AT18370U1 - Konverterschaltung und Regelung einer Konverterschaltung - Google Patents

Abstract

In einem Aspekt wird eine Konverterschaltung, umfassend einen Wandlerschaltkreis (1) mit einem getakteten Schalter (4) zur Erzeugung eines Ausgangsstroms, einen Steuerschaltkreis (6) ausgelegt zur Ansteuerung des Schalters (4) für eine Regelung des Ausgangsstroms mittels einer Regelschleife (1, 7, 8), und Messmittel (5) zur Ermittlung einer Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms, wobei der Steuerschaltkreis (6) ausgelegt ist, zumindest einen Parameter der Regelschleife (1, 7, 8) zu ändern, wenn eine Änderung einer Ausgangsspannungsänderung oder des Ausgangsstroms erkannt wird, offenbart.

Description

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Beschreibung

KONVERTERSCHALTUNG UND REGELUNG EINER KONVERTERSCHALTUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine Konverterschaltung, insbesondere eine Konverterschaltung für Betriebsgeräte für Leuchtmittel. Die Erfindung betrifft weiter ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere LEDs, und ein Verfahren zur Steuerung der Konverterschaltung. Die Erfindung umfasst auch den Betrieb von Leuchtmitteln, beispielsweise Leuchtdioden (LED) als Last.

[0002] Grundsätzlich ist bereits bekannt, ein LED-Modul, beispielsweise mit einer LED-Strecke, die eine oder mehrere in Serie oder parallel geschaltete LEDs aufweisen kann, ausgehend von einem Betriebsgerät über einen elektrischen Laststrom mit elektrischer Leistung zu versorgen. Es ist ebenfalls bekannt, dass zur Erzeugung dieser elektrischen Leistung das Betriebsgerät ein Schaltnetzteil, beispielsweise in Form einer getakteten Konverterschaltung, umfasst. Dabei wird ein von der getakteten Konverterschaltung, zum Beispiel einem Abwärtswandler, an einem Ausgang bereitgestellter Ausgangsstrom als Laststrom typischerweise in einer Regelschleife auf einen konstanten Stromwert geregelt. Der konstante Stromwert kann als Sollwert, beispielsweise auf Grundlage einer Dimmereinstellung (Dimmwert), bereitgestellt werden.

[0003] Am Ausgang der getakteten Konverterschaltung ist in der Regel ein Kondensator vorgesehen. Dieser Ausgangskondensator wird in einer Einschaltphase des getakteten Schalters zunächst aufgeladen. Damit steigt bei konstantem Strom die Ausgangsspannung Uaus an dem Ausgangskondensator, die einer an dem Lastausgang der Konverterschaltung anliegenden Lastspannung Ui: entspricht, zunächst linear, also mit einer konstanten Steigung, an. Wenn die erreichte Ausgangs- oder Lastspannung UL: eine Vorwärtsspannung Ur einer am Lastausgang angeschlossenen LED-Strecke erreicht, beginnt ein nennenswerter Laststrom I_:p zu fließen. In der Folge weicht der Anstieg der Lastspannung UL: von einem linearen Anstieg mit konstanter Steigung ab, insbesondere flacht der Verlauf der Lastspannung UL_e:p stark ab.

[0004] Um zu erreichen, dass der Wert der Vorwärtsspannung U: möglichst schnell erreicht wird, so dass nach einem Einschalten des Betriebsgeräts mit möglichst geringer Verzögerung eine Lichtabgabe erfolgt, ist ein schnelles Erreichen der Vorwärtsspannung Ur durch die Ausgangsspannung Uaus wünschenswert. Entsprechend sind die Reglerparameter eines Reglers in der Regelschleife zur Regelung des Ausgangsstroms laus entsprechend einem Laststrom I_:p, zu dimensionieren.

