Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Energieversorgung einer sequentiellen Schaltung typischerweise nichtlinearer Lasten mit Hilfe einer Stromquelle. Vorzugsweise handelt es sich bei der Last um eine Serienschaltung aus LEDs. Diese strombetriebene Last, vorzugsweise eine LED-Serienschaltung, bestehend aus ein bis N Elementen und soll partiell kurzgeschlossen oder gedimmt werden.
Verschiedene Energieversorgungsschaltungen für LEDs bzw. LED-Reihenschaltungen sind aus
Zu jedem der nichtlinearen Lasten, die in Serie geschaltet sind, ist typischerweise jeweils ein Schalter parallel geschaltet. Diese werden jeweils geöffnet und/oder geschlossen.
Es ergibt sich nun das Problem, dass der Strom durch die resultierende Spannungsänderung eine Kombination aus dem Strom der Stromquelle sowie der sich ändernden Spannung eines typischerweise vorhandenen Energiespeichers ist und damit nicht mehr direkt von der Stromquelle bestimmt wird. Eine solche Stromquelle kann beispielsweise ein stromgesteuerter DC/DC Konverter sein.
Es ergeben sich zwei Fälle:
Es ist die Aufgabe der Erfindung, jederzeit eine konstante, gegebenenfalls maximale Energie abzugeben, ohne dass Grenzwerte insbesondere durch Transienten überschritten werden und ohne dass in den Stellgliedern wesentliche Änderungen der Energieumsätze stattfinden.
Gleichzeitig soll die Vorrichtung in der Lage sein, fehlerhafte Verbraucher zu erkennen. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Hierbei kann es zweckmäßig sein, wenn
Mit dem Begriff "Stromquelle" ist im Rahmen dieser Erfindung allgemein eine Quelle für die Lieferung von elektrischer Energie gemeint. Diesbezüglich bietet sich neben einer Stromquell im engeren Sinne alternativ auch ein Schaltregler an. Entscheidend ist, dass durch die Bereitstellung von elektrischem Strom und/oder elektrischer Spannung elektrische Energie in den Ausgangsknoten eingebracht werden kann. Als Aspekt für die Messung kann ein bzw. können mehrere der nachfolgend aufgeführten Gesichtspunkte angeführt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der beispielhaften Figuren beschrieben. Hierbei zeigen
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bewertung des Stromes in den Lasten 4 während des Schaltüberganges an den Schaltelementen 3 durch ein strommessendes Element 5 oder durch einen Regler 6.
Die Aufgabe des Reglers 6 ist es, entweder die Spannung oder die Spannungsänderungsgeschwindigkeit dU/dt am Energiespeicher 2 oder die Stromänderung am messenden Element 5 oder an beiden Komponenten zu bewerten, um den Betrieb innerhalb eines vordefinierten Betriebszustandsraums vorzugeben, zu überprüfen und damit zu gewährleisten.
Die beschriebenen kritischen Störungen beim ÖFFNEN und SCHLIESSEN siehe oben können damit unterbunden werden. Somit kann eine unkontrollierte Überhöhung oder Reduktion des Stromes während der transienten Übergänge im System verhindert oder zumindest in ihrer Auswirkung kontrolliert begrenzt werden.
Insbesondere im Falle von LEDs als Verbraucher kann die Lebensdauer der Dioden hierdurch deutlich erhöht werden, indem Peak-Ströme durch die beschriebene Vorrichtung gedämpft und kontrolliert geregelt werden.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Vorrichtung ist die Möglichkeit einer adaptiven Regelung, die unter gegebenen Randbedingungen wie z.B. der Alterung von Komponenten z. B. der altersbedingten Änderung der Kapazität 2 die kürzest mögliche transiente Umsteuerung der Schaltelemente 3 ermöglicht.
Die Stromquelle 1 in
Der Energiespeicher 2 ist in diesem Falle ein Kondensator 2, der die Spannung am Ausgangsknoten 7 der Stromquelle 1 puffert. Dies geschieht in diesem beispielhaften Fall über einen optionalen Vorwiderstand 14 zwischen dem Ausgangsknoten 7 der Stromquelle 1 und dem Anschlussknoten 8 des Kondensators 2, der als Energiespeicher 2 agiert. Der andere Pol des Kondensators 2 ist in diesem Beispiel mit Masse verbunden. Diese beispielhafte Anordnung ermöglicht vorteilhafterweise die Bewertung der Energiemenge oder der Änderung der Energiemenge auf dem Speicher 2.
