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Die Erfindung beschreibt eine Ansteuerschaltung für Leuchtdioden mit mehreren Ansteuerkanälen und einer Symmetriereinrichtung zur Angleichung der Ströme in den einzelnen Ansteuerkanälen, mit einer Steuereinheit, die mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung bzw. einem Leistungsfaktorcontroller (PFC), mit einer Brückenschaltung und mit einer primärseitigen Strommesseinrichtung verbunden ist.
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Flachbildfernseher und Monitore mit Flüssigkristallanzeigen benötigen eine Hintergrundbeleuchtung. Diese wird zunehmend mit Leuchtdioden (LED) statt Kaltkathodenröhren realisiert, da LED weniger Energie benötigen und eine größere Lebensdauer haben. In 1 ist ein Fernseher 27 mit einer derartigen Hintergrundbeleuchtung skizziert. Die Leuchtdioden 12 sind hier in mehreren sogenannten Leuchtdiodenketten 2 (LED-Kette) am oberen und unteren Bildrand des Fernsehers 27 angeordnet. Im Beispiel sind jeweils zwei Leuchtdiodenketten 2 oben und unten an einem Bildschirm 28 angeordnet. Das Licht der Leuchtdioden 12 wird durch eine Streuscheibe gleichmäßig über die gesamte Bildfläche verteilt. Eine LED-Kette 2 kann aus mehreren Leuchtdioden 12 bestehen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sein können.
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Um bei diesem Aufbau eine gleichmäßige Ausleuchtung der Bildschirmfläche zu erhalten, ist es unbedingt notwendig, dass alle Leuchtdiodenketten gleich hell sind. Dies wird dadurch erreicht, dass mit Hilfe einer Symmetrierschaltung die Ströme in den einzelnen Leuchtdiodenketten angeglichen werden.
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Eine Ansteuerschaltung mit einer solchen Symmetrierschaltung ist beispielhaft in 2 gezeigt. Die Ansteuerschaltung weist mehrere Ansteuerkanäle 1 auf, in denen jeweils eine LED-Kette 2 angesteuert ist. Als Symmetriereinrichtung ist in jedem Ansteuerkanal 1 ein Symmetriertransformator 3 angeordnet. Die Primärwicklungen 4 aller Transformatoren 3 sind in Reihe geschaltet und mit einer Brückenschaltung 5 als Wechselspannungsquelle verbunden. Die Brückenschaltung 5 wird über einen Leistungsfaktorcontroller 6 (PFC) mit einer Gleichspannung versorgt. PFC 6 und Brückenschaltung 5 sind mit einer Steuereinheit 7 verbunden, die beispielsweise die Ausgangsspannung des PFC 6 regelt. Die LED-Ketten 2 sind jeweils über einen Brückengleichrichter 13 an den Sekundärwicklungen 8 der Symmetriertransformatoren 3 angeschlossen. Der Lampenstrom in allen Ansteuerkanälen 1 ist dabei gleich und entspricht dem Wirkstrom in den Primärwicklungen 4.
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Ein Dimmen der Leuchtdiodenketten ist bei dieser Schaltung beispielsweise durch Variieren des primärseitigen Stromes, etwa durch Modulation der primären Spannungs- oder Stromquelle (burst mode dimming) möglich. Da alle Ansteuerkanäle symmetriert sind, werden diese jedoch immer gleich gedimmt.
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In manchen Anwendungen ist es jedoch notwendig, dass die Ansteuerkanäle beim burst mode dimming jeweils leicht zeitversetzt ein- und wieder ausgeschaltet werden, wie im Zeitdiagramm in 3 gezeigt ist. Ein Dimmen der Lampen unter Beibehaltung der Stromsymmetrierung ist dann beispielsweise nur möglich, wenn jeder Ansteuerkanal eine eigene, geregelte Stromversorgung aufweist. Eine solche Ansteuerschaltung ist jedoch aufwendig und teuer.
