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Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für eine Leuchtdiodenanordnung. Eine solche Leuchtdiodenanordnung kann zum Beispiel eine Serienschaltung oder Reihenschaltung aus mehreren Leuchtdioden aufweisen. Die Treiberschaltung kann über einen Versorgungsanschluss an eine Spannungsquelle angeschlossen werden und weist eine Aufwärtswandler-Induktivität auf, um für die Leuchtdiodenanordnung eine Eingangsspannung aus der Spannungsquelle auf ein höheres Spannungsniveau zu wandeln. Zu der Erfindung gehören auch eine Leuchtvorrichtung mit der Treiberschaltung sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung.
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Für Beleuchtungszwecke kann eine Leuchtdiodenanordnung verwendet werden. Dies gilt sowohl für die Gebäudebeleuchtung (zum Beispiel als Ersatz für Glühlampen) als auch in der Automobiltechnik. Die Ansteuerung einer solchen Leuchtdiodenanordnung erfolgt typischerweise mit geregeltem Konstantstrom, also einem elektrischen Gleichstrom, dessen Stromstärke mittels einer Reglereinrichtung auf einen konstanten Wert geregelt wird oder zumindest in einem vorbestimmten Wertebereich gehalten wird. Dies hat sich für eine Leuchtdiodenanordnung mit einer Reihenschaltung aus Leuchtdioden als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Dabei besteht aber das Problem, dass die Treiberschaltung für eine Mehrfach-Einsetzbarkeit Leuchtdiodenanordnungen mit unterschiedlicher Anzahl an in Reihe geschalteten Leuchtdioden ansteuern können soll. Ein Beispiel hierfür ist die typische Anforderung an eine Treiberschaltung in einem Kraftfahrzeug, die im Stande sein soll, eine Leuchtdiodenanordnung mit einer Leuchtdiode bis hin zu 14 in Reihe geschalteten Leuchtdioden anzutreiben. Dies soll bei einer Versorgungsspannung oder Eingangsspannung von 9 V bis 16 V, mitunter sogar von 6 V bis 20 V, möglich sein.
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Um hierbei den besagten Konstantstrom als Diodenstrom durch die Leuchtdiodenanordnung treiben zu können, muss entsprechend die Ausgangsspannung an der Leuchtdiodenanordnung variiert werden können. Hierbei kann es dann vorkommen, dass diese Ausgangsspannung mal größer und mal kleiner als die Eingangsspannung sein muss.
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Zum Wandeln der Eingangsspannung kann in der Treiberschaltung ein induktiver DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) verwendet werden, wobei aber eine Wandler-Topologie eines Abwärtswandlers (Buck-Wandler) oder Aufwärtswandlers (Boost-Wandler) nicht die elektrische Anforderung erfüllt, dass die Ausgangsspannung wahlweise größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein soll.
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Aus der
US 2011/0089915 A1 ist ein kombinierter Buck-Boost-Wandler bekannt, der zudem eine hysteretische Regelung zum Regeln einer Stromstärke aufweist, um einen Konstantstrom für zum Beispiel eine Leuchtdiodenanordnung bereitzustellen. Für die abwechselnde Aufwärtswandlung und Abwärtswandlung ist allerdings eine aufwändige H-Brückenschaltung notwendig, um eine elektrische Spule sowohl für die Aufwärtswandlung als auch für die Abwärtswandlung nutzen zu können.
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Ein Buck-Boost-Wandler ist auch aus der
US 7 265 524 B2 bekannt. Auch hier ist eine aufwändige H-Brückenschaltung vorgesehen.
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Aus der
DE 696 16 937 T2 ist ein Buck-Boost-Wandler bekannt, in welchem ein Aufwärtswandler und ein Abwärtswandler kombiniert sind, wobei eine Aufwärtswandler-Induktivität den Versorgungsanschluss mit einem Schaltungsknoten verbindet und eine Abwärtswandler-Induktivität einen Anschluss für ein Leuchtmittel ebenfalls mit dem Schaltungsknoten verbindet.
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Aus der
DE 10 2008 025 748 A1 ist bekannt, dass bei einer Treiberschaltung für eine Leuchtdiodenanordnung das Schaltelement für eine gleiche Spannungswandlung eines aktiven Schaltwandlers einerseits und ein Schaltelement zum Einstellen einer Dimmung der Leuchtdiodenanordnung andererseits getrennt voneinander angesteuert werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treiberschaltung zum Regeln eines Diodenstroms einer Leuchtdiodenanordnung bereitzustellen, wobei in Bezug auf die verfügbare Eingangsspannung sowohl eine Aufwärtswandlung als auch eine Abwärtswandlung ermöglicht sein soll.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung umfasst auch Weiterentwicklungen, die durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben sind.