[0005] Problematisch ist allerdings, dass bei einer wie vorstehend geschilderten Auslegung der Regelschleife für den Ausgangsstrom laus, also ein Wert der Vorwärtsspannung Ur durch die Ausgangsspannung Uaus möglichst schnell erreicht wird, in der Last eine kurze Stromspitze des Laststroms IL=o dann auftritt, wenn die Lastspannung UL: den Wert der Vorwärtsspannung Ur der Last erreicht und eine LED-Strecke leitend wird. Diese Laständerung kann sich bei einer LEDStrecke in einem unerwünschten, deutlich wahrnehmbaren Lichtblitz äußern, bis sich die Regelschleife auf einen neuen Betriebszustand bei einer veränderten Last eingestellt hat. Dieses Verhalten der Regelschleife ist insbesondere auch für den für die geschilderte Anwendung häufig genutzten Pl-Regler zu beobachten, der zwar eine hohe stationäre Genauigkeit mit einer gegen Null laufenden Regelabweichung im eingeschwungenen Zustand aufweist, jedoch aufgrund der gegenüber dem Proportionalregler reduzierten Kreisverstärkung ein langsames Regelverhalten zeigt.

[0006] Es ist daher Aufgabe zu lösen, die vorstehend geschilderten gegensätzlichen Anforderungen, zum Einen ein zeitlich schnelles Erreichen der Vorwärtsspannung Ur durch die bereitgestellte Ausgangsspannung Uaus zu erzielen, zum Anderen einen Lichtblitz im Fall des Erreichens der Vorwärtsspannung Ur durch die bereitgestellte Ausgangsspannung Uaus zu vermeiden, zu erfüllen.

[0007] Diese Aufgabe wird mittels der Konverterschaltung nach Anspruch 1, sowie des entsprechenden Betriebsgeräts und des Verfahrens gemäß den nebengeordneten Ansprüchen, gelöst.

[0008] In den untergeordneten Ansprüchen werden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gezeigt.

[0009] In einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Konverterschaltung zum Betreiben einer Last, bevorzugt wenigstens eines Leuchtmittels, insbesondere einer LED, vorgesehen. Die Konverterschaltung weist einen Wandlerschaltkreis mit einem getakteten Schalter zur Erzeugung eines Ausgangsstroms, einen Steuerschaltkreis ausgelegt für eine Ansteuerung des Schalters zu einer Regelung des Ausgangsstroms mittels einer Regelschleife und Messmittel zur Ermittlung einer Ausgangsspannung oder des Ausgangstroms auf. Der Steuerschaltkreis ist dabei dafür ausgelegt, zumindest einen Parameter der Regelschleife zu ändern, wenn eine Anderung einer Lastspannungsänderung oder des Laststroms erkannt wird.

[0010] Ein zentraler Gedanke der Erfindung ist daher, eine Änderung des Lastverhaltens einer Last der Konverterschaltung in der Konverterschaltung zu erkennen und zumindest einen Parameter der Regelschleife für die Konstantregelung des Ausgangsstroms zur Last zu ändern, wenn ein geändertes Lastverhalten erkannt wird. Dies ermöglicht es, die Konverterschaltung nicht lediglich für ein schnelles Erreichen eines Sollwerts der Ausgangsspannung hin zu optimieren, sondern auch eine Unterdrückung einer unerwünschten Lichtemission einer LED-Strecke zu erreichen. Somit wird also erfindungsgemäß eine Information über den Verlauf einer Ausgangsspannung der Konverterschaltung ermittelt, um Betriebszustände der betriebenen Last, wie beispielsweise „LED-Strecke leitet noch nicht“ und „LED-Strecke beginnt zu leiten“ unterscheiden zu können. Abhängig von dieser gewonnenen Information über die genannten Betriebszustände können nun für die Betriebszustände vorzugsweise unterschiedliche Regelschleifenparameter, beispielsweise Reglerparameter, verwendet werden, beispielsweise Verstärkungsfaktoren und Zeitkonstanten.

