[0001] Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung zur Stromversorgung einer oder mehrerer
LEDs, insbesondere eine Treiberschaltung, die eine Regelung auf einen Stromwert zur
Erzielung einer gewünschten Dimmung der LEDs umfasst. Unter einer LED ist jede Halbleiterlichtquelle
zu verstehen, worunter auch organische Halbleiterlichtquellen, sogenannte OLEDs, zu
zählen sind.
[0002] Die Treiberschaltung der eingangs genannten Art werden typischerweise in zwei verschiedenen
Varianten realisiert. Zum einen gibt es eine Pulsweitenmodulationsansteuerung bei
der LED-Strom mit pulsweitenmoduliertem Signal an- und abgeschaltet wird. Zum anderen
gibt es ein analoges Verfahren, bei dem der Strom ohne Unterbrechung auf einen gewünschten
Wert geregelt werden kann. Das Pulsweitenmodulationsverfahren wird jedoch für Allgemeinbeleuchtung
als nicht bevorzugt angesehen, da es zu Stroboskopeffekten, insbesondere Störungen
von Kameras oder Störungen von Barcode-Scannern kommen kann. Außerdem werden auch
gesundheitliche Auswirkungen durch den Stroboskopeffekt befürchtet.
[0003] Somit ist die analoge Stromregelung bevorzugt. Eine typische Schaltung nach dem Stand
der Technik ist in Figur 1 dargestellt. Eine LED-Last, welche eine oder mehrere LEDs
umfassen kann, wird durch eine integrierte Schaltung gesteuert. Die integrierte Schaltung
weist einen Eingang CS auf, an welcher ein Messwiderstand R
CS zur Erde angeschlossen ist. Durch den Messwiderstand R
CS fließt im eingeschalteten Zustand der gleiche Strom, welcher durch die LED-Last fließt.
Der Spannungsabfall über R
CS wird im integrierten Schaltkreis gemessen und zur Regelung einer gewünschten Stromstärke
für die LED-Last im integrierten Schaltkreis verwendet.
[0004] Ein Nachteil dieser Art der analogen Stromregelung ist jedoch, dass bei kleinen Stromwerten
der Spannungsabfall am Messwiderstand sehr klein werden kann. Durch Ströme die sich
unweigerlich in der Schaltung, z.B. aus Schalttransistoren ergeben, wird demnach bei
kleinen Stromwerten die Auswertung des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand
für die Regelung des Stromes unbrauchbar. Somit ergibt sich bei einer derartigen analogen
Stromregelung ein minimaler unterer Wert, bis zu dem die Stromregelung zuverlässig
erfolgen kann. Eine Möglichkeit, um zu noch kleineren Stromwerten zu gelangen, wäre
es, den Wert des Strommesswiderstandes zu erhöhen. Das hat aber zur Folge, dass die
Verlustleistung an dem Widerstand bei höheren Strömen zu großen Verlusten führt und
sogar thermische Probleme auftreten können.
[0005] Eine Regelung auf niedrige Stromwerte war im Stand der Technik demnach nur durch
die Regelung nach dem Pulsweitenmodulationsverfahren möglich. Es wurden auch kombinierte
Verfahren angewandt, indem in einem unteren Strombereich das Pulsweitenmodulationsverfahren
und einem höheren Strombereich die analoge Stromregelung wie vorhergehend beschrieben
angewandt wurde, um einen größeren Dimmbereich für LEDs bereitzustellen. Dies hat
jedoch wieder den vorhergehend beschriebenen Nachteil des Stroboskopeffekts bei niedrigen
Stromwerten.
[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Treiberschaltung zur Stromversorgung
von LEDs bereitzustellen, welche einen möglichst weiten Strombereich zur Erzielung
eines großen Dimmbereichs abdeckt und die Nachteile einer Pulsweitenmodulation dabei
vermeidet.
[0007] Gelöst wird die Aufgabe durch eine Treiberschaltung zur Stromversorgung von einer
oder mehreren LEDs gemäß Anspruch 1.