Wie bereits beschrieben, sind der ersten LED 4 und der zweiten LED 10 jeweils ein erster Schalter 3 und ein zweiter Schalter 9 korrespondierend zugeordnet, die durch SCHLIESSEN oder ÖFFNEN die LEDs 4, 10 überbrücken und so die Energieverteilung innerhalb der LED-Kette aus diesen LEDs 4, 10 verändern können. Zur Erzielung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird also nicht die Energiequelle, also die Stromquelle 1, geregelt, sondern die Gesamtheit der Verbraucher 4, 10, was den wesentlichen erfinderischen Schritt zur Lösung des Problems darstellt.
Um das ÖFFNEN und SCHLIESSEN der Schalter 3, 9 so zu gestalten, dass die Toleranzen für den Strom durch die Verbraucherkette, also durch die LED-Kette bestehend aus den LEDs 4,10, nicht überschritten werden, kann beispielsweise über einen Shunt-Widerstand 5 der Strom durch die besagte Verbraucherkette durch Erfassung des Spannungsabfalls zwischen dem Stromerfassungsknoten 11 und Masse gemessen werden. Statt eines Shunt-Widerstands 5 sind natürlich auch andere Strommessmethoden wie beispielsweise ein Hall- oder AMR-Sensor denkbar. Auch kann beispielsweise der Widerstand 14 am Energiespeicher 2 zur Bewertung herangezogen werden, da der Strom in den Energiespeicher 2 hinein oder aus diesem heraus mit dem Strom durch die Verbraucherkette 4, 10 und die Schalter 3, 9 in Summe den Stromquellenstrom ergeben muss.
Das so erfasste Signal 11 wird dem Regler 6 zugeführt, der typischerweise auch den Energieinhalt des Energiespeichers 2, beispielsweise durch eine Potentialmessung des Knotens 8 eines Kondensators 2, überwacht. Außerdem ist es sinnvoll, die Spannung des Einspeiseknotens 7 ebenfalls zu überwachen, wodurch mittels des bereits genannten zweiten Shunt-Widerstands 14 eine Messung des Stromes in den Energiespeicher hinein und aus diesem heraus möglich wird.
Auf diese Weise kann auf den Energieinhalt des Kondensators oder des Energiespeichers 2 geschlossen werden. Auch können die zeitlichen Ableitungen der Größen zur Ermittlung der Veränderungsraten des Energieinhalts genutzt werden.
Wenn also von Messung des Energieinhalts die Rede ist, so ist nur eine Methode gemeint, mit der auf den Energieinhalt zumindest für die Anwendung ausreichend geschlossen werden kann. Natürlich sind auch weitere Messstellen denkbar.
Die besonders einfache technische Realisierung einer sehr einfachen Variante des Reglers 6, die nicht alle möglichen Merkmale dieses Reglers aufweist, aber bereits zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gehören kann, ist in diesem Falle ein Transimpedanzverstärker 15, der die steuernden Ströme an einem Schaltelement 9 unter Nutzung des Miller-Effekts zur Regelung anpasst. Die Erfindung umfasst natürlich auch wesentlich kompliziertere Varianten des Reglers 6, die sich für den Fachmann aus dem Grundgedanken der Erfindung ergeben. Im Folgenden werden einige der möglichen Erweiterungen eines solchen Reglers beschrieben. Der Regler 6 vergleicht nun hierbei den Spannungsabfall über den beispielhaften Shunt-Widerstand 5 am Knoten 11 mit einer beispielhaften Referenzspannung Vref, die als eine vorgebbare Sollreferenz fungiert.
