DE102012207457A1

DE102012207457A1 - Ansteuerung von halbleiterleuchtelementen

Info

Publication number: DE102012207457A1
Application number: DE201210207457
Authority: DE
Inventors: Arnulf Rupp
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2013-11-07

Abstract

Es wird eine Schaltung zur Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen angegeben, mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Segmenten, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Halbleiterleuchtelemente aufweisen, wobei die Halbleiterleuchtelemente in zumindest zwei der Segmente unterschiedlich sind, mit je einem Treiber zur Ansteuerung eines Segments, wobei der Treiber mindestens einen elektronischen Schalter aufweist, anhand dessen das Segment überbrückbar ist, bei der die Treiber über mindestens eine Spannungsquelle mit der gleichgerichteten Netzspannung gekoppelt sind. Ferner wird eine Lampe, eine Leuchte oder ein Leuchtsystem mit einer solchen Schaltung vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen sowie eine Lampe, eine Leuchte oder ein Leuchtsystem mit einer solchen Schaltung.
Es ist bekannt, ein LED-Modul umfassend mehrere Leuchtdioden mittels eines einstufigen oder eines mehrstufigen Schaltnetzteils, das dem LED-Modul vorgeschaltet ist, zu betreiben. Weist das LED-Modul einen Leistungsbereich größer 25W auf, wird zusätzlich eine Powerfaktorkorrektur (PFC) benötigt. Bei geringen elektrischen Leistungen wird üblicherweise ein Linearregler eingesetzt.
Oberhalb bestimmter Licht- bzw. Leistungsklassen, bei denen z.B. eine Vielzahl von LEDs in einem Modul oder in mehreren LED-Modulen betrieben werden sollen, sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen viele LED-Chips in Serie geschaltet sind. Die Vorwärtsspannung dieser Serienschaltung kann dabei in der Größenordnung der Netzspannung liegen.
In einer einfachen Ausführungsform werden in Reihe geschaltete LEDs direkt an dem Wechselspannungsnetz betrieben. Dies führt zu einer starken Lichtmodulation, einem sogenannten "Flickern", und einer energieineffizienten Nutzung der LEDs. Für höhere Leistungsklassen führt dieser Ansatz weiterhin zu Problemen mit normativen Vorgaben in Bezug auf Powerfaktor und Oberwellen.
Weiterhin ist bekannt, der Serienschaltung aus LEDs einen Gleichrichter vorzuschalten. Auch hier kommt es zu den vorstehend genannten Problemen.
Ferner ist bekannt, die Verschaltung der LED-Serienschaltung zeitsynchron mit der Netzspannungsmodulation zu verändern.
So zeigt DE 10 2010 040 266 A1 eine LED-Leuchte mit einer integrierten Schaltung, einem Gleichrichter und einer Reihe von in Reihe geschalteten LEDs, die über ein gleichgerichtetes AC-Signal betrieben werden. Die integrierte Schaltung weist Leistungsschalter auf, die eine entsprechende Gruppe von verschiedenen Gruppen von LEDs in einer LED-Reihe, über welcher das gleichgerichtete AC-Signal anliegt, einzeln und gezielt kurzschließen können. Wenn die Spannung über der Reihe zunimmt, steuert die integrierte Schaltung die Leistungsschalter, um die Anzahl von LEDs, durch die Strom fließt, zu erhöhen, während die integrierte Schaltung die Leistungsschalter dann, wenn die Spannung über der Folge abnimmt, steuert, um die Anzahl von LEDs, durch die Strom fließt, zu verringern.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannte Lösung zu verbessern und eine effiziente Möglichkeit zur Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zur Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen vorgeschlagen,

– mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Segmenten, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Halbleiterleuchtelemente aufweisen,
– wobei die Halbleiterleuchtelemente in zumindest zwei der Segmente unterschiedlich sind,
– mit je einem Treiber zur Ansteuerung eines Segments, wobei der Treiber mindestens einen elektronischen Schalter aufweist, anhand dessen das Segment überbrückbar ist,
– bei der die Treiber über mindestens eine Spannungsquelle mit der gleichgerichteten Netzspannung gekoppelt sind.

Bei dem Treiber kann es sich um eine Schaltungsanordnung handeln, die zur Ansteuerung eines Segments einsetzbar ist.
Die Treiber werden somit von einer gleichgerichteten Netzspannung in Form einer pulsierenden Gleichspannung betrieben. Hierbei ist es von Vorteil, dass die Gleichrichtung der Netzwechselspannung keine Speicher (Kondensator) vorsehen muss. Insbesondere muss kein (glättender) Elektrolytkondensator vorgesehen sein, der für die gesamte Höhe der Netzspannung ausgelegt ist. Dies reduziert die Fehleranfälligkeit und ermöglicht eine kompaktere Bauweise der Schaltung.
Mittels des elektronischen Schalters ist eine Schaltfunktion elektronisch ansteuerbar. Der elektronische Schalter kann einen Transistor, einen Mosfet einen Operationsverstärker, einen Komparator oder ein mit einer Schaltfunktion beaufschlagbares Bauteil umfassen.
Bei den Halbleiterleuchtelementen handelt es sich beispielsweise um LEDs, LED-Chips oder LED-Module. Auch kann ein Halbleiterleuchtelement mindestens eine OLED (organische Leuchtdiode) oder ein Modul mit mindestens einer OLED umfassen.
Durch die mindestens eine Spannungsquelle kann eine Offset-Spannung für die Treiber eingestellt werden. Auch ist es möglich, dass durch die mehreren Spannungsquellen die Ströme für die Halbleiterleuchtelemente der Segmente eingestellt, z.B. symmetrisiert.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Treiber über mindestens eine Spannungsquelle mit der gleichgerichteten Netzspannung gekoppelt sind.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass jeder Treiber über eine separate Spannungsquelle mit der gleichgerichteten Netzspannung gekoppelt ist.
Eine Weiterbildung ist es, dass die mindestens eine Spannungsquelle realisierbar ist mittels:

– eines Spannungsteilers;
– einer Hilfsspannungsquelle;
– einer Zenerdiode.

Auch ist es eine Möglichkeit, dass die Spannungsquelle ansteuerbar ist abhängig von einem Mittelwert der gleichgerichteten Netzspannung.
So kann anhand der (steuerbaren) Spannungsquelle eine Beziehung zu der mittleren Netzspannung hergestellt werden. Anhand der Spannungsquellen für die mehreren Treiber ist es möglich, die Ströme für die Halbleiterleuchtelemente der Segmente zu symmetrisieren.
Beispielsweise kann eine längerfristige Mittelung über eine Netzperiode oder über mehrere Netzperioden der Netzspannung erfolgen. Die (längerfristige) Mittelung kann abhängig von einem Spitzenwert, einem Mittelwert o.ä. erfolgen. Dabei kann die Netzspannung bereits gleichgerichtet sein oder es kann sich um eine Netzwechselspannung handeln.
Eine zusätzliche Weiterbildung ist es, dass die Treiber mit einer gleichgerichteten Netzspannung versorgbar sind.
Eine Weiterbildung ist es, dass mindestens zwei der Segmente Halbleiterleuchtelemente aufweisen, die zumindest teilweise in ihren Vorwärtsspannungen, ihren Farben, ihren Größen, ihren Bauformen und/oder ihren Anzahlen unterschiedlich sind.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass der Treiber ein Vergleichselement umfasst.
Das Vergleichselement kann z.B. ein Komparator sein oder einen solchen umfassen. Das Vergleichselement kann als (mindestens) ein Operationsverstärker oder als mindestens ein Transistor ausgeführt sein.
Das Vergleichselement vergleicht ein erstes Bezugspotential, z.B. eine Seite der gleichgerichteten Netzspannung, mit einem zweiten Bezugspotential, z.B. einem Potential am Ende oder in dem jeweiligen Segment.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Segmente mit einem Stromregler in Reihe geschaltet sind.
Anhand des Stromreglers kann der Strom in den Segmenten vorgegeben sein. An dem Stromregler kann eine vorgegebene Spannung abfallen, z.B. diejenige Spannung, die nicht an den in Reihe geschalteten Halbleiterleuchtelementen abfällt.
Der Stromregler kann selbst einen Strom einstellen oder er kann genutzt werden, damit ein Strom eingestellt wird.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass der Stromregler mittels einer Dimmung steuerbar ist.
Eine Option besteht darin, dass der Stromregler gesteuert wird und damit eine Helligkeitsregelung (Dimmung) der Halbleiterleuchtelemente erreicht werden kann. Die Ansteuerung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, z.B. über ein Potentiometer, eine DALI-System, einen Mikrocontroller oder eine 1–10V-Schnittstelle.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der Stromregler ein resistives Element oder einen Linearregler aufweist.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung weist das Segment mit der größten Vorwärtsspannung eine mindestens doppelt so große Vorwärtsspannung auf wie das Segment mit der geringsten Vorwärtsspannung.
Beispielsweise kann das Segment mit der größten Vorwärtsspannung eine um mindestens 60% größere Vorwärtsspannung aufweisen wie das Segment mit der zweitgrößten Vorwärtsspannung.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der elektronische Schalter des Treibers mit einer Schaltfrequenz aktiv ist, die mindestens die doppelte Netzfrequenz oder ein Vielfaches der Netzfrequenz aufweist.
Insbesondere kann der Schalter desjenigen Treibers, der das Segment mit der größten Vorwärtsspannung ansteuert, mit einer Schaltfrequenz von mindestens 100Hz betrieben werden.
Eine Ausgestaltung ist es, dass mindestens einer der Treiber einen Kondensator aufweist, der parallel zu Halbleiterleuchtelementen des Segments angeordnet ist, dem der Treiber zugeordnet ist.
Insbesondere kann der Kondensator nur zu einem Teil der Halbleiterleuchtelemente des Segments parallel angeordnet sein.
Eine Ausführungsform besteht darin, dass der Kondensator in oder zusammen mit demjenigen Treiber angeordnet ist, der das Segment mit der größten Vorwärtsspannung ansteuert.
Auch kann in mehreren Treibern je ein solcher (Puffer-)Kondensator angeordnet sein, wobei es sich vorzugsweise um diejenigen Treiber handelt, die die Segmente aus den mehreren Segmenten ansteuern, deren Halbleiterleuchtelemente die größten Vorwärtsspannungen aufweisen.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass der Kondensator über eine lösbare Verbindung austauschbar ausgeführt ist.
Insbesondere kann dieser (Puffer-)Kondensator über die lösbare Verbindung an einem anderen Ort als die Schaltung angeordnet sein. So kann der Kondensator über die lösbare Verbindung einfach ausgetauscht werden.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass mindestens einer der Treiber eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Diode aufweist, wobei diese Reihenschaltung parallel zu den Halbleiterleuchtelementen des Segments angeordnet ist, das der Treiber ansteuert.
Bei der Serienschaltung aus Kondensator und Diode handelt es sich um einen Spitzenwertdetektor für das jeweilige Segment.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass mindestens eine Entkoppeldiode zwischen je zwei Segmenten angeordnet ist.
Auch ist es eine weitere Ausgestaltung, dass eine Einrichtung zur Mischung des von mehreren Segmenten bereitgestellten Lichts vorgesehen ist.
Beispielsweise kann eine Optik vorgesehen sein, anhand derer emittiertes Licht mehrere Halbleiterleuchtelemente gemischt wird.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass

– der Treiber einen elektronischen Kurschluss-Schalter umfasst, anhand dessen das dem Treiber zugeordnete Segment kurzschließbar ist,
– wobei der Basis-Anschluss des Kurzschluss-Schalters über ein erstes strombegrenzendes Element mit dem Kollektor-Anschluss eines elektronischen Vergleichs-Schalters verbunden ist,
– wobei der Emitter-Anschluss des Vergleichs-Schalters mit einem Anschluss des Segments, dem der Treiber zugeordnet ist, verbunden ist,
– wobei der Basis-Anschluss des Vergleichs-Schalters mit einem Pol der gleichgerichteten Netzwechselspannung verbunden ist.

Beispielsweise handelt es sich bei dem Kurzschluss-Schalter um einen pnp-Transistor und bei dem Vergleichs-Schalter um einen npn-Transistor. Entsprechend können in einer dazu dualen Ausführungsform auch pnp- und npn-Transistoren vertauscht ausgeführt sein mit entsprechender Potentialanpassung. Als Schalter können auch andere elektronische Schalter, z.B. Transistoren, Mosfets, o.ä. vorgesehen sein.
An der Basis-Emitter-Strecke des Vergleichs-Schalters erfolgt ein Vergleich des Potentials an dem jeweiligen Segment (z.B. einem Vergleichspunkt innerhalb der LED-Kette) mit dem Potential der aktuellen gleichgerichteten Netzhalbwelle. Entsprechend kann eine Ansteuerung des jeweiligen Segments durch den Treiber abhängig von der Höhe der gleichgerichteten Netzwechselspannung erfolgen.
Optional kann der Basis-Anschluss des Vergleichs-Schalters mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden sein, die eine Offset-Spannung gegenüber dem Potential der gleichgerichteten Netzwechselspannung darstellt.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Lampe, eine Leuchte oder ein Leuchtsystem mit einer Schaltung wie hierin beschrieben.
Bei der Lampe, Leuchte oder bei dem Leuchtsystem kann es sich um eine LED-Lichtquelle handeln.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Es zeigen:
1 eine schematischen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung dreier LED-Segmente, wobei die einzelnen LED-Segmente unterschiedliche Anzahl von LEDs aufweisen und die LED-Segmente jeweils mittels eines parallel angeordneten elektronischen Schalters überbrückt bzw. kurzgeschlossen werden können;
2 eine schematische Schaltung zur Ansteuerung dreier LED-Segmente, wobei die LED-Segmente unterschiedlich viele LEDs aufweisen, wobei zwischen einzelnen LEDs teilweise eine Entkoppeldiode und parallel zu einer Auswahl der LED-Segmente ein Kondensator angeordnet ist;
3 eine schematische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mehrerer elektronischer Schalter mittels Komparatoren;
4 basierend auf der Darstellung von 3 mehrere Spannungsquellen zur Symmetrisierung der Ströme zwischen einzelnen LED-Segmenten;
5 eine alternative schematische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mehrerer elektronischer Schalter mittels diskreter Bauelemente;
6 eine detaillierte Darstellung der in 5 gezeigten Module 522a bis 522d;
7 eine alternative Schaltungsanordnung zu 5;
8 eine alternative Schaltungsanordnung, die im Wesentlichen auf der Schaltung gemäß 7 basiert und mehrere Spannungsquellen vorsieht, die zur Ansteuerung bzw. Symmetrisierung der einzelnen LED-Segmente einsetzbar sind.
Betrieb einer LED-Kette an einer Netzspannung
Eine LED-Kette umfasst mehrere Segmente (LED-Segmente), die miteinander in Reihe geschaltet sind. Zwischen den LED-Segmenten können ggf. weitere Bauteile angeordnet sein. Jedes LED-Segment kann eine Vielzahl von LEDs aufweisen, die miteinander in Reihe geschaltet sind.
Eine Netzspannung bezeichnet eine Wechselspannung wie sie z.B. von einem elektrischen Versorgungsnetz bereitgestellt wird. Die Netzspannung kann über einen Gleichrichter in gleichgerichtete Netzspannungshalbwellen (auch bezeichnet als "Halbwellen" oder "pulsierende Netzspannung") umgewandelt werden. Der Gleichrichter kann als ein Einweg- oder ein Zweiweg-Gleichrichter ausgeführt sein.
Zur Ansteuerung der in Reihe geschalteten LED-Segmente werden kombinatorische Möglichkeiten der den LED-Segmenten entsprechende Vorwärtsspannungen ausgenutzt. Entsprechend der Anzahl der in einem Segment in Reihe geschalteten LEDs ergibt sich eine Vorwärtsspannung. Durch unterschiedliche Anzahlen von in Reihe geschalteten LEDs ergeben sich unterschiedliche Vorwärtsspannungen für unterschiedliche LED-Segmente. Die Anzahl der LED-Segmente wird nachfolgend mit M bezeichnet.
Hierbei sei angemerkt, dass unterschiedliche LEDs gleichen oder unterschiedlichen Typs (z.B. unterschiedliche LED-Module und/oder LEDs mit unterschiedlichen Farben) in Reihe geschaltet sein können. Es ist auch möglich, dass einzelne LEDs eine Parallelschaltung mindestens eines Halbleiterleuchtelements umfassen.
Parallel zu mindestens einem LED-Segment, insbesondere parallel zu mehreren LED-Segmenten, können elektronische Schalter vorgesehen sein, die einzelne oder mehrere LED-Segmente kurzschließen. Durch Ansteuerung der elektronischen Schalter kann erreicht werden, dass die Spannung an den LED-Segmenten U_LED(t) der gleichgerichteten Netzspannung U_in(t) (d.h. den oben genannten Halbwellen) folgt (bzw. nachgeführt wird): U_LED(t) = U_LED(t_i, I) = U_i(I), wobei U_i(I) eine Gesamtspannung der nicht überbrückten LEDs für den Schaltzustand i bei einem Strom I ist.
Hierbei sind vorzugsweise die LED-Segmente unterschiedlich ausgeführt, d.h. weisen zumindest teilweise zueinander unterschiedliche Vorwärtsspannungen auf. Insbesondere weisen zumindest zwei der LED-Segmente unterschiedliche Anzahlen und/oder Typen von LEDs auf. Mit anderen Worten sind nicht alle LED-Segmente mit gleicher Anzahl LEDs gleichen Typs in gleicher Verschaltung bestückt. Damit werden die einzelnen LED-Segmente zu unterschiedlichen Zeitpunkten (während des Verlaufs der gleichgerichteten Netzspannung) und ggf. auch unterschiedlich häufig pro Netzperiode aktiviert bzw. deaktiviert, d.h. mit einer unterschiedlichen Frequenz betrieben.
Es können zur Ansteuerung der Schalter (zur Überbrückung der LED-Segmente) auch Frequenzen verwendet werden, die höher als die Netzfrequenz sind. Dadurch gibt es eine Vielzahl kombinierbarer Schaltzustände, um die unterschiedlichen Schalter anzusteuern. Die Anzahl der möglichen Schaltzustände N ist damit wesentlich größer (2^M) als die Anzahl der LED-Segmente M.
Die nachfolgende tabellarische Aufstellung zeigt beispielhaft Kombinationsmöglichkeiten bei einer Anordnung mit drei LED-Segmenten, wobei

i: den Schaltzustand,
SW_m: mit m = 1 bis 3 den Schalter,
0: einen offenen Schalter,
1: einen geschlossenen Schalter
U_f1(I) bis U_f3(I): eine Vorwärtsspannung der nicht überbrückten LEDs bei dem Strom I für das LED-Segment 1 bis 3.

i	SW₁	SW₂	SW₃	U_i(I)
1	1	1	1
2	0	1	1	U_f1(I)
3	1	0	1	U_f2(I)
4	0	0	1	U_f1(I) + U_f2(I)
5	1	1	0	U_f3(I)
6	0	1	0	U_f1(I) + U_f3(I)
7	1	0	0	U_f2(I) + U_f3(I)
8	0	0	0	U_f1(I) + U_f2(I) + U_f3(I)