[0008] Eine Besonderheit der Treiberschaltung der vorliegenden Erfindung besteht darin,
dass der Strommesswiderstand auf wenigstens zwei verschiedene Werte geschaltet wird,
wobei der niedrigere der beiden Werte zur Messung des Stroms durch die LEDs in einem
niedrigeren Strombereich und der höhere der beiden Werte zur Messung des Stroms durch
die LEDs in einem höheren Strombereich angewandt wird. Dadurch wird der Strommesswiderstand
an den jeweils zu messenden Strombereich angepasst, so dass der Spannungsabfall über
den Strommesswiderstand einen akzeptablen Wert annimmt, welcher von der Treiberschaltung
leicht verarbeitet werden kann. Dadurch ist ein Messen auch von kleinen Strömen möglich.
Ferner ist die am Strommesswiderstand umgesetzte Leistung begrenzt, weil im höheren
Strombereich ein niedrigerer Messwiderstand ausgewählt wird. Dadurch werden die Verlustleistung
und die daraus resultierenden thermischen Probleme begrenzt.
[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Messwiderstand durch wenigstens zwei
parallel geschaltete Widerstände gebildet, von denen wenigstens einer der beiden Widerstände
elektronisch zu- oder abschaltbar ist. Beispielsweise sind die beiden Widerstände,
welche zusammen den Strommesswiderstand bilden, parallel zueinander im Stromkreis
der LEDs zur Erde geschaltet, wobei in einem der beiden parallelen Zweige ein elektronischer
Schalter vorgesehen ist, der geöffnet oder geschlossen werden kann. Dadurch wird der
Strommesswiderstand entweder nur durch einen der beiden Widerstände (wenn der Schalter
geöffnet ist) oder durch beide parallel geschaltete Widerstände (wenn der Schalter
geschlossen ist) gebildet. Dadurch lassen sich zwei verschiedene Werte für den Strommesswiderstand
realisieren. Es können auch mehr als nur zwei Widerstände parallel vorgesehen sein.
Ferner können auch mehr als nur ein elektronischer Schalter vorgesehen sein. Es kann
auch jeder der parallel geschalteten Widerstände mit einem elektronischen Schalter
in Reihe geschaltet sein, wobei in diesem Fall wenigstens einer der Schalter beim
Betrieb der LED geschlossen ist.
[0010] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die elektronische Zu- und Abschaltung
des wenigstens einen Widerstandes durch Ansteuern eines Gates von einem Feldeffekttransistor,
FET, dessen Source und Drain in Reihe zu dem Widerstand geschaltet ist. Ein FET hat
im geschlossenen Zustand zwischen Source und Drain einen sehr geringen Widerstand,
so dass der Widerstand des Feldeffekttransistors selbst vernachlässigbar ist. Insbesondere
ist der Innenwiderstand des FET weitgehend thermisch stabil, so dass Messfehler durch
einen sich verändernden Innenwiderstand des FED minimiert werden.
[0011] Gemäß einer bevorzugen Ausführungsform kann der FET mit einem Microcontroller angesteuert
werden. Der Microcontroller muss bei dieser Ausführungsform lediglich eine Spannung
erzeugen, welche an das Gate anzulegen ist, um den FET zwischen Source und Drain zu
öffnen bzw. zu schließen. Im Vergleich zu einem elektronischen Schalter, der durch
ein Relais gebildet ist, ist eine solche Schaltung einfacher aufzubauen und lässt
sich auch vollständig als integrierte Schaltung realisieren.
[0012] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht das Maximum des niedrigeren Strombereichs
dem Minimum des höheren der beiden Strombereiche. Wenn in dieser Schaltung der zu
messende Strom die Grenze der beiden Strombereiche erreicht, schaltet die Treiberschaltung
den Strommesswiderstand um, um den Spannungsabfall an dem Strommesswiderstand entsprechend
zu verringern bzw. zu erhöhen.