Durch entsprechende Filter kann der Regler beispielsweise unter anderem als P-, PI-, PID- oder PD-Regler ausgelegt werden. Komplexere Regel-Übertragungsfunktionen des Reglers 6 mit mehrdimensionalen, d. h. mehrparametrigen Ein- und Ausgangssignalen sind natürlich denkbar und, insbesondere bei komplizierteren Topologien, wie im Folgenden beschrieben, sinnvoll.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient somit zur Versorgung einer Schaltung mit mindestens einem Verbraucher. Sie verfügt über mindestens eine Stromquelle 1. Die Energiebereitstellung wird über mindestens einen Energiespeicher 2 in Form z. B. eines Kondensators, Akkus etc. stabilisiert. Bei diesem Energiespeicher 2 kann es sich auch um eine Spule handeln, die beispielsweise seriell in den Stromkreis eingefügt ist. Sowohl Stromquelle 1 als auch Energiespeicher 2 speisen Energie in einen ersten Ausgangsknoten 7 ein. Über diesen Ausgangsknoten 7 werden die besagten Verbraucher 4 zumindest zeitweise mit Energie versorgt. Es ist nämlich auch denkbar, dass das System nicht immer aktiv ist. Der Energiespeicher 2 liefert immer dann Energie, wenn die Energielieferung der Stromquelle 1 für die Versorgung der Verbraucher 4, 10 nicht ausreichend ist und der Energiespeicher 2 noch genügend Energieinhalt aufweist. Dieser ausreichende Energieinhalt wird durch den Regler 6 und geeignete Messstellen 8, 7 im System permanent gemessen und prognostiziert. Ist die Energieentnahme durch die Lasten 4,10 aus der kombinierten Energiequelle aus der Stromquelle 1 und dem Energiespeicher 2 zu hoch oder zu niedrig, so wird die Gesamtlast 4,10 als Stellgröße für die Korrektur dieser Situation verändert. Dies ist ein weiterer wesentlicher erfinderischer Gedanke. Daher muss im Falle von zwei Verbrauchern zu mindestens bei einem der besagten zwei Verbraucher 4 mindestens ein Schalter 9 parallel geschaltet sein. Dieser kann somit zumindest einen der Verbraucher 10 überbrücken, um den Innenwiderstand der Gesamtlast der Verbraucher 4, 10 bei Bedarf zu erniedrigen oder eine solche Überbrückung aufzuheben, um den Innenwiderstand der Gesamtlast der Verbraucher 4, 10 anzuheben. Zum Zwecke dieser Regelung sind Sensoren zur Zustandsmessung der Gesamtlast 5, des Energiespeichers 14 und des Energieumsatzes in der Gesamtlast sinnvoll. Daher weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Messeinrichtung 5 auf, die in der Lage ist, den Stromwert zur Erfassung des die Gesamtlast 4, 10 durchströmenden elektrischen Stromes und damit in der Regel auch die Stromänderungsgeschwindigkeit oder eine höhere zeitliche Ableitung des Stromes durch die sequentielle Verschaltung der besagten Verbraucher 4, 10 zu messen. Die Messung der Ableitungen erlaubt eine Prognose der Stromentwicklung und damit ein rechtzeitiges Gegenregeln der Last 4, 10. Ebenso ist es sinnvoll, mittels mindestens einer weiteren Messvorrichtung 14 den verbleibenden Energieinhalt des Energiespeichers 2 zu erfassen. Auch hier ist es wieder sinnvoll die Änderungsgeschwindigkeit dieses Energieinhalts des Energiespeichers 2 oder einer höheren zeitlichen Ableitung dieses Energieinhalts des besagten Energiespeichers 2 zu erfassen und eine vorausschauende Regelung durchzuführen. Der Energieumsatz in der Gesamtlast der Verbraucher 4, 10 lässt sich dabei aus dem Spannungsabfall zwischen den Knoten 7 und 11 und dem zwischen dem Knoten 11 und Masse berechnen. Die Regelung durch den Regler 6 erfolgt dabei in der Weise, dass er, wie bereits beschrieben, in Abhängigkeit von zumindest einem der zuvor ermittelten Werte mindestens einen der Schalter 3, 9 öffnet oder schließt oder dessen Durchlasswiderstand so verändert, dass die Toleranzwerte des Stromes nicht über- oder unterschritten werden.