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Aus der nicht vorveröffentlichten
DE 102012007746.7 ist die in
4 gezeigte Ansteuerschaltung der vorgenannten Art bekannt, bei der jeder Ansteuerkanal (
1) einen ersten Transistor-Schalter (Qx) zum Schalten jeweils einer Leuchtdiodenkette (
2) aufweist, der mit einem separaten Dimmsignal (DSx) verbunden ist, wobei jeder Ansteuerkanal einen Glättungskondensator (Cx) und einen Strombegrenzer (
19) aufweist, der durch einen zweiten Transistor-Schalter (Qxc) und einen dritten Transistor-Schalter (Qxcl) gebildet ist, wobei der dritte Transistor-Schalter als Bipolartransistor ausgebildet ist und wobei die Basis des Bipolartransistors mit dem Drain-Anschluss des zweiten Schalters (Qxc) verbunden. Die Steuereinheit (
7) ist dabei so ausgelegt, dass sofern alle Dimmsignale (DSx) logisch AN sind, die Ausgangsspannung der PFC (
6) mit Hilfe der Strommesseinrichtung (
9) so geregelt ist, dass der primärseitige Strom einem vorgegebenen Sollwert entspricht und dass sobald mindestens ein Dimmsignal (DSx) logisch AUS ist, die Ausgangsspannung des PFC konstant auf ihrem letzten Wert gehalten wird. Das bietet den Vorteil, dass nicht für jeden Ansteuerkanal eine eigene Stromversorgung notwendig ist und dennoch jeder Kanal getrennt regelbar ist. Die Transistoren Qx, die in Reihe mit den einzelnen LEDs verbunden sind, können zusammen mit den zweiten Transistoren Qxc mit unterschiedlichen Tastverhältnissen gedimmt werden. Dabei sind die Werte der Stromanstiegs- und Abfallzeiten in den LEDs kleiner als 1µs beim Dimmübergang. Die Transistoren Qxc verhindern Überspannungen an den Kondensatoren Cx im Leerlaufbetrieb der Transformatoren und begrenzen zudem den Ladestrom durch Kondensatoren, zum Beispiel beim Anlauf, wenn diese Kondensatoren leer sind. Die Dioden
15 ermöglichen den Dimmbetrieb mit unterschiedlichen Tastverhältnissen in den LEDs. Die maximal mögliche oder tolerierbare Spannungstoleranz zwischen den einzelnen Leuchtdiodenketten wird durch die Werte des Spannungsabfalls an den Dioden
15 bestimmt und begrenzt.
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Bei dieser Art von Ansteuerschaltung ergeben sich jedoch die folgenden Probleme:
Beim Anlegen eines Dimmsignals, werden zuerst die ersten Transistoren Qx eingeschaltet, die sich in Serie mit den LED Ketten befinden und erst danach werden die zweiten Transistoren Qxc in Reihe mit den Kondensatoren eingeschaltet. Dies erfolgt bedingt durch die Verschaltung der Transistoren und deren Schaltverzögerung, kann also nicht einfach verhindert werden. Deswegen entstehen beim Dimmen am Anfang des Strompulses immer Stromspitzen, die etwa 30%–50% höher als der Arbeitsstrom sind.
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Wenn der Strom durch die zweiten Transistoren Qxc (in Serie mit den Kondensatoren C1c...Cnc) bestimmte Wert erreicht, dann werden die Transistoren Qxc gesperrt. Die Transistoren Qx bleiben in leitendem Zustand. Deshalb kann durch die LEDs Überstrom fließen. Das passiert immer beim Start, wenn die Kondensatoren C1...Cn noch nicht voll aufgeladen sind und der Inverter asymmetrische Spannung liefert. Die Stromspitzen können 3 bis 5 mal höhere Werte als der Arbeitsstrom erreichen.
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Die Sperrspannung von den Gleichrichterdioden 13 erreicht beim Start (Leerlauf, wenn die Transformatoren in Betrieb sind und die Transistoren Qx gesperrt sind) bis zu dreimal größere Werte als im Arbeitsbetrieb, d.h. es müssen Dioden mit dieser erhöhten Sperrspannung (Us) verwendet werden. Diese Dioden haben normalerweise höhere Werte für die Durchlassspannung (Uf) und Reverse Recovery Time (tr). Dadurch steigen auch die Verluste in den Dioden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Ansteuerschaltung zu schaffen, bei der die genannten Probleme nicht auftreten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ansteuerschaltung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen.
