DE102018110696B3 - Betriebsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung (10) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung (17). Einer Wandlereinheit (12) wird eine Gleichspannung (UG) bereitgestellt. Ausgangsseitig ist die Leuchtmittelanordnung (17) an die Wandlereinheit (12) angeschlossen. Eine Steuereinheit (19) steuert einen Wandlerschalter (30) der Wandlereinheit (12) an. Die Wandlereinheit (12) weist eine in Reihe zum Wandlerschalter (30) angeordnete Wandlerinduktivität (32) auf. Der Steuereinheit (19) wird eine die Leuchtleistung der Leuchtmittelanordnung (17) charakterisierende Sollstromstärke (I) für einen durch die Wandlerinduktivität (32) fließenden Induktivitätsstrom (IL) vorgegeben und die Steuereinheit (19) erzeugt ein Wandlerschaltsignal (W), das den Wandlerschalter (30) in seinen leitenden Zustand oder in seinen sperrenden Zustand umschaltet. Erreicht der Induktivitätsstrom (IL) einen vorgebbaren Peakstromwert (IP), wird der Wandlerschalter (30) in seinen sperrenden Zustand umgeschaltet. Wenn die Sollstromstärke (I) kleiner ist als die mittlere Stromstärke bei minimalem Peakstromwert (IP) wird die Wandlereinheit (12) in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus mit einer aktiven Phasendauer (ts) und einer passiven Phasendauer (tn) betrieben.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung, die an die Betriebsvorrichtung angeschlossen ist.
• Problematisch ist das Dimmen auf geringe Leuchtleistungen. Beim Dimmen durch Pulsweitenmodulation können hohe Frequenzen erreicht werden, wodurch sich die Schaltverluste erhöhen und auch kritische Frequenzen im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit oder störende Geräusche entstehen können. Aus DE 10 2013 216 877 A1 ist das Einfügen einer Ausschaltzeit nach jedem Schalttakt eines Wandlerschalters bekannt, so dass ein diskontinuierlicher Betrieb erfolgt, wobei während einer aktiven Phasendauer ein Strom durch die Leuchtmittelanordnung fließt und anschließend eine Ausschaltzeit eingefügt wird, in der kein Strom fließt (passive Phasendauer), bevor der Stromfluss im darauffolgenden Schalttakt wieder ermöglicht wird.
• Aus DE 20 2016 105 453 U1 ist eine Betriebsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiode bekannt. Die Betriebsvorrichtung hat eine getaktete Wandlereinheit mit einem ansteuerbaren Schalter und einer Induktivität, eine Steuereinheit und eine Messschaltung, die den Induktivitätsstrom an einem Shunt misst und der Steuereinheit übermittelt. Ist der Induktivitätsstrom auf null zurückgegangen ist, wird der Schalter angesteuert, so dass der Induktivitätsstrom wieder ansteigt.
• WO 2016/050689 A2 beschreibt einen getakteten elektronischen Energiewandler, der für dimmbare Vorschaltgeräte verwendet werden kann. Das bekannte Einfügen einer zusätzlichen Ausschaltzeit nach jedem Schalttakt wird als kritisch angesehen, da beim Umschalten eines Wandlerschalters in den sperrenden Zustand Spannungsschwingungen am Wandlerschalter auftreten, insbesondere durch parasitäre energiespeichernde Elemente. Zur Lösung dieses Problems wird daher vorgeschlagen, in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus am Ende jedes Schalttakts eine Ausschaltzeit einzufügen, deren Dauer auf die Eigenfrequenz des Schaltkreises derart abgestimmt ist, dass der nächste Einschaltzeitpunkt des Wandlerschalters in einem Minimum der schwingenden Spannung am Wandlerschalter erfolgt. Dadurch kann der Einschaltzeitpunkt des Wandlerschalters unabhängig von der aktuell zu übertragenden Leistung eine nahezu optimale Schaltentlastung ermöglichen.
• Bei einer derartigen Vorgehensweise ist das Wählen des Einschaltzeitpunktes des Wandlerschalters von erheblicher Bedeutung. Hierfür muss die eingefügte Zusatzausschaltdauer an die Eigenfrequenz des gebildeten Schwingkreises angepasst werden, was voraussetzt, dass die Eigenfrequenz bekannt ist. Die Eigenfrequenz hängt konkret von parasitären Effekten und den Bauteileigenschaften ab, die in der Praxis aufgrund von Toleranzen der elektrischen Eigenschaften der verwendeten Bauelemente oft nicht ohne Weiteres berechnet werden kann und dann im Einzelfall empirisch ermittelt werden muss. Durch dieses Verfahren ist die Ausschaltzeit durch die Eigenfrequenz quantisiert.
• Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine Betriebsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung zu schaffen, mittels der bzw. dem das Einstellen von geringen Leuchtleistungen auf einfache Weise erreicht werden kann, ohne dass die Eigenfrequenz ermittelt und in Betracht gezogen werden muss.
• Diese Aufgabe wird durch eine Betriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 19 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung hat eine Wandlereinheit mit Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen. An die Eingangsanschlüsse kann eine Gleichspannung angelegt werden, beispielsweise von einer Gleichspannungsquelle. An die Ausgangsanschlüsse kann die Leuchtmittelanordnung angeschlossen werden. Die Wandlereinheit hat einen Wandlerschalter und eine Wandlerinduktivität. Der Wandlerschalter ist durch eine Steuereinheit ansteuerbar. Diese ist dazu eingerichtet, die Wandlereinheit bzw. den Wandlerschalter basierend auf einer Sollstromstärke anzusteuern. Diese Sollstromstärke wird durch ein Signal oder einen Einstellwert vorgegeben und beschreibt das Dimmniveau der Leuchtmittelanordnung. Die Sollstromstärke bezieht sich auf einen Mittelwert eines durch die Wandlereinheit fließenden Stroms, der zumindest teilweise durch die Leuchtmitteleinheit fließt. Beispielsweise kann die Sollstromstärke einen Mittelwert eines durch eine Wandlerinduktivität fließenden Induktivitätsstroms IL beschreiben, der nachfolgend auch als mittlerer Induktivitätsstrom bezeichnet wird.
• Die Betriebsvorrichtung weist außerdem eine Messschaltung auf. Die Messschaltung ist dazu eingerichtet, wenigstens eine Messgröße zu erfassen, die einen durch die Wandlerinduktivität fließenden Induktivitätsstrom beschreibt. Die wenigstens eine Messgröße wird an die Steuereinheit übermittelt.
• Die Steuereinheit hat eine Wandlerschalteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Wandlerschaltsignal für den Wandlerschalter zu erzeugen. Die Wandlerschalteinrichtung kann als integrierter Schaltkreis ausgebildet sein, beispielsweise durch ein auf dem Markt erhältliches Standard-Bauelement, das auch als PFC-IC bezeichnet werden kann („PFC“ steht für „Power Factor Correction“, also Leistungsfaktorkorrektur) . Die hier beschriebene mittels des PFC-ISs realisierte Schaltung bzw. Funktion ist nicht zur Leistungsfaktorkorrektur eingerichtet. Der PFC-IC ermöglicht vielmehr eine vorteilhafte Möglichkeit zur Realisierung der Wandlerschalteinrichtung.
• Das Wandlerschaltsignal wird durch die Wandlerschalteinrichtung derart erzeugt, dass der Wandlerschalter in einem einzigen Schalttakt jeweils einmal in den leitenden Zustand umgeschaltet wird, wenn die wenigstens eine Messgröße einen Nulldurchgang des Induktivitätsstroms anzeigt, und jeweils einmal in den sperrenden Zustand umgeschaltet wird, wenn die wenigstens eine Messgröße anzeigt, das der Induktivitätsstrom einen vorgebbaren Stromgrenzwert erreicht hat. Bei jedem Nulldurchgang des Induktivitätsstroms wird der Wandlerschalter eingeschaltet und wieder ausgeschaltet, wenn der Induktivitätsstrom den vorgegebenen Stromgrenzwert erreicht hat. Die Wandlerschalteinrichtung kann die Schalttakte in einem kontinuierlichen Betriebsmodus unmittelbar aufeinander folgen lassen.
• Wenn die vorgegebene Sollstromstärke zu einem Maximalwert der Stromstärke (Peakstromwert) führen würde, der kleiner ist als der minimal einstellbare Peakstromwert, betreibt die Steuereinheit die Wandlereinheit in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus. Im diskontinuierlichen Betriebsmodus ist der Peakstromwert des Induktivitätsstromes konstant und entspricht dem kleinstmöglichen, einstellbaren Wert, der als minimaler Peakstromwert bezeichnet wird. Bei diesem diskontinuierlichen Betriebsmodus wird eine Gesamtdauer einer einzigen Periode in eine aktive Phasendauer und eine passive Phasendauer unterteilt. Das Verhältnis von aktiver Phasendauer zu passiver Phasendauer wird basierend auf der Sollstromstärke ermittelt. Die aktive Phasendauer entspricht eine Anzahl von Schalttakten der Wandlereinheit. Während der aktiven Phasendauer wird der Wandlerschalter durch das Wandlerschaltsignal umgeschaltet. Während der passiven Phasendauer wird das Umschalten des Wandlerschalters unterbunden. In der passiven Phasendauer bleibt der Wandlerschalter in seinem sperrenden Zustand.