Die Restspannung U_in(t) – U_LED(t) fällt an einem Stromregler ab. Mit einer Mehrzahl von LED-Segmenten mit unterschiedlich (vielen) in Reihe geschalteten LEDs lassen sich ein Vielzahl verschiedener Gesamt-Vorwärtsspannungen für die LED-Kette realisieren, so dass diese Gesamtspannung der aktuellen Netzspannung sehr nahe kommt. Die Restspannung ist damit im Vergleich zur Netzspannung klein.
Aufgrund dieser geringen Restspannung kann der Stromregler beispielsweise als ein einfacher und kostengünstig zu realisierender Linearregler ausgeführt sein. Der Stromregler kann auch so ausgelegt sein, dass der Strom (nahezu) ideal der Netzspannung folgt, so dass ein Powerfaktor der Schaltung nahe 1,0 ist und keine (nennenswerten) Oberwellen auftreten.
Im Extremfall kann der Stromregler sogar entfallen, z.B. wenn die Dynamik der LED Kennlinie bei einer begrenzen Strommodulation ausreicht um die Abstände zwischen den Schaltstufen zu füllen.
Ein mögliche Dimensionierung der LED-Segmente besteht darin, dass ein erstes LED-Segment eine Anzahl A in Reihe geschalteter LEDs aufweist, ein anderes (nächstes) LED-Segment eine Anzahl A/2, ein weiteres LED-Segment eine Anzahl A/4, etc. Kennzeichnet z.B. ein Index m ein LED-Segment, so kann diese Beziehung dargestellt werden mit A_m = A_m+1/2 wobei m = 1...M die unterschiedlichen M LED-Segmente kennzeichnet.
Wird vereinfachend angenommen, dass die LED-Spannung U_i(I) stromunabhängig ist, d.h. U_i(I) ~ U_i(I_Nenn), dann führt diese Auslegung zu äquidistanten Spannungswerten. Diese Anordnung ist günstig, aber nicht zwingend optimal, da die Dichte der Schaltzustände im Strommaximum für die Verlustleistung eine größere Rolle spielt als im Bereich der Stromnulldurchgänge.
1 veranschaulicht den vorstehend beschriebenen Zusammenhang anhand einer schematischen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung dreier LED-Segmente 101, 102 und 103, wobei das LED-Segment 101 eine Reihenschaltung aus vier LEDs, das LED-Segment 102 eine Reihenschaltung aus zwei LEDs und das LED-Segment 103 eine einzelne LED aufweist. Das LED-Segment 101 ist mit einem parallel dazu angeordneten Schalter SW₃ überbrückbar, das LED-Segment 102 ist mit einem parallel dazu angeordneten Schalter SW₂ überbrückbar und das LED-Segment 103 ist mit einem parallel dazu angeordneten Schalter SW₁ überbrückbar. Die Schalter SW₁ bis SW₃ sind als elektronische Schalter, z.B. Transistoren oder Feldeffekttransistoren ausgeführt, die von einer Steuereinheit (nicht in 1 dargestellt) angesteuert werden.
Die LED-Segmente 101 bis 103 sind miteinander und mit einem Stromregler 104 in Reihe geschaltet. Bei dem Stromregler 104 kann es sich um ein resistives Element, insbesondere um einen Linearregler, handeln. Alternativ ist es auch möglich, dass der Stromregler 104 ein aktiver Stromregler ist.
Eine Option besteht darin, dass der Stromregler gesteuert wird und damit eine Helligkeitsregelung (Dimmung) der Leuchtdioden erreicht werden kann. Die Ansteuerung kann auf unterschiedliche Arten, z.B. ein Potentiometer, eine DALI-System oder eine 1–10V-Schnittstelle erfolgen.
Eine Netzwechselspannung 105, z.B. 230VAC, wird über einen Gleichrichter 106 in eine pulsierende Netzspannung umgewandelt und mit der Serienschaltung, umfassend die LED-Segmente 101 bis 103 sowie den Stromregler 104, verbunden. In der Serienschaltung fließt ein zeitlich variierender Strom I(t). An dem LED-Segment 101 fällt die Vorwärtsspannung U_f3, an dem Segment 102 die Vorwärtsspannung U_f2 und an dem LED-Segment 103 die Vorwärtsspannung U_f1 ab, falls das jeweilige LED-Segment nicht mittels des zugeordneten parallelen Schalters SW₁ bis SW₃ überbrückt wird.
Nebenbedingungen zur Optimierung der Schaltvorgänge
Beispielweise kann die Anzahl der LEDs pro Segment als eine erste Größe und die Schaltfrequenz der elektronischen Schalter zur Überbrückung der LED-Segmente als eine zweite Größe bestimmt werden bzw. vorgegeben sein. Diese beiden Größen können mittels zwei oder drei der nachfolgend erläuterten Nebenbedingungen optimiert werden. Vorzugsweise sind die Nebenbedingungen für den ganzen Betriebsspannungsbereich oder zumindest für einen großen Teil des Betriebsspannungsbereichs erfüllt.
Die ersten beiden Nebenbedingungen (A) und (B) lauten:

(A) Ein unterbrechungsfreier Stromfluss (ohne Oberwellen) wird erreicht, wenn U_in(t) – U_LED(t) >= U_P(t) (1) erfüllt ist, wobei U_P die Summe parasitärer Spannungsabfälle in Gleichrichterdioden, Schaltern, etc. bezeichnet.
(B) Eine Minimierung der Verlustleistung wird erreicht, wenn INT(0..T)[(U_in(t) – U_LED(t))·I(t)] => minimal (2) erfüllt ist, wobei

INT(0...T)[...]

einem Integral über eine Netzperiode

entspricht.

Eine weitere Optimierungsbedingung (C) kommt hinzu, wenn das Verhältnis der mittleren Ströme in den verschiedenen LED-Segmenten von Bedeutung ist, also z.B. die Stromdichte in allen LEDs gleich sein soll. Dies gilt insbesondere, wenn dieses Verhältnis der mittleren Ströme über den gesamten Betriebsspannungsbereich eingehalten werden soll.

(C) Ein gewünschtes Verhältnis zwischen den Strömen in den LED-Segmenten wird erreicht, wenn INT(0..T)[I(t)·SW_m(t)]/(I_Soll,m·T) = 1 für alle m (3) erfüllt ist, wobei

SW_m(t)

einen Schaltrhythmus (0: Schalter ist geschlossen, 1: Schalter ist offen) für das Segment m zur Zeit t und

I_Soll,m

einen gewünschte Strom für das LED-Segment m

bezeichnen.

Eine Alternative zu der Nebenbedingung (C) wäre es, wenn das Licht aller LED-Segmente so gemischt würde, dass Helligkeitsunterschiede keine (deutliche bzw. wahrnehmbare) Rolle spielen. In diesem Fall kann die Nebenbedingung (C) entfallen.
Auch ist es möglich, die LED-Chipgrößen und die Abstände zwischen den Chips in den LED-Segmenten unterschiedlich auszulegen, so dass die Stromdichten in den LED-Segmenten dem mittleren Strom des jeweiligen LED-Segments angepasst sind.
Die Nebenbedingung (C) ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in den LED-Segmenten verschiedene Typen bzw. Sorten (z.B. Farben) von LEDs enthalten sind und die Ansteuerung der Schalter (Schaltrhythmus pro Segment i) verwendet wird, die Leistung bedarfsgerecht zu verteilen. Mögliche Anwendungen stellen eine elektronische Kalibrierung des Farbortes, ein Nachführen eines Weißpunktes über die Lebensdauer und Module mit einem einstellbaren Weißpunkt dar.
Beispielhaft wird nachfolgend zur übersichtlichen Darstellung davon ausgegangen, dass die Schaltstufen i für einen bestimmten Strom I nach der LED Spannung U_i(I) aufsteigend sortiert sind.
Lösungsstrategie für die Nebenbedingungen (A) und (B)
Die Nebenbedingungen (A) und (B) werden dann optimal erfüllt, wenn

– im 1. und 3. Quadranten der Netzspannung, also bei steigender Netzspannung, der Wechsel vom Schaltzustand i zum nächsten Schaltzustand i + 1 dann erfolgt, wenn die Nebenbedingung (A) für den Schaltzustand i + 1 gerade erfüllt wird und
– im 2. und 4. Quadranten der Netzspannung, also bei sinkender Netzspannung, der Wechsel vom Schaltzustand i zum nächsten Schaltzustand i – 1 genau dann erfolgt wenn die Nebenbedingung (A) für den Schaltzustand i gerade nicht mehr erfüllt wird.

Dieses Schaltschema kann beispielsweise durch einen Mikrocontroller mit einem Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) erreicht werden. Alternativ können Schaltungen (siehe weiter unten) vorgesehen sein, die ohne Mikrocontroller auskommen und besonders kostengünstig realisierbar sind.
Für eine ideale sinusförmige Netzspannung U(t) = U₀·sin(wt) wäre der Schaltzeitpunkt t_i = arcsin(U_i(I(t))/U₀)/w, (4) wobei

w = 2·pi·f: die Netzfrequenz (wird auch mit dem kleinen griechischen Buchstaben Omega abgekürzt) und
I(t): den eingeprägten Strom des Stromreglers

Mit der vereinfachenden Annahme U_i(I) ~ U_i(I_Nenn) = U_i gilt t_i = arcsin(U_i/U₀)/w (5). Die Werte t_i aus der Gleichung (5) sind z.B. in Form einer Wertetabelle für eine Zeitsteuerung beispielsweise in einem kostengünstigen Mikrocontroller oder einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC: application-specific integrated circuit) hinterlegbar.
Lösungsstrategie für die Nebenbedingung (C) Die Nebenbedingung (C) kann z.B. mittels der nachfolgend dargestellten Maßnahmen erfüllt bzw. verbessert werden:

(i) Bei ansteigender Netzspannung (im 1. und 3. Quadranten) werden Schaltzeitpunkte t_i’ = t_i + dt_i gezielt verzögert, so dass die Ströme wunschgemäß verteilt werden. Im Fall der fallenden Netzspannung (im 2. und 4. Quadranten) werden die Schaltzeitpunkte vorverlegt, so dass die Nebenbedingung (C) besser erfüllt wird.
(ii) Die Kurvenform des eingeprägten Stromes I(t) des Stromreglers wird so modifiziert, dass die Nebenbedingung (C) besser erfüllt wird.
(iii) Die Anzahlen der LEDs pro LED-Segment werden so bestimmt, dass die Nebenbedingung (C) besser erfüllt wird.

