DE102014206434A1

DE102014206434A1 - Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen

Info

Publication number: DE102014206434A1
Application number: DE102014206434.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Hübner
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2015-10-08

Abstract

Es wird eine Schaltung zur Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen angegeben mit einem ersten Strang und, mindestens einem zweiten weiteren Strang und einem dritten Strang, wobei jeder der Stränge mehrere in Reihe geschaltete Halbleiterleuchtelemente aufweist, wobei ein Spannungsabfall über dem ersten Strang oder über einem Teil des ersten Strangs eine Versorgungsspannung für den mindestens einen zweiten weiteren und dritten Strang bereitstellt. 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.
Kommerzielle dimmbare Hochvolt-LED-Lampen für Netzbetrieb bestehen aus einem Netzteil und mehreren in Serie geschalteten weißen LEDs. Beispielsweise kann das Netzteil im Sockel der Lampe untergebracht sein. Das Netzteil erzeugt aus der durch einen Dimmer phasen-angeschnittenen Netzspannung beispielsweise einen pulsweitenmodulierten Konstantstrom von ca. 600mA. Zwei Leitungen sind mit einer Platine verbunden, auf der z.B. drei oder vier weiße LEDs sitzen.
Die Lichtqualität kann durch ein sogenanntes "Maggie"-Konzept verbessert werden. Dabei wird das Licht von LEDs mit unterschiedlichen Farben gemischt: In einem beispielhaften Szenario können die Farben mint, blau und rot gemischt werden.
Ein Nachteil des Maggie-Konzepts ist die schlechte Temperaturkonstanz des Farborts. Besonders die roten LEDs haben einen stark temperaturabhängigen Wirkungsgrad. Dadurch kommt es in der Aufwärmphase nach dem Einschalten der Lampe zu einem deutlich sichtbaren Farbstich.
Die LEDs je einer Farbe können in Reihe geschaltet und jeweils mit einem Konstantstrom angesteuert werden. Eine solche Reihenschaltung wird auch als Strang bezeichnet. Die Stromverhältnisse der drei Stränge unterschiedlicher Farben (auch bezeichnet als "Farb-Stränge") bestimmen den Farbort der gesamten Anordnung. Durch entsprechende Steuerung der Stränge lässt sich so neben der Helligkeit auch die Farbtemperatur der Anordnung verändern bzw. unter Berücksichtigung von Vorgaben einstellen.
Hierbei ist es von Nachteil, dass ein hoher schaltungstechnischer Aufwand betrieben werden muss, da drei separate Konstantströme benötigt werden. Weiterhin ist nachteilig eine zusätzliche Schaltung erforderlich, die bei einer Änderung der Farbtemperatur die Teilströme regelt. Nachteilig ist neben den Kosten auch der hohe Platzbedarf, da die zusätzliche Schaltung kaum in einem Sockel einer PAR16-Lampe untergebracht werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Lösung zur Ansteuerung einer Lampe mit mehreren Farb-Strängen 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 einem ersten Strang und mindestens einem weiteren Strang, wobei jeder der Stränge mehrere in Reihe geschaltete Halbleiterleuchtelemente aufweist,
– wobei ein Spannungsabfall über dem ersten Strang oder über einem Teil des ersten Strangs eine Versorgungsspannung für den mindestens einen weiteren Strang bereitstellt.

Entsprechend wird die Aufteilung des Stroms in den ersten und in den mindestens einen weiteren Strang durch die vorgeschlagene Schaltung ermöglicht. Bei der Versorgungsspannung kann es sich insbesondere um eine Spannung zur Versorgung des mindestens einen weiteren Strangs mit einem Strom handeln.
Für den Fall, dass die Stränge von einer Konstantstromquelle versorgt werden, wird der Spannungsabfall über den Strängen oder über einen Teil eines der Stränge zur Versorgung der Schaltung verwendet.
Ein Vorteil der vorgestellten Lösung ist es, dass ein bestehendes Betriebsgerät (auch bezeichnet als Vorschaltgerät) einer PAR16-Lampe genutzt werden kann. Ein solches Betriebsgerät liefert z.B. einen pulsweitenmodulierter Strom von 600mA bei einer Frequenz in einem Bereich von ca. 800Hz bis ca. 1000Hz). Vorzugsweise kann die vorgestellte Lösung in Form einer Schaltung realisiert sein, die so klein ist, dass sie neben den LEDs auf der gleichen Platine in der Lampe Platz findet. Insbesondere benötigt die Schaltung kein eigenes Netzteil und stellt eine effiziente Umverteilung des Stroms in die Stränge, insbesondere die drei Teilstränge, der Lampe bereit.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass die Schaltung in der Nähe der LEDs, z.B. auf der gleichen Platine mit den LEDs, ausgeführt sein kann. Mithilfe eines integrierten Temperaturfühlers kann so die Temperatur vor Ort detektiert werden und der Temperaturdrift z.B. der roten LEDs entgegengesteuert werden.
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.
Eine Weiterbildung ist es, dass der erste Strang und der mindestens eine weitere Strang eine der folgenden Farben aufweist: grün, blau oder rot.
Hierbei sei angemerkt, dass beispielsweise eine "rote LED" ein Halbleiterleuchtelement bezeichnet, das Licht in einer roten Farbe emittieren kann. Entsprechendes gilt für andersfarbige LEDs bzw. Halbleiterleuchtelemente.
Insbesondere ist der Strang mit der grünen Farbe als mintfarbener Strang ausgeführt. Diese grünliche Farbe kann z.B. mittels eines blauen Halbleiterleuchtelements in Kombination mit einem (grünen) Phosphor erreicht werden. In diesem Sinne wird z.B. hier auch ein Halbleiterleuchtelement, das mintfarbenes Licht emittiert, verwendet (auch bezeichnet als "mintfarbenes Halbleiterleuchtelement" oder "mintfarbene LED"). Beispielsweise können in diesem Sinne für die "mintfarbenen LEDs" und die blauen LEDs der gleiche Typ Chip verwendet werden, der blaues Licht emittiert, wobei dieses blaue Licht bei den mintfarbenen LEDs noch mittels einer Phosphorschicht in eine grünliche Farbe konvertiert wird.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass mindestens ein Strang vorgesehen ist, der jeweils eine der Farben grün, blau und rot aufweist.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass in dem ersten Strang ein größerer Strom fließt als in dem mindestens einen weiteren Strang.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass in dem ersten Strang ein vorgegebener Mindeststrom fließt.
Dieser vorgegebene Mindeststrom fließt vorzugsweise in jeder möglichen Konfiguration bzw. in jedem Betrieb oder Zustand der Schaltung. Somit steht stets eine Versorgungsspannung für die Schaltung (insbesondere die Treiber oder Operationsverstärker) zur Verfügung.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass der mindestens eine weitere Strang anhand des Stroms durch den ersten Strang gesteuert wird.
Optional kann der mindestens eine weitere Strang anhand einen Gesamtstroms gesteuert werden.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass der erste Strang ein grünes, insbesondere ein mintfarbenes Licht emittiert.
Beispielsweise ist in dem ersten (z.B. mintfarbenen) Strang kein Messwiderstand vorgesehen.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass der erste Strang und der mindestens eine weitere Strang über einen konstanten Gesamtstrom oder über ein pulsweitenmoduliertes Signal, insbesondere einen pulsweitenmodulierten Strom gespeist werden.
Der konstante Gesamtstrom basiert z.B. auf einer Stromquelle mit einem (unendlich) hohen Innenwiderstand.
Beispielsweise kann ein solches pulsweitenmoduliertes Signal von einem Betriebsgerät (Vorschaltgerät) bereitgestellt werden, dass eine Helligkeitsregelung (Dimmung) mittels PWM und/oder Gleichstromregelung vorsieht.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass

– der mindestens eine weitere Strang einen zweiten Strang aufweist,
– der zweite Strang mit einem ersten Transistor und einem ersten Messwiderstand in Reihe geschaltet ist und parallel zu dem ersten Strang angeordnet ist,
– der erste Transistor über einen ersten Verstärker angesteuert wird, dessen Eingänge mit dem Spannungsabfall an dem ersten Strang einerseits und mit einem Spannungsabfall an dem ersten Messwiderstand andererseits gekoppelt sind.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass

– der mindestens eine weitere Strang einen dritten Strang aufweist,
– der dritte Strang mit einem zweiten Transistor und einem zweiten Messwiderstand in Reihe geschaltet ist und parallel zu dem ersten Strang angeordnet ist,
– der zweite Transistor über einen zweiten Verstärker angesteuert wird, dessen Eingänge mit dem Spannungsabfall an dem ersten Strang einerseits und mit einem Spannungsabfall an dem zweiten Messwiderstand andererseits gekoppelt sind.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass der Spannungsabfall über einem Teil des ersten Strangs eine Versorgungsspannung für den ersten Verstärker und den zweiten Verstärker bereitstellt.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der Spannungsabfall über dem ersten Strang oder über einem Teil des ersten Strangs eine Regelspannung für den ersten Verstärker und für den zweiten Verstärker bereitstellt.
Eine Ausgestaltung ist es, dass

– der mindestens eine weitere Strang einen zweiten Strang und einen dritten Strang aufweist,
– bei der der zweite Strang mit einem ersten Transistor und einem ersten Messwiderstand in Reihe geschaltet ist und parallel zu dem ersten Strang angeordnet ist,
– bei der der erste Transistor über einen ersten Verstärker angesteuert wird, dessen Eingänge mit dem Spannungsabfall an dem ersten Strang einerseits und mit einem Spannungsabfall an dem ersten Messwiderstand andererseits gekoppelt sind,
– bei der der dritte Strang mit einem zweiten Transistor und einem zweiten Messwiderstand in Reihe geschaltet ist und parallel zu dem ersten Strang angeordnet ist,
– bei der der zweite Transistor über einen zweiten Verstärker angesteuert wird, dessen Eingänge mit dem Spannungsabfall an dem ersten Strang einerseits und mit einem Spannungsabfall an dem zweiten Messwiderstand andererseits gekoppelt sind,
– wobei entweder der erste Verstärker als invertierender Verstärker und der zweite Verstärker als nichtinvertierender Verstärker oder der erste Verstärker als nichtinvertierender Verstärker und der zweite Verstärker als invertierender Verstärker geschaltet ist.