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Durch die Erfindung ist eine Treiberschaltung für eine Leuchtdiodenanordnung bereitgestellt. Die Treiberschaltung kann beispielsweise als ein Bestandteil eines Steuergeräts für die Leuchtdiodenanordnung vorgesehen sein. Die Leuchtdiodenanordnung kann beispielsweise eine einzelne Leuchtdiode oder eine Serienschaltung oder Reihenschaltung aus mehreren Leuchtdioden aufweisen. Die Leuchtdiodenanordnung kann mit einem Diodenstrom aus der Treiberschaltung betrieben oder versorgt werden. Bei fließendem Diodenstrom leuchtet die zumindest eine Leuchtdiode der Leuchtdiodenanordnung. Bei der Treiberschaltung ist vorgesehen, zum Anschließen der Leuchtdiodenanordnung eine Anodenseite der Leuchtdiodenanordnung mit einem Anodenanschluss der Treiberschaltung und eine Kathodenseite der Leuchtdiodenanordnung mit einem Kathodenanschluss der Treiberschaltung elektrisch zu verbinden. Ein „Anschluss“ ist hier ein elektrischer Kontakt oder eine Elektrode. Die Anodenseite und die Kathodenseite ergeben sich durch die entsprechenden Bezeichnungen an den Leuchtdioden der Leuchtdiodenanordnung selbst.
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Um die Treiberschaltung zur Energieversorgung an eine Spannungsquelle anzuschließen, ist ein Versorgungsanschluss bereitgestellt. Aus der Spannungsquelle kann über den Versorgungsanschluss eine Eingangsspannung empfangen werden, bei der es sich insbesondere um eine Gleichspannung handelt. Die Eingangsspannung kann geschaltet sein, d.h. durch Abschalten der Eingangsspannung wird auch der Leuchtbetrieb der Leuchtdiodenanordnung unterbrochen oder beendet.
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In der Treiberschaltung ist der Versorgungsanschluss über eine Aufwärtswandler-Induktivität mit einem zentralen oder gemeinsamen Schaltungsknoten verbunden. Die Aufwärtswandler-Induktivität kann durch eine elektrische Drossel oder Spule realisiert sein. Ein Schaltungsknoten ist im Zusammenhang mit der Erfindung ein Knotenpunkt oder ein Leitungsabschnitt, über welchen mehrere elektrische Bauteile der Treiberschaltung elektrisch verbunden sind. Den Schaltungsknoten verbindet entsprechend des Weiteren eine Schalteinheit mit einem Massepotential der Treiberschaltung. Die Schalteinheit ist dazu eingerichtet, den Schaltungsknoten in Abhängigkeit von einem Schaltsignal mit dem Massepotential elektrisch zu verbinden (kurzzuschließen). In Abhängigkeit von dem aktuellen Wert des Schaltsignals ist also der Schaltungsknoten mit dem Massepotential entweder elektrisch verbunden oder von diesem getrennt. Die Schalteinheit kann beispielsweise auf der Grundlage eines Transistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors, realisiert sein. An dem Schaltungsknoten ist des Weiteren eine Gleichrichteinheit angeschlossen. Die Gleichrichteinheit verbindet den Schaltungsknoten mit dem Anodenanschluss der Treiberschaltung. Die Gleichrichteinheit kann auf der Grundlage einer Diode gebildet sein. Die Durchlassrichtung ist dann vom Schaltungsknoten hin zum Anodenanschluss ausgerichtet.
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Erfindungsgemäß ist die Gleichrichteinheit mit dem Anodenanschluss über einen Schaltungszweig verbunden, an welchen ein Anschluss einer Speicherkapazität angeschlossen ist. Mit anderen Worten kann die Speicherkapazität mit Energie aus der Spannungsquelle über die Aufwärtswandler-Induktivität und die Gleichrichteinheit aufgeladen werden. Während die Schalteinheit elektrisch leitend geschaltet ist und somit der Schaltungsknoten zum Massepotential hin kurzgeschlossen ist, kann der Diodenstrom der Leuchtdiodenanordnung dann in vorteilhafter Weise mittels der Speicherkapazität getrieben werden. Die Speicherkapazität kann auf der Grundlage eines Kondensators oder mehrerer Kondensatoren gebildet sein.