Die Maßnahme (i) kann in der Regel die Nebenbedingung (C) vollständig erfüllen, hat jedoch den Nachteil, dass die Nebenbedingung (B) dadurch (leicht) verletzt wird. Insgesamt kann dies zu einer geringfügig erhöhten Verlustleistung führen.
Die Werte dt_i sind vorzugsweise Gegenstand einer numerischen Optimierung als Funktion der mittleren Eingangsspannung U_in. Die Werte t_i’ können beispielsweise in einem Speicher eines Mikrocontrollers für alle Eingangsspannungen U_in abgelegt sein.
Die Maßnahme (ii) ist beispielsweise durch Vorgaben an den Powerfaktor und die Oberwellen begrenzt. Diese Beschränkung hängt gemäß den einschlägigen Normen von der Leistungsklasse (z.B. größer oder kleiner als 25W) ab. Eine Stromkomponente mit der Frequenz der dritten Netzoberwelle ist in gewissen Grenzen in den Normen erlaubt und wirkt sich gegebenenfalls auch positiv auf die Nebenbedingung (C) aus.
Die Maßnahme (ii) kann z.B. erreicht werden durch Modifikation der Ansteuerung des Stromreglers 104. Beispielsweise könnte die dritte Oberwelle des Stroms als eine Funktion der mittleren Netzspannung eingeführt bzw. verändert werden. Die Auslegung der Steuerung kann z.B. über eine numerische Optimierung erfolgen.
Die Maßnahme (iii) kann für nur einen Betriebsspannungspunkt optimiert werden.
Beispielsweise können die Maßnahmen (iii) und ggf. auch (ii) für die Nennspannung optimiert werden. Mit der Maßnahme (i) kann dann eine Korrektur über den gesamten Betriebsspannungsbereich erfolgen.
Beispielhafte Konkretisierung
Eine ideale Verzögerung der Schaltzeit dt_i kann ggf. nicht rein analytisch bestimmt werden und ist womöglich auch nicht eindeutig.
Es gibt mehr Schaltzeiten dt_i als LED-Segmente vorhanden sind. Damit gibt es mehr Stellgrößen als für die Erfüllung der Nebenbedingungen erforderlich sind. Das Optimierungsproblem kann numerisch als nichtlineares Optimierungsproblem gemäß der Nebenbedingung (C) unter Berücksichtigung (Einhaltung) der Nebenbedingung (A) gelöst werden. Hierbei kann die Nebenbedingung (B), wie vorstehend erläutert, in gewissem Maße verletzt werden.
Als eine Optimierungsgröße E_err(U_in, t_i’) kann z.B. die Summe der Fehlerquadrate, also Abweichungen der Segment Ströme vom jeweiligen Sollstrom des LED-Segments verwendet werden.
Nachfolgend wird ein konkretes Beispiel für eine solche Optimierungsaufgabe betrachtet. Es wird von einer vierstufigen Anordnung (vier LED-Segmente) mit folgenden Parametern ausgegangen: Das erste LED-Segment weist 6 in Reihe geschaltete LEDs, das zweite LED-Segment weist 12 in Reihe geschaltete LEDs, das dritte LED-Segment weist 24 in Reihe geschaltete LEDs und das vierte LED-Segment weist 51 in Reihe geschaltete LEDs auf. Weiterhin gelten die folgenden Beziehungen:

Vorwärtsspannung je LED: Uf = 3,2V (bei dem Nennstrom I_Nenn)