Bei den Verstärkern handelt es sich insbesondere um Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang (auch bezeichnet als negativer Eingang) und einem nichtinvertierenden Eingang (auch bezeichnet als positiver Eingang). Als Verstärker können Rail-To-Rail-Verstärker oder herkömmliche Operationsverstärker mit einem begrenzten Aussteuerungsbereich eingesetzt werden.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass eine Temperaturkompensationsschaltung vorgesehen ist in dem Strang, dessen Halbleiterleuchtelemente die höchste Temperaturabhängigkeit aufweisen.
Insbesondere ist je eine Temperaturkompensation in einem Strang oder in mehreren Strängen vorgesehen. Beispielsweise kann die Temperaturkompensation (nur) in dem Strang mit den roten Halbleiterleuchtelementen vorgesehen sein. Die Temperaturkompensation kann z.B. mit einem temperaturabhängigen Widerstand, z.B. einem Heißleiter oder einem Kaltleiter, erreicht werden.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass der Spannungsabfall über dem ersten Strang mittels eines Spannungsteilers bestimmbar ist, umfassend mindestens zwei in Reihe geschaltete Widerstände, die parallel zu dem ersten Strang geschaltet sind.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der Spannungsabfall über dem ersten Strang mittels eines Spannungsteilers bestimmbar ist, umfassend mindestens einen veränderbaren Widerstand.
Bei dem veränderbaren Widerstand kann es sich z.B. um ein Potenziometer handeln, das ggf. Teil einer Lampe ist. Insbesondere kann ein bewegliches Teil des Potenziometers, das eine Veränderung des Widerstandswertes bewirkt, von außen verstellbar in oder an der Lampe angeordnet sein. Ein Beispiel ist es, hierfür einen beweglichen Ring am Sockel oder am Reflektor der Lampe anzuordnen. Durch die Verstellung des Rings wird der Widerstandswert des Potenziometers variiert, der Nutzer kann somit eine Farbtemperatur der Lampe, z.B. in einem Bereich von 2500K bis 4500K, einstellen. Vorzugsweise bleibt der Farbort auch beim Dimmen der Lampe durch die hier vorgestellte Schaltung konstant oder nahezu konstant.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Spannungsteiler einen in Reihe geschalteten Kondensator aufweist.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass der Spannungsteiler einen in Reihe geschalteten Kondensator aufweist, wobei zumindest zu dem Kondensator ein weiterer Widerstand parallel geschaltet ist.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass der weitere Widerstand mittels eines Schalters zu- oder abschaltbar ist.
Eine weitere Option ist es, dass mehrere schaltbare Widerstände oder ein Potenziometer vorgesehen sind/ist, so dass der Nutzer wählen kann, ob die Lampe bei maximaler Leistung kaltes oder warmes Licht abgeben soll.
Auch ist es eine Möglichkeit, dass der Spannungsabfall über dem ersten Strang oder über einem Teil des ersten Strangs als ein Steuersignal für den mindestens einen weiteren Strang dient. Insbesondere kann das Steuersignal über ein nichtlineares Element zur Ansteuerung des mindestens einen weiteren Strangs eingesetzt werden.
Das nichtlineare Element kann z.B. einen nichtlinearen Spannungsteiler und/oder eine Diode umfassen.
Der nichtlineare Spannungsteiler umfasst insbesondere ein nichtlineares Bauteil, z.B. eine Diode. Beispielsweise ist der nichtlineare Spannungsteiler so angeordnet, dass er den Strom in dem rotfarbenen Strang beeinflusst.
Auch ist es eine weitere Ausgestaltung, dass der Spannungsabfall über dem ersten Strang eine Versorgungsspannung für den mindestens einen weiteren Strang bereitstellt, wobei der erste Strang einen Abgriff aufweist zwischen mindestens einem Halbleiterleuchtelement und einem negativen Pol der Stromversorgung, wobei der Abgriff ein Massepotential für die Schaltung bereitstellt.
Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, (kostengünstige) Operationsverstärker einzusetzen, die keine maximale Aussteuerung (wie sogenannte Rail-to-Rail-Operationsverstärker) zwischen den extremen Versorgungsspannungen bereitstellen.
Eine Weiterbildung ist es, dass ein Überspannungsschutz vorgesehen ist, der derart eingerichtet ist, dass bei einer Überspannung kein Strom in dem ersten Strang fließt und somit auch der mindestens eine weitere Strang dunkel bleibt.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass der erste Strang und der mindestens eine weitere Strang über eine Spannungsquelle gespeist werden, wobei ein Messwiderstand in Reihe mit dem ersten Strang geschaltet ist und anhand eines Spannungsabfalls über dem Messwiderstand ein Strom durch den ersten Strang oder ein Gesamtstrom einstellbar ist.
Somit wird aus der Spannungsquelle für den ersten Strang eine Stromquelle generiert, die wiederum zur Ansteuerung des zweiten und dritten Strangs eingesetzt werden kann.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Leuchtsystem mit einer Stromquelle, wobei die Stromquelle über eine zweiadrige Verbindung mit der hier beschriebenen Schaltung verbunden ist.
Eine Weiterbildung ist es, dass eine Netzspannung über eine Dimmerschaltung mit der Stromquelle verbunden ist.
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 ein schematisches Blockschaltbild einer Lampe oder eines Leuchtmoduls mit einem Strang mintfarbener LEDs, einem Strang roter LEDs und einem Strang blauer LEDs, wobei eine Netzspannung über einen Dimmer mit einer Stromquelle verbunden ist, die über eine Stromverteilung die drei Stränge an LEDs mit elektrischer Energie versorgt;
2 ein Schaltbild mit einer beispielhaften Ausführung der Stromverteilungsschaltung aus 1;
3 eine alternative Schaltung zur Umsetzung einer Rotverschiebung beim Dimmen basierend auf der Schaltung gemäß 2;
4B einen Verlauf eines Eingangsstroms sowie eines CCT-Signals über der Zeit;
4B einen Verlauf eines alternativen Eingangsstroms sowie eines alternativen CCT-Signals über der Zeit;
5 beispielhaft die Ströme in den LED-Strängen in Abhängigkeit von der Farbtemperatur;
6 basierend auf der Schaltung gemäß 3 eine alternative Ausgestaltung, die einen Betrieb mit einer pulsweitenmodulierten Konstantspannung erlaubt und zusätzlich einen nichtlinearen Spannungsteiler aufweist;
7 beispielhaft eine verbesserte Näherung an die Ströme in den LED-Strängen in Abhängigkeit von der Farbtemperatur;
8 eine Schaltung basierend auf der Schaltung gemäß 6, wobei durch ein künstliches Massepotential eine negative Versorgungsspannung erreicht wird;
9 eine beispielhafte Schaltung zum Betrieb einer Lampe an einer Spannungsquelle;
10 einen Ausschnitt aus der Schaltungsanordnung gemäß 9, wobei eine Zenerdiode als Überspannungsschutz vorgesehen ist;
11 einen Ausschnitt aus 3 mit einer zusätzlichen Umsetzung einer Modifikation der Farbtemperatur anhand einer Diode zur Ausblendung eines negativen Spannungsimpulses;
12 entsprechend der Schaltung nach 11 einen Verlauf eines Eingangsstroms sowie eines CCT-Signals über der Zeit;
13 eine Schaltungsanordnung basierend auf 2, bei der eine Veränderung des Gesamtstroms den Farbort der Lampe erhält;
14 eine Schaltung, bei der das CCT-Steuersignal vom Strom durch die mintfarbenen LEDs abgeleitet wird;
15 eine Schaltungsvariante, bei der der invertierende Operationsverstärker OP4 aus 13 eingespart werden kann;
16A ein Diagramm, das veranschaulicht, wie sich die Ströme in dem Blaustrang mit Änderung des Gesamtstroms und der Farbtemperatur verhalten;
16B ein Diagramm, das veranschaulicht, wie sich die Ströme in dem Rotstrang mit Änderung des Gesamtstroms und der Farbtemperatur verhalten;
17 eine Schaltung, bei der der Rotstrom bei hohen CCT-Werten kleiner ist als bei kleinen CCT-Werten;
18 eine Schaltung, bei der der Rotstrom mit steigender Farbtemperatur (steigendem CCT-Wert) ansteigt;
19 eine Schaltung, die auch im Mischbetrieb ein Warmweiß-Dimmen ermöglicht.
Grundlage des hier vorgestellten Schaltungskonzepts sind beispielsweise einfach gehaltene Konstantstromquellen, die durch ein gemeinsames Stellsignal (auch bezeichnet als "CCT-Signal") angesteuert werden. Das CCT-Signal kann extern (aus Sicht der Schaltung) erzeugt werden oder von der Schaltung selbst.
Beispielsweise ist eine Lampe vorgesehen, die drei Stränge aufweist, wobei jeder Strang eine Reihenschaltung von Leuchtdioden einer Farbe aufweist. Vorzugsweise ergeben sich somit drei Stränge mit drei Farben, die mittels pulsweitenmodulierten Signalen angesteuert werden, um eine Helligkeit und einen Farbort der Lampe einzustellen. Beispielsweise haben die drei Stränge die Farben mint, blau und rot.
Im ersten Fall kann die Farbtemperatur z.B. durch einen verstellbaren bzw. drehbaren Ring oder ein sonstiges Verstellmittel, das z.B. am Rand der Lampe angeordnet sein kann, eingestellt werden. Beim Dimmen der Lampe bleibt der Farbort vorzugsweise konstant.
Im zweiten Fall wird das CCT-Signal intern aus dem PWM-Eingangssignal generiert. Mit diesem Konzept lassen sich Lampen mit unterschiedlichen Farbtemperaturen z.B. am Ende einer Fertigungslinie durch Trimmen eines Widerstands voreinstellen. Hierbei kann beispielsweise das intern erzeugte CCT-Signal so verändert werden, dass sich beim Dimmen die Farbtemperatur – ähnlich wie bei Glühbirnen – ins Rote verschiebt.
Vorzugsweise wird die hier vorgestellte Schaltung mit einer Konstantstromquelle angesteuert, die z.B. von einem Betriebsgerät einer Lampe geliefert wird. Damit ist es möglich, lediglich zwei von drei Strängen zu regeln. Der Strom des dritten Strangs ergibt sich aus der Differenz des Gesamtstroms minus der Ströme der zwei geregelten Stränge. Die über dem freilaufenden Strang abfallende Spannung dient als Versorgungsspannung für Operationsverstärker der Schaltung und als Referenzspannung.
Beispielsweise kann derjenige Strang als freilaufender Strang genutzt werden, in dem der größte Strom fließt. Da der freilaufende Strang keinen Messwiderstand benötigt, entstehen somit weniger Verluste in der Schaltung.
Die hier vorgestellte Schaltung ermöglicht es, standardisierte Lampen mit einer Lichtfunktionalität gemäß dem Maggie-Konzept auszustatten. Hierzu können bereits vorhandene Betriebsgeräte eingesetzt werden oder es können geringfügige und kostengünstige Modifikationen an bestehenden Betriebsgeräten vorgenommen werden: Beispielweise entfällt der Ausgangskondensator, wobei der Formfaktor unverändert bleibt.
Die vorgestellte Lösung ist kostengünstig, kompakt und unempfindlich gegenüber Bauteiltoleranzen. Sie umfasst vorteilhaft eine geringe Menge (ca. ein Dutzend) Bauteile, die neben den LEDs auf der gleichen Platine untergebracht werden können. Zusätzliche Kosten für eine Platine sowie die Montage der weiteren Platine entfallen.
Auch ist es ein Vorteil, dass ein Farbstich, der z.B. während der Aufwärmphase auftritt, durch eine Temperaturregelung kompensiert werden kann.
Durch Austausch von zwei bis drei Bauteilen sind unterschiedliche Varianten möglich:

– Ein konstanter Farbort, der werkseitig eingestellt ist. Beim Dimmen bleibt der Farbort konstant.
– Der Farbort ist nutzerseitig einstellbar. Der Farbort folgt z.B. der Planck-Kurve. Beim Dimmen bleibt der Farbort konstant.
– Beim Dimmen verschiebt sich der Farbort, wobei er der Planck-Kurve folgt.

