DE102007052669B4 - Ballast for a gas discharge lamp, e.g. an HID lamp - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ansteuerung des Steuereingangs eines Schaltelements (8, M1), insbesondere eines Transistors,wobei- der Steuereingang transformatorisch galvanisch entkoppelt ist, und- das Ein- bzw. Ausschalten des Steuereingangs durch transformatorische Übertragung von Strom- oder Spannungsimpulsen von einer Steuereinheit (15, V1) als Taktsignalquelle erfolgt,wobei die Taktsignalquelle drei verschiedene Zustände ausgibt,wobei ein Strom- oder Spannungsimpuls erster Polarität über ein erstes Steuerelement (S1) auf den Steuereingang geleitet wird und den Steuereingang auflädt, diese Ladung auch nach dem Strom- oder Spannungsimpuls erster Polarität und somit das Schaltelement (8, M1) eingeschaltet verbleibt und ein Strom- oder Spannungsimpuls mit umgekehrter Polarität die Ladung an dem Steuereingang über ein zweites Steuerelement (S2) entlädt derart, dass das Schaltelement (8, M1) ausgeschaltet wird.Method for controlling the control input of a switching element (8, M1), in particular a transistor, wherein - the control input is galvanically decoupled by a transformer, and - switching the control input on or off by transformer transmission of current or voltage pulses from a control unit (15, V1) takes place as a clock signal source, the clock signal source outputting three different states, a current or voltage pulse of the first polarity being passed to the control input via a first control element (S1) and charging the control input, this charge also after the current or voltage pulse of the first polarity and thus the switching element (8, M1) remains switched on and a current or voltage pulse with reversed polarity discharges the charge at the control input via a second control element (S2) in such a way that the switching element (8, M1) is switched off.
Description
Die Erfindung betrifft die Ansteuerung eines Hochpotential(„Highside“)-Transistors, die bspw. Anwendung finden kann in einem Betriebsgerät für Leuchtmittel, beispielsweise einem Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe oder eine LED, und genauer gesagt bspw. in einem Schaltregler wie bspw. einem Wechselrichter.The invention relates to the control of a high-potential ("highside") transistor, which can be used, for example, in an operating device for lamps, for example a ballast for a gas discharge lamp or an LED, and more precisely, for example, in a switching regulator such as an inverter .
Ein Vorschaltgerät mit einer Halbbrückenschaltung (Inverter) ist bekannt. Insbesondere dann, wenn hohe Leistungen geschaltet werden soll, werden als Schalterelemente des Inverters FETs, MOSFETs oder IGBTs verwendet. Diese Bauelemente zeichnen sich nicht nur dadurch aus, dass sie leistungsarm schalten, sondern auch dadurch, dass sie sehr schnell schalten. Allerdings sind die genannten Bauelemente mit sehr hochohmigen Eingängen (Gates) versehen, die auch eine Treiberschaltung mit einem sehr hochohmigen Ausgang erforderlich machen. Die Treiberschaltung muss sogar gewährleisten, dass zumindest das auf hohem Potential liegende („high side“) Schalterelement galvanisch gegen Masse isoliert ist. Dies ist dadurch möglich, dass eine Treiberschaltung mit Transformator eingesetzt wird, deren Primärwicklung und Sekundärwicklung nur induktiv gekoppelt, galvanisch aber getrennt sind.A ballast with a half-bridge circuit (inverter) is known. FETs, MOSFETs or IGBTs are used as switching elements of the inverter, in particular when high power levels are to be switched. These components are characterized not only by the fact that they switch with little power, but also by the fact that they switch very quickly. However, the components mentioned are provided with very high-impedance inputs (gates), which also require a driver circuit with a very high-impedance output. The driver circuit must even ensure that at least the high-potential (“high side”) switch element is galvanically isolated from ground. This is possible because a driver circuit with a transformer is used, the primary winding and secondary winding of which are only inductively coupled but are galvanically isolated.