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Die Idee der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung besteht darin, dass in jedem Ansteuerkanal jeweils das Gate des ersten Schalters direkt mit dem Gate des zweiten Schalters verbunden ist. Der Strom, der durch jeden einzelnen LED-Strang fließt, ist proportional zu dem durch den Inverter fließenden Strom. Deswegen verwendet man für die Stromregulierung das Rückkopplungssignal vom Shuntwiderstand Rm, der in Reihenschaltung mit den Primärwicklungen der Transformatoren verbunden wird.
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Wenn alle Dimmsignale DSi „1“ sind, generiert der Inverter hochfrequente Spannung. Daraufhin kommt gleichgerichtete Spannung durch den Gleichrichter 13 zu den LED-Ketten. Alle Transistoren Qx und Qxc sind leitend. Die Ströme sind in allen Ansteuerkanälen gleich, aber die Spannungen an den LED-Ketten können unterschiedlich sein. Die maximale Diskrepanz der Spannungen der LEDs wird durch die Werte der Spannung an den Dioden 15 begrenzt. Durch die Dioden 15 fließt kein Strom. Wenn ein Teil der Dimmsignale DSi „0“ ist und die Transistoren in den entsprechenden Kanälen gesperrt sind, dann sinken die Ströme in allen Sekundärwicklungen, trotzdem bleiben alle Ströme in den Sekundärwicklungen gleich, da in den Dioden 15 Strom fließen kann. Der Strom in den Primärwicklungen der Transformatoren sinkt ebenfalls und wenn der Shuntwiderstand unverändert bleibt, wird das Spannungssignal an diesem Shuntwiderstand kleiner. Damit der Strom in den LEDs unverändert bleibt, bekommt das Steuer IC eine Rückkopplung von der Sekundärseite wie viele Dimmsignale „0“ und „1“ sind, woraufhin der Primärstrom proportional zu der Anzahl der gesperrten LED Kanäle sinkt. Dadurch, dass nun die Gates der ersten und der zweiten Transistor-Schalter miteinander verbunden sind, besteht zwischen den Schaltzeitpunkten der ersten Transistor-Schalter Qx und zweiten Transistor-Schalter Qxc keine Verzögerung mehr. Daher entstehen beim Dimmen am Anfang der Strompulse keine Stromspitzen mehr. Wenn der Strom durch die zweiten Transistor-Schalter Qxc einen bestimmten Wert erreicht, dann werden die zweiten Transistor-Schalter Qxc gesperrt. Die ersten Transistoren Qx sind in gleichem Zustand. Deshalb fließt durch die LEDs auch kein Überstrom. Da keine Stromspitzen und keine Überspannungen entstehen, können die Dioden im Gleichrichter 13 mit geringerer Sperr- und Durchlassspannung gewählt werden, wie oben beschrieben. Dadurch wird die Ansteuerschaltung zum Einen kostengünstiger herstellbar und zum Anderen entsteht im Betrieb weniger Verlustleistung. Die ersten und zweiten Transistorschalter können insbesondere durch MOSFETs gegeben sein.
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Aufgrund von Serientoleranzen kann es trotz gemeinsamer Gate-Ansteuerung vorkommen, dass die ersten Transistoren Qx schneller schalten als die zweiten Transistoren Qxc. Dabei können in den LEDs Stromspitzen entstehen. Um diese Stromspitzen zu unterdrücken, weist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zusätzliche Kondensatoren auf, die in jedem Ansteuerkanal parallel zur Leuchtdiodenkette geschaltet ist. Schalten dagegen die zweiten Transistoren schneller, dann entstehen keine Stromspitzen, da diese durch die Kondensatoren unterdrückt werden.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind alle Dimmsignale in einer Logikeinheit durch eine logische UND-Verknüpfung zu einem Gesamt-Dimmsignal verknüpft und das Gesamt-Dimmsignal ist als Schaltsignal mit einer Umschalteinrichtung verbunden, die das PFC-Steuersignal zwischen dem Strommesssignal und einem festen Referenzwert umschaltet. Die UND-Logikeinheit kann dabei ein separater Baustein sein oder beispielsweise in der Steuereinheit integriert sein.