Ein weiterer Vorteil ist es, dass die hier vorgestellte Schaltung ohne eigenes Netzteil auskommt.
Zur Ansteuerung der Schaltung sind vorzugsweise nur zwei Drähte erforderlich.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Lampe oder eines Leuchtmoduls mit einem Strang 104 mintfarbener LEDs, einem Strang 105 roter LEDs und einem Strang 106 blauer LEDs. Die Stränge 104 bis 106 sind zueinander parallel geschaltet. Jeder Strang 104 bis 106 weist vorzugsweise eine Vielzahl gleichfarbiger in Reihe geschalteter LEDs auf. Auch können innerhalb eines Strangs 105 bis 106 verschiedenfarbige oder ähnliche LEDs in Reihe (und/oder parallel) geschaltet sein.
Ein Dimmer 101 ist mit einer Netzspannung 107 verbunden und versorgt die Stränge 104 bis 106 mit einer phasenangeschnittenen Netzspannung. Eine Stromquelle 102 sitzt z.B. in einem Sockel der Lampe und erzeugt einen pulsierenden Gleichstrom (pulsweitenmodulierten Gleichstrom (PWM Gleichstrom)). Der Dimmer 101 und die Stromquelle 102 können Teil eines Betriebsgeräts für die Lampe oder für diese und mindestens eine weitere Lampe sein.
Eine Stromverteilungsschaltung 103 ist mit zwei Drähten 108 und 109 mit der Stromquelle 102 verbunden. Die Stromverteilungsschaltung 103 ist vorzugsweise nur dann aktiv, wenn die Stromquelle 102 einen Strom liefert und hat die Aufgabe, den von der Stromquelle 102 bereitgestellten Strom auf die Stränge 104 bis 106 zu verteilen.
Das Signal, das die Farbtemperatur der Lampe bestimmt, wird vorzugsweise in der Stromverteilungsschaltung 103 erzeugt. Vorzugsweise umfasst die Stromverteilungsschaltung 103 eine Temperaturregelung.
Vorteilhaft kann die Stromverteilungsschaltung 103 ohne Controller oder Datenspeicher ausgeführt sein und lediglich analoge Bauteile aufweisen. Auch ist es ein Vorteil, wenn die Stromverteilungsschaltung 103 mit den Strängen 104 bis 106 (oder mit einem Teil dieser Stränge) auf einer gemeinsamen Platine angeordnet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird beispielhaft von drei parallelen Strängen ausgegangen. Grundsätzlich können mindestens zwei Stränge vorgesehen sein und gemäß dem hier vorgestellten Ansatz angesteuert werden. Ferner ist es möglich, dass jeder Strang eine unterschiedliche Farbe aufweist, so dass ein Farbort der Anordnung durch Mischung der Farben der einzelnen Stränge eingestellt werden kann. Hierzu kann ggf. eine geeignete Optik oder sonstige Anordnung zur Mischung der Farben der einzelnen Stränge vorgesehen sein. Weiterhin ist es möglich, dass mehrere Stränge mit gleichen oder ähnlichen Farben vorgesehen sind. Die Stränge können eine unterschiedliche (oder gleiche) Anzahl von Halbleiterleuchtelementen aufweisen. Die Stränge weisen vorzugsweise eine Reihen- und/oder Parallelschaltung aus Halbleiterleuchtelementen auf.
Variante 1: Fester Farbort
2 zeigt ein Schaltbild mit einer beispielhaften Ausführung der Stromverteilungsschaltung 103 aus 1.
Ein externes Betriebsgerät (auch bezeichnet als Vorschaltgerät) liefert einen Strom IG. Diesbezüglich ist in 2 eine entsprechende Stromquelle 201 gezeigt, die mit zwei Knoten 202 und 203 verbunden ist, wobei der Knoten 202 mit dem positiven Pol und der Knoten 203 mit dem negativen Pol der Stromquelle 201 verbunden ist.
Ein Strang 204 umfassend mehrere, z.B. fünf, in Reihe geschaltete mintfarbene LEDs ist parallel zu der Stromquelle 201 angeordnet, wobei die Kathoden der LEDs jeweils in Richtung des Knotens 203 zeigen.
Der Knoten 202 ist über einen Widerstand R7 mit einem Knoten 205 verbunden, wobei der Knoten 205 über einen Widerstand R8 mit dem Knoten 203 verbunden ist. Der Knoten 205 ist mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers OP2 verbunden. Der Knoten 205 ist auch über einen Widerstand R3 mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers OP1 verbunden. Der negative Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist über einen Widerstand R2 mit einem Knoten 206 verbunden und der Knoten 206 ist über einen Widerstand Rb mit dem Knoten 203 verbunden. Der Knoten 206 ist mit dem Source-Anschluss eines n-Kanal MOSFETs T1 verbunden. Der Drain-Anschluss des MOSFETs T1 ist über einen Strang 207 mit dem Knoten 202 verbunden, wobei der Strang 207 mehrere, z.B. vier, in Reihe geschaltete blaue LEDs aufweist, deren Anoden jeweils in Richtung des Knotens 202 zeigen.
Der positive Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist über einen Widerstand R5 mit dem Knoten 203 und über einen Widerstand R4 mit dem Knoten 202 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFETs T1 verbunden.
Der negative Anschluss des Operationsverstärkers OP2 ist über einen Widerstand R1 mit einem Knoten 208 verbunden. Der Knoten 208 ist mit dem Source-Anschluss eines n-Kanal MOSFETs T2 verbunden. Auch ist der Knoten 208 über einen Widerstand Rr mit dem Knoten 203 verbunden. Der negative Anschluss des Operationsverstärkers OP2 ist ferner über eine Serienschaltung aus einem Widerstand R6 und einem NTC-Widerstand 209 (Heißleiter) mit dem Knoten 203 verbunden. Der Drain-Anschluss des MOSFETs T2 ist über einen Strang 210 mit dem Knoten 202 verbunden. Der Strang 210 weist mehrere, z.B. drei, in Reihe geschaltete rote LEDs auf, deren Anoden jeweils in Richtung des Knotens 202 zeigen. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFETs T2 verbunden.
Weiterhin sind die Operationsverstärker OP1 und OP2 zur Versorgung mit elektrischer Energie jeweils mit den Knoten 202 und 203 verbunden.
Der Strang 204 mit den mintfarbenen LEDs ist freilaufend, d.h. ohne eigenen Messwiderstand. Die exponentielle Kennlinie der LEDs stabilisiert den Spannungsabfall über den Strang 204, der zugleich die Versorgungsspannung für die Schaltung bereitstellt. Die Schaltung kann vorzugsweise ohne energiespeichernde Elemente wie Kondensatoren oder Drosseln ausgeführt sein.
Der Strom in dem Strang 210, also der Strom durch die roten LEDs, wird über den Widerstand Rr gemessen. Der Operationsverstärker OP2 mit dem MOSFET T2 regelt diesen Strom durch den Strang 210. Die Widerstände R1, R6 und der NTC-Widerstand 209 kompensieren einen mit steigender Temperatur sinkenden Wirkungsgrad der roten LEDs des Strangs 210.
Das Regelsignal (auch bezeichnet als CCT-Signal) wird über den Spannungsteiler R7, R8 vom Spannungsabfall an dem Strang 204 bestimmt über den Knoten 205, der mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers OP2 verbunden ist.
Der Regelkreis für den Strom durch den Strang 207 ist (weitgehend) unabhängig von dem Strang 210, arbeitet aber ähnlich. Da bei Veränderung der Farbtemperatur, d.h. dem CCT-Signal an dem Knoten 205, der Strom in dem Strang 207 gegenläufig zu dem Strom in dem Strang 210 geregelt wird, erfolgt eine Invertierung des Regelsignals in dem Strang 207.
Die Operationsverstärker OP1 und OP2 arbeiten an einer Versorgungsspannung und die Eingangsspannungen liegen nur wenige 10mV über der negativen Versorgungsspannung. Damit ist der Aussteuerungsbereich eingeschränkt, so dass sich gegebenenfalls übliche Inverterschaltungen nicht geeignet sind. So wird mit dem Spannungsteiler R4, R5 an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 ein Referenzpegel geschaffen, auf den der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP1 geregelt wird. Da das an dem Widerstand Rb gemessene Stromsignal auf den invertierenden Eingang wirkt, arbeitet die Schaltung als Inverter.
Neben den Messwiderständen Rb und Rr bestimmt der Spannungsteiler R3, R2 das Verhältnis der Teilströme des Strangs 207 und des Strangs 210. Damit ist es möglich, die Messwiderstände Rb und Rr so niederohmig zu dimensionieren, dass der durch sie hervorgerufene Leistungsverlust gering bleibt.
Einen günstigen Wirkungsgrad erreicht die Schaltung, wenn der Spannungsabfall über den MOSFETs T1 und T2 minimal wird. Als blaue LEDs können z.B. InGaN-LEDs und als rote LEDs können z.B. InGaAlP-LEDs eingesetzt werden. Da die Vorwärtsspannungen der blauen InGaN- und der roten InGaAlP-LEDs nicht veränderlich sind (ca. 3,2V bzw. ca. 2,3V), ist es möglich, nur die Anzahl und die Fläche der LED-Chips zu optimieren. Beispielsweise kann mit folgenden Werten ein Wirkungsgrad von über 90% erreicht werden:

– 5 konvertierte blaue-Chips (mint) mit je 1 mm²
– 4 unkonvertierte blaue Chips mit je 0,25 mm² und
– 6 rote Chips mit je 0,5 mm².