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Dieser Aufbau oder diese Bauweise der Treiberschaltung entspricht einem Aufwärtswandler-Teil oder Boost-Wandler. Bei einem herkömmlichen Aufwärtswandler wäre nun der Kathodenanschluss zum Anschließen der Kathodenseite der Leuchtdiodenanordnung einfach mit dem besagten Massepotential verbunden. Die Erfindung stellt nun aber zusätzlich die Funktion eines Abwärtswandlers oder Buck-Wandlers bereit, indem erfindungsgemäß stattdessen vorgesehen ist, dass der Kathodenanschluss der Treiberschaltung ebenfalls mit dem Schaltungsknoten elektrisch verbunden ist. Die elektrische Verbindung muss aber nicht direkt sein, sondern sie kann über zumindest ein elektrisches Bauteil geführt oder bereitgestellt sein. Für die Abwärtswandlung ist nämlich in einer Ausgestaltung zwischen den Kathodenanschluss und den Schaltungsknoten eine Abwärtswandler-Induktivität geschaltet. Der Kathodenanschluss ist dann also über die Abwärtswandler-Induktivität mit dem Schaltungsknoten verbunden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann in einer weiteren Ausgestaltung eine Abwärtswandler-Induktivität zwischen die Gleichrichteinheit und den Anodenanschluss geschaltet sein. Die beiden möglichen Verschaltungsorte für eine Abwärtswandler-Induktivität ergeben sich dadurch, dass aufgrund der Stromerhaltung (1. Kirchhoff`sches Gesetz) die Verschaltung der Abwärtswandler-Induktivität vor dem Anodenanschluss und nach dem Kathodenanschluss äquivalent ist. Die Abwärtswandler-Induktivität kann durch eine elektrische Drossel oder Spule realisiert sein.
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Anstelle einer einzelnen Induktivität mit einer aufwendigen H-Brückenschaltung nutzt die Erfindung also zwei Induktivitäten, nämlich eine Aufwärtswandler-Induktivität und eine Abwärtswandler-Induktivität. Hierdurch lässt sich als Vorteil der Bedarf an Schalteinheiten auf die eine besagte Schalteinheit reduzieren, mittels welcher der Schaltungsknoten mit dem Massepotential verbunden werden kann. Entsprechend einfach kann auch die Steuerung realisiert werden. Der Bauteilaufwand ist somit in vorteilhafter Weise gering.
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Erfindungsgemäß ist die Gleichrichteinheit mit dem Anodenanschluss über einen Schaltungszweig verbunden, an welchen ein Anschluss eines RC-Glieds angeschlossen ist. Ein solches RC-Glied kann auf der Grundlage einer Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandselements und eines Kondensators gebildet sein. Das RC-Glied kann parallel zu dem besagten Speicherkondensator geschaltet sein. Mittels des RC-Glieds kann eine Dämpfung bewirkt werden, um ein Resonanzverhalten, wie es durch die Aufwärtswandler-Induktivität, den Speicherkondensator und eine Eingangskapazität am Versorgungsanschluss resultieren kann, zu dämpfen.
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Die Erfindung umfasst auch weiterführende Ausgestaltungen, die jeweils einen zusätzlichen technischen Vorteil ergeben.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der Kathodenanschluss ausschließlich über den Schaltungsknoten und die Schalteinheit mit dem Massepotential verbunden, d.h. es gibt keinen anderen Strompfad zum Massepotential. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss fließende Diodenstrom nicht ungeschaltet zum Massepotential abfließen kann.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Anodenanschluss und der Kathodenanschluss über eine Glättungskapazität verbunden sind. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine Welligkeit des Diodenstroms der Leuchtdiodenanordnung im Vergleich zu einer Welligkeit des durch die Abwärtswandler-Induktivität fließenden Stromes reduziert werden. Die Glättungskapazität kann mittels eines Kondensators oder mehrerer Kondensatoren gebildet sein.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass zum Erzeugen des Schaltsignals, mittels welchem die Schalteinheit geschaltet wird, eine hysteretische Reglereinrichtung bereitgestellt ist. Eine andere Bezeichnung für eine hysteretische Regelung ist auch Bang-Bang-Regelung. Sie ist dazu eingerichtet, die Schalteinheit mittels des Schaltsignals zu schalten und hierbei eine Stromstärke des von dem Kathodenanschluss zum Schaltungsknoten fließenden Stromes zwischen einem vorbestimmten Mindestwert und einem vorbestimmten Höchstwert zu halten. Der Mindestwert ist dabei kleiner als der Höchstwert.
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Um die aktuelle Stromstärke des zu regelnden Stromes zu ermitteln, sieht eine Ausgestaltung vor, dass der Kathodenanschluss mit dem Schaltungsknoten über eine Strommesseinheit verbunden ist, die zum Erzeugen eines mit der Stromstärke korrelierten Messsignals ausgelegt ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Stromstärke direkt im fraglichen Schaltungszweig ermittelt.
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Zum Erzeugen des Messsignals sieht eine Ausgestaltung vor, dass der Kathodenanschluss mit dem Schaltungsknoten über einen Shunt-Widerstand der Strommesseinheit elektrisch verbunden ist. Dies ergibt den Vorteil, dass die Messung der Stromstärke derart genau ist, dass Leuchtdioden der Leuchtdiodenanordnung vor einer durch Überstrom verursachten Beschädigung geschützt sind.