Hierzu ist anzumerken, dass ein vollständiges SCHLIESSEN oder ÖFFNEN bei Leistungstransistoren zwar sinnvoll ist, dies aber gerade zu den besagten Stromspitzen führen kann. Es ist daher besonders günstig, mit dem beschriebenen Transimpedanzverstärker 15 die Leistungstransistoren 3, 9 so langsam aufzusteuern oder zu schließen, dass keine oder definierte, vorgegebene Stromspitzen entstehen. Hierdurch wird die Lebensdauer der LEDs 4, 10 signifikant verlängert. Wenn also von ÖFFNEN oder SCHLIESSEN die Rede ist, so ist damit ein kontrolliertes ÖFFNEN und SCHLIESSEN gemeint, bei dem die vorgegebenenToleranzen des Stromes nicht über- oder unterschritten werden.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass es sinnvoll ist, wenn kein weiterer Schalter 3, 9 geschlossen oder in seinem Durchlasswiderstand erhöht wird, wenn der gemessene Strom durch die Gesamtheit der Verbraucher 4, 10 oberhalb eines vorgegebenen Wertes Imax1 liegt, da dies zu einer Verschärfung der Situation führen würde. Gleiches gilt, wenn der Betrag der gemessene Stromanstiegsgeschwindigkeit oberhalb eines vorgegebenen Wertes Imax_sp1 liegt oder wenn der Betrag der gemessenen höheren Zeitableitung des Stromes oberhalb eines vorgegebenen Wertes Imax_ac1 liegt.
Ebenso ist es nicht sinnvoll, dass einer der Schalter 3, 9 geöffnet oder in seinem Durchlasswiderstand erhöht wird, wenn der gemessene Strom durch die Gesamtheit der Verbraucher 4, 10 unterhalb eines vorgegebenen Wertes Imin1 liegt. Wiederum gilt das Analoge für den Fall, wenn der Betrag der gemessenen Stromanstiegsgeschwindigkeit unterhalb eines vorgegebenen Wertes Imin_sp1 liegt oder wenn der Betrag der gemessenen höheren Zeitableitung des Stromes unterhalb eines vorgegebenen Wertes Imin_ac1 liegt.
Natürlich ist es unter der Annahme allgemeiner stromgetriebener Lasten denkbar, eine PWM Modulation anstelle der analogen Einstellung der Druchlasswiderstände der Schalter 3, 9 vorzunehmen. Dabei wird beispielsweise die mittlere Dauer der Schließung oder Durchlasswiderstandsverringerung eines der Schalter 3, 9 bezogen auf eine Zeitperiode zumindest zeitweise gesenkt, wenn der gemessene Strom durch die Gesamtheit der Verbraucher 4,10 oberhalb eines vorgegebenen Wertes Imax2 liegt. Analog wird die mittlere Dauer der Schließung oder Durchlasswiderstandsverringerung eines der Schalter 3, 9 bezogen auf eine Zeitperiode gesenkt, wenn der Betrag der gemessenen Stromanstiegsgeschwindigkeit oberhalb eines vorgegebenen Wertes Imax_sp2 liegt oder wenn der Betrag der gemessenen höheren Zeitableitung des Stromes oberhalb eines vorgegebenen Wertes Imax_ac2 liegt. Umgekehrt wird die mittlere Dauer der Schließung oder Durchlasswiderstandsverringerung eines der Schalter 3, 9 bezogen auf eine Zeitperiode zumindest zeitweise erhöht, wenn der gemessene Strom unterhalb eines vorgegebenen Wertes Imin2 liegt, der Betrag der gemessene Stromanstiegsgeschwindigkeit unterhalb eines vorgegebenen Wertes Imin_sp2 liegt oder der Betrag der gemessenen höheren Zeitableitung des Stromes unterhalb eines vorgegebenen Wertes Imin_ac2 liegt.
Ebenso wird die mittlere Dauer der Schließung oder Durchlasswiderstandsverringerung eines der Schalter 3, 9 bezogen auf eine Zeitperiode zumindest zeitweise gesenkt, wenn der gemessene Energieinhalt des Energiespeichers 2 unterhalb eines vorgegebenen Wertes Wes_min2 liegt oder der Betrag der gemessenen Energieinhaltsänderungsgeschwindigkeit des Energiespeichers 2 oberhalb eines vorgegebenen Wertes Wes_max_sp2 liegt oder der Betrag der gemessenen höheren Zeitableitung des Energieinhalts des Energiespeichers oberhalb eines vorgegebenen Wertes Wes_max_ac2 liegt. Da die Spannung am Knoten 8 ein gutes Maß für den Energieinhalt ist, können stattdessen diese Kondensatorspannungen für den Fall eines Kondensators als Energiespeicher 2 in Relation zu korrespondierenden Spannungsgrenzen Ues_min2, Ues_max_sp2, Ues_max_ac2 als Maß für die Entscheidung zur Einleitung dieser Maßnahmen genommen werden. Wenn also in den Ansprüchen vom Energieinhalt und vom Vergleich des Energieinhalts und/oder dessen zeitlichen Ableitungen mit einem Wert die Rede ist, dann sind damit nicht nur ein Energieinhalt und dessen Ableitungen gemeint, sondern auch alle physikalischen Größen, die eine äquivalente Aussage erlauben und deren entsprechenden analogen Grenzwerte. Umgekehrt wird in analoger Weise die mittlere Dauer der Schließung oder Durchlasswiderstandsverringerung eines der Schalter 3, 9 bezogen auf eine Zeitperiode zumindest zeitweise erhöht, wenn der gemessene Energieinhalt des Energiespeichers 2 oberhalb eines vorgegebenen Wertes Ues_min3 liegt oder der Betrag der gemessenen Energieinhaltsänderungsgeschwindigkeit unterhalb eines vorgegebenen Wertes Ues_max_sp3 liegt oder die mittlere Dauer der Schließung oder Durchlasswiderstandsverringerung eines der Schalter 3, 9 bezogen auf eine Zeitperiode zumindest zeitweise erhöht wird, wenn der Betrag der gemessenen höheren Zeitableitung des Energieinhaltes des Energiespeichers 2 unterhalb eines vorgegebenen Wertes Ues_min_ac3 liegt.