Die Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Technik zur Ansteuerung eines Schaltelements vorzuschlagen, die insbesondere für die Verhältnisse in Vorschaltgeräten mit Vollbrücken- oder Halbbrücken-Wechselrichtern oder einem anderem Schaltregler ausgelegt ist.The invention is based on the object of proposing a technique for driving a switching element which is designed in particular for the conditions in ballasts with full-bridge or half-bridge inverters or another switching regulator.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.According to the invention, this object is achieved by the features of the independent claims. The dependent claims develop the central idea of the invention in a particularly advantageous manner.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung des Steuereingangs bspw. eines auf hohem Potential liegenden Schaltelements, insbesondere eines Transistors, wobei der Steuereingang transformatorisch galvanisch entkoppelt ist. Dabei erfolgt das Ein- bzw. Ausschalten des Steuereingangs durch transformatorische Übertragung von Strom- oder Spannungsimpulsen von einer Steuereinheit als Taktsignalquelle.A first aspect of the invention relates to a method for driving the control input, for example a switching element which is at high potential, in particular a transistor, the control input being transformer-electrically decoupled. In this case, the control input is switched on or off by means of a transformer transmission of current or voltage pulses from a control unit as a clock signal source.
Das Ein- bzw. Ausschalten erfolgt bspw. durch bipolare Spannungsimpulse. Diese Spannungsimpulse sind Schaltimpulse, mit denen bspw. Strompulse funktional gleichzusetzen sind.Switching on and off takes place, for example, by means of bipolar voltage pulses. These voltage pulses are switching pulses with which current pulses, for example, can be functionally equated.
Die Erfindung kann dabei sowohl als Ansteuerung des Steuereingangs eines auf hohem Potential liegenden Schaltelements genutzt werden, bei dem eine galvanische Trennung erforderlich sein kann, als auch zur galvanisch entkoppelten Ansteuerung des Steuereingangs eines Schaltelements, welches nicht auf einem hohen Potential liegt, dessen Ansteuerung aber eine galvanische Trennung erfordert.The invention can be used both to control the control input of a switching element that is at high potential, for which galvanic isolation may be required, and for galvanically decoupled control of the control input of a switching element that is not at high potential, but whose control has one galvanic isolation required.
Ein Spannungsimpuls erster Polarität lädt bspw. über ein erstes Steuerelement den Steuereingang auf, diese Ladung verbleibt auch nach dem Spannungsimpuls erster Polarität und somit das Schaltelement eingeschaltet und ein Spannungsimpuls mit umgekehrter Polarität entlädt die Ladung an dem Steuereingang über ein zweites Steuerelement derart, dass das Schaltelement ausgeschaltet wird. Anstelle des Begriffs „Steuerelement“ kann auch der Begriff „Schaltungsbauteil“ oder „Schaltungselement“ verwendet werden.A voltage pulse of the first polarity charges the control input, for example via a first control element, this charge remains even after the voltage pulse of the first polarity and thus the switching element is switched on, and a voltage pulse with the opposite polarity discharges the charge at the control input via a second control element in such a way that the switching element is switched off. The term “circuit component” or “circuit element” can also be used instead of the term “control element”.
Als erstes Steuerelement kann eine Diode, vorzugsweise eine Zenerdiode verwendet werden.A diode, preferably a zener diode, can be used as the first control element.
Als zweites Steuerelement kann eine Diode und/oder ein Transistor verwendet werden.A diode and/or a transistor can be used as the second control element.
Die Strom- oder Spannungsimpulse sind vorzugsweise kürzer als die Ein- oder Ausschaltzeit des angesteuerten Schaltelements. Dabei sind auch Folgen von mehreren Impulsen möglich, um das Schaltelement in einem gewünschten Zustand zu halten.The current or voltage pulses are preferably shorter than the switch-on or switch-off time of the activated switching element. In this case, sequences of several pulses are also possible in order to keep the switching element in a desired state.