• Die passive Phasendauer kann ausreichend lang gewählt werden, dass ein Abklingen der Spannungsschwingung über dem Wandlerschalter erfolgt, bevor der Wandlerschalter im darauffolgenden Schalttakt der nächsten aktiven Phasendauer wieder in den leitenden Zustand umgeschaltet wird. Dadurch ist die genaue Kenntnis der Phasenlage der Spannungsschwingung über dem Wandlerschalter nicht notwendig. Die passive Phasendauer sollte daher eine Mindestdauer nicht unterschreiten. Die passive und aktive Phasendauer können unter Berücksichtigung der Mindestdauer für die passive Phasendauer aneinander angepasst werden, so dass die Sollstromstärke erreicht wird. Es hat sich dabei gezeigt, dass die Frequenz dieser Ansteuerung (Kehrwert der Gesamtdauer aus aktiver Phasendauer und passiver Phasendauer) bei etwa mindestens 2 bis 3 kHz gewählt werden kann, was zu einem flackerfreien Betrieb der Leuchtmittelanordnung führt.
• Die Leuchtmittelanordnung weist vorzugsweise wenigstens ein Leuchtmittel und insbesondere wenigstens ein Halbleiterleuchtmittel auf. Werden mehrere Halbleiterleuchtmittel in der Leuchtmittelanordnung verwendet, können diese in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet sein. Als Leuchtmittel können beispielsweise Leuchtdioden verwendet werden.
• Es ist bevorzugt, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Wandlereinheit in einem kontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben, wenn die mittlere Sollstromstärke zu einem Peakstromwert führt, der mindestens so groß ist wie der minimale Peakstromwert. Dabei schließen sich die Schalttakte unmittelbar aneinander an. Mit anderen Worten ist die passive Phasendauer im kontinuierlichen Betriebsmodus gleich null.
• Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, basierend auf der mittleren Sollstromstärke und einem vorgegebenen Gesamtdauersollwert für die aktive und die passive Phasendauer und/oder einem vorgegebenen Minimalwert der passiven Phasendauer zunächst einen Zeitdauerrechenwert für die aktive Phasendauer zu berechnen, der eine Anzahl an Schalttaktperiodendauern vorgibt, und diese Anzahl der Schalttaktperiodendauern auf eine ganze Zahl zu runden, um dadurch die aktive Phasendauer zu erhalten. Somit entspricht die aktive Phasendauer zumindest einer Schalttaktperiodendauer oder auch dem zweifachen, dem dreifachen, usw. der Schalttaktperiodendauer für einen Schalttakt.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, basierend auf der Sollstromstärke und einer ersten Randbedingung einen eine Gesamtdauer aus aktiver und passiver Phasendauer beschreibenden ersten Grenzwert zu ermitteln und basierend auf der Sollstromstärke und einer zweiten Randbedingung einen eine Gesamtdauer aus aktiver und passiver Phasendauer beschreibenden zweiten Grenzwert zu ermitteln. Die erste Randbedingung kann eine die Gesamtdauer beschreibende Zielfrequenz sein. Die zweite Randbedingung kann eine Mindestdauer für die passive Phasendauer sein. Anhand dieser beiden Randbedingungen kann als erster Grenzwert ein unterer Grenzwert einer Istfrequenz und als zweiter Grenzwert ein oberer Grenzwert der Istfrequenz bestimmt werden. Die Istfrequenz entspricht dem Kehrwert der Gesamtdauer und beschreibt somit die Umschalthäufigkeit zwischen aktiver und passiver Phasendauer pro Zeiteinheit.
• Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Istfrequenz für das Umschalten zwischen aktiver und passiver Phasendauer zwischen mehreren Frequenzwerten vom unteren Grenzwert bis zum oberen Grenzwert zu variieren. Dadurch lässt sich eine etwaige Geräuschentwicklung beeinflussen ohne die Leuchtleistung zu verändern.
• Die Steuereinheit kann außerdem dazu eingerichtet sein, die passive Phasendauer abhängig von der ermittelten aktiven Phasendauer derart zu berechnen, dass und die mittleren Sollstromstärke erreicht wird.
• Die passive Phasendauer kann unabhängig von der Schalttaktperiodendauer der Schalttakte, die in der aktiven Phasendauer erzeugt werden, ermittelt und eingestellt werden. Es ist daher unerheblich, ob die passive Phasendauer einem ganzzahligen Vielfachen der Schalttaktperiodendauer entspricht oder nicht.
• Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, einen Istwert für die aktive Phasendauer zu messen und abzuspeichern. Anschließend kann der gemessene Istwert dazu verwendet werden, die passive Phasendauer zu berechnen und gegebenenfalls anzupassen, um sozusagen eine Feinjustierung vorzunehmen. Dabei kann beispielsweise die mittlere Stromstärke des durch die Leuchtmittelanordnung fließenden Stromes besser an die mittlere Sollstromstärke angepasst werden oder die Länge der passiven Phasendauer zur Erreichung einer gewünschten Frequenz bzw. Gesamtdauer aus aktiver und passiver Phasendauer erreicht werden.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Wandlerschaltung als Abwärtswandler ausgebildet. Der Abwärtswandler wird auch als Tiefsetzsteller oder Buck-Converter bezeichnet.
• Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Wandlerschaltung einen Wandlerkondensator, der parallel zu den Ausgangsanschlüssen angeordnet ist. Der Wandlerkondensator ist daher bei angeschlossener Leuchtmittelanordnung parallel zu der Leuchtmittelanordnung geschaltet.
• Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Wandlerschaltung eine Wandlerdiode. Die Kathode der Wandlerdiode ist elektrisch mit dem Wandlerschalter und die Anode der Wandlerdiode ist elektrisch unmittelbar mit dem Wandlerkondensator verbunden.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messschaltung einer der Wandlerinduktivität zugeordnete Messspule auf. In der Messspule wird abhängig vom Magnetfeld in der Wandlerinduktivität eine Messspannung induziert, die als eine Messgröße verwendet wird. Die induzierte Messspannung ist beschreibend für einen durch die Wandlerinduktivität fließenden Induktivitätsstrom.
• Zusätzlich oder alternativ kann die Messschaltung einen Strommesswiderstand aufweisen. Der Strommesswiderstand ist bevorzugt in Reihe zu den Ausgangsanschlüssen bzw. in Reihe zu der daran angeschlossenen Leuchtmittelanordnung geschaltet. Die Spannung am Strommesswiderstand ist daher beschreibend für einen durch die Leuchtmittelanordnung fließenden Strom beim Betrieb.
• Zur Erzeugung einer Gleichspannung zur Versorgung der Wandlereinheit kann eine Gleichspannungsquelle verwendet werden, die insbesondere durch einen Gleichspannungswandler gebildet sein kann. Der Gleichspannungswandler kann eine Netzspannung in eine gleichgerichtete Gleichspannung zur Versorgung der Wandlereinheit umwandeln.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung,
• 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Wandlereinheit und einer Steuereinheit der Betriebsvorrichtung aus 1,
• 3 das Ausführungsbeispiel der Wandlereinheit und der Steuereinheit gemäß 2 mit einer Wandlerschalteinrichtung, die durch einen integrierten Schaltkreis zur Leistungsfaktorkorrektur gebildet ist,
• 4 und 5 jeweils ein beispielhafter zeitlicher Verlauf eines Induktivitätsstromes durch eine Wandlerinduktivität bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 2 und 3 in einem kontinuierlichen Betriebsmodus,
• 6 eine schematische Prinzipdarstellung der Ermittlung einer aktiven Phasendauer und einer passiven Phasendauer für einen diskontinuierlichen Betriebsmodus der Wandlereinheit und
• 7 eine schematische Darstellung des diskontinuierlichen Betriebsmodus beim Betrieb der angeschlossenen Leuchtmittelanordnung mit einer geringen mittleren Stromstärke des durch die Leuchtmittelanordnung fließenden Stroms.
• In 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Betriebsvorrichtung 10 veranschaulicht. Die Betriebsvorrichtung 10 weist eine Gleichspannungsquelle 11 auf, die ausgangsseitig eine Gleichspannung UG bereitstellt.