Der Strom durch die mintfarbenen LEDs ergibt sich aus dem Rest zum Gesamtstrom, der beispielsweise 600mA beträgt. Der Spannungsabfall über den beiden MOSFETs liegt z.B. bei 3V. Die Farbqualität (CRT-Wert) ergibt sich beispielsweise in einem Bereich von 80 bis über 90.
Da die Schaltung gemäß 2 kein eigenes Netzteil aufweist, ist sie nur in den Phasen aktiv, in denen das Betriebsgerät einen Strom liefert. Da der Strom pulsierend ein- und ausgeschaltet wird, stellt sich während der Einschaltphase der gleiche Farbort ein, wie man ihn auch beim Betrieb mit Gleichstrom der gleichen Stärke erhält. Damit ist der Farbort unabhängig vom Tastverhältnis der PWM-Stromversorgung (Verhältnis von Einschaltphase zur Periodendauer (d.h. reziproke Frequenz) der Stromversorgung.
Variante 2: extern einstellbare Farbtemperatur
Die zweite Variante ergibt sich aus der ersten Variante dadurch, dass der Spannungsteiler R7, R8 durch ein (ggf. externes) Potenziometer ersetzt wird. Dieses Potenziometer kann Teil der Lampe sein; beispielsweise kann es als ein beweglicher Ring am Sockel oder am Reflektor der Lampe angeordnet sein.
Der Nutzer kann damit die gewünschte Farbtemperatur z.B. in einem Bereich von 2500K bis 4500K selbst einstellen. Beim Dimmen bleibt der Farbort konstant.
Variante 3: interne Rotverschiebung beim Dimmen
Sollen mehrere Lampen, die an einem Ort, z.B. in einem Raum, betrieben werden, auf eine gleiche Farbtemperatur eingestellt werden ohne dass dies manuell für jede Lampe einzeln vom Nutzer durchgeführt werden muss, so bietet sich die nachfolgend beschriebene Variante an.
Alternativ kann ein externes Steuersignal vorgesehen sein zur Einstellung der Farbtemperatur für mehrere Lampen. Hierdurch kann z.B. eine synchrone Farbveränderung für mehrere Lampen mit einer einzigen Einstellung bewirkt werden. Entsprechend kann ein solches Steuersignal auch intern von der Schaltung selbst erzeugt und bereitgestellt werden.
3 zeigt eine Schaltung basierend auf der Schaltung gemäß 2. Im Unterschied zu 2 wird das CCT-Signal an dem Knoten 205 nicht von dem Spannungsteiler R7, R8 erzeugt, sondern vom einem RC-Glied umfassend die Widerstände R7 und R8 und einen Kondensator C, wobei eine Reihenschaltung aus dem Widerstand R7 mit dem Kondensator C zwischen den Knoten 202 und 205 angeordnet ist und der Widerstand R8 zwischen dem Knoten 205 und dem Knoten 203 angeordnet ist. Der Widerstand Rr aus 2 ist durch einen Widerstand Rm ersetzt.
4A zeigt einen Eingangsstrom 401 sowie ein CCT-Signal 402 über der Zeit t und 4B zeigt einen alternativen Eingangsstrom 403 und ein alternatives CCT-Signal 404 über der Zeit t.
4A zeigt den Fall einer stark gedimmten Lampe, d.h. die Zeit t1, während der die Lampe eingeschaltet ist, ist klein in Bezug auf die Periodendauer T eines PWM-Zyklus. Ein Spannungssprung U ergibt sich aus einem zeitlichen Differential der Versorgungsspannung (das ist der durch den Eingangsstrom verursachte Spannungsabfall über dem Strang 204) jeweils beim Ein- und beim Ausschalten des Stroms. Die CCT-Kurve 402 wird von der Schaltung nur ausgewertet, wenn der Strom fließt. Bei einer gegenüber der Periodendauer T großen Zeitkonstante des RC-Glieds ist der Spannungsabfall gering und das CCT-Signal verändert sich während der Zeit t1 kaum, der Wert bleibt bei einem hohen Wert, was einen hohen Anteil des Stroms in dem Strang 210 (d.h. in den roten LEDs) und damit eine niedrige Farbtemperatur bewirkt.
Beim Ausschalten des Stroms (am Ende der Zeit t1) springt das CCT-Signal 402 um die Spannung U nach unten und der Kondensator C entlädt sich nun vom negativen Wert nach Null. Im zeitlichen Mittel entspricht eine Fläche F1 unter dem positiven Teil des CCT-Signals 402 einer Fläche F2 über dem negativen Teil des CCT-Signals 402.
4B zeigt den Fall der schwach gedimmten Lampe. Die Zeit t2 ist groß im Verhältnis zu der Periodendauer T, d.h. der Anteil der Dimmung ist gering. Während der Zeit t2 (Einschalt-Phase) kann das CCT-Signal 404 weiter nach unten sinken, so dass der Sprung der Spannung U beim Ausschalten weiter ins Negative geht. Damit wird auch die Fläche F2 schmal gegenüber der Fläche F1. Um die Bedingung gleicher Flächen (F1 = F2) zu erreichen, muss der mittlere Pegel des CCT-Signals 404 sinken. Während der Zeit t2 stellt sich ein geringerer mittlerer Wert des CCT-Signals 404 (im Vergleich zu dem CCT-Signal 402) ein, d.h. der Anteil des Stroms in dem Strang 210 (d.h. in den roten LEDs) sinkt und die Farbtemperatur steigt.
Im Fall t2 = T, also wenn das Betriebsgerät den Konstantstrom nicht mehr unterbricht und der Kondensator C nicht mehr entladen wird, geht das CCT-Signal asymptotisch gegen Null und die Farbtemperatur wird maximal.
Somit kann erreicht werden, dass mehrere Lampen in einem Raum ihre Farbtemperatur beim Dimmen synchron verändern. Eine manuelle Einstellung der einzelnen Lampen durch den Nutzer ist nicht mehr erforderlich.
Variante 4:
Gemäß der vorstehend beschriebenen Variante 3 erfolgt beim Dimmen eine Verschiebung der Farbtemperatur von kaltem Licht (z.B. 4500K) bei maximaler Leistung in Richtung warmes Licht (z.B. 2500K) bei minimaler Leistung. Die Folge davon ist, dass die maximale Leistung der Lampe bei einer kalten Farbtemperatur erreicht wird, denn die Spannung auf der CCT-Steuerleitung sinkt nur dann auf Null, wenn der Strom nur kurz oder gar nicht unterbrochen wird.
Nachfolgend wird ein Ansatz vorgestellt, der auch eine warme Farbtemperatur bei maximaler Leistung der Lampe ermöglicht.
6 zeigt ausgehend von der Schaltung gemäß 3 einen Widerstand R9, der parallel zu dem Kondensator C angeordnet ist, wobei in 6 der Knoten 202 über eine Reihenschaltung aus dem Kondensator C und den Widerstand R7 mit dem Knoten 205 verbunden ist. Damit ist der Widerstand R9 mit einem Anschluss mit dem Knoten 202 und mit dem anderen Anschluss mit dem Mittenabgriff der Reihenschaltung aus dem Kondensator C und dem Widerstand R7 verbunden.
Alternativ könnte entsprechend der Widerstand R9 auch den Kondensator C und den Widerstand R7 überbrücken.
Durch den Widerstand R9 sinkt das Potential der Steuerspannung bei Maximalleistung nicht mehr auf Null. Der Widerstand R9 begrenzt somit den Wert der höchsten bei Maximalleistung erreichbaren Farbtemperatur (z.B. 3500K).
Eine Option ist es, dass der Widerstand R9 anhand eines (ggf. externen) Schalters zu- und abschaltbar ist, oder dass alternativ mehrere schaltbare Widerstände oder ein Potenziometer eingesetzt werden/wird, so dass der Nutzer wählen kann, ob die Lampe bei maximaler Leistung kaltes oder warmes Licht abgeben soll. Die Farbtemperatur im gedimmten Zustand bleibt davon (weitgehend) unbeeinflusst.
Variante 5: Nichtlinearer Spannungsteiler
Die Schaltungen in den bisher behandelten Varianten arbeiten (weitgehend) linear. Beim Verschieben des Farborts entlang der Planckkurve ändern sich die Ströme in den LED-Strängen allerdings nicht-linear. Somit gelingt die Simulation der Ströme mit dem linearen Ansatz nur näherungsweise. Dabei ist die erreichbare Näherung so gut, dass sie unterhalb der Schwelle liegt, bei der ein Farbstich für das menschliche Auge erkennbar ist. Dies gilt insbesondere für die Fälle, in denen der Bereich der einstellbaren Fabtemperaturen begrenzt wird.
5 zeigt beispielhaft die Ströme in den LED-Strängen in Abhängigkeit von der Farbtemperatur. Eine Kurve 1 stellt den Strom dar, der durch die mintfarbenen LEDs fließt, eine Kurve 2 stellt den Strom dar, der durch die roten LEDs fließt und eine Kurve 3 stellt den Strom dar, der durch die blauen LEDs fließt. Die gestrichelten Kurven sind die (nichtlinearen) Sollkurven und die dicken durchgezogenen Linien zeigen die Näherungen durch die lineare Schaltung. In dem gezeigten Beispiel liegen die Farborte unterhalb 2750K und oberhalb 4200 K über der Planck-Kurve und dazwischen unterhalb. Dem entspricht eine Verteilung der Farborte innerhalb einer zwei Mcadams-Ellipse um die Planck-Kurve im Bereich von 2600K bis 4500K. Dies ist für eine Vielzahl von Anwendungen ausreichend.
Wenn eine höhere Genauigkeit erforderlich ist oder ein größerer Bereich der Farbtemperaturen abgedeckt werden soll, sollte die Schaltung in der Lage sein, die Krümmung der Stromkurven zu simulieren. Das gelingt beispielsweise mit einem nichtlinearen Bauteil, z.B. einer Diode D. Damit wir die Schaltung weniger empfindlich gegenüber ungenauen Bauelementwerten.
6 zeigt eine solche Schaltung basierend auf der Schaltung gemäß 3. Zusätzlich zu der bereits unter "Variante 4" beschriebenen Ergänzung durch den Widerstand R9 ist in 6 der Knoten 205 über einen Widerstand R11 mit einem Knoten 601 verbunden. Parallel zu dem Widerstand R11 liegt die Diode D, deren Kathode in Richtung des Knotens 601 zeigt. Der Knoten 601 ist über einen Widerstand R10 mit dem Knoten 203 verbunden. Außerdem ist der Knoten 601 mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers OP2 verbunden.
Die Widerstände R10, R11 stellen zusammen mit der Diode D einen nichtlinearen Spannungsteiler dar, der einen überproportionalen Anstieg des Sollwertes für den Strom durch den Strang 210 ("Rotstrom") bei niedrigen Farbtemperaturen bewirkt. Damit biegt sich die Kurve 2 des Rotstroms mit sinkender Farbtemperatur nach oben und folgt somit besser der Sollkurve.
Alternativ kann auch nur ein Teil des Widerstands R11 von der Diode D überbrückt werden oder in Serie mit der Diode D ein weiterer Widerstand geschaltet sein.
7 zeigt eine Verbesserung der Näherung mit der Nomenklatur gemäß 5. Die durch die Schaltung simulierten Kurven folgen jetzt den nichtlinearen Sollkurven genauer und über einen weiteren Bereich der Farbtemperaturen.
Eine solche Nichtlinearität kann auch auf die Regelkennlinie angewendet werden, die die Veränderung der Farbtemperatur beim Dimmen bestimmt.
Variante 6: Künstliches Massepotential; limitierte Aussteuerung der Operationsverstärker
Gegebenenfalls kann es erwünscht sein, dass die Potentiale an den Eingängen der Operationsverstärker nicht bis an deren negative Versorgungsspannung gehen, da manche Operationsverstärkertypen derartige extreme Ansteuerungen nicht wie gewünscht (z.B. linear) verarbeiten können. Sogenannte Rail-to-Rail-Operationsverstärker können zwar solch extreme Aussteuerungen aushalten, sind aber teurer als herkömmliche Operationsverstärker. Im Hinblick auf eine kostengünstige Realisierung kann es vorteilhaft sein, die Schaltung so auszuführen, dass günstige Standard-Operationsverstärker einsetzbar sind.
Zur Vermeidung extremer Aussteuerungs-Spannungen wird eine negative Versorgungsspannung unterhalb des Massepotentials erzeugt. Das kann z.B. durch eine interne Ladungspumpe geschehen, die im Takt des Versorgungsstroms eine Kapazität lädt. Dies würde jedoch zusätzlichen Schaltungsaufwand bedeuten und die Lösung verteuern.
Es wird vorteilhaft eine negative Hilfsspannung vorgeschlagen, die sich ohne weitere Bauteile, ohne zusätzlichen Energiebedarf und ohne zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand erzeugen lässt: Hierzu wird oberhalb einer oder mehrerer in Reihe geschalteter LEDs des Strangs 204 ein Spannungsabgriff vorgesehen.
8 zeigt eine Schaltung basierend auf der Schaltung gemäß 6, wobei der Strang 204 einen Knoten 801 aufweist, der die Reihenschaltung aus LEDs des Strangs 204 in zwei Bereiche unterteilt, wobei beispielsweise eine LED 802 zwischen dem Knoten 801 und dem Knoten 203 angeordnet ist.
Alternativ kann anstatt der LED 802 auch eine Gleichrichterdiode oder ein passiver Widerstand verwendet werden.
Der Knoten 801 stellt das Bezugspotential für die verbleibende Schaltung bereit, nur die Versorgungsleitungen der Operationsverstärker OP1 und OP2 sind mit dem Knoten 203 verbunden, ansonsten sind die Widerstände R8, Rb, R5, R10, Rm und der NTC-Widerstand 209 anstelle mit dem Knoten 203 mit dem Knoten 801 verbunden.
Der Abgriff zwischen der LED 802 des Strangs 204 und den restlichen LEDs des Strangs 204 wird somit zum "Massepotential" der Analogschaltung und die LED 802 erzeugt das Potential für die negative Spannungsversorgung der LEDs. Durch diese LED 802 fließt der Gesamtstrom, der durch das Vorschaltgerät in die Schaltung eingeprägt wird. Der Strom durch die restlichen LEDs des Strangs 204 wird entsprechend kleiner, ergibt sich aber weiterhin aus der Differenz von Gesamtstrom minus Blaustrom (Strom in dem Strang 207) minus Rotstrom (Strom in dem Strang 210).
Bei der Berechnung der Sollströme wird der konstante Lichtstrom der LED 802 berücksichtigt. Daher wird vorzugsweise die Hilfsspannung mit LEDs des Strangs 204 realisiert, da dieser Strang 204 genügend Lichtstrom abgibt, so dass für die restlichen LEDs des Strangs ausreichend Strom für deren Betrieb bleibt, auch wenn eine oder mehrere LED(s) mit dem Gesamtstrom betrieben werden.
Variante 7: Betrieb an Spannungsquelle
Auch ist es möglich, dass mehrere Lampen an einem gemeinsamen externen Netzteil betrieben werden. In solch einem Fall könnten die Lampen kleiner und kostengünstiger ausgeführt sein, da sie beispielsweise lediglich die LEDs, die beschriebene Stromverteilungsschaltung und einen Kühlkörper aufweisen.
Eine einfache Parallelschaltung verschiedener LED-Module an einem gemeinsamen Konstantstrom-Netzteil ist jedoch wenig zielführend, da sich der Strom nicht gleichmäßig auf die LED-Module aufteilen würde. Eine Parallelschaltung von LED-Modulen ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sie an einer Konstantspannungsquelle betrieben werden. Andererseits sollen die LED-Module aber mit Konstantstrom betrieben werden.
9 zeigt eine beispielhafte Schaltung zum Betrieb einer Lampe wie vorstehend beschrieben an einer Spannungsquelle.
9 entspricht in weiten Teilen der Schaltung gemäß 6. Im Unterschied zu 6 ist anstelle der Stromquelle 201 eine Spannungsquelle 901 mit den Knoten 202 und 203 verbunden, wobei der positive Pol der Spannungsquelle mit dem Knoten 202 verbunden ist. Der Strang 204 ist nicht mit dem Knoten 203, sondern mit einem Knoten 902 verbunden. Der Knoten 902 ist mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers OP3 verbunden. Auch ist der Knoten 902 über einen Widerstand Rg (Messwiderstand) mit einem Knoten 903 verbunden. Der Knoten 903 ist über einen Widerstand R13 mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers OP3 verbunden. Der Knoten 202 ist über einen Widerstand R12 mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers OP3 verbunden. Der Knoten 903 ist mit dem Drain-Anschluss eines n-Kanal MOSFETs T3 verbunden, der Source-Anschluss des MOSFETs T3 ist mit dem Knoten 203 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP3 ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFETs T3 verbunden.
Die Widerstände R8, Rb, R5, R10, Rm (in 9 Rr) und der NTC-Widerstand 209 sind anstelle mit dem Knoten 203 mit dem Knoten 902 verbunden. Die Operationsverstärker OP1 bis OP3 erhalten ihre Versorgungsspannung über die Knoten 202 und 203.
Durch den Betrieb an der Spannungsquelle 901 muss auch der Strom in dem Strang 204 begrenzt werden. Somit sitzt in 9 auch eine Stromquelle in Reihe mit dem Strang 204; hierzu begrenzt der Operationsverstärker OP3 den Gesamtstrom.
Anhand des Widerstands Rg wird der Gesamtstrom der Schaltung gemessen, der von dem MOSFET T3 zusammen mit dem Operationsverstärker OP3 auf einen Wert geregelt wird, der anhand des Spannungsteilers umfassend die Widerstände R12 und R13 in Kombination mit der Versorgungsspannung 901 bestimmt wird.
Der Strom durch den Strang 204 ergibt sich wieder aus Gesamtstrom minus Blaustrom (Strom in dem Strang 207) minus Rotstrom (Strom in dem Strang 210). Der restliche Teil der Schaltung entspricht weitgehend der Variante 5. Entsprechend kann die hier zu Variante 6 vorgestellte Lösung auch mit jeder anderen der vorstehenden Varianten kombiniert werden.
Wie auch in der Variante 6 werden in 9 die Operationsverstärker mit einer negativen Hilfsspannung versorgt. In diesem Fall wird dazu der Spannungsabfall über der Regelstrecke des Gesamtstromreglers T3 und dem Widerstand Rg verwendet.
Hierbei ist es von Vorteil, dass die Lampe kein eigenes Netzteil benötigt. Die Lampe kann mit weiteren Lampen parallel an einem gemeinsamen (z.B. externen) Netzteil betrieben werden, wobei die Spannungsversorgung z.B. besonders vorteilhaft über eine Lichtschiene erfolgen kann. Auch diese Schaltungsvariante arbeitet in der aktiven Phase der Spannungsversorgung und hat hinsichtlich Dimmbarkeit und CCT-Verschiebung die gleichen Eigenschaften wie die vorstehend beschriebenen Varianten.
Beispielsweise können die Bauteile wie folgt dimensioniert sein bzw. die folgenden Bauteile verwendet werden:

– Strang 204: 4 + 1 mintfarbene LEDs mit jeweils einer Chipfläche von 1mm²
– Strang 207: 3 blaue LEDs mit jeweils einer Chipfläche von 0,5 mm²
– Strang 210: 5 rote LEDs mit jeweils einer Chipfläche von 0,5 mm²
– Versorgungsspannung: 12,8V (ergibt sich aus den LEDs)
– Wirkungsgrad der Schaltung: 93,4% (CCT = 4500K) bis 96,7% (CCT = 2500K)
– Ströme: siehe 7
– Rb = 3,9 Ω
– Rm = 1,3 Ω
– Rg <= 0,1 Ω
– R1 = 2,7 kΩ
– R2 = 11 kΩ
– R3 = 10 kΩ
– R4 = 75 kΩ
– R5 = 2 kΩ
– R6 = 620 Ω
– R7 = 22 kΩ
– R8 = 1 kΩ
– R9 = 220 kΩ
– R10 = 10 kΩ
– R11 = 100 kΩ
– R12 = 15 kΩ
– R13 = 560 Ω
– C = 1 µF
– D = 2N4148 (Si-Diode)
– NTC: R(25°C) = 15 kΩ, B = 3950 K
– T1 bis T3: DMG1012UW (MOSFET)
– OP1 bis OP3: OPA241 (Dual, Rail-to-Rail)
– Die Zenerspannung über der Zenerdiode Z ergibt sich aus U_T3 + Ig·Rg + U_abst, wobei U_T3 einen Spannungsabfall über dem MOSFET T3, Ig einen Strom durch den Messwiderstand Rg und U_abst einen vorgebbaren Spannungsabstand bezeichnen; beispielsweise liegt die Zenerspannung in einem Bereich zwischen 4,7V und 5,6V.