[0011] In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Konverterschaltung dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel zumindest einen Messwiderstand umfasst, der eingerichtet ist, einen Summenstrom umfassend den Ausgangsstrom und einen Ladestrom einer Ausgangskapazität des Wandlerschaltkreis zu erfassen, und/oder einen weiteren Messwiderstand umfasst, der eingerichtet ist, den Ausgangsstrom, insbesondere ausschließlich den Laststrom des Wandlerschaltkreis zu erfassen.

[0012] Die Konverterschaltung nach einer vorteilhaften Ausführung zeichnet sich dadurch aus, dass der zumindest eine zu ändernde Parameter der Regelschleife ein Sollwert des Ausgangsstroms ist.

[0013] Alternativ oder zusätzlich ist die Konverterschaltung derart ausgebildet, dass der Steuerschaltkreis zunächst einen ersten Sollwert des Ausgangsstroms einstellt, und, wenn die Anderung der Ausgangsspannungsänderung oder des Ausgangsstroms eine Anderung einer Leitfähigkeit einer Last signalisiert, der Steuerschaltkreis einen zweiten Sollwert des Ausgangsstroms einstellt, wobei der erste Sollwert des Ausgangsstroms größer als der zweite Sollwert des Ausgangsstroms ist.

[0014] Damit kann eine LED-Strecke in einem stark gedimmten Betrieb gestartet werden. Dieser Betrieb kann beispielsweise bei lediglich 1% oder lediglich 1 %o eines Nennstroms liegen und ein unerwünschtes Aufleuchten bei Leitendwerden der LED-Strecke unterdrückt werden. In der Startphase der Konverterschaltung hingegen ist ein größerer Sollwert für den Strom vorgebbar, der dann bei Erkennen einer Änderung der Ausgangsspannungsänderung auf den stark gedimmten Stromwert verringert wird. Damit wird eine Startphase der Konverterschaltung vorteilhaft verkürzt, da mit einem großen Ladestrom die Ausgangskapazität des Wandlerschaltkreis zunächst schnell geladen werden kann.

[0015] Alternativ oder zusätzlich ist der zumindest eine zu ändernde Parameter der Regelschleife ein Reglerparameter eines Reglers der Regelschleife. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Änderung des zumindest einen zu ändernden Parameters der Regelschleife mittels Umschalten zwischen Reglern, insbesondere auch Reglern unterschiedlichen Typs, zum Beispiel P- und PIRegler.

[0016] Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist der Reglerparameter des Reglers ein Verstärkungsfaktor eines Reglers und/oder eine Zeitkonstante eines Reglers, insbesondere eines PIReglers.

[0017] Die Änderung der Reglerparameter des Pl-Regler ermöglicht die Vorteile des Pl-Reglers im stationären eingeschwungenen Zustand mit einer verbesserten Startphase der Wandlerschaltung zu verbinden, so dass insbesondere unmittelbar nach einem Einschalten schnell ein konstanter Ladestrom für die Ausgangskapazität zu Verfügung steht, zügig bis zum Erreichen der Vorwärtsspannung der LED-Strecke geladen wird und dann durch eine Anderung zumindest eines Reglerparameters vorteilhafte Regelschleifencharakteristiken für den Ausgangsstrom erreichbar sind.

[0018] Gemäß einer Ausführung der Konverterschaltung wird die Änderung der Lastspannung oder des Laststroms mittels periodischem Abtasten der Ausgangsspannung erfasst. Alternativ kann die Anderung der Lastspannung oder des Laststroms mittels Erfassen eines beginnenden Stromflusses eines Ausgangsstroms bestimmt werden.

[0019] Mittels einer periodischen Abtastung der Ausgangsspannung und der damit ermöglichten einfachen Auswertung in einem integrierten Schaltkreis, lässt sich mit geringem zusätzlichem Aufwand in einer Konverterschaltung das erfindungsgemäße Vorgehen implementieren. Die Nutzung vorhandener Mikroprozessoren und integrierter Schaltkreise und einfach zu erstellender Programmmodule, die darauf laufen, wird ermöglicht.