• An die Gleichspannungsquelle 11 ist eine Wandlereinheit 12 angeschlossen. Die Wandlereinheit 12 hat einen ersten Eingangsanschluss 13 und einen zweiten Eingangsanschluss 14, zwischen denen die Gleichspannung UG bereitgestellt wird. Die Wandlereinheit 12 hat außerdem einen ersten Ausgangsanschluss 15 sowie einen zweiten Ausgangsanschluss 16, wobei eine Leuchtmittelanordnung 17 mit wenigstens einem Leuchtmittel und beispielsgemäß wenigstens einem Halbleiterleuchtmittel 18 an die Ausgangsanschlüsse 15, 16 angeschlossen ist. Sind mehrere Halbleiterleuchtmittel 18 in der Leuchtmittelanordnung 17 vorhanden, können diese in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet sein. Jedes Halbleiterleuchtmittel 18 ist beispielsgemäß durch eine Leuchtdiode gebildet.
• Die Wandlereinheit 12 ist durch eine Steuereinheit 19 ansteuerbar. Der Steuereinheit 19 wird von einem Dimmer 20 ein Dimmsignal D übermittelt, das eine Sollstromstärke I_soll für einen Mittelwert eines durch die Wandlereinheit 12 fließenden Stromes vorgibt, von dem wiederum ein Mittelwert eines durch die Leuchtmittelanordnung 17 fließenden Leuchtmittelstroms I1 abhängt.. Die Steuereinheit 19 steuert die Wandlereinheit 12 abhängig vom Dimmsignal D und insbesondere abhängig von der Sollstromstärke I_soll an und stellt mittels der Wandlereinheit 12 die tatsächliche Stromstärke entsprechend der angeforderten Sollstromstärke I_soll ein.
• Wie es in 1 schematisch veranschaulicht ist, ist die Gleichspannungsquelle 11 beispielsgemäß durch einen Gleichspannungswandler 21 gebildet, der durch eine Steuerung 22 ansteuerbar ist. Alternativ dazu könnte die Steuereinheit 19 sowohl zur Ansteuerung der Wandlereinheit 12, als auch des Gleichspannungswandlers 21 verwendet werden. Der Gleichspannungswandler 21 wandelt eine eingangsseitige Netzspannung UN in die gleichgerichtete Gleichspannung UG.
• In 2 ist ein Blockschaltbild der Steuereinheit 19 und der Wandlereinheit 12 für ein Ausführungsbeispiel der Betriebsvorrichtung 10 veranschaulicht. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 13 und dem zweiten Eingangsanschluss 14 liegt die Gleichspannung UG an. Beispielsgemäß ist der zweite Eingangsanschluss 14 mit einem Bezugspotential verbunden, beispielsweise einem Massepotential M. Die Wandlereinheit 12 hat einen ansteuerbaren Wandlerschalter 30, der beim Ausführungsbeispiel durch einen Halbleiterschalter und insbesondere einen Feldeffekttransistor 31 gebildet ist. Der Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors 31 ist mit dem ersten Eingangsanschluss 13 verbunden. Der Source-Anschluss des Feldeffekttransistors 31 ist über eine Wandlerinduktivität 32 mit dem ersten Ausgangsanschluss 15 verbunden. Außerdem ist der Source-Anschluss des Feldeffekttransistors 31 mit der Kathode einer Wandlerdiode 33 verbunden, deren Anode mit dem zweiten Ausgangsanschluss 16 verbunden ist. Zwischen die Ausgangsanschlüsse 15, 16 und somit parallel zur Leuchtmittelanordnung 17 ist außerdem ein Wandlerkondensator 34 geschaltet.
• Zur Erzeugung eines Wandlerschaltsignals W zum Umschalten des Wandlerschalters 30 weist die Steuereinheit 19 eine Wandlerschalteinrichtung 35 auf. Die Wandlerschalteinrichtung 35 hat einen Steuerausgang 36, an dem das Wandlerschaltsignal W bereitgestellt wird. Der Steuerausgang 36 ist mit einem nicht invertierenden Eingang eines Und-Gatters 37 verbunden. Der Ausgang des Und-Gatters 37 ist mit einem Steueranschluss des Wandlerschalters 30 und beispielsgemäß dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors 31 verbunden. Der Ausgang des Und-Gatters 37 ist beispielsgemäß über einen Treiber 55 mit dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors 31 verbunden.
• Ein weiterer, invertierender Eingang des Und-Gatters 37 ist mit einem Ausgang eines ersten Vergleichsgliedes 38 verbunden. Ein Eingang des ersten Vergleichsgliedes 38 ist mit einem ersten Zählglied 39 verbunden. Ein Zähleingang 40 des ersten Zählgliedes 39 ist mit dem Ausgang des Und-Gatters 37 verbunden. Das erste Zählglied 39 und das erste Vergleichsglied 38 bilden eine erste Zähleinheit 41.
• Zu der Steuereinheit 19 gehört beispielsgemäß außerdem eine zweite Zähleinheit 42, die ein zweites Zählglied 43 sowie ein zweites Vergleichsglied 44 aufweist, das mit dem zweiten Zählglied 43 verbunden ist. Das zweite Zählglied 43 hat einen internen Taktgeber zur Erzeugung eines Zähltaktes, der an das zweite Vergleichsglied 44 übermittelt wird. Das zweite Vergleichsglied 44 hat einen Ausgangsanschluss, der mit einem Rücksetzeingang 45 des zweiten Zählgliedes 43 und einem Rücksetzeingang 45 des ersten Zählgliedes 39 verbunden ist. Über den Ausgang kann das zweite Vergleichsglied 44 ein Rücksetzsignal R zum Zurücksetzen des ersten Zählgliedes 39 und des zweiten Zählgliedes 43 bereitstellen.
• Ein Starteingang 46 des zweiten Zählgliedes 43 ist mit dem Ausgang des ersten Vergleichsgliedes 38 verbunden. Das erste Vergleichsglied 38 stellt an seinem Ausgang ein Betriebsmodussignal B bereit.
• Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist außerdem eine dritte Zähleinheit 47 vorhanden, welche ein drittes Zählglied 48 und ein mit dem dritten Zählglied 48 verbundenes Erfassungsglied 49 aufweist. Ein Erfassungseingang 50 des Erfassungsgliedes 49 ist an den Ausgang des ersten Vergleichsgliedes 38 angeschlossen.
• Die Steuereinheit 19 weist außerdem eine Messschaltung 56 auf. Die Messschaltung 56 hat beispielsgemäß eine Messspule 57, die der Wandlerinduktivität 32 derart zugeordnet ist, dass ein Magnetfeld der Wandlerinduktivität 32 eine Spannung in der Messspule 57 induzieren kann. Die in der Messspule 57 induzierte Spannung beschreibt einen Induktivitätsstrom IL, der durch die Wandlerinduktivität 32 fließt. Die Messspule 57 ist einerseits mit dem Massepotential M und andererseits über einen ersten Ohmschen Widerstand 58 mit einem ersten Messeingang 59 der Wandlerschalteinrichtung 35 verbunden. Die in der Messspule 57 induzierte Spannung bildet eine erste Messgröße S1, die der Wandlerschalteinrichtung 35 zugeführt wird.
• Zu der Messschaltung 56 gehört außerdem ein Strommesswiderstand 60. Der Strommesswiderstand 60 ist einerseits mit dem zweiten Ausgangsanschluss 16 der Wandlereinheit 12 sowie einem zweiten Messeingang 61 der Wandlerschalteinrichtung 35 und andererseits mit dem Massepotential M verbunden. Die an dem Strommesswiderstand 60 anliegende Spannung ist daher charakteristisch für den durch die Wandlerinduktivität 32 fließenden Induktivitätsstrom IL, wenn die Wandlerdiode 33 bei leitendem Wandlerschalter 30 sperrt. Die an dem Strommesswiderstand 60 anliegende Spannung bildet eine Messgröße S2, die der Wandlerschalteinrichtung 35 zugeführt wird. Die Messspule 57 erlaubt eine Messung des Induktivitätsstrom IL auch dann, wenn die Wandlerdiode 33 leitet und der Induktivitätsstrom IL durch die Wandlerdiode 33 und nicht durch den Strommesswiderstand 60 fließt.
• Bei angeschlossener Leuchtmittelanordnung 17 fließt der Induktivitätsstrom IL durch die Parallelschaltung aus der Leuchtmittelanordnung 17 und dem Wandlerkondensator 34, wobei ein Leuchtmittelstrom I1 durch die Leuchtmittelanordnung 17 und ein Kondensatorstrom I2 durch den Wandlerkondensator 34 fließt: IL = I1 + 12. Der durch die Wandlereinheit 12 bereitgestellte Induktivitätsstrom IL ist daher charakteristisch für den Leuchtmittelstrom I1, so dass zur Einstellung einer gewünschten Leuchtleistung entsprechend dem Dimmsignal D ein Stromsollwert Isoll für den Mittelwert des Induktivitätsstrom IL vorgegeben werden kann, der als mittlerer Induktivitätsstrom IL bezeichnet wird.
• Anhand der 4-7 wird die Funktionsweise der Betriebsvorrichtung 10 mit der Steuereinheit 19 und der Wandlereinheit 12 gemäß 2 erläutert.