Parasitäre Spannung: Up = 6,2 V

Powerfaktor: PF = 1,00 (ideal sinusförmige Spannungs- und Stromkurve)
Eine theoretische Effizienz ist eine Funktion der Eingangsspannung und ein Maß für die Asymmetrie der mittleren Stromverteilung zwischen den Segmenten. Die theoretische Effizienz eff_th berechnet sich dabei aus dem Verhältnis der LED Spannung U_i zu allen anderen Spannungsabfällen. Mögliche dynamische Schalverluste werden hierbei zur vereinfachten Darstellbarkeit nicht berücksichtigt. eff_th = INT(0..T)[U_LED(t)·I(t)]/INT(0..T)[ U_in(t)·I(t)]
Hierbei kann fast über den gesamten Betriebsspannungsbereich eine elektrische Effizienz von mehr als 90% erreicht werden. Die Schaltspannungen der einzelnen elektronischen Schalter, die jeweils einem der vier LED-Segmente parallel geschaltet sind, sind beispielsweise fest eingestellt und folgen den Nebenbedingungen (A) und (B), wodurch sich eine optimierte Effizienz ergibt.
Beispielhafte Optimierung der LED Effizienz
Zusätzlich kann eine Strommodulation durch die Stromvorgabe I(t) in dem Stromregler sowie der Schaltrhythmus bei der Ansteuerung der elektronischen Schalter zu einer unerwünschten Lichtmodulation und zu einer suboptimalen Effizienz des LED-Betriebs führen.
Die Verringerung der LED Effizienz ist eine Folge des sogenannten Droop Effektes. Der höhere Strom in den zeitlich begrenzten Einschaltphasen der LED-Segmente führt im Vergleich zu einem kontinuierlichen Konstantstrombetrieb mit gleichem Strommittelwert zu einer reduzierten Effizienz. Für die gleiche Effizienz wie im kontinuierlichen Konstantstrombetrieb müsste eine größere Chipfläche verwendet werden, um die Stromdichte in den LED-Chips zu senken. Anders ausgedrückt ist die Chipflächennutzung im getakteten Betrieb schlechter als im Konstantstrombetrieb.
2 zeigt eine schematische Schaltung zur Ansteuerung dreier LED-Segmente, wobei die LED-Segmente unterschiedlich viele LEDs aufweisen, wobei zwischen einzelnen LEDs teilweise eine Entkoppeldiode und parallel zu einer Auswahl der LED-Segmente ein Kondensator angeordnet ist.
Die in 2 dargestellte Schaltung bezieht sich in Teilen auf die Schaltung gemäß 1. Im Unterschied zu 1 umfasst die Serienschaltung eine Diode D1, das LED-Segment 101, eine Diode D2, das LED-Segment 102, das LED-Segment 103 und den Stromregler 104. Bei den Dioden D1 und D2 handelt es sich um Entkoppeldioden. Die Dioden D1 und D2 sind wie die LEDs gepolt, d.h. alle Kathoden der Dioden weisen in Richtung des negativen Pols.
Der Schalter SW₃ ist parallel zu der Serienschaltung aus Diode D1 und LED-Segment 101 angeordnet. Der Schalter SW₂ ist parallel zu der Serienschaltung aus Diode D2 und LED-Segment 102 angeordnet. Der Schalter SW₁ ist parallel zu dem LED-Segment 103 angeordnet.
Zusätzlich ist in 2 parallel zu dem LED-Segment 101 ein Kondensator C3 und parallel zu dem LED-Segment 102 ein Kondensator C2 angeordnet.
Die Schaltung gemäß 2 vermeidet den vorstehend beschriebenen Nachteil der unerwünschten Lichtmodulation. Durch die Kondensatoren C2 und C3 (die z.B. als Elektrolytkondensatoren ausgeführt sind) wird ein kontinuierlicher Betrieb der LEDs ermöglicht. Die Strommodulation hängt von der Kapazität des Kondensators und der Steilheit der LED-Kennlinie ab. Je größer der Kondensator, desto geringer ist die Modulation.
Die Entkoppeldioden D1 und D2 zwischen den LED-Segmenten verhindern die Entladung der Kondensatoren C2 und C3 über die Schalter.
Um ein unerwünschtes Flickern mit der doppelten Netzfrequenz zu verhindern, kann das LED-Segment mit der höchsten Vorwärtsspannung (im Beispiel gemäß 2 das LED-Segment 101) z.B. mit einem entsprechend groß dimensionierten parallel geschalteten Kondensator C3 gepuffert werden.
Die verbleibenden LED-Segmente können z.B. mit einer höheren Frequenz als der doppelten Netzfrequenz betrieben werden und tragen daher kaum oder gar nicht zu einem wahrnehmbaren Flickern bei.
Hierbei ist es von Vorteil, dass der Pufferkondensator (im Beispiel der 2 der Kondensator C3) nur für eine geringere als die maximale Netzspannung ausgelegt werden muss. In 2 ist diese reduzierte Spannung bestimmt durch die Vorwärtsspannung U_f3 der LEDs des LED-Segments 101.
Vorzugsweise können alle LED-Segmente (insbesondere solche LED-Segmente mit einer Vorwärtsspannung, die höher als ein vorgegebener Schwellwert ist) mit parallelgeschalteten Kondensatoren gepuffert werden. Umfasst ein LED-Segment jedoch wenige LEDs oder nur eine einzelne LED, kann der Pufferkondensator entfallen (siehe diesbezüglich beispielhaft LED-Segment 103 in 2).
Eine vorteilhafte Ausführung besteht darin, nur diejenigen LED-Segmente mit parallelgeschalteten Kondensatoren zu versehen ("zu puffern"), die die meisten in Reihe geschalteten LEDs bzw. die größten Vorwärtsspannungen aufweisen. Beispielsweise kann nur dasjenige LED-Segment mit der größten Vorwärtsspannung oder aber die beiden LED-Segmente mit den größten Vorwärtsspannungen entsprechend gepuffert werden.
Die für die Kondensatoren erforderliche Kapazität ist für alle LED-Segmente beispielsweise in etwa gleich, da der verfügbare Spannungshub bei den kürzeren Ketten zwar abnimmt, aber gleichzeitig die Frequenz bei den kürzeren Ketten höher ist.
Am Beispiel der vorstehend gezeigten tabellarischen Aufstellung ist zu erkennen, dass sich für jeweils die halbe Spannung, und damit verbunden den halben Spannungshub dU_m, die Frequenz im Schaltrhythmus verdoppelt. Die zu überbrückenden stromlosen Phasen der Dauer dt_m sind also nur halb so lang. Für den gleichen Sollstrom I_Soll,m (symmetrisch) sind bspw. alle Kondensatoren C_m gleich dimensioniert. Die Spannungsbelastungen sind dabei unterschiedlich: Q = I_Soll,m·dt_m = C_m·dU_m (6).
Automatische Erzeugung des Schaltrhythmus
Die Ansteuerung der Schalter in 1 und 2 beispielhaft dargestellten elektronischen Schalter SW₁ bis SW₃ kann mittels einer Steuereinheit, z.B. eines Mikrocontrollers, erfolgen. Aufgrund der veränderlichen ("floatenden") Potentiale kann dies anhand einer potentialfreien (galvanisch getrennten) Ansteuerung erfolgen. Eine solche Realisierung ist aber verhältnismäßig aufwändig und damit teuer.
3 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mehrerer elektronischer Schalter mittels Komparatoren.
Wie bereits im Hinblick auf 1 erläutert, wird die Netzwechselspannung 105 über einen Gleichrichter 106 gleichgerichtet und die gleichgerichtete "pulsierende" Netzspannung zwischen zwei Knoten 301 und 302 angelegt.
Eine Serienschaltung aus dem LED-Segment 101, einer Diode D3, dem LED-Segment 102, der Diode D2, dem LED-Segment 103, der Diode D1 und dem Stromregler 104 verbindet die Knoten 301 und 302. Parallel zu dem LED-Segment 101 ist der Kondensator C3, parallel zu dem LED-Segment 102 ist der Kondensator C2 und parallel zu dem LED-Segment 103 ist ein Kondensator C1 angeordnet.
Der Schalter SW₃ ist parallel zu der Serienschaltung aus LED-Segment 101 und Diode D3 angeordnet. Der Schalter SW₂ ist parallel zu der Serienschaltung aus LED-Segment 102 und Diode D2 angeordnet. Der Schalter SW₁ ist parallel zu der Serienschaltung aus LED-Segment 103 und Diode D1 angeordnet.
Der Schalter SW₃ wird über den Ausgang eines Komparators 303 angesteuert. Parallel zu dem LED-Segment 101 ist ein Spannungsteiler umfassend eine Serienschaltung aus Widerständen 304 und 305 angeordnet, wobei der Mittenabgriff dieses Spannungsteilers mit dem invertierenden Eingang des Komparators 303 verbunden ist. Die Knoten 301 und 302 sind über einen Spannungsteiler umfassend eine Serienschaltung aus Widerständen 306 und 307 verbunden, wobei der Mittenabgriff dieses Spannungsteilers mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 303 verbunden ist.
Der Schalter SW₂ wird über den Ausgang eines Komparators 308 angesteuert. Parallel zu dem LED-Segment 102 ist ein Spannungsteiler umfassend eine Serienschaltung aus Widerständen 309 und 310 angeordnet, wobei der Mittenabgriff dieses Spannungsteilers mit dem invertierenden Eingang des Komparators 308 verbunden ist. Der Knoten oberhalb des LED-Segments 102 und der Knoten 302 sind über einen Spannungsteiler umfassend eine Serienschaltung aus Widerständen 311 und 312 verbunden, wobei der Mittenabgriff dieses Spannungsteilers mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 308 verbunden ist.
Der Schalter SW₁ wird über den Ausgang eines Komparators 313 angesteuert. Parallel zu dem LED-Segment 103 ist ein Spannungsteiler umfassend eine Serienschaltung aus Widerständen 314 und 315 angeordnet, wobei der Mittenabgriff dieses Spannungsteilers mit dem invertierenden Eingang des Komparators 313 verbunden ist. Der Knoten oberhalb des LED-Segments 103 und der Knoten 302 sind über einen Spannungsteiler umfassend eine Serienschaltung aus Widerständen 316 und 317 verbunden, wobei der Mittenabgriff dieses Spannungsteilers mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 313 verbunden ist.
Die Ansteuerung der elektronischen Schalter SW₁ bis SW₃ erfolgt gemäß 3 anhand der Komparatoren 303, 308 und 313. Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung derart, dass die Schalter SW₁ bis SW₃ dann geöffnet werden, wenn die Spannung zwischen dem Bezugspotential der LED-Segmente (im Beispiel gemäß 3 am oben Ende des jeweiligen LED-Segments) und dem Knoten 302 größer ist als die Vorwärtsspannung des jeweiligen LED-Segments.
Die Spannungsdifferenz zwischen dem Bezugspotential des LED-Segments m (am oberen Ende des jeweiligen LED-Segments) und dem Knoten 302 wird nachfolgend auch als Spannungsdifferenz (oder Steuerspannung) US_m für das LED-Segment m bezeichnet.
Diese Spannungsdifferenz US_m umfasst auch den Spannungsabfall aller zwischen dem LED-Segment m und dem Knoten 302 liegenden anderen LED-Segmente. Wenn das LED-Segment m aktiv geschaltet wird, werden auch die Spannungen an den anderen LED-Segmenten US_j für all j < m beeinflusst, wodurch auch diese LED-Segmente nahezu gleichzeitig schalten. Daraus ergibt sich der gewünschte Schaltrhythmus.
Die Spannung des LED-Segments m kann vom Komparator direkt gemessen werden, wenn die Kette über einen Puffer Kondensator C_m verfügt. Andernfalls kann die Spannung an dem LED-Segment über eine analoge Referenzspannung oder über eine Abtast-Halte-Schaltung ("Sample and Hold"-Schaltung) nachgebildet werden.
5 und 6 zeigen eine Schaltungsanordnung mit einer solchen Abtast-Halte-Schaltung und vier LED-Segmenten. Die vorstehend erläuterten Komparatoren sind in 5 und 6 kostengünstig mittels diskreter Bauelemente realisiert.
Eine Netzwechselspannung 501 ist über einen Gleichrichter 502 mit zwei Knoten 503 und 504 verbunden. Der Knoten 503 ist über einen Widerstand 531 und eine Diode 505 mit einem Knoten 530 verbunden, wobei die Kathode der Diode 505 in Richtung des Knotens 530 zeigt. Der Knoten 530 ist über einen Widerstand 506 mit dem Knoten 504 verbunden. Der Knoten 530 ist mit der Basis eines pnp-Transistors 508 verbunden, der Emitter des Transistors 508 ist über einen Widerstand 507 mit dem Knoten 503 und der Kollektor des Transistors 508 ist mit einem Anschluss 523 eines Moduls 522a verbunden.
5 zeigt mehrere Module 522a bis 522d, die jeweils über Anschlüsse 523 bis 528 verfügen und jeweils vergleichbar ausgeführt sind. Eine beispielhafte Realisierung der Module 522a bis 522d ist in 6 dargestellt.