[0013] Gemäß einer alternativen Ausführungsform können die beiden Strombereiche jedoch auch
teilweise überlappen. Dadurch werden häufige Schaltvorgänge zwischen den Strommesswiderständen
verhindert, falls der zu messende Strom durch die LEDs zufällig genau im Bereich zwischen
den beiden Strombereichen pendelt. Beispielsweise kann der Messwiderstand beim Erreichen
des Maximum des unteren Strombereichs auf den niedrigeren Wert umgeschaltet werden
und umgekehrt erst beim Erreichen des Minimum des höheren Strombereichs wieder auf
den höheren Wert geschaltet werden. Durch diese Art Hysterese wird verhindert, dass
häufige Schaltvorgänge bei geringen Stromschwankungen um die Grenze zwischen den Strombereichen
auftreten, die sich als Flackern der LED bemerkbar machen könnten.
[0014] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Strommesswiderstand wenigstens zwei
Werte annehmen, wobei der niedrigere Wert zwischen 0,1 Ohm und 0,5 Ohm und der höhere
der beiden Werte zwischen 0,9 Ohm und 1,7 Ohm liegt. Bei einem Versorgungsstrom, der
typischerweise zwischen 20 mA und 1 A beträgt, und bei einem Strommesswiderstand,
der bei etwa 200 mA umgeschaltet wird, kann die Verlustleistung auf maximal 0,5 W
begrenzt werden.
[0015] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der niedrigere Strombereich 20 mA bis
200 mA umfassen und der höhere Strombereich 200 mA bis 1 A umfassen. Es kann auch
vorgesehen sein, dass die Strombereiche auch überlappen, wie vorhergehend beschrieben,
so dass z.B. der niedrigere Strombereich einen Maximalwert von 250 mA umfasst, während
der höhere Strombereich einen Minimalwert von 150 mA umfasst.
[0016] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Strommesswiderstand auch mehr als
nur zwei Werte, z.B. drei oder vier Werte, für drei oder vier Strombereiche annehmen.
[0017] Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die in Verbindung mit den Figuren
gegeben wird, deutlich. In den Figuren ist Folgendes dargestellt:
- Figur 1
- zeigt eine LED-Treiberschaltung gemäß dem Stand der Technik.
- Figur 2
- zeigt eine LED-Treiberschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[0018] Eine Ausführungsform einer Treiberschaltung für LEDs gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in Figur 2 dargestellt. Ähnlich wie eine Treiberschaltung aus dem Stand der Technik,
die in Figur 1 dargestellt ist, wird eine LED-Last 3, welche durch eine oder mehrere
LEDs gebildet sein kann (in den Figuren nur eine LED dargestellt) über eine Versorgungsspannung,
die von einem integrierten Schaltkreis 2 bereitgestellt wird, angesteuert. Der integrierte
Schaltkreis 2 sorgt für eine Konstantstromversorgung durch die LED-Last 3. Ein Konstantstrom
lässt sich einstellen (in der Figur nicht dargestellt), um eine gewünschte Dimmung
der LED-Last zu erzeugen. Ferner kann die LED-Last durch die integrierte Schaltung
ein- und ausgeschaltet werden. Dazu ist an einem Ausgang GATE des integrierten Schaltkreises
2 ein Feldeffektransistor 4 angeschlossen, der die LED-Last 3 mit Erde verbindet,
wenn er geschlossen. In diesem Stromkreis ist ein Widerstand R
CS vorgesehen. Durch diesen Widerstand R
CS fließt daher der gleiche Strom, welcher auch durch die LED-Last 3 fließt. Der Spannungsabfall
über den Widerstand R
CS wird an einem Eingang CS der integrierten Schaltung 2 gemessen und dient zur Steuerung
des Konstantstroms durch die LED. Soweit ist die Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung auch gleich zu der in Figur 1 dargestellten Schaltung nach dem Stand der
Technik.