• Führt die Sollstromstärke I_soll für den mittleren Induktivitätsstrom IL, die über das Dimmsignal D angefordert wird, zu einem Maximalwert der Stromstärke (Peakstromwert IP), der mindestens so groß ist wie ein minimal einstellbarer Peakstromwert IP_min , kann die Wandlereinheit 12 in einem kontinuierlichen Betriebsmodus betrieben werden, wie es in den 4 und 5 schematisch beispielhaft gezeigt ist. Die Zähleinheiten 41, 42, 47 sind nicht aktiv und das Betriebsmodussignal B ist LOW (digital null), so dass das Wandlerschaltsignal W über das Und-Gatter 37 an den Steueranschluss des Wandlerschalters 30 (hier das Gate des Feldeffekttransistors 31) weitergeleitet wird. Die Wandlerschalteinrichtung 35 wertet die am ersten Messeingang 59 anliegende erste Messgröße S1 und die am zweiten Messeingang 61 anliegende zweite Messgröße S2 aus. Über die erste Messgröße S1 wird ein Nulldurchgang des Induktivitätsstromes IL ermittelt. Über die zweite Messgröße S2 wird ermittelt, ob der durch die Wandlerinduktivität 32 fließende Induktivitätsstrom IL einen vorgebbaren bzw. einstellbaren Peakstromwert IP erreicht hat. Bei einem Nulldurchgang des Induktivitätsstromes IL wird das Wandlerschaltsignal W HIGH (digital eins), und der Wandlerschalter 30 wird in seinen leitenden Zustand umgeschaltet. Es beginnt ein Induktivitätsstrom IL zu fließen, der kontinuierlich ansteigt. Sobald der Induktivitätsstrom IL den Stromgrenzwert IG erreicht hat, schaltet die Wandlerschalteinrichtung 35 das Wandlerschaltsignal W von HIGH nach LOW, wodurch der Wandlerschalter 30 in seinen sperrenden Zustand übergeht. Über die Wandlerinduktivität 32, die Leuchtmittelanordnung 17 und die Wandlerdiode 33 kann weiterhin ein Induktivitätsstrom IL fließen, der kontinuierlich abnimmt und schließlich den Wert null erreicht. Dieser Nulldurchgang wird wiederum durch die Wandlerschalteinrichtung 35 erkannt und der Wandlerschalter 30 wird im nächsten Schalttakt wieder eingeschaltet.
• In jedem Schalttakt ist der Wandlerschalter 30 während einer Einschaltzeitdauer te leitend und während einer sich daran anschließenden Ausschaltzeitdauer ta sperrend. Zu Beginn jedes Schalttaktes wird der Wandlerschalter 30 in seinen leitenden Zustand geschaltet, mit Ende der Einschaltzeitdauer te in seinen sperrenden Zustand geschaltet und verbleibt in diesem Zustand während der Ausschaltzeitdauer ta bis zum Ende des Schalttaktes, wenn der Induktivitätsstrom IL einen Nulldurchgang aufweist. Die Summe aus Einschaltzeitdauer te und Ausschaltzeitdauer ta entspricht einer Schalttaktperiodendauer TP.
• Der in den 4 und 5 veranschaulichte Betriebsmodus der Wandlereinheit 12 kann als kontinuierlicher Betriebsmodus oder auch kritischer Betriebsmodus bezeichnet werden, bei dem der Stromfluss des Induktivitätsstromes IL durch Umschalten des Wandlerschalters 30 sofort erneut bewirkt wird, sobald der Nulldurchgang des Induktivitätsstromes IL festgestellt wurde. Die Unterbrechungszeitdauer des Induktivitätsstromes IL zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schalttakten ist in diesem kontinuierlichen Betriebsmodus möglichst kurz. Zur korrekten Berechnung des mittleren Induktivitätsstromes IL, muss diese Unterbrechungszeitdauer betrachtet werden. Dazu kann beispielsweise ein die Unterbrechungszeitdauer beschreibender Korrekturfaktor eingeführt werden. Die einzelnen Schalttakte schließen im kontinuierlichen Betriebsmodus im Wesentlichen unmittelbar aneinander an und die Unterbrechungszeitdauer ist so kurz, wie es technisch bedingt möglich ist.
• Durch den Vergleich der 4 und 5 ist schematisch zu erkennen, dass die Verringerung der Leuchtleistung im kontinuierlichen Betriebsmodus durch Herabsetzen des Peakstromewertes IP erreicht werden kann. Der Peakstromwert IP kann anhand der Sollstromstärke I_soll für den mittleren Induktivitätsstrom IL ermittelt werden, beispielsweise in der Wandlerschalteinrichtung 35, der hierzu das Dimmsignal oder ein anderes die Leuchtleistung beschreibendes Signal übermittelt werden kann. Dies führt dazu, dass die Schalttaktperiodendauer TP abnimmt und die Schaltfrequenz des Wandlerschalters 30 erhöht wird. Bei einer sehr niedrigen angeforderten Leuchtleistung, also einem sehr niedrigen Peakstromwert IP wird die Schaltfrequenz sehr hoch, und der kontinuierliche Betriebsmodus ist für das noch stärkere Dimmen nicht geeignet oder nicht eingerichtet, beispielsweise ab einer Schaltfrequenz von etwa 200 kHZ. Es wird ein minimaler Peakstromwert IP_min ermittelt oder vorgegeben, der nicht unterschritten werden darf. Erfindungsgemäß wird daher von dem kontinuierlichen Betriebsmodus in den diskontinuierlichen Betriebsmodus umgeschaltet, wenn die Sollstromstärke I_soll zu einem Peakstromwert IP führen würde, der kleiner ist als der minimale Peakstromwert IP_min .
• In diesem diskontinuierlichen Betriebsmodus wird der Peakstromwert IP nicht weiter verringert, sondern auf dem minimalen Peakstromwert IP_min konstant gehalten. Dadurch ergibt sich eine minimale Schalttaktperiodendauer TP_min (bei IP = IP_min ), wie es in 7 gezeigt ist. Um ein weiteres Absenken der Leuchtleistung der Leuchtmittelanordnung 17 zu ermöglichen, wird im diskontinuierlichen Betriebsmodus der Wandlereinheit 12 eine aktive Phasendauer ts und eine passive Phasendauer tn ermittelt und abwechselnd eingestellt, die in der Summe einer Gesamtdauer TG entsprechen. Während der aktiven Phasendauer wird das Umschalten des Wandlerschalters 30 analog zum kontinuierlichen Betrieb zugelassen, wohingegen der Wandlerschalter 30 während der passiven Phasendauer tn in seinem sperrenden Zustand verbleibt. Die aktive Phasendauer ts ist entweder gleich groß wie eine minimale Schalttaktperiodendauer TP_min oder gleich groß wie mehrere minimale Schalttaktperiodendauern TP_min . In 7 ist beispielhaft ein diskontinuierlicher Betriebsmodus gezeigt, bei dem die aktive Phasendauer ts gleich groß ist wie drei minimale Schalttaktperiodendauern TP_min . Unmittelbar daran schließt sich die passive Phasendauer tn an, während der der Wandlerschalter nicht leitend bleibt.
• Die passive Phasendauer tn kann unabhängig von der minimalen Schalttaktperiodendauer TP_min ermittelt und eingestellt werden.
• Ausgehend von einem kontinuierlichen Betrieb mit der minimalen Schalttaktperiodendauer TP_min , der einen Grenzwert der Leuchtleistung für den Übergang vom kontinuierlichen Betrieb zum diskontinuierlichen Betrieb darstellt, wird der Anteil der aktiven Phasendauer ts zur Gesamtdauer TG entsprechend dem Anteil der angeforderten Sollleuchtleistung zum Grenzwert der Leuchtleistung ermittelt. Daraus ergibt sich zunächst ein Zeitdauerrechenwert tr. Dieser Zeitdauerrechenwert tr entspricht einem rechnerischen Faktor multipliziert mit der Schalttaktperiodendauer TP, beispielsgemäß der minimalen Schalttaktperiodendauer TP_min . Der rechnerische Faktor wird auf eine ganze Zahl (natürlichen Zahl einschließlich Eins ohne Null) ab- oder aufgerundet (siehe 6). Anschließend wird die passive Zeitdauer tn an die ermittelte aktive Phasendauer ts derart angepasst, dass eine oder mehrere der folgenden Bedingungen möglichst ideal erfüllt sind:
1. 1. das Verhältnis zwischen der aktiven Phasendauer ts und der passiven Phasendauer tn ist so gewählt, dass die Leuchtleistung der Sollleuchtleistung möglichst nahekommt;
2. 2. die passive Phasendauer tn ist mindestens so lang wie eine vorgegebene Mindestdauer oder liegt innerhalb eines vorgegebenen Solldauerbereichs für die passive Phasendauer tn;
3. 3. die Gesamtdauer TG aus aktiver Phasendauer ts und passiver Phasendauer tn entspricht möglichst einer vorgegebenen Gesamtsolldauer oder liegt innerhalb eines vorgegebenen Solldauerbereichs für die Gesamtdauer TG.
• Durch die obengenannte dritte Bedingung kann eine gewünschte Frequenz im diskontinuierlichen Betriebsmodus erreicht werden, so dass ein Flackern der Leuchtmittelanordnung 17 vermieden wird.
• Außerdem kann die passive Phasendauer tn ausreichend lang gewählt werden, so dass Spannungsschwingungen, die beim Umschalten des Wandlerschalters 30 vom leitenden in den sperrenden Zustand auftreten können, aufgrund der Dämpfung abgeklungen sind (vgl. oben genannte zweite Bedingung).
• Nachfolgend soll anhand von 6 auf Basis eines Beispiels die Parameter zur Durchführung des diskontinuierlichen Betriebs erläutert werden.
• Es sei beispielhaft angenommen, dass die Leuchtleistung, die durch das Dimmsignal D angefordert wird, 25% der maximalen Leuchtleistung beträgt. Es sei auch angenommen, dass die Leuchtleistung im kontinuierlichen Betrieb auf 50% der maximalen Leuchtleistung verringert werden kann. Deshalb muss ausgehend von dem minimalen Peakstrom IP_min ein Tastverhältnis zwischen aktiver Phasendauer ts und passiver Phasendauer tn von 50% erreicht werden, um die gewünschte Leuchtleistung entsprechend 25% der maximal möglichen Leuchtleistung zu erhalten.
• Dabei sei als Parameter oder erste Randbedingung eine Zielfrequenz f_ziel von 3000 Hz angenommen, um ein Flackern der Leuchtmittelanordnung 17 zu verhindern.
• Dabei gilt: $$PWM=\frac{T{P}_{min}\cdot n}{T{P}_{min}\cdot n+tn}$$