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Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Ansteuerkanal jeweils ein Symmetriertransformator und ein Brückengleichrichter angeordnet ist, dass die Primärwicklungen aller Symmetriertransformatoren in Reihe geschaltet und mit einer Spannungsversorgung verbunden sind, dass die Sekundärwicklungen der Symmetriertransformatoren jeweils mit dem Brückengleichrichter verbunden sind, dass die positiven Ausgänge aller Brückengleichrichter miteinander verbunden sind und die negativen Anschlüsse jeweils individuelle Kanal-Massen bilden.
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Vorzugsweise sind die Kanal-Massen der Ansteuerkanäle jeweils über mindestens ein gegensinnig parallelgeschaltetes Diodenpaar mit Masse verbunden. Das Potential der Kanal-Massen wird dadurch für kleine Spannungsdifferenzen bis zur Durchlassspannung der Dioden von der Masse entkoppelt. Dadurch entsteht ein Rückstrompfad für die Gate-Signale und es wird gleichzeitig möglich, dass die Spannungen der Leuchtdiodenketten leicht unterschiedlich sein können.
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Diese Spannungstoleranz hängt daher maßgeblich von der Durchlassspannung der Diodenpaare ab. Um die Spannungstoleranz zu vergrößern, können die einzelnen Dioden der Diodenpaare durch Serienschaltungen von jeweils mindestens zwei Dioden ersetzt werden. Dadurch vergrößert sich die Durchlassspannung auf die Summe der Durchlassspannungen der hintereinandergeschalteter Dioden und damit auch die Spannungstoleranz. Dies erleichtert das Ausbalancieren des Stromes in den einzelnen Ansteuerkanälen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Diodenpaar zwei gegenorientierte Zenerdioden auf. Dabei ist es egal, ob die Zenerdioden mit den Kathoden oder den Anoden miteinander verbunden sind. Insbesondere bei kleinen Strömen bietet sich hier eine Möglichkeit die Spannungstoleranz nahezu beliebig zu vergrößern.
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In einer weiteren, vorteilhaften Ausführung weist die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung ein Überspannungsschutzbauteil, beispielsweise eine Suppressordiode, auf, das zwischen einem Masseanschluss und Ausgängen der Brückengleichrichter parallel zu den Ansteuerkanälen geschaltet ist. Dieses Überspannungsschutzbauteil verhindert zusätzlich Überspannungen in den LEDs und den Gleichrichterdioden. Aus diesem Grund können die Dioden mit kleinerer Sperrspannung gewählt werden, wodurch sich die Durchlassspannung und die Reverse Recovery Time verbessern. Somit kann die Schaltung auch hinsichtlich der Verlustleistung verbessert werden.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Hintergrundbeleuchtung gemäß dem Stand der Technik für einen Bildschirm (z.B. ein Flachbildfernseher) mit Leuchtdiodenketten, die am oberen und unteren Bildschirmrand angeordnet sind,
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2 einen Ausschnitt einer Ansteuerschaltung gemäß dem Stand der Technik, mit Symmetriertransformatoren, die primärseitig in Reihe geschaltet sind,
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3 ein Zeitdiagramm mit jeweils leicht zeitversetzten Dimmsignalen für jeden Ansteuerkanal einer Ansteuerschaltung,
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4 eine Ansteuerschaltung gemäß dem Stand der Technik, mit jeweils einem Brückengleichrichter und einem Strombegrenzer in jedem Ansteuerkanal,
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5 eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung,
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6 eine weitere erfindungsgemäße Ansteuerschaltung, bei der jeweils die Source-Anschlüsse der MOSFET-Schalter Qx mit den entsprechenden Basen des zugeordneten Bipolartransistoren Qxcl verbunden sind,
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7 ein Diodenpaar mit mehreren in Reihe geschalteter Dioden und
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8 ein Diodenpaar mit zwei gegenorientierten Zenerdioden.