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Um dann den besagten Mindestwert und den besagten Höchstwert einzuhalten, sieht eine Ausgestaltung vor, dass eine erste Komparatoreinheit dazu eingerichtet ist, das besagte Messsignal der Strommesseinheit mit einem ersten Referenzsignal zu vergleichen und ein Ergebnis des Vergleichs als ein erstes Vergleichssignal zu signalisieren. Des Weiteren ist eine zweite Komparatoreinheit dazu eingerichtet, das Messsignal mit einem zweiten Referenzsignal zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs als ein zweites Vergleichssignal zu signalisieren. Eine Flip-Flop-Einheit ist dazu eingerichtet, das erste Vergleichssignal der Vergleichssignale an einem Set-Eingang und das zweite Vergleichssignal der Vergleichssignale an einem Reset-Eingang zu empfangen. An einem Ausgang der Flip-Flop-Einheit wird dann das Schaltsignal erzeugt. Das Schaltsignal wird dabei auf einen Einschaltwert eingestellt, wenn die Stromstärke kleiner als der durch das erste Referenzsignal festgelegte Mindestwert ist, und das Schaltsignal wird auf einen Ausschaltwert eingestellt, wenn die Stromstärke größer als der durch das zweite Referenzsignal festgelegte Höchstwert ist. Der Einschaltwert schaltet die Schalteinheit elektrisch leitend, der Ausschaltwert schaltet die Schalteinheit elektrisch sperrend. Eine Komparatoreinheit kann auf der Grundlage eines Operationsverstärkers in Komparatorschaltung gebildet sein. Die Reglereinrichtung ist in vorteilhafter Weise sehr aufwandsarm realisierbar.
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Die Gleichrichteinheit kann in der besagten Weise auf der Grundlage zumindest einer Diode gebildet sein. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass in der Gleichrichteinheit eine zusätzliche Schalteinheit vorgesehen ist, die hier als Gleichricht-Schalteinheit bezeichnet ist. Diese weist gegenüber einer Diode den Vorteil eines geringeren Durchlasswiderstandes auf. Die Gleichricht-Schalteinheit kann auf der Grundlage eines Transistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors, gebildet sein.
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Um die Gleichricht-Schalteinheit aufwandsarm zu schalten, sieht eine Ausgestaltung vor, dass für die Gleichricht-Schalteinheit eine Invertiereinrichtung bereitgestellt ist, die dazu eingerichtet ist, die Gleichricht-Schalteinheit invers zur Schalteinheit, welche den Schaltungsknoten mit dem Massepotential verbindet, zu schalten. Es ist dann also stets entweder diese Schalteinheit oder die Gleichricht-Schalteinheit elektrisch leitend geschaltet, aber nie beide zugleich. Die Invertiereinrichtung kann auf der Grundlage eines logischen Gatters gebildet sein. Sie kann durch den invertierenden Ausgang der besagten Flip-Flop-Einheit bereitgestellt sein.
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Eine Ausgestaltung ermöglicht auch eine Dimmfunktion für die Leuchtdiodenanordnung. Hierzu ist ein Dimm-Anschluss zum Empfangen eines Dimmsignals bereitgestellt. Des Weiteren ist dem Anodenanschluss eine Dimm-Schalteinheit vorgeschaltet oder dem Kathodenanschluss eine Dimm-Schalteinheit nachgeschaltet. Die Dimm-Schalteinheit ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Dimmsignal den zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss fließenden Diodenstrom zu sperren. Das Dimmsignal kann beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes Signal sein, also auf einer Pulsweitenmodulation (PWM) beruhen. Durch die beschriebene Anordnung der Dimm-Schalteinheit ist diese in Reihe oder Serie mit der Leuchtdiodenanordnung selbst geschaltet. Damit kann sie den Diodenstrom zuverlässig oder direkt vollständig unterbrechen oder durchlassen. Dies gewährleistet in vorteilhafter Weise steile Schaltflanken, wodurch ein Kontrastverhältnis maximiert ist. Die Dimm-Schalteinheit kann auf der Grundlage eines Transistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors, gebildet sein.
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Zu der Erfindung gehört auch die Kombination aus der Treiberschaltung und einer Leuchtdiodenanordnung. Die sich hierdurch ergebende Leuchtvorrichtung sieht vor, dass an den Anodenanschluss der Treiberschaltung die Anodenseite der Leuchtdiodenanordnung und an den Kathodenanschluss der Treiberschaltung die Kathodenseite der Leuchtdiodenanordnung angeschlossen ist. Die Leuchtvorrichtung kann beispielsweise als ein Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug oder als eine Leuchtquelle für eine Gebäudeleuchte oder für einen Kraftfahrzeug-Innenraum oder eine Kraftfahrzeug-Signalleuchte ausgestaltet sein.