Wie bereits beschrieben, werden die Schalter 3, 9, die typischerweise Leistungstransistoren sind, durch ein regelndes Element, einen Regler 6 angesteuert. Dies geschieht so, dass der Strom, der durch die Gesamtheit der Lasten 4, 10 fließt, während eines Schaltvorgangs durch das messende Element 5 erfasst wird und als eine Regelgröße dieses regelnden Elementes 6 verwendet wird. Die Regelung geschieht durch einen Leistungstransistor 3, 9, der dann den Strom beispielsweise auf einen Wert kleiner als das 1,1 oder 1,2 oder 1,4 fache oder doppelte des Wertes begrenzt, der ohne Schaltvorgang durch die Verbraucher fließt. Dies bedeutet nichts anderes, als dass das Überschwingen des Stromes hierdurch auf 10% oder 20% oder 40% oder 100% begrenzt wird.
Umgekehrt wird ein Unterschwingen beispielsweise auf 10%, 20%, 50% oder 70% dieses Wertes begrenzt, indem der Leistungstransistor 3, 9 wieder geeignet durch das regelnde Element 6 angesteuert wird. Auch hierbei wird der Strom durch die Gesamtheit der Verbraucher 4, 10 ebenfalls während eines Schaltvorgangs durch das messende Element 5 erfasst und als Regelgröße des regelnden Elements 6 verwendet. In diesem Fall begrenzen die Leistungstransistoren 3, 9 den Strom auf einen Wert größer als das 0,9 oder 0,8 oder 0,5 oder 0,3 fache wiederum des Wertes, der ohne Schaltvorgang durch die Verbraucher 4, 10 fließt.
Im Folgenden wird die beispielhafte
Nun ist es auch denkbar, dass mehrere serielle Verbraucherstränge beispielsweise aus einem ersten Verbraucherstrang aus zwei seriell verschalteten Verbrauchern 4, 10 und einem zweiten Verbraucherstrang aus zwei weiteren seriell verschalteten Verbrauchern 17, 19 parallel von einer Stromquelle 1 versorgt werden. Diese Anordnung kann vorteilhafterweise zur Lastverteilung zwischen den beiden Verbrauchersträngen genutzt werden.
Hierbei kann es beispielsweise sinnvoll sein, dass zum einen eine Strommessstelle 22 für den Gesamtstrom in beide Verbraucherstränge hinein vorgesehen wird und zum anderen jeder Verbraucherstrang für sich über je eine Strommesseinrichtung 5, 21 verfügt.
Die Schalter 3, 9, 16, 18 werden über die Steuerleitungen 12, 13, 23, 24 durch den Regler 6 angesteuert. In diesem Beispiel werden Shunt-Widerstände 14, 22, 5, 21 als beispielhafte Strommessstellen verwendet. Die entsprechenden Potenziale der zugehörigen Knoten 7, 8, 20, 11, 25 werden als beispielhafte Eingangssignale dem Regler 6 zugeführt, der daraus die Steuersignale 12, 13, 23, 24 für die Schalter 3, 9, 16,18 erzeugt.