Ein Modul 518 umfasst eine Reihenschaltung von fünf LEDs, ein Modul 519 umfasst eine Reihenschaltung von 12 LEDs, ein Modul 520 umfasst eine Reihenschaltung von 24 LEDs und ein Modul 521 umfasst eine Reihenschaltung von 54 LEDs. Die Anschlüsse 524 und 525 des Moduls 522a sind mit dem Modul 518, die Anschlüsse 524 und 525 des Moduls 522b sind mit dem Modul 519, die Anschlüsse 524 und 525 des Moduls 522c sind mit dem Modul 520 und die Anschlüsse 524 und 525 des Moduls 522d sind mit dem Modul 521 verbunden. Die Kathoden der LEDs der Module 518 bis 521 sind hierbei in Richtung des Knotens 504 ausgerichtet.
Der Anschluss 526 des Moduls 522a ist mit dem Anschluss 523 des Moduls 522b, der Anschluss 526 des Moduls 522b ist mit dem Anschluss 523 des Moduls 522c und der Anschluss 526 des Moduls 522c ist mit dem Anschluss 523 des Moduls 522d verbunden. Der Anschluss 526 des Moduls 522d ist mit dem Knoten 504 verbunden.
Der Knoten 503 ist über eine Spannungsquelle 509 (optional über vier unterschiedlich ansteuerbare Spannungsquellen) mit einem Knoten 529 verbunden.
Der Knoten 529 ist über einen Widerstand 510 mit dem Anschluss 527 des Moduls 522a und über eine Serienschaltung aus dem Widerstand 510 und einem Widerstand 511 mit dem Anschluss 528 des Moduls 522a verbunden. Der Knoten 529 ist über einen Widerstand 512 mit dem Anschluss 527 des Moduls 522b und über eine Serienschaltung aus dem Widerstand 512 und einem Widerstand 513 mit dem Anschluss 528 des Moduls 522b verbunden. Der Knoten 529 ist über einen Widerstand 514 mit dem Anschluss 527 des Moduls 522c und über eine Serienschaltung aus dem Widerstand 514 und einem Widerstand 515 mit dem Anschluss 528 des Moduls 522c verbunden. Der Knoten 529 ist über einen Widerstand 516 mit dem Anschluss 527 des Moduls 522d und über eine Serienschaltung aus dem Widerstand 516 und einem Widerstand 517 mit dem Anschluss 528 des Moduls 522d verbunden.
6 zeigt den inneren Aufbau der Module 522a bis 522d sowie deren Anschlüsse 523 bis 528.
Der Anschluss 523 ist über eine Diode 601 mit dem Anschluss 524 verbunden, wobei die Kathode der Diode 601 in Richtung des Anschlusses 524 zeigt. Der Anschluss 524 ist weiterhin über eine Diode 602 mit einem Knoten 606 verbunden, wobei die Kathode der Diode 602 in Richtung des Knotens 606 zeigt. Der Anschluss 523 ist außerdem mit dem Drain-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 607 verbunden. Der Source-Anschluss des Mosfets 607 ist mit dem Anschluss 526 verbunden. Der Knoten 606 ist über einen Kondensator 610 mit dem Anschluss 526 verbunden. Der Knoten 606 ist zudem über einen Widerstand 615 mit der Basis eines npn-Transistors 617 verbunden. Die Basis des Transistors 617 ist über einen Widerstand 616 mit dem Anschluss 526 verbunden.
Der Anschluss 525 ist über eine Diode 603 mit einem Knoten 621 verbunden, wobei die Kathode der Diode 603 in Richtung des Knotens 621 zeigt. Der Knoten 621 ist über einen Kondensator 609 mit dem Anschluss 526 verbunden. Der Anschluss 525 ist über eine Reihenschaltung aus zwei LEDs 604 und 605 mit dem Anschluss 526 verbunden, wobei die Kathoden der LEDs 604 und 605 in Richtung des Anschlusses 526 zeigen.
Der Knoten 621 ist mit dem Kollektor eines npn-Transistors 611 verbunden. Der Emitter des Transistors 611 ist über einen Widerstand 608 mit dem Gate-Anschluss des Mosfets 607 verbunden. Weiterhin ist der Emitter des Transistors 611 mit dem Emitter eines pnp-Transistors 612 verbunden. Der Kollektor des Transistors 612 ist mit dem Anschluss 526 verbunden.
Der Knoten 621 ist mit dem Emitter eines pnp-Transistors 613 verbunden. Der Kollektor des Transistors 613 ist mit der Basis des Transistors 611, mit der Basis des Transistors 612 und über einen Widerstand 614 mit dem Anschluss 526 verbunden.
Der Knoten 621 ist über eine Diode 620 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 619 verbunden, wobei die Kathode der Diode 620 in Richtung des Kollektors zeigt. Der Emitter des Transistors 619 ist mit dem Emitter des Transistors 617 und über einen Widerstand 618 mit dem Anschluss 526 verbunden. Der Kollektor des Transistors 617 ist mit der Basis des Transistors 613 verbunden. Die Basis des Transistors 619 ist mit dem Anschluss 527 verbunden und der Anschluss 526 ist mit dem Anschluss 528 verbunden.
Beispielhaft weist die in 5 und 6 dargestellte Schaltung die folgenden Bauteile bzw. Dimensionierungen auf (Widerstände in Ohm, Kondensatoren in Farad): R_531 = 3,3k; R_506 = 200k, R_507 = 100; R_510 = 27k; R_512 = 47k; R_514 = 100k; R_516 = 200k; R_511 = R_513 = R_515 = R_517 = 3,3k; R_608 = 10; R_614 = 22k; R_616 = 3,3k; R_618 = 22k; C_609 = C_610 = 1µ. Der Widerstand 615 hat abhängig von dem Modul 522a bis 522d unterschiedliche Werte, z.B. in Modul 522a 27k, in Modul 522b 47k, in Modul 522c 100k und in Modul 522d 200k.
Um die vorstehend erläuterte Nebenbedingung (A) zu erfüllen, ist es ggf. von Vorteil, die Spannungsdifferenz US_m als Vergleichswert zur jeweiligen LED Kettenspannung U_i geringfügig zu verringern. So können parasitäre Spannungsabfälle Up an den Entkoppeldioden 601 und an dem Stromregler 508 ausgeglichen werden. Diese Reduzierung der Spannungsdifferenzen US_m kann durch eine oder mehrere Spannungsquellen UO_m erreicht werden.
Die Spannungsquelle 509 kann z.B. einen minimalen Spannungsabfall an dem Stromregler 104 steuern. Dafür ist die Spannungsquelle 509 beispielsweise derart ausgelegt, dass der Stromregler 104 in jedem Betriebsfall bestimmungsgemäß (also ohne Stromunterbrechungen) arbeiten kann. Weiterhin soll der mittlere Spannungsabfall an dem Stromregler 104 zur Optimierung von Verlusten vorzugsweise so gering wie möglich sein.
Nebenbedingung (C) & Symmetrisierung
4 zeigt basierend auf der Darstellung von 3 mehrere Spannungsquellen zur Symmetrisierung der Ströme zwischen den einzelnen LED-Segmenten.
Im Unterschied zu 3 sind in 4 die Widerstände 317, 312 und 307 nicht direkt mit dem Knoten 302 verbunden. Stattdessen ist der Widerstand 317 über eine Spannungsquelle 401, der Widerstand 312 über eine Spannungsquelle 402 und der Widerstand 307 über eine Spannungsquelle 403 mit dem Knoten 302 verbunden.
Die Spannungsquellen 401 bis 403 werden angesteuert in Abhängigkeit von einem Mittelwert der Eingangsspannung. Ein solcher Mittelwert steht insbesondere in einer Beziehung zu der mittleren (gleichgerichteten) Netzspannung. Die Spannungsquellen 401 bis 403 werden somit unter Berücksichtigung der Nebenbedingung (C) angesteuert und bewirken eine kontrollierte Schaltverzögerung für das LED-Segment m.
Die Spannungsquellen 401 bis 403 können genutzt werden, um den Strom durch den Stromregler 104 zu steuern; beispielsweise kann der Stromregler 104 als ein Widerstand ausgeführt sein, wobei der Strom durch diesen Widerstand mittels der Spannungsquellen 401 bis 403 einstellbar ist.
Analog zur numerischen Lösung des nichtlinearen Optimierungsproblems für die Nebenbedingung (C) für den Fall der zeitgesteuerten Schaltungsanordnung gemäß den obigen Ausführungen, können auch die optimalen Werte für die Spannungsquellen UO_i(U_in) als Funktion der effektiven Eingangsspannung U_in,eff bestimmt werden.
Dies kann z.B. erreicht werden durch eine numerische Optimierung, wobei eine Fehlerfunktion E_rr als Funktion der Spannungen an den Spannungsquelle UO_m anstatt der Zeiten t_i ausgedrückt wird.
Somit kann die Asymmetrie beispielhaft durch die Fehlerfunktion E_rr erfasst werden. Die Fehlerfunktion E_rr wird z.B. abhängig von den Spannungen UO_m(U_in) ermittelt.
Die Spannungen UO_m(U_in) können im Rahmen einer Optimierung für alle Eingangsspannungen U_in so angepasst werden, dass die Fehlerfunktion minimal wird.
Alternativ oder zusätzlich kann die Fehlerfunktion E_rr als eine Funktion der Länge der Halbleiterleuchtelemente (z.B. die Anzahl der (jeweiligen) Halbleiterleuchtelemente) und/oder als eine Funktion über die Spannungsquellen ausgedrückt werden. Im Rahmen der numerischen Optimierung kann demnach eine günstige Auslegung bestimmt werden unter Berücksichtigung z.B. der Freiheitsgrade: Anzahl der Halbleiterleuchtelemente, Anzahl der Segmente, Einstellung der Spannungsquellen (pro Segment), Stromform (Oberwellen).
Beispielsweise können in einer Anordnung mit M LED-Segmenten M frei wählbare Parameter UO_m(U_in) zu Optimierung der Nebenbedingung (C) zur Verfügung stehen.
Zusätzliche beispielhafte Implementierungen
7 zeigt eine alternative Schaltungsanordnung zu 5. Eine Netzwechselspannung 701 ist über einen Gleichrichter 702 mit zwei Knoten 703 und 704 verbunden. Der Knoten 703 ist über einen Widerstand 705 mit einem Knoten 759 verbunden. Der Knoten 759 ist über eine Diode 706 und einen Widerstand 711 mit dem Knoten 704 verbunden, wobei die Kathode der Diode 706 in Richtung des Knotens 704 zeigt. Der Knoten 759 ist mit der Basis eines npn Transistors 752 verbunden. Der Emitter des Transistors 752 ist über einen Widerstand 753 mit dem Knoten 704 verbunden.
Der Knoten 703 ist über eine Reihenschaltung umfassend eine LED 712, ein Modul 707 und eine LED 713 mit einem Knoten 760 verbunden. Das Modul 707 umfasst eine Reihenschaltung aus mehreren LEDs, beispielsweise 54 LEDs. Der Knoten 703 ist über einen Kondensator 714 mit dem Knoten 760 verbunden. Der Knoten 703 ist über einen Kondensator 716 mit einem Knoten 755 verbunden. Der Knoten 760 ist über eine Diode 715 mit dem Knoten 755 verbunden, wobei die Kathode der Diode 715 in Richtung des Knotens 755 zeigt. Der Knoten 703 ist mit dem Emitter eines pnp-Transistors 717 verbunden. Der Kollektor des Transistors 717 ist mit dem Knoten 755 verbunden. Die Basis des Transistors 717 ist über einen Widerstand 718 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 719 verbunden. Der Emitter des Transistors 719 ist mit dem Knoten 760 verbunden. Die Basis des Transistors 719 ist über eine Serienschaltung aus einem Widerstand 720 und einer Diode 721 mit einem Knoten 761 verbunden, wobei die Kathode der Diode 721 in Richtung der Basis des Transistors 719 zeigt.
Der Knoten 755 ist über eine Reihenschaltung aus einer LED 722, einem Modul 708 und einer LED 723 mit einem Knoten 756 verbunden. Das Modul 708 umfasst 24 in Reihe geschaltete LEDs. Der Knoten 755 ist über einen Kondensator 724 mit einem Knoten 762 verbunden. Der Knoten 762 ist über eine Diode 725 mit dem Knoten 756 verbunden, wobei die Kathode der Diode 725 in Richtung des Knotens 756 zeigt. Der Knoten 755 ist über einen Kondensator 726 mit dem Knoten 756 verbunden. Der Knoten 755 ist mit dem Emitter eines pnp-Transistors 727 verbunden. Der Kollektor des Transistors 727 ist mit dem Knoten 756 verbunden. Die Basis des Transistors 727 ist über einen Widerstand 728 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 729 verbunden. Der Emitter des Transistors 729 ist mit dem Knoten 762 verbunden. Die Basis des Transistors 729 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 730 und einer Diode 731 mit dem Knoten 761 verbunden, wobei die Kathode der Diode 731 in Richtung der Basis des Transistors 729 zeigt.
Der Knoten 756 ist über eine Reihenschaltung umfassend eine LED 732, ein Modul 709 und eine LED 733 mit einem Knoten 757 verbunden. Das Modul 709 umfasst dabei eine Reihenschaltung aus zwölf LEDs. Der Knoten 756 ist über einen Kondensator 734 mit einem Knoten 763 verbunden. Der Knoten 756 ist über einen Kondensator 736 mit dem Knoten 757 verbunden. Der Knoten 756 ist mit dem Emitter eines pnp-Transistors 737 verbunden. Der Kollektor des Transistors 737 ist mit dem Knoten 757 verbunden. Die Basis des Transistors 737 ist über einen Widerstand 738 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 739 verbunden. Der Emitter des Transistors 739 ist mit dem Knoten 763 verbunden. Der Knoten 763 ist mit einer Diode 735 mit dem Knoten 757 verbunden, wobei die Kathode der Diode 735 in Richtung des Knoten 757 zeigt. Die Basis des Transistors 739 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 740 und einer Diode 741 mit dem Knoten 761 verbunden, wobei die Kathode der Diode 741 in Richtung der Basis des Transistors 739 zeigt.