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Die 4 zeigt eine Ansteuerschaltung für Leuchtdiodenketten 2 gemäß dem Stand der Technik. Die Ansteuerschaltung weist eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) 6 als Gleichspannungsquelle auf. Die geregelte Gleichspannung der PFC 6 wird in einer nachgeschalteten Brückenschaltung 5 in eine hochfrequente Wechselspannung gewandelt. Im Beispiel ist eine Halbbrücke gezeigt. Die Schaltung kann jedoch auch eine Vollbrücke oder einen anderen Wechselrichter aufweisen. Die Taktfrequenz der Wechselspannung liegt typischerweise um 100 kHz. Die Frequenz kann jedoch je nach Anforderung der Anwendung auch nahezu beliebig variiert werden. Die Brückenschaltung weist zwei Schalter auf, die durch eine Steuereinheit 7 angesteuert sind.
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Die Ansteuerschaltung weist weiterhin eine Strommesseinrichtung 9 auf, die den primärseitigen Gesamtstrom überwacht. Dazu ist im Beispiel ein Messwiderstand Rm in der Brückenschaltung 5 angeordnet. Die am Messwiderstand Rm abfallende Spannung ist ein Maß für den Strom, der durch die Halbbrücke 5 fließt. Das Strommesssignal 10 ist mit der Steuereinheit 7 verbunden, die den Messwert mit einem festen Sollwert vergleicht und dem entsprechend ein PFC-Steuersignal 11 an die PFC 6 weiterleitet, die ihre Ausgangsspannung damit so regelt, dass der Primärstrom möglichst dem Sollwert entspricht.
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Die Ansteuerschaltung weist mehrere Ansteuerkanäle 1 auf, in denen jeweils eine Leuchtdiodenkette 2 angeordnet ist. Jede Leuchtdiodenkette 2 besteht aus mindestens einer Leuchtdiode 12, wobei mehrere Leuchtdioden parallel und/oder in Reihe geschaltet sein können. Die Ansteuerkanäle 1 sind durch die Brückenschaltung 5 mit einer Wechselspannung versorgt. Zur Symmetrierung des Stromes in allen Ansteuerkanälen 1 weist jeder Ansteuerkanal 1 einen Symmetriertransformator 3 auf. Die Primärwicklungen 4 aller Symmetriertransformatoren 3 sind in Reihe geschaltet und mit der Brückenschaltung 5 verbunden. Die Sekundärwicklung des Symmetriertransformators 3 ist jeweils mit einem Brückengleichrichter 13 verbunden.
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Die positiven Ausgänge aller Brückengleichrichter 13 sind miteinander verbunden. Sie bilden dadurch eine gemeinsame Anode für die Leuchtdiodenketten 2. Die negativen Anschlüsse bilden jeweils eine Kanal-Masse 14.
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Diese Kanal-Massen 14 sind durch mindestens ein Paar 15 antiparallel geschalteter Dioden 16 mit der Gesamt-Masse 17 verbunden. Dieses Diodenpaar 15 entkoppelt das Potential der Kanal-Massen 14 für kleine Spannungsunterschiede im Bereich der Durchlassspannung der Dioden 16 von dem Potential der Masse 17. Das Diodenpaar ermöglicht dadurch zum Einen, dass die Spannungen der Leuchtdiodenketten 2 leicht unterschiedlich sein können und bietet zudem einen Rückstrompfad für die Gate-Signale (Dimmsignale).
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Zum Dimmen per burst mode dimming ist jeweils zwischen dem Kathodenanschluss der Leuchtdiodenkette 2 und der Kanal-Masse 14 ist ein erstes Schaltelement Qx (x = 1...n) geschaltet. Im Beispiel ist das erste Schaltelement Qx als MOSFET ausgebildet. Als Schaltsignal dient ein Dimmsignal DSx (x = 1...n), das von einem Dimmsignalgenerator 18 für jeden Ansteuerkanal 1 getrennt erzeugt wird.