  

  wobei PWM das Tastverhältnis ist, beispielsgemäß 50%, und n die Anzahl der Schalttakte während der aktiven Phasendauer ts angibt. Für die Zielfrequenz f_Ziel gilt: $$\frac{1}{f_{Ziel}}=T{P}_{min}\cdot n+tn=TG$$

  
• Aus den Gleichungen (1) und (2) kann dann die Anzahl n der Schalttakte für die aktive Phasendauer ts ermittelt werden: $$n=\frac{PWM}{T{P}_{min}\cdot f_{Ziel}}$$

  
• Für die hier beispielhaft angenommenen Zahlenwerte ist das Tastverhältnis PWM = 0,5, die minimale Schalttaktperiodendauer TP_min beträgt beispielsweise 10 µs und die Zielfrequenz f_Ziel beträgt 3000 Hz. Daraus ergibt sich die rechnerische Anzahl n* der Schalttakte für die aktive Periodendauer ts zu n* = 16,67 als rechnerisches Ergebnis. Da die Anzahl n der Schalttakte nur ganzzahlig sein kann, wird der rechnerische Wert n* auf- oder abgerundet, beispielsgemäß zu n = 17. Bei einer minimalen Schalttaktperiodendauer TP_min ergibt sich die passive Phasendauer tn wie folgt: $$tn=\frac{T{P}_{min}\cdot n}{PWM}-T{P}_{min}\cdot n=170\mu s$$

  
• Durch das Runden des rechnerischen Wertes n^* für die Anzahl der Schalttakte auf einen ganzzahligen Wert wird die vorgegebene Zielfrequenz f_Ziel nicht exakt erreicht. Anhand Gleichung (2) kann die sich tatsächlich ergebende Istfrequenz f_ist ermittelt werden, die beim vorliegenden Zahlenbeispiel f_ist = 2941 Hz beträgt. Diese Istfrequenz f_ist , die sich auf Basis dieser ersten Randbedingung ergibt, kann als Grenzwert und insbesondere unterer Grenzwert zur Definition eines Frequenzbereichs verwendet werden.
• Eine weitere, zweite Randbedingung kann eine Mindestdauer der passiven Phasendauer tn sein. Die Mindestdauer kann so vorgegeben werden, dass die Schwingung der Spannung am Wandlerschalter 30, die sich nach dem Nulldurchgang des Induktivitätsstromes IL einstellt, durch die im System vorhandene Dämpfung ausreichend abgeklungen ist. Die oben angegebenen Gleichungen (1) und (2) gelten entsprechend. Beispielsweise kann als Mindestdauer für die passive Phasendauer tn = 56 µs gewählt werden. Eingesetzt in die Gleichung (1) ergibt sich dann nach Rundung für die Anzahl n der Schalttakte der aktiven Phasendauer ts: n = 6.
• Anhand der Anzahl der Schalttakte kann dann analog zur Gleichung (4) die passive Phasendauer tn ermittelt werden, die sich hier zu tn = 60 µs ergibt.
• Für die sich daraus ergebende Istfrequenz f_ist gilt analog zur Gleichung (2): $$f_{ist}=\frac{1}{TG}=\frac{1}{ts+tn}=8333Hz$$