[0019] In der erfindungsgemäßen Schaltung nach Figur 2 ist zusätzlich ein zweiter Widerstand
R
CS2 vorgesehen, welcher parallel zu dem ersten Widerstand R
CS geschaltet ist und über einen Halbleiterschalter, z.B. einen Feldeffekttransistor
22 ebenfalls mit Masse verbunden ist. Wenn der Feldeffekttransistor 22 durchgeschaltet
ist, d.h. eine leitende Verbindung zwischen Drain und Source besteht, liegt der Widerstand
R
CS2 parallel zum Widerstand R
CS, so dass der Strommesswiderstand für die integrierte Schaltung 2 insgesamt durch
die Parallelschaltung von R
CS und R
CS2 gegeben ist. Das Gate des Feldeffekttransistors 22 liegt an einem Ausgang eines
Microcontrollers 24 an und wird durch diesen gesteuert. Ferner stellt der Microcontroller
24 eine Steuerspannung bereit, die auf einen Eingang LD der integrierten Schaltung
2 wirkt, um den Versorgungsstrom durch die LED einzustellen. Der Microcontroller 24
dient in dieser Ausführungsform auch dazu, den Strom für die gewünschte Dimmung der
LED-Last einzustellen. Der Microcontroller 24 erzeugt eine der gewünschten Dimmung
entsprechenden Steuerspannung, die an den Eingang LD der integrierten Schaltung 2
anliegt, wobei der über die Bereichsumschaltung vom Microcontroller 24 ausgewählte
Strommesswiderstand berücksichtigt wird.
[0020] In Betrieb wird von der integrierten Schaltung 2 der Strom durch die LED-Last eingestellt.
Zum Dimmen der LED kann ein beliebiger Strom beispielsweise zwischen 20 mA und 1 A
eingestellt werden.
[0021] In einem Strombereich von 200 mA bis 1 A legt der Microcontroller eine Spannung an
das Gate des Halbleiterschalters, der durch den FET 22 gegeben ist, an, so dass eine
Verbindung von Drain zu Source durchgeschaltet ist. In diesem Schaltungszustand sind
die Widerstände R
CS und R
CS2 parallel zueinander mit Erde verbunden. Die Parallelschaltung aus R
CS und R
CS2 wirkt in diesem Schaltungszustand als Messwiderstand für die Stromregelung der LED-Last.
Der integrierte Schaltkreis 2 misst den Spannungsabfall über die Parallelschaltung
der Widerstände R
CS und R
CS2, um den Strom durch die LEDs auf einen konstanten Wert zu regeln.
[0022] Wenn der Strom zur Dimmung der LEDs auf einen geringeren Wert geregelt werden soll,
z.B. auf einen Strom in einem Bereich zwischen 20 mA und 200 mA, wird über den Microcontroller
24 der Feldeffekttransistor 22 angesteuert, um die Verbindung zwischen Drain und Source
zu öffnen. In diesem Fall fließt der Versorgungsstrom durch die LED-Last 3 nur noch
durch den Widerstand R
CS, so dass in diesem Schaltungszustand der Messwiderstand zur Bestimmung des Stroms
nur durch den Widerstand R
CS gegeben ist.
[0023] Somit wird über den Microcontroller 24 der Strommesswiderstand entsprechend einem
vorgegebenen Strombereich zwischen zwei Werte umgeschaltet. Im niedrigeren Strombereich
ist der Messwiderstand nur durch R
CS gegeben, während für den höheren Strombereich der Messwiderstand durch die Parallelschaltung
von R
CS und R
CS2 gegeben ist entsprechend geringer ist. Beispielsweise kann der Widerstand R
CS und R
CS2 jeweils 1,2 Ohm betragen, so dass im höheren Strombereich von 200 mA bis 1 µA effektiv
nur ein Strommesswiderstand von 0,6 Ohm gegeben ist. Dadurch wird die am Messwiderstand
umgesetzte Leistung bei größeren Strömen verringert. Da der Strom aber im höheren
Messbereich liegt, ist der Spannungsabfall immer noch ausreichend hoch, um eine präzise
Strommessung zu ermöglichen. In dem niedrigeren Strommessbereich wird der Messwiderstand
entsprechend erhöht, z.B. auf 1,2 Ohm, so dass auch bei den niedrigeren zu messenden
Versorgungsströmen noch ein ausreichend hoher Spannungsabfall für den Messwiderstand
gegeben ist.
[0024] Über den Microcontroller 24 wird ferner eine Steuerspannung ausgegeben, die auf die
integrierte Schaltung 12 einwirkt, um die Strommessung entsprechen den ausgewählten
Messwiderstand um den entsprechenden Faktor auszugleichen.
