird Verfahren zur Spannungsmessung für eine Leuchtdiodenstrecke L mit mindestens einer Leuchtdiode LED ermöglicht, wobei der Leuchtdiode eine Gleichspannung zugeführt wird. Parallel zu der Leuchtdiodenstrecke L ist die Primärseite P1 eines Stromspiegels S geschaltet. Auf der Sekundärseite P2 des Stromspiegels S wird an einem Messwiderstand R2 eine zum Spannungsabfall ULED über der Leuchtdiodenstrecke L proportionale Messspannung UMESS abgegriffen.
Funktionell kann also durch die Stromspiegelmessung eine Messung eines DC-Stroms in einem Messzweig P2 erfolgen, der nicht in Serie zu der Leuchtdiodenstrecke geschaltet ist. Es findet auch keine Differenzmessung (Busspannung minus Kathodenspannung) mehr statt, sondern eine direkte Messung der Spannung über der LED-Strecke.
Es wird also eine Messung der Leuchtdiodenstrecken-Spannung mittels eines Messwiderstands vorgenommen, der nicht in Serie zu der Leuchtdiodenstrecke geschaltet ist. Es ist aber auch keine Messung des LED-Stromes mittels eines Messwiderstands, der in Serie zu der Leuchtdiodenstrecke geschaltet ist, durch die erfindungsgemäße Spannungsmessschaltung notwendig.
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