In diesem und in dem Fall, dass alle Verbraucher 4, 10, 17, 19 zumindest zeitweise innerhalb einer Periode mit Energie versorgt werden sollen, ist es sinnvoll, die Überbrückung der Verbraucher 4, 10, 17, 19 abwechselnd durchzuführen. Beispielsweise kann es erforderlich sein, mehrere der Verbraucher 4, 10, 17, 19, beispielsweise LEDs, zumindest zeitweise anzuschalten. Hierbei kann es erforderlich sein, dass die Zeit der Energiezufuhr innerhalb einer Zeitperiode anteilig aufgeteilt wird, wobei bei mehreren Verbrauchern sich Aktivitätsintervalle überlappen können, aber nicht müssen. Es können ebenso Zeiten vorkommen, in denen kein Verbraucher 4, 10, 17, 19 Energie verbraucht und ggf. der Energiespeicher 2, wenn notwendig, mit Energie beladen wird oder beladen werden kann. Bei einem Kondensator 2 sind dies Lade- und Entladevorgänge. Soll dieser Fall vorkommen, so müssen alle Verbraucher abgetrennt werden können. Ein solcher Schalter, der seriell zu allen Verbrauchern wäre, ist in den Figuren nicht eingezeichnet.
Bei einem solchen Umschaltvorgang von einer Last zur anderen ist es sinnvoll, dass durch gleichzeitiges SCHLIESSEN oder eine gleichzeitige Verringerung des Durchlasswiderstands eines ersten Schalters, beispielsweise des Schalters 3, und gleichzeitiges ÖFFNEN oder eine gleichzeitige Erhöhung des Durchlasswiderstands eines zweiten Schalters, beispielsweise des Schalters 16, der Strom im messenden Element 22 oder die Stromänderungsgeschwindigkeit im messenden Element 22 oder eine höhere Zeitableitung der Stromänderungsgeschwindigkeit im messenden Element 22 innerhalb des vorgegebenen oder programmierten Bereichs bleibt.
Im Falle der Parallelschaltung mehrerer serieller Verbraucherzweige kann das messende Element 22 auch aus mehreren solchen Elementen 5, 21 in den einzelnen Zweigen mit anschließender Summierung oder einer vektoriellen Bereichsvorgabe oder in einem messenden Element 22 in Sternpunkten bestehen.
Es ist daher möglich, dass diese Bedingungen für den Gesamtstrom eines seriellen Teilzweiges und/oder für den Gesamtstrom mehrerer serieller Teilzweige und/oder für den Gesamtstrom aller von der Stromquelle versorgten Verbraucher gelten. Es ist auch denkbar, sowohl Bedingungen für mehrere Teilzweige und/oder den Gesamtstrom vorzugeben.
Für den Fall mindestens zweier parallel zu versorgender Lasten aus einer Quelle 1 kann vorteilhafterweise durch Modulation der Schaltelemente 3 durch den Regler 6 eine vorgegebene Stromverteilung in diesen Lasten herbeigeführt werden. Diese Modulation der Schaltelemente 3 durch den Regler 6 kann beispielsweise mithilfe analoger Impedanz-Variationen oder zeitdiskret durch PWM-Ansteuerung erfolgen. Dies ist insbesondere deshalb von Interesse, weil ansonsten sich die Stromverteilung auf die mindestens zwei Zweige unkontrolliert ändern kann.
Analog kann die Anzahl der Schaltvorgänge im Verbrauchernetzwerk, die sich überlappen dürfen, begrenzt werden. Es ist somit sinnvoll, dass während des Ein- und/oder Ausschaltens, also der ÖFFNENs oder SCHLIESSENs, oder der Änderung des Durchlasswiderstands eines ersten Schalters, beispielsweise des Schalters 4, kein zweiter Schalter oder nur eine vorgegebene Anzahl zweiter Schalter ein- oder ausgeschaltet wird oder in seinem/ihrem Durchlasswiderstand verändert wird/werden. Eine vorteilhafte Auslegung dieser Überlappung stellt das zeitgleiche ÖFFNEN und SCHLIESSEN von zweimal N Schaltern 3 in der Art dar, das die vorgegebene Sollgröße während der Übergänge konstant bleibt.
Darüber hinaus ist es sinnvoll, wenn sichergestellt wird, dass der Abstand solcher Ereignisse in der Art erfolgt, dass das von der Vorrichtung abgestrahlte elektromagnetische Störspektrum den jeweiligen Anforderungen der Anwendung genügt. Beispielsweise ist es denkbar, einen zeitlichen Mindestabstand, hier bezeichnet mit tmin_s, zwischen zwei Schaltvorgängen vorzugeben.