[0025] Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellte Schaltung von zwei Widerständen
R
CS und R
CS2 beschränkt. Es können auch mehr als zwei Widerstände parallel geschaltet werden
und es können auch mehr als lediglich zwei Strombereiche zur Messung des Stroms vorgesehen
sein.
[0026] Die übrige Schaltung zur LED-Stromversorgung entspricht der Ausführungsform im Stand
der Technik. Dadurch lässt sich die erfindungsgemäße Bereichsumschaltung für den Messwiderstand
auch einfach mit vorhandenen aus dem Stand der Technik bekannten integrierten Schaltkreisen
für eine LED-Stromversorgung realisieren.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0027]
- 2
- integrierter Schaltkreis
- 3
- LED-Last
- 4
- Halbleiterschalter, z.B. Feldeffekttransistor
- 22
- Halbleiterschalter, z.B. Feldeffekttransistor
- 24
- Microcontroller
- RCS, RCS2
- Strommesswiderstand
1. Treiberschaltung zur Stromversorgung von einer oder mehreren LEDs (3), umfassend eine
regelbare Konstantstromquelle zum Anschluss einer oder mehrerer in Reihe geschalteter
LEDs (3), und
einen Strommesswiderstand (RCS, RCS2), der in Reihe mit der einen oder den mehreren LEDs geschaltet ist, wobei die Treiberschaltung
dazu eingerichtet ist, über einen Spannungsabfall des Strommesswiderstands (RCS, RCS2) den Strom durch die eine oder die mehreren LEDs (3) zu bestimmen, um den Strom
auf einen vorgegebenen Wert zu regeln,
dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung ferner dazu eingerichtet ist, den Strommesswiderstand (RCS, RCS2) auf wenigstens zwei verschiedene Werte zu schalten, wobei auf den niedrigeren der
beiden Werte zur Messung des Stroms durch die eine oder die mehreren LEDs (3) in einem
höheren Strombereich und auf den höheren der beiden Werte für eine Messung des Stroms
durch die einen oder die mehreren LEDs (3) in einem niedrigeren Strombereich geschaltet
wird.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei die Umschaltung des Strommesswiderstands (RCS, RCS2) durch einen Microcontroller (24) gesteuert ist und der Microcontroller ferner eine
Steuerspannung bereitstellt, welche die Stromerzeugung an der Konstantstromquelle
entsprechend dem ausgewählten Messwiderstand (RCS, RCS2) einstellt.
3. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Messwiderstand (RCS, RCS2) durch wenigstens zwei parallel geschaltete Widerstände (RCS, RCS2) gebildet ist, von denen wenigstens einer (RCS2) elektronisch zu- oder abschaltbar ist.
4. Treiberschaltung nach Anspruch 3, wobei die elektronische Zu- und Abschaltung des
wenigstens einen Widerstands (RCS2) durch ein Ansteuern eines Gates (G) von einem Feldeffekttransistor, FET, (22) erfolgt,
dessen Source (S) und Drain (D) in Reihe mit dem Widerstand geschaltet ist.
5. Treiberschaltung nach Anspruch 4 mit Rückbezug auf Anspruch 2, wobei das Gate (G)
des FET (22) durch den Microcontroller (24) angesteuert wird.
6. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Maximum des niedrigeren
Strombereichs einem Minimum des höheren der beiden Strombereiche entspricht.
7. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die beiden Strombereiche
teilweise überlappen.
8. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strommesswiderstand
wenigstens zwei Werte annehmen kann, wobei der niedrigere Wert zwischen 0,1 Ohm und
0,7 Ohm und der höhere Werte zwischen 0,9 Ohm und 1,7 Ohm liegt.
9. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der niedrigere Strombereich
20 mA bis 200 mA umfasst und der höhere Strombereich 200 mA bis 1 A umfasst.
10. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strommesswiderstand
mehr als zwei Werte, insbesondere drei oder vier Werte annimmt, um zwischen mehr als
zwei Strombereichen, insbesondere drei oder vier Strombereichen, umzuschalten.