Die Steuereinheit kann als Taktsignalquelle in einem vorbestimmten Takt Spannungsimpulse ausgeben, unabhängig davon, ob der Zustand des Schaltelements geändert werden soll.As a clock signal source, the control unit can output voltage pulses in a predetermined cycle, regardless of whether the state of the switching element is to be changed.
Dabei kann die Steuereinheit für den Fall, dass der Zustand des Schaltelements geändert werden soll, auf einen ersten Spannungsimpuls einen zweiten Impuls mit zu dem ersten Spannungsimpuls umgekehrter Polarität aussenden.In this case, the control unit can respond to a first voltage pulse in the event that the state of the switching element is to be changed emit a second pulse with the opposite polarity to the first voltage pulse.
Die Steuereinheit kann für den Fall, dass der Zustand des Schaltelements beibehalten werden soll, auf einen Spannungsimpuls erster Polarität erneut einen Spannungsimpuls derselben Polarität senden.If the state of the switching element is to be retained, the control unit can send a voltage pulse of the same polarity again in response to a voltage pulse of the first polarity.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Steuereinheit, insbesondere eine integrierte Schaltung wie z.B. einem ASIC, die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.The invention also relates to a control unit, in particular an integrated circuit such as an ASIC, which is designed to carry out a method according to any one of the preceding claims.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Halbbrücken- oder Vollbrücken-Wechselrichter oder anderen Schaltregler mit wenigstens einem Schalter. Dabei wird wenigstens ein Schalter mittels einem oben erläuterten Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche angesteuert.The invention further relates to a half-bridge or full-bridge inverter or other switching regulator with at least one switch. In this case, at least one switch is controlled by means of a method according to one of the preceding claims explained above.
Ein Vorschaltgerät für Gasentladungslampen, insbesondere HID-Lampen, kann einen derartigen Wechselrichter aufweisen.A ballast for gas discharge lamps, in particular HID lamps, can have such an inverter.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt ein Vorschaltgerät zum Betreiben einer Gasentladungslampe, -
2 zeigt Signalverläufe in dem Vorschaltgerät, -
3 bis5 zeigen Ausgestaltungen von Transformatoren als Potentialtrennung eines Highside-Transistors, -
6 bis8 zeigen Ausführungsbeispiele von schematischen Schaltungen zur Ansteuerung eines Highside-Transistors, -
9 zeigt Signalverläufe in der Schaltung gemäss7b , -
10 zeigt eine Schaltung zum Ansteuern einer LED, und -
11 zeigt ein Vorschaltgerät zum Betreiben einer HID-Lampe.
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1 shows a ballast for operating a gas discharge lamp, -
2 shows signal curves in the ballast, -
3 until5 show configurations of transformers as potential isolation of a high-side transistor, -
6 until8th show exemplary embodiments of schematic circuits for controlling a high-side transistor, -
9 shows signal curves in the circuit according to7b , -
10 shows a circuit for driving an LED, and -
11 shows a ballast for operating an HID lamp.
Der Inverter 7 ist eine Halbbrückenschaltung, bestehend aus zwei in Serie geschalteten MOSFETs 8, 9, die als elektronische Schalterelemente arbeiten. Die Serienschaltung aus den beiden MOSFETs 8, 9 liegt einerseits an einem hohen Gleichspannungspotential Vbus und andererseits an Masse. Der Verbindungspunkt 10 de Halbbrücke führt zum Lastkreis 1.The
(Die Erfindung lässt sich natürlich auch auf Vollbrückenschaltungen anwenden.)(The invention can of course also be applied to full-bridge circuits.)