  
• Diese Istfrequenz f_ist , die sich auf Basis dieser zweiten Randbedingung ergibt, kann als Grenzwert und insbesondere oberer Grenzwert zur Definition eines Frequenzbereichs verwendet werden.
• Auf Basis der vorstehenden Berechnung zum einen durch die Vorgabe einer Zielfrequenz f_Ziel und zum anderen durch die Vorgabe einer Mindestdauer für die passive Phasendauer tn kann jeweils ein Grenzwert für einen Frequenzbereich ermittelt werden. Beispielsweise kann auf Basis der Vorgabe der Zielfrequenz Istfrequenz f_ist ermittelt und diese Istfrequenz f_ist als unterer Frequenzgrenzwert verwendet werden.
• Zusätzlich kann durch Vorgabe der Mindestzeitdauer für die passive Phasendauer tn eine Istfrequenz f_ist berechnet werden, die als oberer Grenzwert für die Frequenz verwendet werden kann. Im Bereich zwischen der unteren Grenzfrequenz und der oberen Grenzfrequenz können abhängig von der Wahl der Anzahl n der Schalttakte für die aktive Phasendauer ts verschiedene Frequenzen für denselben Tastgrad PWM gemäß folgender Beziehung eingestellt werden: $$f\left(n\right)=\frac{PWM}{T{P}_{min}\cdot n}$$

  
• Es ist dabei möglich, die Anzahl n der Schalttakte für die aktive Phasendauer ts ohne Veränderung der Leuchtleistung zu variieren bzw. zu modulieren, wodurch die entstehenden Geräusche beeinflusst werden können. Unter Berücksichtigung der vorstehend ermittelten beispielhaften Zahlenwerte können sich bei einem Tastgrad PWM = 50% durch das Variieren der Anzahl n der Schalttakte für die aktive Phasendauer ts von n = 6 bis n = 17 zwölf unterschiedliche Frequenzen f(n) gemäß Gleichung (6) ergeben, zwischen denen umgeschaltet werden kann, ohne die Leuchtleistung bzw. die Helligkeit der Leuchtmittelanordnung zu ändern.
• Es ist auch möglich, die tatsächliche Frequenz beliebig in dem gesamten Spektrum zwischen der unteren Grenzfrequenz und der oberen Grenzfrequenz zu variieren, wobei dies nur durch eine Veränderung des Tastgrades und mithin der Leuchtleistung und der Helligkeit zu erreichen ist. Hierzu kann ein Algorithmus verwendet werden, der die diskreten möglichen Frequenzen f(n) gemäß Gleichung (6) als Stützstellen verwendet und eine Änderung der Frequenz f zwischen den diskreten Werten f(n) derart ausführt, dass sich eine mittlere Leuchtleistung ergibt, die der angeforderten Leuchtleistung entspricht und dabei die Abweichungen der Leuchtleistung von der mittleren Leuchtleistung (Varianz) minimiert.
• Während der aktiven Phasendauer ts und/oder während des kontinuierlichen Betriebs der Wandlereinheit 12 erfolgt das Einschalten des Wandlerschalters 30 (ansteigende Flanke des Wandlerschaltsignals W) zu einem Zeitpunkt, an dem die am Wandlerschalter 30 anliegende, schwingende Spannung (Drain-Source-Spannung) des Feldeffekttransistors 31) ein erstes Minimum aufweist. Dies entspricht dem Nulldurchgang des Induktivitätsstromes IL.
• Die ermittelte aktive Phasendauer ts wird in dem ersten Vergleichsglied 38 und die ermittelte passive Phasendauer tn in dem zweiten Vergleichsglied 44 abgelegt. Über das erste Zählglied 39 wird die Anzahl der Schalttakte über den Zähleingang 40 erfasst. In dem ersten Vergleichsglied 38 wird geprüft, ob die der aktiven Phasendauer ts entsprechende Anzahl der Schalttakte erreicht ist. Ist dies der Fall, wird am Ausgang des ersten Vergleichsgliedes 38 das Betriebsmodussignal B von LOW nach HIGH umgeschaltet. Das Und-Gatter 37 wird dadurch sozusagen blockiert. Es dient als Torschaltung und kann das Wandlerschaltsignal W sperren, das dann nicht mehr an den Wandlerschalter 30 weiterleitet wird.
• Das Zählglied 39 wird bevorzugt mit dem Auftreten einer fallenden Flanke des Wandlerschaltsignals W inkrementiert. Dadurch kann erreicht werden, dass der Umschaltvorgang des Betriebsmodussignals B von LOW nach HIGH vorzugsweise direkt auf die fallenden Flanke des Wandlerschaltsignals W stattfindet. Durch diese zeitliche Koordination können Spikes vermieden werden.
• Das Betriebsmodussignal B wird außerdem an den Starteingang 46 übermittelt, der das zweite Zählglied 43 startet, sobald das Betriebsschaltsignal B von LOW nach HIGH umgeschaltet wird. In dem zweiten Vergleichsglied 44 wird geprüft, ob die ermittelte bzw. abgespeicherte passive Phasendauer tn abgelaufen ist. Sobald dies festgestellt wurde, erzeugt das zweite Vergleichsglied 44 ein Rücksetzsignal für das erste Zählglied 39 und das zweite Zählglied 43. Dadurch wird in der ersten Zähleinheit 41 veranlasst, dass das Betriebsmodussignal B wieder von HIGH nach LOW umgeschaltet wird, was der Beginn der nächsten aktiven Phasendauer ts markiert. Das Und-Gatter 37 kann das Wandlerschaltsignal W an den Wandlerschalter 30 weiterleiten. Da der Induktivitätsstrom IL Null ist, veranlasst die Wandlerschalteinrichtung 35 das Umschalten des Wandlerschalters 30 in den leitenden Zustand und es beginnt die nächste aktive Phasendauer ts. Sobald die Anzahl der vorgegebenen Schalttakte während der aktiven Phasendauer ts erreicht ist, wird das Und-Gatter 37 über das Betriebsmodussignal B erneut gesperrt, der Wandlerschalter 30 sperrt ebenfalls und die passive Phasendauer tn beginnt. Dieser Ablauf wiederholt sich während des diskontinuierlichen Betriebs zyklisch, wobei die Dauer eines Zyklus der Gesamtdauer TG entspricht.
• Mittels der optionalen dritten Zähleinheit 47 kann die tatsächliche aktive Phasendauer ts gemessen werden. Über das Umschalten des Betriebsmodussignals B von LOW nach HIGH wird über den Erfassungseingang 50 die Erfassungseinheit 49 aktiviert und erfasst die Zeit anhand der Zählimpulse des dritten Zählgliedes 48. Mit Ende der aktiven Phasendauer ts wird das Betriebsmodussignal B von LOW nach HIGH umgeschaltet, was durch das Erfassungsglied 49 erfasst und somit die exakte Zeitdauer für die aktive Phasendauer ts ermittelt wird. Diese Zeitdauer kann zur Ermittlung und/oder Anpassung der passiven Phasendauer tn verwendet werden.
• Eine Regelung des durch die Leuchtmittelanordnung fließenden Stromes erfolgt bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht. Der durch die Leuchtmittelanordnung fließende Leuchtmittelstrom I1 bzw. die Leuchtleistung der Leuchtmittelanordnung 17 wird ohne Rückführung eines entsprechenden Messwertes gestellt bzw. gesteuert.
• In 3 ist eine Ausführungsmöglichkeit zur Realisierung der Steuereinheit 19 unter Verwendung eines PFC-ICs veranschaulicht. Beispielsweise wird als PFC-IC ein IC des Typs MP44014 der Fa. MPS® eingesetzt, der die Wandlerschalteinrichtung 35 bildet. Der Aufbau und die Funktionsweise dieses ICs sind bekannt, so dass nicht näher darauf eingegangen wird. Der verwendete IC hat acht Anschlüsse. Der IC-Anschluss „ZCS“ bildet den ersten Messeingang 59 und der IC-Anschluss „CS“ bildet den zweiten Messeingang 61. Der IC-Anschluss „GATE“ bildet den Steuerausgang 36. Ein IC-Versorgungsanschluss „VCC“ ist mit einer Versorgungsspannung UV verbunden und der Masseanschluss „GND“ ist mit dem Massepotential M verbunden.
• Ein erstes pulsweitenmoduliertes Signal PWM1 ist über einen zweiten Ohmschen Widerstand 65 an den IC-Anschluss „MULT“ angelegt, und ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal PWM2 ist über einen dritten Ohmschen Widerstand 66 an den IC-Eingang „FB“ und über eine Reihenschaltung aus dem dritten Ohmschen Widerstand 66 und einem vierten Ohmschen Widerstand 67 an den IC-Anschluss „COMP“ angelegt. Ein erster Kondensator 68 verbindet den IC-Anschluss „MULT“ mit dem Massepotential M und ein zweiter Kondensator 69 verbindet die IC-Anschlüsse „FB“ und „COMP“. Die Kondensatoren 68, 69 begrenzen die Bandbreite der pulsweitenmodulierten Signale PWM1, PWM2.
• Diese pulsweitenmodulierten Signale PWM1, PWM2 werden durch einen Multiplizierer in der Wandlerschalteinrichtung 35 miteinander multipliziert und definieren den Stromgrenzwert IG. Durch die Multiplikation von zwei pulsweitenmodulierten und gefilterten, insbesondere tiefpassgefilterten, Signalen kann eine quadratische Kennlinie erreicht und die Auflösung bei der digitalen Quantisierung besonders bei niedrigen Stromstärken verbessert werden.
• Die Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung 10 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung 17. Einer Wandlereinheit 12 wird eine Gleichspannung UG bereitgestellt. Ausgangsseitig ist die Leuchtmittelanordnung 17 an die Wandlereinheit 12 angeschlossen. Eine Steuereinheit 19 steuert einen Wandlerschalter 30 der Wandlereinheit 12 an. Die Wandlereinheit 12 weist eine in Reihe zum Wandlerschalter 30 angeordnete Wandlerinduktivität 32 auf. Mittels einer Messschaltung 56 wird wenigstens eine Messgröße erfasst, die den durch die Wandlerinduktivität 32 fließenden Induktivitätsstrom IL charakterisiert. Der Steuereinheit 19 wird eine Sollstromstärke I_soll für einen Mittelwert des Induktivitätsstroms IL vorgegeben. Die Sollstromstärke I_soll charakterisiert die sich einstellende Leuchtleistung. Aus der Sollstromstärke I_soll kann ein Peakstromwert IP für den Induktivitätsstrom IL derart ermittelt werden, dass sich der der Sollstromstärke I_soll entsprechende Mittelwert des Induktivitätsstroms IL einstellt. Die Steuereinheit 19 erzeugt ein Wandlerschaltsignal W, das den Wandlerschalter 30 in seinen leitenden Zustand oder in seinen sperrenden Zustand umschaltet. Zu Beginn eines Schalttaktes wird der Wandlerschalter 30 in seinen leitenden Zustand umgeschaltet, wenn der Induktivitätsstrom IL einen Nulldurchgang aufweist. Der Induktivitätsstrom IL steigt anschließend an und erreicht den ermittelten bzw. vorgegebenen Peakstromwert IP. Zu diesem Zeitpunkt wird der Wandlerschalter 30 in seinen sperrenden Zustand umgeschaltet, was dazu führt, dass der Induktivitätsstrom IL sinkt. Sobald der Induktivitätsstrom IL gleich Null ist, ist der Schalttakt beendet und der nächste Schalttakt beginnt. Wenn die Sollstromstärke I_soll kleiner ist als ein Mittelwert des durch die Wandlereinheit 12 fließenden Stroms bei einem vorgegebenen minimalen Peakstromwert IP_min , der nicht unterschritten werden soll, wird die Wandlereinheit 12 in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus betrieben, wobei eine aktive Phasendauer ts einen oder mehrere vollständige Schalttakte beinhaltet und sich an die aktive Phasendauer ts eine passive Phasendauer tn anschließt. Die aktive und passive Phasendauer ts, tn sind derart abgestimmt, dass der Induktivitätsstrom IL zumindest im Wesentlichen der Sollstromstärke I_soll entspricht. Zusätzlich kann die passive Phasendauer tn so gewählt werden, dass sie eine Mindestdauer aufweist. ASlternativ oder zusätzlich kann unter Beibehaltung des Verhältnisses der aktiven Phasendauer ts zur passiven Phasendauer tn eine Gesamtdauer TG derart eingestellt bzw. vorgegeben werden, dass die passive Phasendauer tn eine Mindestdauer nicht unterschreitet und/oder ein Gesamtdauersollwert zumindest im Wesentlichen erreicht wird.
• Bezugszeichenliste