Der Knoten 757 ist über eine Reihenschaltung aus einer LED 742, einem Modul 710 und einer LED 743 mit einem Knoten 758 verbunden. Das Modul 710 umfasst eine Reihenschaltung aus fünf LEDs. Der Knoten 757 ist über einen Kondensator 744 mit einem Knoten 764 verbunden. Der Knoten 764 ist über eine Diode 745 mit dem Knoten 758 verbunden, wobei die Kathode der Diode 745 in Richtung des Knotens 758 zeigt. Der Knoten 758 ist ferner mit dem Kollektor des Transistors 752 verbunden. Der Knoten 757 ist über einen Kondensator 746 mit dem Knoten 758 verbunden. Der Knoten 757 ist mit dem Emitter eines pnp-Transistors 747 verbunden. Der Kollektor des Transistors 747 ist mit dem Knoten 758 verbunden. Die Basis des Transistors 747 ist über einen Widerstand 748 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 749 verbunden. Der Emitter des Transistors 749 ist mit dem Knoten 764 verbunden. Die Basis des Transistors 749 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 750 und einer Diode 751 mit dem Knoten 761 verbunden, wobei die Kathode der Diode 751 in Richtung der Basis des Transistors 749 zeigt.
Der Knoten 761 ist über eine Spannungsquelle 754 mit dem Knoten 704 verbunden.
Im Hinblick auf 7 sei angemerkt, dass die Kathoden der LEDs jeweils in Richtung des Knotens 704 ausgerichtet sind.
Beispielhaft weist die in 7 dargestellte Schaltung die folgenden Bauteile bzw. Dimensionierungen auf (Widerstände in Ohm, Kondensatoren in Farad): R_705 = 200k; R_711 = 3,3k; R_753 = 100; R_720 = R_730 = R_740 = R_750 = 220k; R_718 = 220k; R_728 = 1 10k; R_738 = 56k; R_748 = 27k; C_716 = C_726 = C_736 = C_746 = 1p; C_714 = 47µ; C_724 = C_734 = C_744 = 1µ.
Der Kondensator 714 ist vergleichsweise groß dimensioniert und funktioniert als Puffer-Kondensator für die LEDs des Moduls 707 sowie die LEDs 712 und 713. Hierbei ist es von Vorteil, dass der Kondensator 714 lediglich für die an diesen LEDs abfallende Spannung und nicht für die volle Höhe der Netzspannung ausgelegt werden muss. Entsprechend kann der Kondensator 714 kleiner und damit platzsparender ausgeführt sein. Eine Option besteht darin, dass der Kondensator 714 ein Elektrolytkondensator ist; insbesondere kann der Kondensator 714 der einzige Elektrolytkondensator in der in 7 gezeigten Schaltung sein. Der Kondensator 714 kann über entsprechende Leitungen separat von der kompakten restlichen Schaltung ausgeführt sein. Insbesondere ist es möglich, den Kondensator 714 als austauschbares (z.B. steckbares) Bauteil vorzusehen. So kann sichergestellt werden, dass bei Ausfall des Elektrolytkondensators 714 dieser einfach und schnell ausgetauscht werden kann und damit die Schaltung nach kurzer Zeit wieder funktionsfähig ist.
Die Kondensatoren 716, 726, 736 und 746 stellen kleine parasitäre Kapazitäten dar, die ggf. in einer realen Schaltung auch entfallen können, weil sich derartig geringe Kapazitäten aufgrund des Schaltungsaufbaus selbst ergeben.
Auch die Dioden 721, 731, 741 und 751 sind optional und können ggf. eingespart werden, wenn die Transistoren 719, 729, 739 und 749 entsprechend spannungsfest ausgelegt sind bzw. ausgelegt werden können.
Durch die Dimensionierung der in 7 gezeigten Schaltung kann erreicht werden, dass der Transistor 717 mit einer Schaltfrequenz von ca. 100Hz betrieben wird; ein aufgrund dieser Schaltfrequenz unter Umständen wahrnehmbares Flickern wird durch den (Puffer-)Kondensator 714 verhindert. Der Transistor 727 arbeitet mit einer Schaltfrequenz von ca. 200Hz, der Transistor 737 mit einer Schaltfrequenz von ca. 400Hz und der Transistor 747 mit einer Schaltfrequenz von ca. 800Hz.
Die Kombination aus Kondensator 714 und Diode 715 stellt einen Spitzenwertdetektor (Peak-Detektor) für das LED-Segment umfassend das Modul 707 sowie die LEDs 712 und 713 dar. Entsprechend stellen der Kondensator 724 und die Diode 725 einen Spitzenwertdetektor für das LED-Segment umfassend das Modul 708 sowie die LEDs 722 und 723, der Kondensator 734 und die Diode 735 einen Spitzenwertdetektor für das LED-Segment umfassend das Modul 709 sowie die LEDs 732 und 733 und der Kondensator 744 und die Diode 745 einen Spitzenwertdetektor für das LED-Segment umfassend das Modul 710 sowie die LEDs 742 und 743 dar.
Die Transistoren 719, 729, 739 und 749 agieren als Komparatoren. Die Funktionsweise wird nachfolgend beispielhaft anhand der untersten Stufe für das LED-Segment umfassend das Modul 710 sowie die LEDs 742 und 743 beschrieben.
Der Widerstand 750 ist in Kombination mit dem Kondensator 744 so ausgelegt, dass der Kondensator 744 auch während der längsten zu erwartenden Einschaltphase des Transistors 747 nicht vollständig entladen wird. Die Spannungsquelle 754 gibt einen Spannungsoffset als minimale Spannung, z.B. in Höhe von 6V, vor, die bei dem Transistor 752 nicht unterschritten werden soll. Der Transistor 749 vergleicht die Spannung 6V minus der Spannung an dem Knoten 758. Schaltet der Transistor 747 durch, so werden das Modul 710 und die LEDs 742 und 743 überbrückt ("kurzgeschlossen"). Die verschiebt auch die Arbeitspunkte der verbleibenden Ansteuereinheiten für die anderen LEDs.
Hierbei sei angemerkt, dass die in Reihe geschalteten LEDs pro Stufe ein LED-Segment darstellen. Jedes LED-Segment wird über einen separaten Treiber angesteuert, der im Beispiel von 7 insbesondere die beiden Transistoren sowie den beschriebenen Spitzenwertdetektor aufweist. Die Ansteuerung der Treiber erfolgt anhand der gleichgerichteten Netzspannung (abzüglich des durch die Spannungsquelle 754 bereitgestellten Spannungsoffsets).
In 7 wird die Spannungsquelle 754 als gemeinsame Spannungsquelle für die mehreren Ansteuereinheiten der LED-Segmente verwendet. Optional können auch mehrere Spannungsquellen vorgesehen sein, z.B. eine Spannungsquelle für jede Ansteuereinheit des LED-Segments.
8 zeigt eine alternative Schaltungsanordnung, die im Wesentlichen auf der Schaltung gemäß 7 basiert und mehrere Spannungsquellen vorsieht, die zur Ansteuerung der einzelnen LED-Segmente einsetzbar sind.
Eine Netzwechselspannung 801 ist über einen Gleichrichter 802 mit zwei Knoten 803 und 805 verbunden. Der Knoten 803 ist über einen Widerstand 808 mit einem Knoten 859 verbunden. Der Knoten 859 ist über einen Widerstand 809 mit dem Knoten 805 verbunden. Der Knoten 859 ist mit der Basis eines npn-Transistors 811 verbunden. Der Emitter des Transistors 811 ist über einen Widerstand 810 mit dem Knoten 805 verbunden. Der Knoten 803 ist über eine Serienschaltung aus einer LED 817 und einer LED 818 mit einem Knoten 860 verbunden. Der Knoten 860 ist über eine Serienschaltung aus einem Modul 813 und einer Diode 825 mit einem Knoten 856 verbunden, wobei die Kathode der Diode 825 in Richtung des Knotens 856 zeigt. Der Knoten 803 ist über einen Kondensator 819 mit dem Knoten 860 verbunden. Der Knoten 803 ist mit dem Emitter eines pnp-Transistors 820 verbunden. Der Kollektor des Transistors 820 ist mit dem Knoten 856 verbunden. Die Basis des Transistors 820 ist über einen Widerstand 821 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 822 verbunden. Der Emitter des Transistors 822 ist mit dem Knoten 860 verbunden. Die Basis des Transistors 822 ist über eine Serienschaltung aus einem Widerstand 823 und einer Diode 824 sowie einer Spannungsquelle 855 mit dem Knoten 805 verbunden, wobei die Kathode der Diode 824 in Richtung der Basis des Transistors 822 zeigt.
Der Knoten 856 ist über eine Reihenschaltung aus einer LED 826 und einer LED 827 mit einem Knoten 861 verbunden. Der Knoten 861 ist über eine Reihenschaltung aus einem Modul 814 und einer Diode 834 mit einem Knoten 857 verbunden, wobei die Kathode der Diode 834 in Richtung des Knotens 857 zeigt. Der Knoten 856 ist über einen Kondensator 828 mit dem Knoten 861 verbunden. Der Knoten 856 ist mit dem Emitter eines pnp-Transistors 829 verbunden. Der Kollektor des Transistors 829 ist mit dem Knoten 857 verbunden. Die Basis des Transistors 829 ist über einen Widerstand 830 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 831 verbunden. Der Emitter des Transistors 831 ist mit dem Knoten 861 verbunden. Die Basis des Transistors 831 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 832, einer Diode 833 und einer Spannungsquelle 854 mit dem Knoten 805 verbunden, wobei die Kathode der Diode 833 in Richtung der Basis des Transistors 831 zeigt.
Der Knoten 857 ist über eine Reihenschaltung aus einer LED 835 und einer LED 836 mit einem Knoten 862 verbunden. Der Knoten 862 ist über ein Modul 815, das mit einer Diode 843 in Reihe geschaltet ist, mit einem Knoten 858 verbunden, wobei die Kathode der Diode 843 in Richtung des Knotens 858 zeigt. Der Knoten 857 ist über einen Kondensator 837 mit dem Knoten 862 verbunden. Der Knoten 857 ist mit dem Emitter eines pnp-Transistors 838 verbunden. Der Kollektor des Transistors 838 ist mit dem Knoten 858 verbunden. Die Basis des Transistors 838 ist über einen Widerstand 839 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 840 verbunden. Der Emitter des Transistors 840 ist mit dem Knoten 862 verbunden. Die Basis des Transistors 840 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 841, einer Diode 842 und einer Spannungsquelle 853 mit dem Knoten 805 verbunden, wobei die Kathode der Diode 842 in Richtung der Basis des Transistors 840 zeigt.
Hierbei sei angemerkt, dass die Anzahl der Dioden 817, 818, die parallel zu dem Kondensator 819 (entsprechend in den anderen Segmenten) angeordnet sind, nur beispielhaft zwei beträgt. Es sind auch andere (z.B. auch unterschiedliche) Anzahlen von Dioden pro Segment möglich.
Der Knoten 858 ist über eine Reihenschaltung aus einer LED 844 und einer LED 845 mit einem Knoten 863 verbunden. Der Knoten 863 ist über ein Modul 816, das mit einer Diode 812 in Reihe geschaltet ist, mit einem Knoten 864 verbunden, wobei die Kathode der Diode 812 in Richtung des Knotens 864 zeigt. Der Knoten 858 ist über einen Kondensator 846 mit dem Knoten 863 verbunden. Der Knoten 858 ist mit dem Emitter eines pnp-Transistors 847 verbunden. Der Kollektor des Transistors 847 ist mit dem Knoten 864 verbunden. Die Basis des Transistors 847 ist über einen Widerstand 848 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 849 verbunden. Der Emitter des Transistors 849 ist mit dem Knoten 863 verbunden. Die Basis des Transistors 849 ist über eine Serienschaltung aus einem Widerstand 850, einer Diode 851 und einer Spannungsquelle 852 mit dem Knoten 805 verbunden, wobei die Kathode der Diode 851 in Richtung der Basis des Transistors 849 zeigt.
Der Knoten 864 ist mit dem Kollektor des Transistors 811 verbunden.
Die Module 813, 814, 815 und 816 weisen jeweils eine Reihenschaltung aus LEDs auf. Die Reihenschaltungen aus LEDs sind pro Modul insbesondere unterschiedlich ausgeführt, so dass an jedem der Module 813 bis 816 unterschiedliche Spannungen abfallen. Beispielsweise können die Module 813 bis 816 derart ausgeführt sein, dass die folgenden Spannungen abfallen:

– an dem Modul 813: 150V,
– an dem Modul 814: 70V,
– an dem Modul 815: 30V und
– an dem Modul 816: 10V.

Im Hinblick auf 8 sei angemerkt, dass die Kathoden der LEDs jeweils in Richtung des Knotens 705 ausgerichtet sind.
Beispielhaft weist die in 8 dargestellte Schaltung die folgenden Bauteile bzw. Dimensionierungen auf (Widerstände in Ohm, Kondensatoren in Farad): R_808 = 200k; R_809 = 3,3k; R_810 = 100; R_821 = R_830 = R_839 = R_848 = 10k; R_823 = R_832 = R_841 = R_850 = 1M; C_819 = C_828 = C_837 = C_846 = 1µ.
Weitere Vorteile:
Die vorliegende Betriebsschaltung für LEDs weist eine hohe Effizienz auf und kann mit geringen Kosten hergestellt werden. Vorteilhaft ist es möglich, die elektrische Leistung gleichmäßig bzw. mit einer hohen Gleichmäßigkeit über die LED-Segmente zu verteilen. Optional kann die Leistungsverteilung entlang der LED-Kette gesteuert werden. Die vorgestellte Lösung erlaubt weiterhin einen Powerfaktor nahe 1,0 und damit geringe bzw. gut kontrollierbare Oberwellen. Die Schaltung ist zentral dimmbar, z.B. über einen einstellbaren Linearregler. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Bauraum, da keine magnetischen Komponenten (Drosseln o.ä.) benötigt werden. Auch hieraus folgt eine gute elektromagnetische Verträglichkeit.
Bezugszeichenliste

101–103: LED-Segment
104: Stromregler
105: Netzwechselspannung
106: Gleichrichter
SW₁ bis SW₃: (elektronischer) Schalter
C1 bis C3: Kondensator
D1 bis D3: (Entkoppel-)Diode
301–302: Knoten
303: Komparator
304–307: Widerstand
308: Komparator
309–312: Widerstand
313: Komparator
314–317: Widerstand
401–403: Spannungsquelle
501: Netzwechselspannung
502: Gleichrichter
503–504: Knoten
505: Diode
506–507: Widerstand
508: pnp-Transistor
509: Spannungsquelle
510–517: Widerstand
518–521: Modul (LED-Segment oder Teil eines LED-Segments)
522a–522d: Modul (siehe 6)
523–528: Anschlüsse des Moduls 522a–522d
529–530: Knoten
531: Widerstand
601–603: Diode
604–605: LED
606: Knoten
607: Mosfet
608: Widerstand
609–610: Kondensator
611: npn-Transistor
612–613: pnp-Transistor
614–616: Widerstand
617: npn-Transistor
618: Widerstand
619: npn-Transistor
620: Diode
621: Knoten
701: Netzwechselspannung
702: Gleichrichter
703–704: Knoten
705: Widerstand
706: Diode
707–710: Modul
711: Widerstand
712–713: LED
714: Kondensator
715: Diode
716: Kondensator
717: pnp-Transistor
718: Widerstand
719: npn-Transistor
720: Widerstand
721: Diode
722–723: LED
724: Kondensator
725: Diode
726: Kondensator
727: pnp-Transistor
728: Widerstand
729: npn-Transistor
730: Widerstand
731: Diode
732–733: LED
734: Kondensator
735: Diode
736: Kondensator
737: pnp-Transistor
738: Widerstand
739: npn-Transistor
740: Widerstand
741: Diode
742–743: LED
744: Kondensator
745: Diode
746: Kondensator
747: pnp-Transistor
748: Widerstand
749: npn-Transistor
750: Widerstand
751: Diode
752: npn-Transistor
753: Widerstand
754: Spannungsquelle
755–764: Knoten
801: Netzwechselspannung
802: Gleichrichter
803: Knoten
805: Knoten
808–810: Widerstand
811: npn-Transistor
812: Diode
813–816: Modul
817–818: LED
819: Kondensator
820: pnp-Transistor
821: Widerstand
822: npn-Transistor
823: Widerstand
824–825: Diode
826–827: LED
828: Kondensator
829: pnp-Transistor
830: Widerstand
831: npn-Transistor
832: Widerstand
833–834: Diode
835–836: LED
837: Kondensator
838: pnp-Transistor
839: Widerstand
840: npn-Transistor
841: Widerstand
842–843: Diode
844–845: LED
846: Kondensator
847: pnp-Transistor
848: Widerstand
849: npn-Transistor
850: Widerstand
851: Diode
852–855: Spannungsquelle
856–864: Knoten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010040266 A1 [0007]

Claims

Schaltung zur Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen, – mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Segmenten, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Halbleiterleuchtelemente aufweisen, – wobei die Halbleiterleuchtelemente in zumindest zwei der Segmente unterschiedlich sind, – mit je einem Treiber zur Ansteuerung eines Segments, wobei der Treiber mindestens einen elektronischen Schalter aufweist, anhand dessen das Segment überbrückbar ist, – bei der die Treiber über mindestens eine Spannungsquelle mit der gleichgerichteten Netzspannung gekoppelt sind.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der jeder Treiber über eine separate Spannungsquelle mit der gleichgerichteten Netzspannung gekoppelt ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine Spannungsquelle realisierbar ist mittels: – eines Spannungsteilers; – einer Hilfsspannungsquelle; – einer Zenerdiode.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spannungsquelle ansteuerbar ist abhängig von einem Mittelwert der gleichgerichteten Netzspannung.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Treiber mit einer gleichgerichteten Netzspannung versorgbar sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens zwei der Segmente Halbleiterleuchtelemente aufweisen, die zumindest teilweise in ihren Vorwärtsspannungen, ihren Farben, ihren Größen, ihren Bauformen und/oder ihren Anzahlen unterschiedlich sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Treiber ein Vergleichselement umfasst.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Segmente mit einem Stromregler in Reihe geschaltet sind.
Schaltung nach Anspruch 8, bei der der Stromregler mittels einer Dimmung steuerbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei der der Stromregler ein resistives Element oder einen Linearregler aufweist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Segment mit der größten Vorwärtsspannung eine mindestens doppelt so große Vorwärtsspannung aufweist wie das Segment mit der geringsten Vorwärtsspannung.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der elektronische Schalter des Treibers mit einer Schaltfrequenz aktiv ist, die mindestens die doppelte Netzfrequenz oder ein Vielfaches der Netzfrequenz aufweist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens einer der Treiber einen Kondensator aufweist, der parallel zu Halbleiterleuchtelementen des Segments angeordnet ist, dem der Treiber zugeordnet ist.
Schaltung nach Anspruch 13, bei der der Kondensator in oder zusammen mit demjenigen Treiber angeordnet ist, der das Segment mit der größten Vorwärtsspannung ansteuert.
Schaltung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der der Kondensator über eine lösbare Verbindung austauschbar ausgeführt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der mindestens einer der Treiber eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Diode aufweist, wobei diese Reihenschaltung parallel zu den Halbleiterleuchtelementen des Segments angeordnet ist, das der Treiber ansteuert.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine Entkoppeldiode zwischen je zwei Segmenten angeordnet ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Einrichtung zur Mischung des von mehreren Segmenten bereitgestellten Lichts vorgesehen ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der der Treiber einen elektronischen Kurschluss-Schalter (717) umfasst, anhand dessen das dem Treiber zugeordnete Segment kurzschließbar ist, – wobei der Basis-Anschluss des Kurzschluss-Schalters (717) über ein erstes strombegrenzendes Element (718) mit dem Kollektor-Anschluss eines elektronischen Vergleichs-Schalters (719) verbunden ist, – wobei der Emitter-Anschluss des Vergleichs-Schalters (719) mit einem Anschluss des Segments, dem der Treiber zugeordnet ist, verbunden ist, – wobei der Basis-Anschluss des Vergleichs-Schalters (719) mit einem Pol der gleichgerichteten Netzwechselspannung (701) verbunden ist.
Lampe, Leuchte oder Leuchtsystem mit einer Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19.