Die Eingänge (Gates) der beiden MOSFETs sind gegenüber Masse sehr hochohmig. Das macht es erforderlich, dass auch die entsprechenden Ausgänge der Treiberschaltung 11 sehr hochohmig sind. Im Falle des oben liegenden MOSFETs 8 besteht sogar die Forderung nach einer vollständigen galvanischen Trennung gegenüber Masse. Die Treiberschaltung 11 enthält dazu einen Transformator 14 mit einem (nicht dargestellten) Kern sowie einer Primärwicklung Tp und einer Sekundärwicklung Ts. Der eine Anschluss der Sekundärwicklung Ts ist mit dem Eingang des oben liegenden Treibers 12 verbunden, dessen Ausgang am Gate des MOSFETs 8 liegt. Der andere Anschluss der Sekundärwicklung Ts liegt am Brückenpunkt 10 der den Inverter 7 bildenden Halbbrückenschaltung. Auch das Gate des unten liegenden MOSFETs 9 wird von einem Treiber 13 angesteuert, der direkt zu der Steuereinheit 15 führt. Auch die Primärwicklung Tp des Transformators 14 wird von der Steuereinheit 15 versorgt.The inputs (gates) of the two MOSFETs have a very high resistance to ground. This makes it necessary for the corresponding outputs of
Die Steuereinheit 15 liefert Schaltimpulse (ein/aus) an die Treiberschaltung 11. Dabei wird die Resonanz zwischen der Windungskapazität der Primärwicklung sowie ihrer Induktivität ausgenutzt. Wenn der Schaltimpuls „ein“ ist, wird die Windungskapazität aufgeladen und der Transformator in einer Richtung magnetisiert. Der oben liegende MOSFET 8 ist dann auf Durchlass geschaltet, während der unten liegende MOSFET 9 gesperrt ist. Wenn dann der Schaltimpuls „aus“ folgt, treibt der Transformator den Strom weiter und wird in die andere Richtung ummagnetisiert. Das führt dazu, dass der oben liegende MOSFET 8 gesperrt und der unten liegende MOSFET 9 auf Durchlass geschaltet wird.The
Der Dämpfungskondensator 6 im Lastkreis ermöglicht ein Schalten der MOSFETs 8, 9 mit Null-Potential, und er wirkt außerdem als Filter gegen elektromagnetische Störfrequenzen, die eine Folge der Schaltvorgänge sind.The snubber capacitor 6 in the load circuit enables the
In
Der Transformator 14 und die Drossel 4 haben einen gemeinsamen Kern 16, der aus gegeneinander gesetzten E-Teilkernen 17 und 18 besteht. Der Kern 16 hat zwei Außenschenkel 19 und 20 sowie einen Mittelschenkel 21. Der Mittelschenkel 21 ist von einem Luftspalt 24 unterbrochen und dadurch in zwei Teilschenkel 21a, 21b geteilt. Die drei Schenkel 19, 20, 21 sind an ihren beiden Enden jeweils von einem Querjoch 22, 23 überbrückt.The
Die Primärwicklung Tp des Transformators 14 ist geteilt, wobei die eine Hälfte auf den Schenkel 19 und die andere Hälfte auf den Schenkel 20 gewickelt ist. Gleichermaßen ist die Sekundärwicklung Ts geteilt, wobei die eine Teilwicklung ebenfalls auf den Schenkel 19 und die andere ebenfalls auf den Schenkel 20 des gemeinsamen Kerns 16 gewickelt ist. Der Wicklungssinn wird später erläutert.The primary winding T p of
Die Drossel 4 besteht aus drei Drosselwicklungen D1, D2 und D3. Diese drei Drosselwicklungen können wahlweise in Serie geschaltet werden, im die Induktivität der Drossel verändern zu können. Auf jeden Fall sind alle drei Drosselwicklungen D1, D2 und D3 auf den Mittelschenkel 21 des gemeinsamen Kernes 16 gewickelt.The choke 4 consists of three choke windings D1, D2 and D3. These three choke windings can optionally be connected in series to change the inductance of the choke. In any case, all three choke windings D1, D2 and D3 are wound on the
Nunmehr soll anhand der
Unter Bezugnahme auf
In
Das für die beiden
Das vorstehend beschriebene Prinzip kann auch - unter Bezugnahme auf
In
Dabei ist die Steuereinheit V1 derart ausgebildet, dass sie vorzugsweise bipolare Impulse von beispielsweise +/-12V ausgeben kann.The control unit V1 is designed in such a way that it can preferably output bipolar pulses of +/-12V, for example.