[0020] Gemäß einer Ausführung der Konverterschaltung wird aus den abgetasteten Ausgangsspannungswerten eine Steigung eines Lastspannungsverlaufs ermittelt.

[0021] Insbesondere kann eine Änderung (Reduzierung) der Steigung des Lastspannungsverlaufs als eine Anderung der Leitfähigkeit der Last erkannt werden. Auch kann ein beginnender Stromfluss des Laststroms, insbesondere über einen Messwiderstand in Serie zu der Last, als eine Anderung der Leitfähigkeit der Last erkannt werden.

[0022] Die Konverterschaltung nach einem Ausführungsbeispiel zeigt den Wandlerschaltkreis dafür eingerichtet, den Ausgangsstrom als Laststrom (Diodenstrom) für den Betrieb eines LEDModuls zu erzeugen.

[0023] Insbesondere der Betrieb von LED-Modulen mit ihrer für Halbleiterdioden typischen Vorwärtsspannung, ab der ein Laststrom fließt, und damit erst ein Lichtstrom, ist für das erfindungsgemäße Vorgehen vorteilhaft. Die hohen Stückzahlen dieser Produkte sind zugleich vorteilhaft, da die einfache Implementierung der Erfindung hohe Skalierungseffekte bei den Kosten erwarten lässt und diese Produkte preissensibel sind.

[0024] Die Konverterschaltung einer bevorzugten Ausführung ist als Abwärtswandler (Tiefsetzsteller, Buck-Konverter) ausgelegt.

[0025] Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung löst ein Betriebsgerät für Leuchtmittel mit einer Konverterschaltung nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele die Aufgabe.

[0026] Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, das einen Wandlerschaltkreis mit einem getakteten Schalter zur Erzeugung eines Ausgangsstroms, einen Steuerschaltkreis für eine Ansteuerung des Schalters und für eine Regelung des Ausgangsstroms mittels einer Regelschleife, und Messmittel zur Ermittlung einer Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms umfasst. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Anderung einer Ausgangsspannungsänderung oder des Ausgangstroms mittels des Messmittels erkannt wird, und, wenn eine Anderung erkannt wird, zumindest ein Parameter der Regelschleife geändert wird.

[0027] Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Figuren Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung näher erläutert, wobei die Figuren lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben. Gleiche Elemente in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt

[0028] Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer als Blockschaltbild dargestellten Konverterschaltung gemäß der Erfindung,

[0029] Fig. 2 beispielhafte Signalverläufe zur Umschaltung zwischen Bereichen gemäß der Erfindung, und

[0030] Fig. 3 ein einfaches Ablaufdiagramm für ein Steuerungsverfahren gemäß der Erfindung.

[0031] In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konverterschaltung dargestellt. Hierbei ist als Beispiel eine als Abwärtswandler verwirklichte Konverterschaltung gezeigt, die eine Ausgangsspannung Uaus und einen Ausgangsstrom aus für den Betrieb eines LEDModuls 3 bereitstellt. Die Ausgangsspannung Uaus entspricht einer Lastspannung Ui: über das LED-Modul 3. Der Ausgangsstrom laus entspricht einem Laststrom I_£o für das LED- Modul 3. Die Erfindung kann mit allen anderen getakteten Konvertern ebenso realisiert werden.

[0032] Das LED-Modul 3 umfasst eine oder mehrere LEDs, deren abgegebener Lichtstrom proportional zu dem Ausgangsstrom laus ist.

[0033] Die in Fig. 1 dargestellte Konverterschaltung verfügt über einen Wandlerschaltkreis 1, der wie dargestellt, als Abwärtswandler ausgeführt sein kann. Die Funktion eines Abwärtswandler ist an sich bekannt, so dass im Folgenden lediglich die Grundzüge erläutert werden.