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Jeder Ansteuerkanal 1 weist zusätzlich einen Glättungskondensator Cx (x = 1...n) und einen Strombegrenzer 19 auf, der den Ladestrom des Glättungskondensators Cx begrenzt. Insbesondere beim ersten Einschalten der Spannungsversorgung treten hier sehr große Ladeströme auf, so dass dieser Strombegrenzer für das Funktionieren der Schaltung unbedingt erforderlich ist.
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Der Strombegrenzer 19 weist einen zweiten Schalter Qxc (x = 1...n) auf, der im Beispiel als MOSFET ausgebildet ist. Der Drain-Anschluss dieses zweiten Schalters Qxc ist mit dem Kondensator Cx und der Source-Anschluss über einen Widerstand Rxcl (x = 1...n) mit der Kanal-Masse 14 verbunden. Dieser Widerstand Rxcl und ein dritter Schalter Qxcl (x = 1...n) begrenzen den Strom durch den zweiten Schalter Qxc und verhindern damit zu große Ladeströme am Glättungskondensator Cx. Der Gate-Anschluss des ersten Schalters Qx ist über einen Widerstand Rx (x = 1...n) mit dem Dimmsignal DSx als Schaltsignal verbunden. Der Transistor Qxc schaltet daher synchron mit dem Transistor Qx der Leuchtdiodenkette 2. Der Source-Anschluss des zweiten Schalters Qxc ist mit der Basis des dritten Schalters Qxcl, der als npn-Bipolartransistor ausgebildet ist, verbunden. Der Kollektor dieses Bipolartransistors ist mit dem Gate-Anschluss des zweiten Schalters Qxc und der Emitter ist mit der Kanal-Masse 14 verbunden.
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Die Dimmsignale DSx sind zusätzlich mit einer Logikeinheit 20 verbunden, die alle Dimmsignale DSx durch eine logische UND-Verknüpfung zu einem Gesamt-Dimmsignal DG verknüpft. Dieses Gesamt-Dimmsignal DG ist nur dann logisch AN, wenn alle Dimmsignale DSx logisch-AN sind, ansonsten ist es logisch AUS. Das Gesamt-Dimmsignal DG ist über eine galvanische Trennung, im Beispiel ein Optokoppler 21, mit der Steuereinheit 7 verbunden.
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Die Steuereinheit 7 weist einen Umschalter 22 auf, für den das Gesamt-Dimmsignal DG als Schaltsignal dient. Wenn das Gesamt-Dimmsignal DG logisch AN ist, verbindet dieser Umschalter 22 das Strommesssignal 10 der Strommesseinrichtung 9 mit der Steuereinheit 7. Diese erzeugt daraus das PFC-Steuersignal 11 oder leitet es als solches weiter. Dadurch erfolgt eine Regelung des Primärstromes auf einen festen Sollwert mittels Veränderung der PFC-Spannung. Ist das Gesamt-Dimmsignal DG logisch AUS, dann wechselt der Regler in eine spannungsgeführte Betriebsweise, wobei als Spannungssollwert jener Wert der PFC-Spannung genommen wird, der zum Zeitpunkt des Umschaltens präsent war. Das heißt, die PFC-Spannung wird einfach eingefroren solange DG logisch AUS ist. Der PFC 6 ersetzt dann die Stromregelung durch eine Spannungsregelung.
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Die Stromregelung der PFC 6 ist in der Regel relativ träge. Aus diesem Grund kann die PFC 6 der schnellen Laständerung nicht folgen, die durch das zeitversetzte Dimmen der Ansteuerkanäle 1 auftritt. Daher wird erfindungsgemäß die Stromregelung über den Umschalter 22 und das Gesamt-Dimmsignal DG nur aktiviert, wenn alle Ansteuerkanäle 1 logisch AN sind. Andernfalls wird einfach ein konstanter Spannungswert ausgegeben. Dies ist möglich, da die Zeit, in der das zeitversetzte Schalten der einzelnen Dimmsignale DSx erfolgt, kurz ist gegenüber der Zeit, in der alle Dimmsignale DSx an sind. Der dadurch entstehende Qualitätsverslust ist praktisch nicht sichtbar.