Diese bipolaren Impulse werden über den Transformator T1 übertragen. Sekundärseitig ist ein erstes Steuerelement S1 vorgesehen, über das selektiv bei einem ersten Impuls der Steuereinheit V1 das Schaltelement (Transistor) M1 eingeschaltet werden kann. Dazu kann beispielsweise bei einem ersten Impuls über das Steuerelement S1 der Steuereingang (Gate) des Transistors M1 aufgeladen werden. Erfindungsgemäß verbleibt dann der Schalter in diesem Zustand (beispielsweise eingeschaltet), auch wenn der Impuls wieder abgeklungen ist und somit an der Primärseite des Transistors T1 das Signal 0V anliegt.These bipolar pulses are transmitted through transformer T1. A first control element S1 is provided on the secondary side, via which the switching element (transistor) M1 can be switched on selectively with a first pulse from the control unit V1. For this purpose, the control input (gate) of the transistor M1 can be charged, for example, with a first pulse via the control element S1. According to the invention, the switch then remains in this state (for example switched on), even when the pulse has decayed again and the signal 0V is therefore present on the primary side of the transistor T1.
Zum Ausschalten des Schaltelements (Transistors) M1 wird ein weiterer Impuls von der Steuereinheit V1 verwendet. Dies kann vorzugsweise ein Impuls umgekehrter Polarität (beispielsweise -12V) sein. Insbesondere kann ein weiteres Steuerelement S2 derart an der Sekundärseite des Transformators T1 vorgesehen sein, dass der zweite Impuls eine Entladung des Steuereingangs (Gates) des Transistors M1 durch das zweite Steuerelement S2 auf Masse verursacht.Another pulse from the control unit V1 is used to switch off the switching element (transistor) M1. This can preferably be a pulse of reversed polarity (e.g. -12V). In particular, a further control element S2 can be provided on the secondary side of the transformer T1 in such a way that the second pulse causes the control input (gate) of the transistor M1 to be discharged to ground through the second control element S2.
Dem Schaltelement M1 (Transistor) kann optional ein Ladungs- oder Energiespeicher C1 (zum Beispiel ein Kondensator) parallel geschaltet sein.A charge or energy store C1 (for example a capacitor) can optionally be connected in parallel with the switching element M1 (transistor).
Zum Entladen und somit zum Ausschalten des Transistors M1 ist eine Schaltung vorgesehen, die eine Zenerdiode D3 sowie einen Transistor Q1 aufweist.To discharge and thus turn off the transistor M1, a circuit is provided which has a zener diode D3 and a transistor Q1.
In
In der
Dort ist ersichtlich, dass durch einen ersten Impuls DRV+, der als Spannung VT1 auch die Sekundärwicklung des Transformators T1 transformiert wird, das Gate des Transistors M1 auf eine Durchschaltspannung VGate aufgeladen wird.It can be seen there that the gate of transistor M1 is charged to a turn-on voltage V Gate by a first pulse DRV+, which is also transformed as voltage V T1 by the secondary winding of transformer T1.
Auch bei einem zweiten positiven Impuls DRV+ bleibt dieser Einschaltzustand des Transistors M1 erhalten.This switched-on state of the transistor M1 is retained even with a second positive pulse DRV+.
Ein Ausschalten durch Entladen des Gates erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch einen Impuls umgekehrter Polarität, nämlich mit einer Spannung DRV-, die als negativer Spannungsimpuls auf die Sekundärseite des Transistors T1 als Spannung V_T1 transformiert wird. Die vordere Flanke dieses Impulses verursacht dann das Entladen des Steuereingangs des Transistors M1 über ein passives oder ein aktives Bauelement.According to this exemplary embodiment, switching off by discharging the gate is effected by a pulse of reverse polarity, namely with a voltage DRV-, which is transformed as a negative voltage pulse onto the secondary side of transistor T1 as voltage V_T1. The leading edge of this pulse then causes the control input of transistor M1 to be discharged via a passive or an active component.