[0034] Ein Schalter 4, meist als ein Transistor ausgeführt, wird angesteuert von einem Steuerschaltkreis 6 periodisch regelmäßig ein- und ausgeschaltet. Ublich sind einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde. Dadurch wird elektrische Energie von der links angeschlossenen Spannungsquelle 2 zu dem am Ausgang der Wandlerschaltung 1 rechts angeschlossenen LED-Modul 3 als Last übertragen. Die beiden reaktiven Schaltelemente Spule (Induktivität) Leuck und die Ausgangskapazität (Ausgangskondensator) Ceuck ermöglichen als Energiespeicher die Versorgung des LED-Moduls 3 in den Phasen, in denen der Schalter 4 geöffnet ist, mit elektrischer Energie. Die Induktivität der Spule Leuck trennt eine hohe Eingangsspannung Uv von dem LED-Modul 3. Der Ausgangsstrom laus kann durch eine geeignete Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters 4 eingestellt werden. Diese Einstellung erfolgt üblicherweise in einer Regelschleife (Regelkreis), um die Ausgangsspannung Uaus und/oder Ausgangsstrom laus auf einen gewünschten Wert zu regeln.

[0035] Bei konstanter Halbleitertemperatur ist der abgegebene Lichtstrom des LED-Moduls 3 annähernd proportional zum elektrischen Strom laus gleich ILeo. Die Strom-Spannungs- Kenmnnlinie einer LED ist eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung UL_LED verursachen große Stroamänderungen des Stroms Iıeo. Eine LED wird aufgrund ihrer Strom-SpannungsKennlinie nicht direkt von einer Spannungsquelle angetrieben, wohl aber ist ein direkter Betrieb an einer Stromquelle, bevorzugt einer Konstantstromquelle, problemlos möglich und üblich. Um einen Lichtstrom abzugeben, muss die anliegende Spannung UL: eine Flussspannung Ur der LED überschreiten.

[0036] Während einer Einschaltzeit Te des Schalters 4 fließt der Ausgangsstrom laus durch die Spule Lsuck und durch die Last; die Diode Deuck sperrt. Während der Ausschaltphase Ta des Schalters 4 wird die in der Induktivität der Spule Leuc« gespeicherte Energie abgebaut: Der Ausgangsstrom Iaus über den Ausgang des Wandlerschaltkreises 1 fließt weiter, nun jedoch durch die Diode Deuck und aus der in dem Kondensator Ceuck« gespeicherten elektrischen Energie.

[0037] Die Spule Leuck und der Kondensator Ceuck bilden einen Tiefpass zweiter Ordnung. Effektiv wird die Abwärtswandlung dadurch erreicht, dass aus der Rechteckspannung der Gleichanteil herausgefiltert wird. Wie hoch dieser übrigbleibende Gleichanteil ist, kann durch das Tastverhältnis eingestellt werden.

[0038] In einer nichtlückenden Betriebsart des Abwärtswandlers (englisch Continuous Current Mode, abgekürzt CCM: kontinuierlicher Betrieb) fällt ein Strom durch die Spule Leucx während des gesamten Schalterperiode nie auf Null, da der Schalter 4 erneut geschlossen wird, bevor die in der Spule Leuck« gespeicherte magnetische Energie vollständig abgebaut ist. Im Gegensatz

dazu sinkt in einem lückenden_Betrieb (englisch: Discontinuous Current Mode, abgekürzt DCM; diskontinuierlicher Betrieb) der Strom durch die Spule Leuck regelmäßig während jeder Schalterperiode auf Null. Die Schalterperiode kann zeitlich in eine dritte Phase eingeteilt werden: Zu den auch im nichtlückenden Betrieb auftretenden Phasen der Energiespeicherung bei geschlossenem Schalter 4 einerseits und der Energiefreisetzung bei offenem Schalter 4 andererseits kommt eine dritte Phase ohne Stromfluss durch die Spule Leuck, In der das angeschlossene LED-Modul 3 ausschließlich aus dem Kondensator Ceuck versorgt wird.