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Die in 5 gezeigte erfindungsgemäße Ansteuerschaltung entspricht im Wesentlichen der in 4 gezeigten Ansteuerschaltung. Der erfindungswesentliche Unterschied besteht darin, dass in jedem Ansteuerkanal jeweils das Gate des ersten Schalters Qx direkt mit dem Gate des zweiten Schalters Qxc der Begrenzerschaltung 19 verbunden ist.
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Durch diese Anordnung der Begrenzerschaltungen 19 in jedem Ansteuerkanal 1 ist eine sehr gute Symmetrierung der Ströme in den einzelnen Kanälen gewährleistet. Dies insbesondere auch dann, wenn die Ansteuerkanäle 1 zeitversetzt geschaltet werden, wie im Zeitdiagramm der 3 gezeigt.
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Darüber hinaus bewirkt die direkte Gate-Verbindung der ersten und zweiten Schalter, dass zwischen den Schaltzeitpunkten der ersten Schalter Qx und der zweiten Schalter Qxc praktisch keine Verzögerungen mehr vorhanden sind. Dadurch entstehen beim Dimming keine Stromspitzen am Anfang des Strompulses. Wenn der Strom durch die zweiten Transistoren Qxc einen bestimmten Wert erreicht, dann werden die zweiten Transistoren Qxc gesperrt. Die Transistoren Qx sind auch in gleichem Zustand. Deshalb fließt durch die LEDs kein Überstrom.
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Parallel zu den Leuchtdiodenketten 2 ist jeweils zusätzlich ein zweiter Kondensator CLx angeordnet, der Stromspitzen in der Leuchtdiodenkette 2 verhindert, die entstehen, wenn toleranzbedingt die ersten Schalter Qx schneller schalten als die zweiten Schalter Qxc.
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Weiterhin weist die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung ein Überspannungsschutzbauteil, beispielsweise eine Suppressordiode Dsup auf, das zwischen der Gesamt-Masse 17 und den positiven Ausgängen der Brückengleichrichter 13 parallel zu den Ansteuerkanälen geschaltet ist. Dieses Überspannungsschutzbauteil verhindert zusätzlich Überspannungen in den LEDs und den Gleichrichterdioden 13. Aus diesem Grund können die Dioden mit kleinerer Sperrspannung gewählt werden, wodurch sich die Durchlassspannung und die Reverse Recovery Time verbessern und damit die Verlustleistung verringert wird.
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Das nachfolgende Rechenbeispiel verdeutlicht diesen Sachverhalt an einem Beispiel mit vier Ansteuerkanäle, bei dem 8 Dioden benötigt werden:
- • Diode – UF4007 (Us = 1000V, Uf(0,13A) = 0,9V, tr = 75ns).
Durchlassverluste: 8 × 0,9V × 0,13A = 0,94W
Schaltverluste: 0,13A × 86V × 75ns × 50kHz = 0,335 W
Gesamte Verluste: 1,28W
- • Diode – UF4003 (Us = 200V, Uf(0,13A) = 0,6V, tr = 50ns)
Durchlassverluste: 8 × 0,6V × 0,13 = 0,63W
Schaltverluste: 8 × 0,13A × 86V × 50ns × 50kHz = 0,223 W
Gesamte Verluste: 0,85W
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Das bedeutet eine um 34% geringere Verlustleistung.
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Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung kann daher sehr einfach und kostengünstig aufgebaut sein und erreicht dennoch eine sehr gute Qualität der Stromsymmetrierung in den einzelnen Ansteuerkanälen. Insbesondere auch bei unterschiedlichen und zeitversetzten Dimmsignalen in den einzelnen Ansteuerkanälen. Zudem werden durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen Spannungsspitzen wirksam unterdrückt.