Erfindungsgemäß können also eingangsseitig drei verschiedene Zustände erzeugt werden, nämlich ein Impuls erster Polarität, ein Impuls mit einer zweiten, dazu inversen Polarität, sowie der Zustand ‚0V‘.According to the invention, three different states can be generated on the input side, namely a pulse with a first polarity, a pulse with a second, inverse polarity, and the '0V' state.
Das erste Steuerelement S1, das vorzugsweise als Diode D1 (normale Diode oder Zenerdiode) ausgebildet ist, leitet den positiven Impuls, d.h. den Übergang von beispielsweise 0V auf +12V von dem Transformator T1 auf das Gate des Transistors M1.The first control element S1, which is preferably in the form of a diode D1 (normal diode or zener diode), conducts the positive pulse, i.e. the transition from, for example, 0V to +12V from the transformer T1 to the gate of the transistor M1.
Bei einem Übergang von 0V auf die negative Polarität (beispielsweise -12V) schaltet die Zenerdiode D3 durch, was wiederum den Transistor Q1 durchschaltet, so dass das Gate des Transistors (beispielsweise Feldeffekttransistors) M1 entladen wird.On a transition from 0V to the negative polarity (e.g. -12V), the zener diode D3 turns on, which in turn turns on the transistor Q1, thereby discharging the gate of the transistor (e.g. field effect transistor) M1.
Erfindungsgemäß wird also ein getaktetes Signal von einer Quelle V1 bereitgestellt, wobei dieses getaktete Signal dann über den Übertrager T1 auf die Sekundärseite übertragen wird. Dort sind die Steuerelemente S1 bzw. S2 vorgesehen, durch die wahlweise das Taktsignal auf das Gate des MOSFETs M1 geleitet werden kann, um diesen aufzuladen, bzw. das geladene Gate des MOSFETs M1 wieder entladen werden kann.According to the invention, a clocked signal is thus provided by a source V1, with this clocked signal then being transmitted to the secondary side via the transformer T1. There, the control elements S1 and S2 are provided, through which the clock signal can optionally be routed to the gate of the MOSFET M1 in order to charge it, or the charged gate of the MOSFET M1 can be discharged again.
Ein besonderer Vorteil ist dabei, dass der dargestellte Betrieb auch mit sehr niedriger Impulsfolgefrequenz von beispielsweise weniger als 1kHz, vorzugsweise weniger als 100Hz oder gar nahezu DC-Betrieb erfolgen kann. Wenn der Schalter M1 Teil einer Vollbrücken- oder Halbbrücken-Wechselrichterschaltung ist, ist dieser Betrieb mit sehr niedriger Frequenz des Wechselrichters beispielsweise besonders vorteilhaft für Vorschaltgeräte für HID-Lampen.A particular advantage is that the operation shown can also take place with a very low pulse repetition frequency of, for example, less than 1 kHz, preferably less than 100 Hz, or even almost DC operation. When switch M1 is part of a full-bridge or half-bridge inverter circuit, this very low frequency operation of the inverter is particularly advantageous for HID lamp ballasts, for example.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, siehe
Die Steuereinheit als Taktsignalquelle kann also dazu ausgebildet sein, in einem vorbestimmten Takt Impulse auszugeben, unabhängig davon, ob der Zustand des Transistors M1 geändert werden soll. Für den Fall, dass der Zustand geändert werden soll, wird auf einen ersten Impuls ein zweiter Impuls mit umgekehrter Polarität ausgesendet. Für den Fall, dass der Zustand beibehalten werden soll, wird auf einen Impuls erster Polarität erneut ein Impuls derselben Polarität gesendet, was den Schaltungszustand des Transistors M1 bestätigt (‚auffrischt‘).The control unit as a clock signal source can therefore be designed to output pulses in a predetermined clock, regardless of whether the state of the transistor M1 is to be changed. In the event that the state is to be changed, a second pulse with reversed polarity is sent out after a first pulse. In the event that the state is to be retained, a pulse of the first polarity is again sent a pulse of the same polarity, which confirms ('refreshes') the circuit state of the transistor M1.