Überspannungsschutz
Da der MOSFET T3 den Gesamtstrom regelt, ist die Verlustleistung in diesem Transistor größer als die jeweils in den MOSFETs T1 und T2 umgesetzte Leistung. Die Verlustleistung wird vorzugsweise vom Kühlkörper der Lampe abgeführt und ist abhängig von der Spannung mit der die Lampe betrieben wird.
Dadurch wird die Schaltung empfindlich gegen Überspannungen, z.B. bei Verwendung eines falschen Netzteils mit einer zu hohen Ausgangsspannung.
10 zeigt einen Ausschnitt aus der Schaltungsanordnung gemäß 9, wobei eine zusätzliche Zenerdiode Z zwischen dem Knoten 203 und dem positiven (nichtinvertierenden) Eingang des Operationsverstärkers OP3 angeordnet ist, wobei die Kathode der Zenerdiode Z in Richtung des Eingangs des Operationsverstärkers OP3 zeigt. Die restliche Schaltung entspricht der Anordnung gemäß 9.
Anhand der Zenerdiode Z wird verhindert, dass Überspannungen die Schaltung bzw. die Lampe beschädigen. Die Zenerdiode Z sperrt bei Überspannung den MOSFET T3, so dass kein Strom mehr aufgenommen wird und die Lampe dunkel bleibt. Im Normalbetrieb hat die Zenerdiode Z keine einschränkende Auswirkung auf die Funktion der Schaltung.
Variante 3a: Modifikation der Farbtemperatur
Basierend auf der Variante 3 (3) kann mittels einer Diode der negative Spannungsimpuls ausgeblendet werden.
11 zeigt einen Ausschnitt aus 3, wobei zusätzlich zu der in 3 gezeigten Schaltungsanordnung parallel zu dem Widerstand R8 eine Diode 1101 angeordnet ist, deren Kathode in Richtung des Knotens 205 zeigt.
12 zeigt entsprechend der Schaltung nach 11 einen Eingangsstrom 1201 sowie ein CCT-Signal 1202 über der Zeit t. Die Nomenklatur entspricht der Nomenklatur wie in 4A/B eingeführt.
Somit sinkt das mittlere Potential des CCT-Signals mit steigender Helligkeit (Taktverhältnis t1/T geht gegen 100%) nicht auf Null wie in den unter 4A und 4B beschriebenen Fällen. Auch bei (fast) maximaler Helligkeit bleibt eine warme Farbtemperatur, da die Fläche unter der Kurve stets größer Null ist. Erst bei maximaler Leistung – wenn das PWM-Betriebsgerät nicht mehr schaltet – sinkt die Kurve auf Null ab und die Farbtemperatur wird maximal.
Der Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass man von einer roten Farbtemperatur bei kleiner Leistung bis zu einer warmweißen Farbtemperatur bei (fast) maximaler Leistung dimmen kann. Erst beim Übergang zu maximaler Leistung, wenn das Vorschaltgerät nur noch Gleichstrom abgibt, springt die Farbtemperatur ins Kaltweiße.
Variante 8:
Eine weitere Schaltungsvariante ergibt sich, wenn die Schaltung mit Betriebsgeräten zusammenarbeitet, die eine variable Stromstärke abgeben. In diesem Fall wird nicht die Pulsweite moduliert, sondern der Pegel des Konstantstroms. Wird nun der extern eingeprägte Strom beim Dimmen verringert, bricht der Strom in dem mintfarbenen Strang ein und es kommt zu starken Farbverschiebungen.
Die Lösung besteht darin, mit den beiden Reglern für den Strom in den blauen LEDs ("Blaustrom") und den Strom in den roten LEDs ("Rotstrom") das Verhältnis von Rotstrom zu Gesamtstrom und Blaustrom zu Gesamtstrom konstant zu halten. Dann verändern sich bei einer Änderung des Gesamtstroms die Strompegel proportional zueinander und der Farbort bleibt unverändert.
13 zeigt eine Schaltungsanordnung basierend auf 2, bei der eine Veränderung des Gesamtstroms den Farbort der Lampe erhält.
Im Vergleich zu 2 ist in 13 mit dem Strang 204 ein Messwiderstand Rn in Reihe geschaltet, wobei der Knoten zwischen dem Strang 204 und dem Messwiderstand Rn mit 1301 bezeichnet ist. Der Knoten 1301 ist mit dem positiven (nichtinvertierenden) Eingang eines Operationsverstärkers OP4 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP4 ist mit einem Knoten 1302 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP4 ist über einen Widerstand R15 mit einem Knoten 1306 verbunden. Der Knoten 1306 ist über einen Widerstand R16 mit dem Knoten 203 verbunden. Der Knoten 1306 ist mit dem negativen (invertierenden) Eingang des Operationsverstärkers OP4 verbunden.
Der Knoten 1302 ist über einen veränderbaren Widerstand R14 mit dem Knoten 1301 verbunden, wobei der Schleifer des Widerstands R14 mit einem Knoten 1303 verbunden ist. Der Knoten 1302 ist über einen Widerstand R19 mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers OP1 verbunden. Der positive Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist über den Widerstand R5 mit dem Knoten 1301 verbunden. Der Knoten 1303 ist über den Widerstand R3 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers OP1 verbunden, wobei der negative Eingang des Operationsverstärkers OP1 auch über den Widerstand R2 mit dem Knoten 206 verbunden ist. Der Knoten 206 ist über den Widerstand Rb mit dem Knoten 1301 verbunden. Weiterhin ist der Knoten 206 mit dem Source-Anschluss des MOSFETs T1 verbunden, dessen Gate-Anschluss über den Ausgang des Operationsverstärkers OP1 angesteuert wird. Der Drain-Anschluss des MOSFETs T1 ist über den Strang 207 mit dem Knoten 202 verbunden.
Der Knoten 1302 ist über einen Widerstand R18 mit einem Knoten 1304 verbunden. Der Knoten 1303 ist über einen Widerstand R17 mit dem Knoten 1304 verbunden. Der Knoten 1304 ist mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers OP2 verbunden. Der Knoten 1304 ist über eine Reihenschaltung umfassend einen Widerstand R19 und einen Widerstand R20 mit dem Knoten 1301 verbunden, wobei parallel zu dem Widerstand R20 eine Diode 1305 angeordnet ist, deren Kathode in Richtung des Knotens 1301 zeigt.
Der negative Eingang des Operationsverstärkers OP2 ist über eine Reihenschaltung aus dem Widerstand R6 und dem NTC-Widerstand 209 mit dem Knote 1301 verbunden. Der Knoten 208 ist über den Widerstand R1 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers OP2 verbunden. Der Knoten 208 ist über den Messwiderstand Rr mit dem Knoten 1301 verbunden. Der Knoten 208 ist mit dem Source-Anschluss des MOSFETs T2 verbunden, dessen Gate-Anschluss über den Ausgang des Operationsverstärkers OP2 angesteuert wird. Der Drain-Anschluss des MOSFETs T2 ist über den Strang 210 mit dem Knoten 202 verbunden.
Die Operationsverstärker OP1, OP2 und OP4 werden über die Knoten 202 und 203 mit elektrischer Energie versorgt.
13 zeigt beispielhaft eine Schaltung für die Verwendung von teilkonvertierten LEDs anstatt rein blauer LEDs im Blau-Strang; diese Kombination ergibt qualitativ ein besonders gutes Licht mit bester Farbwidergabe.
Anhand des Widerstands Rn wird der Gesamtstrom gemessen und mit dem invertiert geschalteten Operationsverstärker OP4 verstärkt. Dadurch ergibt sich eine negative Hilfsspannung zur Versorgung der Operationsverstärker und am Ausgang des Operationsverstärkers OP4 eine positives Potenzial, das proportional zu dem Gesamtstrom ist und das als Bezugspotenzial für die Regelungen des Blaustroms und des Rotstroms verwendet werden kann.
Diese Potenziale wurden in den bisherigen Varianten vom konstanten Spannungsabfall über dem Strang 204 abgeleitet. Der Ansatz gemäß 13 erlaubt eine Regelung von Blaustrom und Rotstrom proportional zu dem Gesamtstrom.
Mit dem Potenziometer R14 kann die Farbtemperatur eingestellt werden. Alternativ kann wieder ein Spannungsteiler mit Schalter eingesetzt werden, um mehrere feste CCT-Werte einzustellen.
Die Widerstände R17, R19, R20 und die Diode 1305 bilden einen nichtlinearen Spannungsteiler, mit dem bei niedrigem Gesamtstrom der Pegel des Rotstroms angehoben werden kann. Auch könnte der Widerstand R20 alternativ die Diode 1305 und den Widerstand R19 überbrücken.
Somit werden die Unterschiede in den Stromabhängigkeiten der Wirkungsgrade von blauen und roten LEDs kompensiert. Mittels des Widerstands R18 kann auch bei kalter Farbtemperatur ein gewisser Rotstrom-Pegel vorgegeben werden (Vorspannung). Dies ist typisch für LED-Mischungen in einem Farbton "bluish-white", wodurch auch bei kalter Farbtemperatur die Rotwidergabe optimiert werden kann.
Variante 9:
Grundsätzlich verläuft der Strom durch den Strang 210 mit roten LEDs ("Rotstrom") gegenläufig zu dem Strom durch den Strang 207 mit den blauen LEDs ("Blaustrom"), so dass entweder das Signal für den Rotstrom oder das für den Blaustrom zu invertieren ist.
Bei den vorgestellten Varianten wurde beispielhaft das Signal für den Blaustrom invertiert. Prinzipiell kann auch das Signal für den Rotstrom invertiert werden, so dass eine hohe Steuerspannung zu einer hohen Farbtemperatur führt. Dies kann bei Schaltungen vorteilhaft sein, die mit Gleichstrom betrieben werden. Ist es gewünscht, die Farbtemperatur zusammen mit der Helligkeit zu verschieben, kann in diesem Fall das CCT-Steuersignal direkt vom Gesamtstrom abgeleitet werden, ohne es zu invertieren.
14 zeigt eine Schaltung, bei der das CCT-Steuersignal vom Gesamtstrom abgeleitet wird.
Ein externes Betriebsgerät (Vorschaltgerät) liefert einen Strom IG. Diesbezüglich ist in 2 eine entsprechende Stromquelle 1601 gezeigt, die mit zwei Knoten 1602 und 1603 verbunden ist, wobei der Knoten 1602 mit dem positiven Pol und der Knoten 1603 mit dem negativen Pol der Stromquelle 1601 verbunden ist.
Der Strang 204 umfassend z.B. vier in Reihe geschaltete mintfarbene LEDs, der Strang 207 umfasst z.B. drei in Reihe geschaltete blaue LEDs und der Strang 210 umfasst z.B. drei in Reihe geschaltete rote LEDs. Die LEDs der Stränge 204 bis 210 sind so ausgerichtet, dass deren Anode jeweils in Richtung des Knoten 1602 zeigt.
Der Strang 204 ist zwischen dem Knoten 1602 und einem Knoten 1607 angeordnet. Der Knoten 1607 ist über einen Widerstand R30 mit dem Knoten 1603 verbunden. Der Knoten 1603 entspricht auch dem Massepotential der Schaltung.
Der Knoten 1607 ist über ein Potenziometer R31 mit dem Knoten 1603 verbunden, wobei der Schleifer des Potenziometers R31 mit einem Knoten 1611 verbunden ist. Der Knoten 1611 ist mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers OP10 verbunden. Auch ist der Knoten 1611 über einen Widerstand R37 mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers OP11 verbunden.
Der negative Eingang des Operationsverstärkers OP10 ist über einen Widerstand R32 mit dem Knoten 1603 verbunden. Der negative Eingang des Operationsverstärkers OP10 ist mit dem Source-Anschluss eines n-Kanal MOSFETs T10 verbunden. Der Strang 207 ist zwischen dem Knoten 1602 und dem Drain-Anschluss des MOSFETs T10 angeordnet. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP10 ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFETs T10 verbunden.
Der Knoten 1607 ist über einen Widerstand R38 mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers OP11 verbunden. Der positive Eingang des Operationsverstärkers OP11 ist über einen Widerstand R39 mit dem Knoten 1603 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP11 ist mit dem Gate-Anschluss eines n-Kanal MOSFETs T11 verbunden. Der Strang 210 ist zwischen dem Knoten 1602 und dem Drain-Anschluss des MOSFETs T11 angeordnet. Der Source-Anschluss des MOSFETs T11 ist mit einem Knoten 1608 verbunden. Der Knoten 1608 ist über einen Widerstand R33 mit dem Knoten 1603 verbunden. Der Knoten 1608 ist über einen Widerstand R34 mit einem Knoten 1609 verbunden. Der Knoten 1609 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R35 mit einem NTC-Widerstand 1610 mit dem Knoten 1603 verbunden. Der Knoten 1609 ist über einen Widerstand R36 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers OP11 verbunden.
Die Operationsverstärker OP10 und OP11 sind zur elektrischen Versorgung mit den Knoten 1602 und 1603 verbunden.
Die vorstehend beschriebenen Varianten können auch mit diesem Beispiel kombiniert werden.
Auswahl der Zahl der LEDs
Bei der Auswahl der Zahl der Leuchtdioden bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Beispielsweise ist der Spannungsabfall über dem Strang der mintfarbenen LEDs höher als der Spannungsabfall über dem Strang aus blauen LEDs oder dem Strang aus roten LEDs, damit für die Messwiderstände und Regeltransistoren noch ein Spannungsabfall von jeweils mindestens 1V übrig bleibt.
Soll die Verlustleistung der Schaltung minimiert werden, ergeben sich vorzugsweise folgende Randbedingungen für die Anzahl der Halbleiterleuchtelemente:

(1) In dem Strang der mintfarbenen LEDs werden m LEDs vorgesehen, wobei die maximale Versorgungsspannung der Operationsverstärker dabei nicht überschritten wird. Somit ergeben sich z.B. maximal 9 LEDs bei 30V; andernfalls kann ein Mittenabgriff in dem Strang der mintfarbenen LEDs vorgesehen werden.
(2) In dem Strang der blauen LEDs werden m – 1 LEDs vorgesehen. Damit ist der Spannungsabfall am Regeltransistor plus Messwiderstand gleich der Flussspannung einer blauen LED (3,2V) und die Verlustleistung beträgt Im·3,2V (Strom durch den mintfarbenen Strang mal der Spannung an einer blauen LED).
(3) Die Anzahl n der LEDs in dem Strang roter LEDs wird so dimensioniert, dass sich eine minimale Restspannung in dem roten Strang ergibt, wobei diese Restspannung vorzugsweise mindestens 1V beträgt. Damit ergibt sich die Anzahl der roten LEDs zu n <= (m·3,2V – 1V)/2,3V bei einer angenommenen Flussspannung der roten LEDs von 2,3V.