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Im Zusammenhang mit der Verwendung der Erfindung in einem Kraftfahrzeug sieht die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung vor, wobei das Kraftfahrzeug dazu eingerichtet ist, zwischen dem Versorgungsanschluss und einem Masseanschluss der Treiberschaltung der Leuchtvorrichtung mittels einer Spannungsquelle eine Eingangsspannung bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen sein.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung;
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung;
- 3 ein Ersatzschaltbild zur Veranschaulichung einer ersten Schaltphase der Treiberschaltung;
- 4 ein Ersatzschaltbild zur Veranschaulichung einer zweiten Schaltphase der Treiberschaltung;
- 5 ein Diagramm mit schematisierten zeitlichen Verläufen von elektrischen Größen der Treiberschaltung;
- 6 ein Diagramm mit weiteren schematisierten Verläufen von elektrischen Größen der Treiberschaltung (8V-Fall);
- 7 ein Diagramm mit weiteren schematisierten Verläufen von elektrischen Größen der Treiberschaltung (20V-Fall);
- 8 zwei Diagramme mit einer Vergrößerung von zeitlichen Verläufen;
- 9 ein weiteres Diagramm mit einer Vergrößerung von zeitlichen Verläufen.
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Funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Treiberschaltung 10, an welche eine Leuchtdiodenanordnung 11 angeschlossen sein kann. Die Leuchtdiodenanordnung 11 kann eine Serienschaltung aus Leuchtdioden LED1 bis LEDN aufweisen (LED - Leuchtdiode), wobei N die Anzahl der Leuchtdioden ist. N kann einen Wert von 2 bis z.B. 40 aufweisen. Auch eine einzelne Leuchtdiode ist möglich. Die Treiberschaltung 10 bildet zusammen mit der Leuchtdiodenanordnung 11 eine Leuchtvorrichtung 12. Die Leuchtvorrichtung 12 kann in einem Kraftfahrzeug oder in einem Gebäude installiert sein.
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Die Leuchtdiodenanordnung 11 kann mit einer Anodenseite 13 an einen Anodenanschluss 14 angeschlossen sein. Die Leuchtdiodenanordnung 11 kann mit einer Kathodenseite 15 an einen Kathodenanschluss 16 angeschlossen sein. Ein Diodenstrom Iled kann von dem Anodenanschluss 14 zum Kathodenanschluss 16 fließen, wobei eine Stromstärke des Diodenstromes Iled durch die Treiberschaltung 10 geregelt werden kann.
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An einem Versorgungsanschluss 17 der Treiberschaltung 10 kann eine Spannungsquelle Vdc angeschlossen sein, die hier nur symbolisch repräsentiert ist. Eine aus der Spannungsquelle Vdc empfangende Eingangsspannung Vin kann mittels einer Eingangskapazität Cin geglättet werden.
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Bei der Treiberschaltung 10 kann der Versorgungsanschluss 17 über eine Aufwärtswandler-Induktivität Lboost mit einem Schaltungsknoten LX verbunden sein. Der Anodenanschluss 14 kann über eine Gleichrichteinheit 18 mit dem Schaltungsknoten LX verbunden sein. Der Kathodenanschluss 16 kann über eine Abwärtswandler-Induktivität Lbuck und eine Strommesseinheit 19 mit dem Schaltungsknoten LX verbunden sein. Die besagten Induktivitäten Lboost, Lbuck können jeweils durch eine Drossel oder Spule gebildet sein.
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Mit einem Massepotential 20 kann der Schaltungsknoten LX über eine Schalteinheit 21 verschaltet sein. Das Massepotential 20 ist in den Figuren auch durch ein Dreieck symbolisiert, weshalb das Bezugszeichen 20 nicht an jedem Symbol angegeben ist.
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An einen die Gleichrichteinheit 18 mit dem Anodenanschluss 14 verbindenden Schaltungszweig 22 können eine Speicherkapazität Cout und ein RC-Glied 23 angeschlossen sein. Das RC-Glied 23 kann ein Widerstandselement Rd und eine Kapazität Cd aufweisen. Die Speicherkapazität Cout und das RC-Glied 23 können mit dem Massepotential 20 verbunden sein. Zwischen den Anodenanschluss 14 und den Kathodenanschluss 16 kann eine Glättungskapazität Cled geschaltet sein. Die besagten Kapazitäten Cout, Cd, Cled können jeweils durch einen Kondensator bereitgestellt sein. Dem Anodenanschluss 14 kann eine Dimm-Schalteinheit 24 vorgeschaltet sein. Die Dimm-Schalteinheit 24 kann einen Schalter QD aufweisen, welcher den Diodenstrom Iled in Abhängigkeit von einem Dimmsignal DIM schalten kann. Der Schalter QD kann auf der Grundlage eines Transistors gebildet sein, insbesondere eines Feldeffekttransistors. An einem Gate des Transistors kann durch das Dimmsignal QD eine Gate-Spannung Vdim vorgegeben werden. Die entsprechenden elektrischen Bauelemente sind durch eine Spannungsquelle nur symbolisch repräsentiert. Das Dimmsignal QD kann auch direkt die Gatespannung Vdim bereitstellen.