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Die 6 zeigt eine alternative, von der 5 abgeleitete, Ansteuerschaltung bei der in den Ansteuerkanälen 1 der Source-Anschluss des ersten Schalters Qx nicht direkt mit Masse 17 sondern direkt mit dem Source-Anschluss des zweiten Schalters Qxc verbunden ist. Durch diese Schaltungsanordnung kann auf die zusätzlichen Kondensatoren CLx parallel zu den Leuchtdiodenketten verzichtet werden, weshalb die Ansteuerschaltung der 6 keine solchen Kondensatoren besitzt. Selbstverständlich können die Kondensatoren auch hier verwendet werden.
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Zur Vergrößerung der Spannungstoleranz in den Leuchtdiodenketten 2 können die Dioden 16 der Diodenpaare 15' jeweils durch Reihenschaltungen aus mehreren Dioden D1–Dn und D2–Dm gebildet sein, wie in 7 gezeigt. Durch die Reihenschaltung addieren sich die Durchlassspannungen der einzelnen Dioden so dass auch die Spannungstoleranz zunimmt. Insbesondere bei dieser Anordnung ist es vorteilhaft, wenn die Dioden geringer dimensioniert werden können wie oben beschrieben, da hier die Anzahl der Dioden sehr groß ist und daher auch die Verlustleistung sehr groß werden würde. Das heißt hier ist der Vorteil der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung besonders groß.
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Anstelle der Reihenschaltung aus mehreren Dioden kann das Diodenpaar 15'' auch aus zwei gegenorientierten Zenerdioden ZD1, ZD2 gebildet sein, wie in 8 gezeigt. Hierbei bestimmt die Zenerspannung die Spannungstoleranz. Es spielt dabei keine Rolle, ob die Zenerdioden mit ihren Anoden (8a) oder mit ihren Kathoden (8b) miteinander verbunden sind.
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Neben den in den Zeichnungen dargestellten Ansteuerschaltungen sind noch weitere erfindungsgemäße Ausführungen denkbar. Die Erfindung ist daher in keiner Weise auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ansteuerkanal
- 2
- Leuchtdiodenkette
- 3
- Symmetriertransformator
- 4
- Primärwicklung
- 5
- Brückenschaltung
- 6
- Leistungsfaktorkorrektur (PFC)
- 7
- Steuereinheit
- 8
- Sekundärwicklung
- 9
- Strommesseinrichtung
- 10
- Strommesssignal
- 11
- PFC-Steuersignal
- 12
- Leuchtdiode
- 13
- Brückengleichrichter
- 14
- Kanal-Masse
- 15
- Diodenpaar
- 15'
- Diodenpaar Reihenschaltung
- 15''
- Diodenpaar Zenerdioden
- 16
- Diode
- 17
- Masse
- 18
- Dimmsignalgenerator
- 19
- Strombegrenzer
- 20
- UND-Logikeinheit
- 21
- Optokoppler
- 22
- Umschalteinrichtung
- 23
- fester Spannungswert
- 24
- ODER-Logikbaustein
- 25
- Mittelabgriff
- 26
- Gleichrichterdiode
- 27
- Fernseher
- 28
- Bildschirm
- DSx
- Dimmsignale (x = 1...n)
- DG
- Gesamt-Dimmsignal
- Rm
- Messwiderstand
- Qx
- MOSFET-Schalter (x = 1...n)
- Qc, Qxc
- MOSFET-Schalter (x = 1...n)
- Qcl, Qxcl
- Bipolartransistor (x = 1...n)
- Rcl, Rxcl
- Widerstand (x = 1...n)
- C, Cx
- Kondensator (x = 1...n)
- Rc, Rx
- Widerstand (x = 1...n)
- CLx
- Kondensator (x = 1...n)
- Dsup
- Supressordiode
- D1, D2
- Dioden
- Dn, Dm
- Dioden
- ZD1, ZD2
- Zenerdioden
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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