10

Betriebsvorrichtung

11

Gleichspannungsquelle

12

Wandlereinheit

13

erster Eingangsanschluss

14

zweiter Eingangsanschluss

15

erster Ausgangsanschluss

16

zweiter Ausgangsanschluss

17

Leuchtmittelanordnung

18

Halbleiterleuchtmittel

19

Steuereinheit

20

Dimmer

21

Gleichspannungswandler

22

Steuerung

30

Wandlerschalter

31

Feldeffekttransistor

32

Wandlerinduktivität

33

Wandlerdiode

34

Wandlerkondensator

35

Wandlerschalteinrichtung

36

Steuerausgang

37

Und-Gatter

38

erstes Vergleichsglied

39

erstes Zählglied

40

Zähleingang

41

erste Zähleinheit

42

zweite Zähleinheit

43

zweites Zählglied

44

zweites Vergleichsglied

45

Rücksetzeingang

46

Starteingang

47

dritte Zähleinheit

48

drittes Zählglied

49

Erfassungsglied

50

Erfassungseingang

55

Treiber

56

Messschaltung

57

Messspule

58

erster Ohmscher Widerstand

59

erster Messeingang

60

Strommmesswiderstand

61

zweiter Messeingang

65

zweiter Ohmscher Widerstand

66

dritter Ohmscher Widerstand

67

vierter Ohmscher Widerstand

B

Betriebsmodussignal

D

Dimmsignal

f_ist

Istfrequenz

IP

Peakstromwert

IP_min

minimaler Peakstromwert

IL

Induktivitätsstrom

M

Massepotential

P_soll

Sollleuchtleistung

R

Rücksetzsignal

S

Wandlerschaltsignal

UG

Gleichspannung

UN

Netzspannung

UV

Versorgungsspannung

Ta

Ausschaltzeitdauer

Te

Einschaltzeitdauer

tn

passive Phasendauer

TP

Schalttaktperiodendauer

ts

aktive Phasendauer

TG

Gesamtperiodendauer

Claims (19)