Typischerweise kann also eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere parallelgeschaltete Zweige serieller Verschaltungen von Verbrauchern aufweisen, wobei diese wiederum jede für sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung darstellen. Natürlich kann es sich bei einem Zweig um eine nicht erfindungsgemäße Vorrichtung handeln, wenn deren Einfluss durch die Regelfähigkeiten des erfindungsgemäßen Zweiges kompensiert werden kann. Im einfachsten Fall kann es sich also um einen einzelnen Verbraucher handeln, der zu einer Serienschaltung aus zwei Verbrauchern oder sogar nur einem einzelnen Verbraucher parallel geschaltet ist und ggf. auch über einen Schalter verfügt. In einem solchen Verbrauchernetzwerk kann es an verschiedenen Stellen weitere Energiespeicher und Stromquellen geben, die ggf. den Strom in einzelnen Zweigen stabilisieren und begrenzen.
In einem solchen Netzwerk muss, damit die Regelung greifen kann, mindestens einem Verbraucher ein Schalter parallel geschaltet sein. Natürlich kann es ebenso sinnvoll sein, jeden der Zweige einzeln oder mehrere Zweige in Summe durch gesonderte Messvorrichtungen zu überwachen. Auch hierbei können jeweils der Stromwert selbst oder die Stromänderungsgeschwindigkeit oder eine höhere zeitliche Ableitung des Stromes durch den jeweils betroffen sequentiellen Teilbaum der besagten Verbraucher gemessen und für die Regelung verwendet werden.
Schließlich ist noch zu erwähnen, dass der Öffnungs- und Schließvorgang eines Schalters, beispielsweise des Schalters 3, durch den Regler 6 abgebrochen werden kann, wenn, die Systemantwort in Form der zeitlichen Stromänderung eines der Ströme an einer oder mehrerer der Messstellen 14, 22, 5, 21 nicht innerhalb eines Toleranzbandes um eine zeitliche Änderungssollfunktion herum erfolgt. In dem Beispiel handelt es sich um vier Ströme an den Messstellen 14, 5, 22, 21, also einem Stromvektor. Dementsprechend kann es sich bei dem Toleranzband auch um ein Toleranzband mit einem mehrdimensionalen Querschnitt handeln. In diesem Fall also beispielsweise um einen vierdimensionalen Querschnitt.
Dies eröffnet die Möglichkeit, auf einen Fehler zu schließen. Dies ist insbesondere bei der Detektion sicherheitsrelevanter Ausfälle, beispielsweise bei Heckleuchten von Kraftfahrtzeugen von Vorteil. Sollte also nun beispielsweise der Strom bei einem ÖFFNEN des Schalters 3 einbrechen, so könnte ein Fehler in der entsprechenden Last 4, beispielsweise einer LED, derart vorliegen, dass der Stromkreis in dieser Last 4 aufgrund eines Fehlers dieser Last 4 unterbrochen ist.
Umgekehrt kann ein Kurzschluss der Last 4 detektiert werden, wenn der Strom bei einem SCHLIESSEN des Schalters 3 nicht ansteigt, sondern beispielsweise gleichbleibt.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also auf den Zustand der Verbraucherkette, in diesem Beispiel bestehend aus den Verbrauchern 4, 10, 17, 19, und insbesondere auf deren korrekte Funktion geschlossen werden.
Der Regler 6 kann dann je nach Vorgabe zum einen die Reglerfunktion ändern oder sogar den Öffnungs- und Schließvorgang ganz abbrechen und/oder andere Schalter ÖFFNEN oder SCHLIESSEN oder sonst wie deren Zustand ändern oder die Topologie der Vorrichtung ändern.
Diese Überwachung hat ihre Relevanz bei Buck-Schaltreglern, die im Falle geringer Eingangsspannung maximal eben diese auf den Ausgang legen würden. Dies ist beispielsweise in Fahrzeugen oft der Fall. So weisen Kraftfahrzeuge typischerweise einen Spannungseinbruch während des Anlassens oder des Start/Stop-Vorgangs auf.
Schließlich
So ist es beispielsweise bei drei Verbrauchern 4, 10, 17 in Serie mit je einem Schalter 3, 9, 16 denkbar, das ÖFFNEN und SCHLIESSEN der Schalter 3, 9, 16 von drei Parametern, in der Folge als Y, M, K beschrieben, abhängig zu machen.