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Ein Spannungspotenzial gegenüber dem Massepotential 20 in dem Schaltungszweig 22 ist als Vout bezeichnet. Ein Spannungspotenzial gegenüber dem Massepotential 20 am Kathodenanschluss 16 ist als Vc bezeichnet. Ein Spannungspotential gegenüber dem Massepotential 20 am Schaltungsknoten LX ist als V(LX) bezeichnet.
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Die Strommesseinheit 19 kann einen Shuntwiderstand Rsense aufweisen, der zwischen die Abwärtswandler-Induktivität Lbuck und den Schaltungsknoten LX geschaltet sein kann. Die Abwärtswandler-Induktivität Lbuck und der Shuntwiderstand Rsense können auch in vertauschter Reihenfolge verschaltet sein. In Abhängigkeit von einem Strom I(Lbuck) durch die Abwärtswandler-Induktivität Lbuck fällt über dem Shuntwiderstand Rsense eine elektrische Spannung ab, die mittels eines Messverstärkers 25 als ein Messsignal CS bereitgestellt werden kann. Der Messverstärker 25 kann auf der Grundlage eines Operationsverstärkers gebildet sein. Die abfallende elektrische Spannung kann auch direkt das Messsignal CS bilden.
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Die Schalteinheit 21 kann auf der Grundlage eines Schalters QL gebildet sein. Der Schalter QL kann ein Transistor sein, insbesondere eine FET (Feldeffekttransistor), bevorzugt ein N-Kanal-FET. An einem Gate des Transistors QL kann ein Schaltsignal GL eine Gatespannung Vgl vorgeben. Die entsprechenden elektrischen Bauelemente sind durch eine Spannungsquelle nur symbolisch repräsentiert. Das Schaltsignal GL kann auch direkt die Gatespannung Vgl bereitstellen.
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Das Schaltsignal GL kann durch eine Reglereinrichtung 26 in Abhängigkeit von dem Messsignal CS erzeugt werden. Die Reglereinrichtung 26 kann hierzu eine hysteretische Regelung vorsehen. Hierzu können eine Komparatoreinheit Clo und eine Komparatoreinheit Chi vorgesehen sein, wobei ein Ausgang der Komparatoreinheit Clo mit einem Set-Eingang S einer Flip-Flop-Einheit FF und ein Ausgang der Komparatoreinheit Chi mit einem Reset-Eingang R der Flip-Einheit FF verbunden sein kann. Die Komparatoreinheit Clo kann das Messsignal CS mit einem Referenzsignal Vrefl vergleichen und am Ausgang signalisieren, falls das Messsignal CS kleiner als das Referenzsignal Vrefl ist. Dann wird ein Ausgang Q der Flip-Flop-Einheit FF gesetzt. Die Komparatoreinheit Chi kann das Messsignal CS mit einem Referenzsignal Vrefh vergleichen und signalisieren, falls das Messsignal CS größer als das Referenzsignal Vrefh ist. Dann wird der Ausgang Q der Flip-Flop-Einheit FF zurückgesetzt. Das Signal am Ausgang Q kann als das Schaltsignal GL verwendet werden. Die elektrischen Komponenten zum Erzeugen der Referenzsignale Vrefl, Vrefh sind durch Spannungsquellen nur symbolisch repräsentiert.
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An einem Dimm-Anschluss 27 kann das Dimmsignal DIM von einer Signalquelle empfangen werden, die in 1 durch eine Spannungsquelle repräsentiert ist. Es kann sich um eine externe Signalquelle handeln. Das Dimmsignal DIM kann ein pulsweitenmoduliertes Signal sein. Um das Dimmsignal DIM mit dem Signal des Ausgangs Q zu kombinieren, kann ein logisches Gatter G1 für eine UND-Verknüpfung bereitgestellt sein.
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Durch die Flip-Flop-Einheit FF kann eine Invertiereinrichtung 28 bereitgestellt sein, welche ein zum Signal am Ausgang Q invertiertes Signal erzeugt. Die Invertiereinrichtung 28 kann mittels eines logischen Gatters gebildet sein.
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Die Gleichrichteinheit 18 kann bei der in 1 gezeigten Ausführungsform auf der Grundlage eines Schalters QH gebildet sein. Der Schalter QH kann durch einen Transistor gebildet sein. Eine Gatespannung Vgh des Transistors kann durch ein Gleichrichtsignal GH vorgegeben sein, das mittels der Invertiereinrichtung 28 als das inverse oder invertierte Schaltsignal GL gebildet sein kann. Die entsprechenden elektrischen Bauelemente sind durch eine Spannungsquelle nur symbolisch repräsentiert. Das Gleichrichtsignal GH kann auch direkt die Gatespannung Vgh bereitstellen.