1. Betriebsvorrichtung (10), die zum Betreiben einer daran angeschlossenen Leuchtmittelanordnung (17) eingerichtet ist, mit einer Wandlereinheit (12), die Eingangsanschlüsse (13, 14) zum Anlegen einer Gleichspannung (UG), mit der Leuchtmittelanordnung (17) elektrisch verbindbare Ausgangsanschlüsse (15, 16), einen ansteuerbaren Wandlerschalter (30) und eine Wandlerinduktivität (32) aufweist, mit einer Steuereinheit (19), die dazu eingerichtet ist, die Wandlereinheit (12) basierend auf einer Sollstromstärke (I_soll) für einen Mittelwert eines durch die Wandlerinduktivität (32) fließenden Induktivitätsstrom (IL) anzusteuern, mit einer Messschaltung (56), die zur Messung wenigstens einer Messgröße eingerichtet ist, die den Induktivitätsstrom (IL) charakterisiert, wobei die wenigstens eine Messgröße an eine Wandlerschalteinrichtung (35) übermittelt wird, wobei die Wandlerschalteinrichtung (35) dazu eingerichtet ist, ein Wandlerschaltsignal (W) zu erzeugen, das den Wandlerschalter (30) während eines Schalttaktes jeweils einmal in den leitenden Zustand umschaltet, wenn die wenigstens eine Messgröße einen Nulldurchgang des Induktivitätsstroms (IL) anzeigt, und einmal in den sperrenden Zustand umschaltet, wenn die wenigstens eine Messgröße anzeigt, dass der Induktivitätsstrom (IL) einen vorgebbaren Peakstromwert (IP) erreicht hat, wobei die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, die Wandlereinheit (12) in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben, wenn die Sollstromstärke (I_soll) kleiner ist als ein Mittelwert des Induktivitätsstromes (IL) bei einem vorgegebenen minimalen Peakstromwert (I_Pmin), wobei die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, für den diskontinuierlichen Betriebsmodus basierend auf der Sollstromstärke (I_soll) eine eine aktive Phasendauer (ts) beschreibende Anzahl von Schalttakten und eine passive Phasendauer (tn) zu ermitteln, und während der aktiven Phasendauer (ts) das Umschalten des Wandlerschalters (30) durch das Wandlerschaltsignal (W) zu erlauben und während der passiven Phasendauer (tn) das Umschalten des Wandlerschalters (30) in den leitenden Zustand zu unterbinden.
2. Betriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, die Wandlereinheit (12) in einem kontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben, wenn die Sollstromstärke (I_soll) mindestens so groß ist wie ein Mittelwert des Induktivitätsstromes (IL) bei einem vorgegebenen minimalen Peakstromwert (I_Pmin).
3. Betriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, basierend auf der Sollstromstärke (I_soll) und einem vorgegebenen Gesamtdauersollwert für die aktive und die passive Phasendauer (tn) zunächst einen Zeitdauerrechenwert (tr) für die aktive Phasendauer (ts) zu berechnen und die aktive Phasendauer (ts) basierend auf diesem Zeitdauerrechenwert (tr) zu ermitteln.
4. Betriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, basierend auf der Sollstromstärke (I_soll) und einem vorgegebenen Mindestwert für die passive Phasendauer (tn) zunächst einen Zeitdauerrechenwert (tr) für die aktive Phasendauer (ts) zu berechnen und die aktive Phasendauer (ts) basierend auf diesem Zeitdauerrechenwert (tr) zu ermitteln.
5. Betriebsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, eines der dem Zeitdauerrechenwert (tr) nächstgelegenen ganzzahligen Vielfachen der Schalttaktperiodendauer (TP, TPmin) auszuwählen , um die aktive Phasendauer (ts) zu erhalten.
6. Betriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, die passive Phasendauer (tn) abhängig von der aktive Phasendauer (ts) derart zu berechnen, dass eine sich ergebende Differenz zwischen dem Induktivitätsstrom (IL) und der Sollstromstärke (I_soll) möglichst gering ist.
7. Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, basierend auf der Sollstromstärke (I_soll) und einer ersten Randbedingung einen eine Gesamtdauer (TG) aus aktiver und passiver Phasendauer (ts, tn) beschreibenden ersten Grenzwert zu ermitteln und basierend auf der Sollstromstärke (I_soll) und einer zweiten Randbedingung einen eine Gesamtdauer (TG) aus aktiver und passiver Phasendauer (ts, tn) beschreibenden zweiten Grenzwert zu ermitteln.
8. Betriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Randbedingung eine die Gesamtdauer (TG) beschreibende Zielfrequenz (f_Ziel) ist und/oder dass die zweite Randbedingung eine Mindestdauer für die passive Phasendauer (tn) ist.
9. Betriebsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grenzwert einem unteren Grenzwert einer Istfrequenz (fist) für das Umschalten zwischen aktiver und passiver Phasendauer entspricht und dass der zweite Grenzwert einem oberen Grenzwert einer Istfrequenz (fist) entspricht.
10. Betriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, die Istfrequenz (fist) für das Umschalten zwischen aktiver und passiver Phasendauer zwischen mehreren Frequenzwerten vom unteren Grenzwert bis zum oberen Grenzwert zu variieren.
11. Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, einen Istwert für die aktive Phasendauer (ts) zu messen und abzuspeichern.
12. Betriebsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (19) dazu eingerichtet ist, die passive Phasendauer (tn) abhängig vom gemessenen und abgespeicherten Istwert der aktiven Phasendauer (ts) zu berechnen.
13. Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltung (12) als Abwärtswandler ausgebildet ist.
14. Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltung (12) einen Wandlerkondensator (34) aufweist, der parallel zu den Ausgangsanschlüssen (15, 16) geschaltet ist.
15. Betriebsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (12) eine Wandlerdiode (33) aufweist, deren Kathode unmittelbar elektrisch mit dem Wandlerschalter (30) und der Wandlerinduktivität (32) verbunden ist, und deren Anode unmittelbar elektrisch mit dem Wandlerkondensator (34) verbunden ist.
16. Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (56) eine der Wandlerinduktivität (32) zugeordnete Messspule (57) aufweist, in der durch ein Magnetfeld der Wandlerinduktivität (32) als eine Messgröße eine Spannung induziert wird.
17. Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (56) einen Strommesswiderstand (60) aufweist, der in Reihe zu den Ausgangsanschlüssen (15, 16) geschaltet ist.
18. Betriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichspannungswandler (21) zur Erzeugung der Gleichspannung (UG) vorhanden ist.
19. Verfahren zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung (17) mittels einer Betriebsvorrichtung (10) aufweisend eine Wandlereinheit (12), die einen Wandlerschalter (30), eine Wandlerinduktivität (32), Eingangsanschlüsse (13, 14), an denen eine Gleichspannung (UG) anliegt, und mit der Leuchtmittelanordnung (17) elektrisch verbundene Ausgangsanschlüsse (15, 16) aufweist, eine Messschaltung (56), die zur Messung wenigstens einer Messgröße eingerichtet ist, die einen durch die Wandlerinduktivität (32) fließenden Induktivitätsstrom (IL) charakterisiert, - Vorgeben einer Sollstromstärke (I_soll) für den Induktivitätsstrom (IL), - Erzeugen eines Wandlerschaltsignals (W), das den Wandlerschalter (30) während eines Schalttaktes jeweils einmal in den leitenden Zustand umschaltet, wenn die wenigstens eine Messgröße einen Nulldurchgang des Induktivitätsstroms (IL) anzeigt, und einmal in den sperrenden Zustand umschaltet, wenn die wenigstens eine Messgröße anzeigt, dass der Induktivitätsstrom (IL) einen vorgebbaren Peakstromwert (IP) erreicht hat, - Einstellen eines diskontinuierlichen Betriebs, wenn die Sollstromstärke (I_soll) kleiner ist als ein Mittelwert des Induktivitätsstromes (L) bei einem vorgegebenen minimalen Peakstromwert (I_Pmin), wobei basierend auf der Sollstromstärke (I_soll) eine eine aktive Phasendauer (ts) beschreibende Anzahl von Schalttakten und eine passive Phasendauer (tn) ermittelt werden, und Erlauben des Umschaltens des Wandlerschalters (30) durch das Wandlerschaltsignal (W) während der aktiven Phasendauer (ts) und Unterbinden des Umschaltens des Wandlerschalters (30) durch das Wandlerschaltsignal (W) während der passiven Phasendauer (tn).

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