Wenn die Zahl der in Serie liegenden LEDs groß genug ist, so dass sich die Schwankungen der Flussspannungen im statistischen Mittel ausgleichen, können LED-Ketten auch parallel geschaltet werden, um bei gleicher Spannung höhere Ströme zu erreichen. Dies kann beispielsweise bereits bei einer Reihenschaltung von fünf LEDs der Fall sein.
Variante 10:
Beispielsweise zeigt 13 eine Variante, bei der der Gesamtstrom über den Messwiderstand Rn gemessen wird und der Spannungsabfall über dem Messwiderstand Rn zusätzlich eine negative Versorgungsspannung der Operationsverstärker OP1 und OP2 bereitstellt.
15 zeigt eine Variante 10, bei der der invertierende Operationsverstärker OP4 aus 13 eingespart werden kann.
Ein externes Betriebsgerät (auch bezeichnet als Vorschaltgerät) liefert einen Strom IG. Diesbezüglich ist in 15 eine entsprechende Stromquelle 1701 gezeigt, die mit zwei Knoten 1702 und 1703 verbunden ist, wobei der Knoten 1702 mit dem positiven Pol und der Knoten 1703 mit dem negativen Pol der Stromquelle 1701 verbunden ist.
Ein Strang 1731 umfasst mehrere, z.B. fünf, in Reihe geschaltete mintfarbene LEDs, wobei alle LEDs des Strangs 1731 bis auf eine einzelne LED zwischen dem Knoten 1702 und einem Knoten 1704 angeordnet ist und (mindestens) eine verbleibende LED des Strangs 1731 zwischen dem Knoten 1704 und einem Knoten 1705 angeordnet ist. Die Anoden der LEDs des Strangs 1731 zeigen in Richtung des Knotens 1702.
Der Knoten 1705 ist über einen Widerstand R44 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP30 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OP30 ist weiterhin über einen Widerstand R47 mit einem Knoten 1711 verbunden.
Der Knoten 1705 ist über einen Widerstand R41 mit dem Knoten 1703 verbunden. Weiterhin ist der Knoten 1705 über ein Potenziometer R42 (einen verstellbaren Widerstand) mit dem Knoten 1703 verbunden. Der Schleifer des Potenziometers R42 ist mit dem Knoten 1711 verbunden. Über diesen Schleifer wird das CCT-Signal bereitgestellt.
Der Drain-Anschluss eines MOSFETs T30 ist über einen Strang 1732 mit dem Knoten 1702 verbunden, wobei der Strang 1732 mehrere, z.B. vier, in Reihe geschaltete blaue LEDs aufweist, deren Anoden jeweils in Richtung des Knotens 1702 zeigen. Der Source-Anschluss des MOSFETs T30 ist mit einem Knoten 1706 verbunden. Der Knoten 1706 ist über einen Widerstand R43 mit dem Knoten 1705 verbunden. Der Knoten 1706 ist über einen Widerstand R45 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP30 verbunden. Weiterhin ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP30 über einen Widerstand R46 mit dem Knoten 1703 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP30 ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFETs T30 verbunden.
Der Knoten 1704 ist über einen Widerstand R48 mit einem Knoten 1707 verbunden. Der Knoten 1707 ist über einen Widerstand R49 mit dem Knoten 1705 verbunden. Der Knoten 1707 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP31 verbunden.
Der Drain-Anschluss eines MOSFETs T31 ist über einen Strang 1733 mit dem Knoten 1702 verbunden. Der Strang 1733 weist mehrere, z.B. drei, in Reihe geschaltete rote LEDs auf, deren Anoden jeweils in Richtung des Knotens 1702 zeigen. Der Source-Anschluss des MOSFETs T31 ist mit einem Knoten 1708 verbunden. Der Knoten 1708 ist über einen Widerstand R50 mit dem Knoten 1705 verbunden. Der Knoten 1708 ist weiterhin über einen Widerstand R51 mit einem Knoten 1709 verbunden. Der Knoten 1709 ist über eine Reihenschaltung aus einem NTC-Widerstand 1712 (Heißleiter) und einem Widerstand R52 mit dem Knoten 1705 verbunden. Der Knoten 1709 ist über einen Widerstand R53 mit einem Knoten 1710 verbunden. Der Knoten 1710 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP31 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP31 ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFETs T31 verbunden.
Der Knoten 1710 ist über eine Widerstand R55 mit dem Knoten 1703 verbunden. Auch ist der Knoten 1710 über einen Widerstand R54 mit dem Knoten 1711 verbunden.
Die positive Versorgungsspannung der Operationsverstärker OP30 und OP31 wird von dem Knoten 1704 und die negative Versorgungsspannung der Operationsverstärker OP30 und OP31 wird an dem Knoten 1703 bereitgestellt.
Ein Spannungsabfall über dem Widerstand R41 erzeugt die negative Versorgungsspannung für die beiden Operationsverstärker OP30 und OP31. Dieser Spannungsabfall wird auch als eine Regelgröße über die Widerstände R46 und R55 an die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker OP30 und OP31 geführt. Ein Teil der Regelgröße kann mit dem Potenziometer R42 eingestellt und über den Widerstand R47 an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP30 und über den Widerstand R54 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP31 geführt werden. Hierdurch kann die Farbtemperatur bestimmt und beim Dimmen (nahezu) konstant gehalten werden.
Eine Hilfsspannung an dem Knoten 1707 ermöglicht die Erzeugung eines konstanten Offsets des Rot-Stroms (d.h. des Stroms durch den Strang 1733). Diese Hilfsspannung kann zusätzlich durch eine Zenerdiode stabilisiert werden (hierzu kann z.B. der Widerstand R49 durch eine Zenerdiode ersetzt werden).
16A zeigt, wie sich die Ströme in dem Blaustrang 1732 mit Änderung des Gesamtstroms Iges und der Farbtemperatur CCT verhalten. Entsprechend zeigt 16B, wie sich die Ströme in dem Rotstrang 1733 mit Änderung des Gesamtstroms Iges und der Farbtemperatur CCT verhalten. Es ergeben sich verschränkte zweidimensionale Flächen, die sich durch folgende Formeln beschreiben lassen: I_blau = a·I_ges + b·CCT·I_ges(+ c = 0) I_rot = d·I_ges + e·CCT·I_ges + f
Jedes korrespondierende Punktepaar auf diesen Flächen (I_rot(I_ges, CCT) und I_blau(I_ges, CCT)) bestimmt einen Farbort in unmittelbarer Nähe der Planckkurve.
Wie 16A und 16B zeigen, sinkt der Blaustrom bei kleinen Strömen und Farbtemperaturen auf null. Dies ist eine Eigenschaft der verwendeten LED-Module. Optional kann auch für den Blaustrom ein konstanter Offset (ungleich Null) realisiert werden. Hierzu kann in 15 ein zusätzlicher Widerstand zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP30 und dem Knoten 1707 vorgesehen sein. Auf diese Weise wird dem Operationsverstärker OP30 (Regler für den Blaustrom) ein konstanter Wert (Offset) hinzugefügt.
Beispielhaft arbeiten die erläuterten Schaltungen als Analogrechner; entsprechend sind alle Verfahren der Analogrechnertechnik anwendbar.
Varianten, die ein automatisches Warmweiß-Dimmen ermöglichen:
Für eine automatische Verschiebung der Farbtemperatur beim Dimmen, z.B. eine Verschiebung hin zu einer niedrigen Farbtemperatur beim Herunterdimmen, kann statt der zweidimensionalen Fläche lediglich eine Kurve auf dieser Fläche durchlaufen werden, insbesondere in Abhängigkeit von dem Gesamtstrom I_ges.
Variante 11:
Aus 16A ist erkennbar, dass der Blaustrom bei einem geringen Gesamtstrom I_ges und bei kleinem CCT-Signal sehr niedrig ist (linke untere Ecke des Diagramms). Mit großem Gesamtstrom I_ges und großem CCT-Signal nimmt der Blaustrom dagegen stark zu.
Demgegenüber bleibt der Rotstrom (vergleiche 16B) beim Dimmen auf einem nahezu konstanten Wert. Er kann beim Dimmen sowohl leicht steigen als auch leicht fallen, je nach Charakteristik der verwendeten LEDs.
17 zeigt eine Schaltung, bei der der Rotstrom bei hohen CCT-Werten kleiner ist als bei kleinen CCT-Werten.
Die in 17 dargestellte Schaltung basiert weitgehend auf der Schaltung gemäß 15. Im Gegensatz zu 15 entfallen in 17 das Potenziometer R42 sowie die Widerstände R53, R55, R47 sowie die entsprechenden Verbindungen. Weiterhin ist im Gegensatz zu 15 in 17 der Knoten 1709 direkt mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP31 verbunden.
Anstelle des Widerstands R49 ist in 17 eine Zenerdiode 1801 verwendet. Weiterhin ist im Gegensatz zu 15 der Knoten 1707 nicht direkt, sondern über einen Widerstand R61 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP31 verbunden. Weiterhin ist der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OP31 über einen Widerstand R62 mit dem Knoten 1703 verbunden.
Anstelle der MOSFETs T30 und T31 sind in 17 beispielhaft npn-Transistoren T40 und T41 gezeigt. Somit ist der Kollektor des Transistors T40 mit dem Strang 1732 und der Kollektor des Transistors T41 mit dem Strang 1733 verbunden. Weiterhin ist der Emitter des Transistors T40 mit dem Knoten 1706 und der Emitter des Transistors T41 ist mit dem Knoten 1708 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP30 steuert die Basis des Transistors T40 und der Ausgang des Operationsverstärkers OP31 steuert die Basis des Transistors T41 an.
18 zeigt eine Schaltung, bei der der Rotstrom mit steigender Farbtemperatur (steigendem CCT-Wert) ansteigt.
Die in 18 dargestellte Schaltung basiert weitgehend auf der Schaltung gemäß 17. Im Gegensatz zu 17 entfallen in 18 die Widerstände R61 und R62. Stattdessen ist der Knoten 1707 über einen Widerstand R71 mit einem Knoten 1901 verbunden. Der Knoten 1901 ist über einen Widerstand R74 mit dem Knoten 1705 verbunden. Weiterhin ist der Knoten 1901 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP31 verbunden.
Der Knoten 1709 ist nicht – wie in 17 gezeigt – direkt, sondern über einen Widerstand R72 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP31 verbunden. Weiterhin ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP31 über einen Widerstand R73 mit dem Knoten 1703 verbunden.
Ferner unterteilt der Knoten 1704 den Strang 1731 aus in Reihe geschalteten LEDs an einer beliebigen Stelle.
Insbesondere können zwischen dem Knoten 1704 und dem Knoten 1705 eine LED oder mehrere LEDs angeordnet sein.
Bei den in 17 und 18 gezeigten Schaltungen entfällt die zusätzliche CCT-Steuerspannung, die, wie in 15 mit einem Potenziometer aus dem Spannungsabfall über dem Widerstand R41 erzeugt wurde.
Optional kann der Widerstand R71 auch direkt an die Betriebsspannung (also den Knoten 1704) angeschlossen werden, dann können der Widerstand R48 sowie die Zenerdiode 1801 entfallen.
Varianten zum Betrieb an einem pulsweiten-moduliertem Konstantstrom:
Die bisher beschriebenen Schaltungen ab Variante 8, die mit variablem Gleichstrom betrieben werden, ermöglichen einen Regelumfang von beispielsweise 40% bis 100% des Maximalstroms, wenn man eine Abweichung von der Planck-Kurve von drei MacAdams zulässt.
Hingegen ermöglichen die an einem pulsweiten-modulierten Konstantstrom betriebenen Varianten 1 bis 7 ein Dimmen in einem Bereich von 0% bis 100% bei vergleichbarer Voraussetzung (drei MacAdams).
Die für einen Gleichstrom funktionierenden Varianten 8 bis 11 können auch an einem PWM-Vorschaltgerät betrieben werden. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die DC-Varianten keinen konstanten absoluten Strompegel benötigen.
Moderne Vorschaltgeräte sehen oft einen Mischbetrieb vor, bei dem unterhalb eines bestimmten Leistungswerts PWM-gedimmt wird und darüber der DC-Strom verändert wird.
Variante 12:
19 zeigt eine Schaltung, die auch im Mischbetrieb ein Warmweiß-Dimmen ermöglicht.
Die in 19 dargestellte Schaltung basiert weitgehend auf der Schaltung gemäß 17. Im Gegensatz zu 17 sind die Widerstände R46 und R62 nicht mit dem Knoten 1703, sondern stattdessen mit einem Knoten 2001 verbunden.
Zwischen dem Knoten 1705 und dem Knoten 2001 ist ein Kondensator C81 vorgesehen. Weiterhin ist zwischen dem Knoten 2001 und dem Knoten 1703 ein Widerstand R81 angeordnet.
Ferner unterteilt der Knoten 1704 den Strang 1731 aus in Reihe geschalteten LEDs an einer beliebigen Stelle. Insbesondere können zwischen dem Knoten 1704 und dem Knoten 1705 eine LED oder mehrere LEDs angeordnet sein.
Das CCT-Signal an dem Knoten 2001 wird über einen Tiefpass aus dem Widerstand R81 und dem Kondensator C81 erzeugt. Im DC-Betrieb wird der Kondensator C81 nicht entladen, daher folgt die Spannung an dem Knoten 2001 (d.h. das CCT-Signal) direkt dem Spannungsabfall über dem Widerstand R41 und damit dem Gesamtstrom. Somit verhält sich die in 19 gezeigte Schaltung entsprechend der Variante 11 (z.B. den Schaltungen wie in 17 oder 18 gezeigt).
Im PWM-Betrieb stellt sich das CCT-Signal (Spannung an dem Knoten 2001) auf eine effektive Spannung ein, die vom Taktverhältnis und vom Gesamtstrom während der Ein-Phase der PWM abhängt. Hierbei ist es eine vorteilhafte Bedingung, dass die Zeitkonstante bestimmt durch den Widerstand R81 und den Kondensator C81 (R81·C81) größer ist als die Frequenz des PWM-Stroms.
Zu dem Kondensator C81 können auch Widerstände oder nicht-lineare Bauteile, z.B. Dioden, in Serie und/oder parallel geschaltet werden, um die Charakteristik des Dimmverhaltens zu beeinflussen.
In allen Schaltplänen ist die Zahl der gezeichneten LEDs nicht einschränkend. Sie dienen insbesondere als Platzhalter für LED-Stränge mit einer beliebigen Anzahl an Bauteilen, insbesondere LEDs.
Bezugszeichenliste