Die drei verschiedenen Zustände, die eingangsseitig erzeugt werden können, müssen keine fix definierten Spannungspegel haben, sondern können in drei verschiedenen Wertbereichen liegen. So kann ein Impuls erster Polarität im Bereich von 10V bis 15V, ein Impuls mit einer zweiten, dazu inversen Polarität im Bereich von -10V bis -15V, sowie der Zustand ‚0V‘ im Bereich von 5V bis -5V. Somit ist kein Taktsignal mit diskreten Werten notwendig, sondern es kann auch ein analoges Taktsignal mit entsprechender Signalform in den drei Spannungsbereichen verwendet werden.The three different states that can be generated on the input side do not have to have a fixed, defined voltage level, but can lie in three different value ranges. A pulse with a first polarity can range from 10V to 15V, a pulse with a second, inverse polarity can range from -10V to -15V, and the state '0V' can range from 5V to -5V. A clock signal with discrete values is therefore not necessary, but an analog clock signal with a corresponding signal form in the three voltage ranges can also be used.
Durch eine Spannungsversorgung liegt eine geglättete und gleichgerichtete Zwischenkreisspannung V1 an (welche durch eine vorgelagerte Schaltungseinheit bereitgestellt werden kann, die einen Speicherkondensator speist).A smoothed and rectified intermediate circuit voltage V1 (which can be provided by an upstream circuit unit that feeds a storage capacitor) is present as a result of a voltage supply.
Nach dem Anlegen einer geeignet dimensionierten Steuerspannung U_G an das Gate eines beispielsweise als selbstsperrender n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor realisierten ersten Halbleiter-Leistungsschalters M1 wird diese elektronisch steuerbare Schaltstufe elektrisch leitend, so dass ein Drainstrom zu fließen beginnt, der infolge der als Energiespeicher wirkenden Speicherdrossel L10 kontinuierlich ansteigt und als Diodenstrom I_D durch die Lumineszenzdioden D10 (LED) hindurchfließt. Der Anstieg dieses Diodenstroms I_D bei Ladung des Speicherdrossel L10 wird von einem niederohmigen Messwiderstand R10 erfasst, der zugleich im Lastkreis des ersten Leistungsschalters M10 angeordnet und mit dem Masseknoten verbunden ist. Wenn der Diodenstrom I_D einen bestimmten Wert erreicht hat, wird der Leistungsschalter M10 geöffnet.After the application of a suitably dimensioned control voltage U_G to the gate of a first semiconductor power switch M1 implemented, for example, as a self-locking n-channel MOS field effect transistor, this electronically controllable switching stage becomes electrically conductive, so that a drain current begins to flow, which as a result of the acting as an energy store Storage inductor L10 increases continuously and flows through the light-emitting diodes D10 (LED) as a diode current I_D. The increase in this diode current I_D when the storage inductor L10 is charged is detected by a low-impedance measuring resistor R10, which is also arranged in the load circuit of the first power switch M10 and is connected to the ground node. When the diode current I_D has reached a certain value, the power switch M10 is opened.