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Es ergibt sich somit ein aktiv geschalteter, synchroner Gleichrichter. Um hierbei auch das Dimmsignal DIM zu berücksichtigen, kann mittels eines logischen Gatters G2 das Signal der Invertiereinrichtung 28 mit dem Dimmsignal DIM mittels einer UND-Verknüpfung verknüpft werden.
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2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Gleichrichteinheit 18 anstelle eines Schalters QH eine Diode D aufweist. Eine Durchlassrichtung der Diode D weist von dem Schaltungsknoten LX zum Anodenanschluss 14. Der invertierende Ausgang der Flip-Flop-Einheit FF kann dann unbeschaltet bleiben.
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Im Folgenden ist die Funktionsweise der Treiberschaltung 10 gemäß der vorgenannten Ausführungsformen beschrieben.
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Die Eingangsspannung Vin, gestützt durch den Kondensator Cin, versorgt die Aufwärtswandler-Induktivität Lboost, die zusammen mit dem aktiven Schalter QL der Schalteinheit 21 und dem synchronen Gleichrichter QH (1) bzw. der Diode D (2) der Gleichrichteinheit 18 und dem Kondensator Cout einen Step-Up /Boost-Teil (Aufwärtswandlung) bildet.
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Die Komponenten Rd, Cd des RC-Glieds 23 können so ausgelegt werden, dass sie ein System zweiter Ordnung, bestehend aus den reaktiven Elementen Cin, Lboost, Cout, in einem vorgebbaren Maß dämpft. Die Komponenten Lbuck, QL, der synchrone Gleichrichter QH (1) bzw. die Diode D (2) und Cout bilden einen Step-Down/Buck-Teil (Abwärtswandlung). Dazu zählt auch die Strommessungseinheit 19 mit dem Shuntwiderstand Rsense und dem optionalen Messverstärker CS.
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Der optionale Dimm-Schalter QD unterbricht die Stromzufuhr der Leuchtdiodenanordnung 11 im Takt der Pulsweitenmodulation des Dimmsignals DIM und ermöglicht somit sehr steile Stromflanken des Diodenstroms Iled für hohe Kontrastverhältnisse.
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In der Reglereinrichtung 26 kommt eine hysteretische Regelung zum Einsatz, die den Strom I(Lbuck) in Lbuck stets zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert „springen“ oder pendeln lässt und somit im Mittelwert eine vorgebbare LED-Stromstärke des Diodenstroms Iled durch LED1...LEDN einregelt.
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Die Komparatoreinheiten Chi, Clo steuern einen diskreten Logik-Block, umfassend die Flip-Flop-Einheit FF und die Gatter G1, G2, an.
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Ist die Schalteinheit 21 durch das Schaltsignal GL elektrisch leitend geschaltet (QL=on), so ergibt sich eine Schaltphase „Ein“. Ist die Schalteinheit durch das Schaltsignal GL elektrisch sperrend geschaltet (QL=off), so ergibt sich eine Schaltphase „Aus“.
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3 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Ein-Phase. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Aus-Phase. In 5 sind über der Zeit t Strom- und Spannungsverläufe in einem Beispielfall mit einer Leuchtdiodenanordnung 11 mit N=4 Leuchtdioden in Serie, Vin = 6V Versorgungsspannung und einem vorgegebenen LED-Diodenstrom Iled = 1A zur Veranschaulichung dargestellt.
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Die Betrachtung der Ersatzbilder der Treiberschaltung 10 pro Schaltphase des aktiven Schalters QL offenbart die Funktionsweise. In der „Ein-Phase“ wird Energie in der Aufwärtswandler-Induktivität Lboost gespeichert. Gleichzeitig lädt sich die Abwärtswandler-Induktivität Lbuck von der Energie im Kondensator Cout über die Leuchtdioden LED1...LEDN auf. Die hysteretische Reglereinrichtung 26 überwacht mittels der Strommesseinheit 19 den maximalen Stromwert des Stroms I(Lbuck) in der Abwärtswandler-Induktivität Lbuck und beendet die Ein-Phase, sobald der durch Vrefh vorgegebene Maximalwert erreicht wird.
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In der darauf folgenden „Aus-Phase“ werden die beiden Induktivitäten Lboost, Lbuck entladen und die in ihnen gespeicherte Energie lädt den Kondensator Cout auf. Der Strom fließt weiter durch die Leuchtdioden LED1...LEDN, nimmt aber ab. Die hysteretische Reglereinrichtung 26 überwacht den minimalen Stromwert des Stroms I (Lbuck) in der Abwärtswandler-Induktivität Lbuck und beendet die Aus-Phase, sobald der durch Vrefl vorgegebene Minimalwert erreicht wird. Dann beginnt wieder die Ein-Phase.
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Durch geeignete Auswahl der Werte der Induktivitäten Lboost, Lbuck sowie der Hystereseschwellen (Referenzsignale Vrefl, Vrefh für die zwei Komparatoreinheiten Chi, Clo) kann der Schaltfrequenz- und/oder Funktionsbereich der Treiberschaltung 10 eingestellt und dem Eingangsspannungsbereich der Eingangsspannung Vin und der LED-Kettenlänge N der Leuchtdiodenanordnung 11 angepasst werden.