101: Dimmer
102: Stromquelle
103: Stromverteilung / Stromverteilungsschaltung
104: Strang mit Halbleiterleuchtelementen
105: Strang mit Halbleiterleuchtelementen
106: Strang mit Halbleiterleuchtelementen
107: Netzspannung
108: Draht
109: Draht
201: Stromquelle
202: Knoten
203: Knoten
204: Strang mit mintfarbenen LEDs
205: Knoten
206: Knoten
207: Strang mit blauen LEDs
208: Knoten
209: NTC-Widerstand
210: Strang mit roten LEDs
Rxx: Widerstand
Rb: Widerstand (Messwiderstand)
Rm: Widerstand (Messwiderstand)
Rr: Widerstand (Messwiderstand)
Rg: Widerstand (Messwiderstand)
C: Kondensator
D: Diode
Z: Zenerdiode
Txx: Transistor, insbesondere n-Kanal MOSFET oder npn-Transistor
OPxx: Operationsverstärker
401: Eingangsstrom
402: CCT-Signal
403: Eingangsstrom
404: CCT-Signal
T: Periodendauer
t1, t2: Zeitdauer
F1, F2: Fläche
U: Spannungssprung
601: Knoten
801: Knoten
802: LED
901: Spannungsquelle / Spannungsversorgung
902: Knoten
903: Knoten
1101: Diode
1201: Eingangsstrom
1202: CCT-Signal
1301: Knoten
1302: Knoten
1303: Knoten
1304: Knoten
1305: Diode
1306: Knoten
1601: Stromquelle
1602: Knoten
1603: Knoten
1607: Knoten
1608: Knoten
1609: Knoten
1610: NTC-Widerstand
1611: Knoten
1701: Stromquelle
1731: Strang mit mintfarbenen LEDs
1732: Strang mit blauen LEDs
1733: Strang mit roten LEDs
1702–1711: Knoten
1712: NTC-Widerstand
1801: Zenerdiode
1901: Knoten
2001: Knoten
C81: Kondensator

Claims

Schaltung zur Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen – mit einem ersten Strang und mindestens einem weiteren Strang, wobei jeder der Stränge mehrere in Reihe geschaltete Halbleiterleuchtelemente aufweist, – wobei ein Spannungsabfall über dem ersten Strang oder über einem Teil des ersten Strangs eine Versorgungsspannung für den mindestens einen weiteren Strang bereitstellt.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der der erste Strang und der mindestens eine weitere Strang eine der folgenden Farben aufweist: grün, blau oder rot.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der mindestens ein Strang vorgesehen ist, der jeweils eine der Farben grün, blau und rot aufweist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in dem ersten Strang ein größerer Strom fließt als in dem mindestens einen weiteren Strang.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in dem ersten Strang ein vorgegebener Mindeststrom fließt.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der mindestens eine weitere Strang anhand des Stroms durch den ersten Strang oder durch einen Gesamtstrom gesteuert wird.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Strang ein grünes, insbesondere ein mintfarbenes Licht emittiert.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Strang und der mindestens eine weitere Strang über einen konstanten Gesamtstrom oder über ein pulsweitenmoduliertes Signal gespeist werden.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der der mindestens eine weitere Strang einen zweiten Strang aufweist, – bei der der zweite Strang mit einem ersten Transistor und einem ersten Messwiderstand in Reihe geschaltet ist und parallel zu dem ersten Strang angeordnet ist, – bei der der erste Transistor über einen ersten Verstärker angesteuert wird, dessen Eingänge mit dem Spannungsabfall an dem ersten Strang einerseits und mit einem Spannungsabfall an dem ersten Messwiderstand andererseits gekoppelt sind.
Schaltung nach Anspruch 9, – bei dem der mindestens eine weitere Strang einen dritten Strang aufweist, – bei der der dritte Strang mit einem zweiten Transistor und einem zweiten Messwiderstand in Reihe geschaltet ist und parallel zu dem ersten Strang angeordnet ist, – bei der der zweite Transistor über einen zweiten Verstärker angesteuert wird, dessen Eingänge mit dem Spannungsabfall an dem ersten Strang einerseits und mit einem Spannungsabfall an dem zweiten Messwiderstand andererseits gekoppelt sind.
Schaltung nach Anspruch 10, wobei der Spannungsabfall über einem Teil des ersten Strangs eine Versorgungsspannung für den ersten Verstärker und den zweiten Verstärker bereitstellt.
Schaltung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der Spannungsabfall über dem ersten Strang oder über einem Teil des ersten Strangs eine Regelspannung für den ersten Verstärker und für den zweiten Verstärker bereitstellt.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, – wobei der mindestens eine weitere Strang einen zweiten Strang und einen dritten Strang aufweist, – bei der der zweite Strang mit einem ersten Transistor und einem ersten Messwiderstand in Reihe geschaltet ist und parallel zu dem ersten Strang angeordnet ist, – bei der der erste Transistor über einen ersten Verstärker angesteuert wird, dessen Eingänge mit dem Spannungsabfall an dem ersten Strang einerseits und mit einem Spannungsabfall an dem ersten Messwiderstand andererseits gekoppelt sind, – bei der der dritte Strang mit einem zweiten Transistor und einem zweiten Messwiderstand in Reihe geschaltet ist und parallel zu dem ersten Strang angeordnet ist, – bei der der zweite Transistor über einen zweiten Verstärker angesteuert wird, dessen Eingänge mit dem Spannungsabfall an dem ersten Strang einerseits und mit einem Spannungsabfall an dem zweiten Messwiderstand andererseits gekoppelt sind, – wobei entweder der erste Verstärker als invertierender Verstärker und der zweite Verstärker als nichtinvertierender Verstärker oder der erste Verstärker als nichtinvertierender Verstärker und der zweite Verstärker als invertierender Verstärker geschaltet ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Temperaturkompensationsschaltung vorgesehen ist in dem Strang, dessen Halbleiterleuchtelemente die höchste Temperaturabhängigkeit aufweisen.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Spannungsabfall über dem ersten Strang mittels eines Spannungsteilers bestimmbar ist, umfassend mindestens zwei in Reihe geschaltete Widerstände, die parallel zu dem ersten Strang geschaltet sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der der Spannungsabfall über dem ersten Strang mittels eines Spannungsteilers bestimmbar ist, umfassend mindestens einen veränderbaren Widerstand.
Schaltung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, bei der der Spannungsteiler einen in Reihe geschalteten Kondensator aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, bei der der Spannungsteiler einen in Reihe geschalteten Kondensator aufweist, wobei zumindest zu dem Kondensator ein weiterer Widerstand parallel geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 18, bei der der weitere Widerstand mittels eines Schalters zu- oder abschaltbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Spannungsabfall über dem ersten Strang oder über einem Teil des ersten Strangs als ein Steuersignal für den mindestens einen weiteren Strang dient, wobei der mindestens eine weitere Strang anhand des Steuersignals über ein nichtlineares Element ansteuerbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Spannungsabfall über dem ersten Strang eine Versorgungsspannung für den mindestens einen weiteren Strang bereitstellt, wobei der erste Strang einen Abgriff aufweist zwischen mindestens einem Halbleiterleuchtelement und einem negativen Pol der Stromversorgung, wobei der Abgriff ein Massepotential für die Schaltung bereitstellt.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Überspannungsschutz, der derart eingerichtet ist, dass bei einer Überspannung kein Strom in dem ersten Strang fließt und somit auch der mindestens eine weitere Strang dunkel bleibt.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Strang und der mindestens eine weitere Strang über eine Spannungsquelle gespeist werden, wobei ein Messwiderstand in Reihe mit dem ersten Strang geschaltet ist und anhand eines Spannungsabfalls über dem Messwiderstand ein Strom durch den ersten Strang oder ein Gesamtstrom einstellbar ist.
Leuchtsystem mit einer Stromquelle, wobei die Stromquelle über eine zweiadrige Verbindung mit der Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 verbunden ist.
Leuchtsystem nach Anspruch 24, bei dem eine Netzspannung über eine Dimmerschaltung mit der Stromquelle verbunden ist.
Lampe, Leuchte oder Leuchtsystem mit einer Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23.