Dabei wird beispielsweise eine PWM-Modulation der Aktivität der Verbraucher 4, 10, 17 verwendet. Handelt es sich bei den drei Verbrauchern 4, 10, 17 beispielsweise um drei LEDs in den drei Grundfarben rot, gelb, blau, so wird mit dem Y-Signal die Helligkeit aller drei Dioden, mit M und K der Farbvektor, also die relative Helligkeit der drei Dioden zueinander geregelt. Da die Wahrnehmung durch den Menschen stark nichtlinear ist, ist es sinnvoll, wenn ggf. eine Korrektur des Farbvektors durch eine Korrekturfunktion des Reglers 6 in Abhängigkeit vom Y-Signal und weiteren helligkeitsbestimmenden Parametern erfolgt.
Ein helligkeitsbestimmender Parameter in diesem Sinne wäre beispielsweise die Energielieferung der Stromquelle und der Energieinhalt des Energiespeichers 2 sowie deren Ableitungen.
Natürlich ist die Anwendung beliebiger anderer Farbraummodelle als eines YMK Farbraums denkbar. Beispiele hierfür wären
Diese beispielhaften Formate sind offensichtlich nur ein Ausschnitt der möglichen Farbformate.
Es ist sinnvoll, wenn ein Farbsensor 26 entweder
Dies ist ein Beispiel für den allgemeinen Fall, dass die Wirkung der Verbraucher 4, 10, 17 überwacht wird und ebenfalls durch den Regler 6 nachgesteuert wird.
Der Regler 6 sorgt nun dafür, dass
Besonders vorteilhaft ist, dass dabei fehlerhafte Zustände der Verbraucher 4, 10, 17, wie oben beschrieben detektiert werden können.
Daher ist es sinnvoll, wenn der Regler über eine Schnittstelle IF mit einem Steuergerät, beispielsweise einer Datenverarbeitungsanlage Zustandsdaten austauschen kann.
Diese Zustandsdaten können beispielsweise unter anderem Fehlerzustände, Schaltzustände der Schaltsignale 13, 12, 23 und somit Regelwerte, Werte der Sensoren 26 und der Strommessstellen 14, 5 und Spannungen an den Knoten 7, 11 sein.
Ein weiterer Regelparameter kann die Temperatur des Systems oder von Teilen das Systems, insbesondere die Temperatur der Verbraucher 4, 10, 17 oder der Schalter 13, 12, 23 oder der Stromquelle 1 sein. Ein entsprechender Sensor ist allerdings in
Ein typischer Regelalgorithmus des Reglers 6 wird dann so gewählt, dass immer die Energieentnahme aus den beiden Energiequellen, der Stromquelle 1 und dem Energiespeicher 2 einem Maximalwert oder einem intern oder extern vorgegebenen Wert oder dem aktuellen Wert einer vorgegebenen externen Regelfunktion der Zeit entspricht, wenn nicht die Energieentnahme durch andere Faktoren, beispielsweise in diesem Beispiel der Helligkeitsvorgabe oder der Temperatur von Systemkomponenten eingeschränkt wird. Beispielsweise ist es denkbar, dass ein Konstantwert eingestellt wird oder aber, dass zu bestimmten Nachtzeiten im Falle von LEDs als Lasten unterschiedliche Helligkeiten eingestellt werden.
Somit ergibt sich ein Verfahren zur Prüfung einer solchen Vorrichtung, bei dem eine oder mehrere Lasten in einer Vorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde, und in den Ansprüchen definiert wird, betrieben werden. Die Vorrichtung weist dabei eine Messvorrichtung 5 auf, die in der Lage ist,
Hieraus ermittelt der Regler 6 oder eine andere Komponente, beispielsweise ein µ-Controller, der Daten vom Regler 6 über eine Schnittstelle IF erhält, einen Messwert für den Zustand des Verbrauchers. Die Regelfunktion des Reglers 6 wird in Abhängigkeit von der Abweichung von einer solchen Sollfunktion verändert. Der so ermittelte Messwert kann dabei auch auch ein binärer Messwert sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Messwert "defekt" oder "nicht defekt" bedeutet.
Natürlich kann dabei ein Energiespeicher 2 in einer solchen so betrieben werden, dass diese Vorrichtung eine Messvorrichtung aufweist, die in der Lage ist,
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.