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Um typische Betriebsbedingungen zu veranschaulichen, ist in 6 ein Beispiel mit einer Eingangsspannung Vin=8V und in 7 ein Beispiel mit einer Eingangsspannung Vin=20V jeweils bei überlagerter Sinus-Spannung mit 2Vpp-Amplitude (pp-Amplitude - Spitze-Spitze-Amplitude) und zwei möglichen Frequenzen 1kHz und 15kHz simuliert. Dies entspricht z.B. einem standardisierten Automotive-Test. Gleichzeitig wird auch eine pulsweitenmodulierte Dimmspannung DIM angelegt, um die Leuchtdioden der Leuchtdiodenanordnung 11 periodisch ein- und abzuschalten. Somit wird auch die Lastsprung-Antwort der Leuchtvorrichtung 12 auf potenzielle Regelschwächen untersucht (die sich in Stromstößen oder Überschwingungen äußern würden).
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Die Simulation mit typischen Bauteilwerten verdeutlicht die ausgezeichnete Performanz (in Bezug auf „line regulation“ und „load regulation“) des durch die Treibervorrichtung 10 realisierten hysteretischen Buck-Boost-LED-Treibers. Der LED-Diodenstrom Iled bleibt stets ausgeregelt, selbst bei Eingangsspannungsschwankungen und Lastsprüngen.
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8 und 9 veranschaulichen hierzu noch einmal vergrößerte Ausschnitte der Verläufe von 7. Die Regelbandbeite ist hoch, denn es ist ersichtlich, dass auch 15kHz-Sinussweeps (dargestellt als zeitliche Verläufe mit dem Zusatz „15kHz“) keine Auswirkung auf den LED-Diodenstrom Iled haben.
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9 zeigt einen Lastsprung für die unterschiedlichen Eingangsspannungen Vin = 20V und Vin = 5V. Gezeigt ist, dass stets der vorgegebene Diodenstrom Iled = 1A in weniger als 10µs eingeregelt werden kann. Bei Vin = 20V ergibt sich eine größere Schaltfrequenz des Schaltsignals GL im Vergleich zu Vin = 5V.
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Die Treiberschaltung 10 bietet somit eine Buck-Boost-Topologie, die kosteneffizient realisiert werden kann, da nur ein Halbleiterschalter QL notwendig ist. Vorteilhaft ist die hysteretische Regelung in der Kombination mit einem Buck-Boost-LED-Treiber, die schnell und simpel und ohne die für eine sonst übliche Slope-Kompensation notwendige High-Side-Strommessung am Drain-Knoten auskommt. Die dargestellte Position der Strommessung bringt Vorteile bei integrierter Ausführung des Reglers. Durch die variable Schaltfrequenz (sie ist tiefer bei hohen Lasten) können die Schaltverluste minimiert werden. Die Dimm-Funktion mittels des PWM-Signals erlaubt auch den Einsatz eines externen Dimm-Schalters und es können steile LED-Stromflanken hergestellt werden.
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Durch die Erfindung kann somit ein hysteretischer LED-Treiber mit Buck-Boost-Topologie bereitgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Treiberschaltung
- 11
- Leuchtdiodenanordnung
- 12
- Leuchtvorrichtung
- 13
- Anodenseite
- 14
- Anodenanschluss
- 10
- Kathodenseite
- 16
- Kathodenanschluss
- 17
- Versorgungsanschluss
- 18
- Gleichrichteinheit
- 19
- Strommesseinheit
- 20
- Massepotential
- 21
- Schalteinheit
- 22
- Schaltungszweig
- 23
- RC-Glied
- 24
- Dimm-Schalteinheit
- 25
- Messverstärker
- 26
- Reglereinrichtung
- 27
- Dimm-Anschluss
- 28
- Invertiereinrichtung
- Chi
- Komparatoreinheit
- Clo
- Komparatoreinheit
- CS
- Messsignal
- DIM
- Dimmsignal
- FF
- Flip-Flop-Einheit
- G1
- Gatter
- G2
- Gatter
- GH
- Gleichrichtsignal
- GL
- Schaltsignal
- Iled
- Diodenstrom
- I(Lbuck)
- Strom
- I(Lboost)
- Strom
- Lbuck
- Abwärtswandler-Induktivität
- Lboost
- Aufwärtswandler-Induktivität
- LX
- Schaltungsknoten
- Q
- Ausgang
- QH
- Schalter
- QL
- Schalter
- Vin
- Eingangsspannung
- Vgh
- Gatespannung
- Vgl
- Gatespannung
- Vout
- Spannungspotential
- Vrefl
- Referenzsignal
- Vrefh
- Referenzsignal
- V(LX)
- Spannungspotential