Dies hat zur Folge, dass der über die Speicherdrossel L10 aufgebaute Diodenstrom I_D durch eine Freilaufdiode DF im Parallelzweig zur Serienschaltung der Lumineszenzdioden D10 dem durch die Speicherdrossel L10 gebildeten induktiven Blindwiderstand XL10 und den niederohmigen Messwiderstand R10 abgeleitet wird. Mit Hilfe dieser verhältnismäßig einfachen schaltungstechnischen Maßnahme wird eine Gefährdung des ersten Halbleiter-Leistungstransistors M1 durch die beim Abschalten des Drainstroms I_D (beim Sperren von M10) am induktiven Blindwiderstand XL10 abfallende Induktionsspannung U_L10 vermieden, die ein Vielfaches der Betriebsspannung betragen kann. Die an dem niederohmigen Messwiderstand R10 abfallende Spannung U_R10 dient dabei zur Erfassung des durch die Lumineszenzdioden D10 fließenden Diodenstroms I_D im freilaufenden Strompfad. Die Schaltstufe M10 bleibt so lange gesperrt, bis der Stromfluss unter eine bestimmte Schwelle abgesunken ist. Nachdem die Schaltstufe M10 wieder zu leiten begonnen hat, wird der oben beschriebene Vorgang in periodisch wiederkehrender Folge fortgesetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fließt also sowohl der Ladeals auch der Entladestrom I_L10 des induktiven Blindwiderstands XL10 als Diodenstrom I_D durch die Anordnung der seriell geschalteten Lumineszenzdioden D10 des erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsmoduls, so dass sich ein periodisch um einen Mittelwert pendelnder, dreieckförmiger Strom durch die LED ergibt.The consequence of this is that the diode current I_D built up via the storage inductor L10 is derived from the inductive reactance XL10 formed by the storage inductor L10 and the low-impedance measuring resistor R10 through a freewheeling diode DF in the parallel branch to the series connection of the light-emitting diodes D10. With the help of this relatively simple circuitry measure, the first semiconductor power transistor M1 is not endangered by the induction voltage U_L10 dropping at the inductive reactance XL10 when the drain current I_D is switched off (when M10 is blocked), which can be a multiple of the operating voltage. The voltage U_R10 dropping across the low-impedance measuring resistor R10 serves to detect the diode current I_D flowing through the light-emitting diodes D10 in the free-running current path. The switching stage M10 remains locked until the current flow has fallen below a certain threshold. After the switching stage M10 has started to conduct again, the process described above is continued in a periodically recurring sequence. In the method according to the invention, both the charging and the discharging current I_L10 of the inductive reactance XL10 flow as a diode current I_D through the arrangement of the series-connected luminescence diodes D10 of the LED lighting module according to the invention, so that a triangular current that periodically oscillates around a mean value results through the LED .
Durch die Anordnung des Leistungsschalters M10 vor der Speicherdrossel L10 kann die LED D10 so angeordnet werden, dass sowohl der Lade- als auch der Entladestrom über einen Messwiderstand gegen Masse gemessen werden kann. Somit ist eine einfache Strommessung für beide Ströme möglich. Die Anordnung des Leistungsschalters M10 vor der Speicherdrossel L10 erfordert jedoch eine Ansteuerung auf hohem Potential liegenden Schaltelements. Diese Aufgabe kann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens gelöst werden.By arranging the power switch M10 in front of the storage choke L10, the LED D10 can be arranged so that both the charging and the discharge current can also be measured via a measuring resistor to ground. Thus, a simple current measurement is possible for both currents. The arrangement of the circuit breaker M10 in front of the storage inductor L10, however, requires switching elements that are at a high potential to be driven. This task can be solved by using the control method according to the invention.
Die Überwachung des Stromflusses durch den Messwiderstand R10 übernimmt die Steuerschaltung 50, die das Ansteuersignal zum Ein- bzw. Ausschalten des Leistungsschalters M10 an die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für das auf hohem Potential liegende Schaltelement (M10) überträgt.The current flow through the measuring resistor R10 is monitored by the
Es sind auch anwenderspezifische integrierte Schaltungen (engl.: „Application-Specific Integrated Circuits“, ASICs) mit einem vergleichsweise geringen Platzbedarf zur Implementierung der Steuereinheit 50 denkbar, deren Messwerterfassungsteil dabei keine hohe Spannungsfestigkeit haben muss.Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) with a comparatively small space requirement for implementing the
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