[0039] Ob ein kontinuierlicher oder ein lückender Betrieb vorliegt, hängt von Induktivität, Schaltfrequenz, Eingangsspannung, Ausgangsspannung Uaus und dem fließenden Ausgangsstrom laus ab. Da sich diese Parameter teilweise rasch ändern können, muss im Allgemeinen bei der Auslegung der Schaltung, insbesondere eines Reglers, der Übergang zwischen den beiden Betriebsarten berücksichtigt oder vermieden werden. Die beiden Betriebsarten unterscheiden sich hinsichtlich einer Steuerkennlinie, also der Abhängigkeit der Ausgangsspannung Uaus von einem Tastverhältnis der Schalteransteuerung.

[0040] Die Regelung des Ausgangsstroms Iaus als Regelgröße erfolgt in einer Regelschleife. Die Größe des Ausgangstroms Iaus wird von einem Messmittel 5 erfasst. Insbesondere kann über einen in Serie zu dem LED-Modul 3 Messwiderstand Rwuess (Shuntwiderstand) eine für den Strom repräsentative Größe erfasst werden. Diese repräsentative Größe wird in einem Addierer 7 (Summierer) mit invertiertem Vorzeichen mit einem Sollwert 13 (Führungsgröße) zu dem Ausgangsstrom Iaus addiert, um eine Regeldifferenz zu erzeugen. Die am Ausgang des Summierers 7 ausgegebene Regeldifferenz wird einem Eingang eines Regler 8 zugeführt. Der Regler 8 erzeugt in Abhängigkeit von der an seinem Eingang anliegenden Regeldifferenz 14 ein Ansteuersignal 15 für den Schalter 4.

[0041] Als Regler 8 kann für die Regelung eines Ausgangsstroms l4us vorteilhaft ein Regler 8 mit einer proportional-integralen Regelcharakteristik (Pl-Regler) eingesetzt werden. Der I-Anteil des PI- Reglers gewährleistet eine stationäre Genauigkeit der Regelung, also im eingeschwungenen Fall des Regelkreises. Damit ist nach Ablauf eines Einschwingvorgangs keine bleibende Regelabweichung festzustellen, das heißt die Regeldifferenz ist Null und der Ausgangsstrom laus entspricht in seiner Höhe einem vorgegebenen Sollwert. Aufgrund der gegenüber einem reinen Proportionalregler geringeren Verstärkung Kpı des Pl-Reglers ist der Pl-Regler ein nicht unbedingt schnell auf Veränderungen der Regelgröße, in vorliegenden Fall des Ausgangsstroms, reagierender Regler. Typische Reglerparameter des Pl-Reglers sind eine Zeitkonstante Tr („Nachstellzeit“) und die Verstärkung Kr. Diese Reglerparameter bestimmen die dynamischen und statischen Eigenschaften der Regelschleife, die den Summierer 7, den Regler 8 und die Regelstrecke mit den Elementen des Wandlerschaltkreises 1, insbesondere den Schalter 4 umfasst.

[0042] Der Steuerschaltkreis 6 einer Ausführung der Erfindung umfasst neben dem bereits genannten Summierer 7 und Regler 8 eine Reglerparametersteuerung 10 und eine Sollwertsteuerung 11.

[0043] Die Reglerparametersteuerung 10 einer Ausführung speichert zwei oder mehr Reglerparametersätze, für den Regler 8, wobei sich die Reglerparametersätze in zumindest einem Reglerparameter, beispielsweise der Zeitkonstante Tv und/oder der Reglerverstärkung Kr unterscheiden. Die Reglerparametersteuerung stellt einen ausgewählten Reglerparametersatz in einem Reglerdimensionierungssignal 9 dem Regler 8 zu Verfügung, dessen Reglerübertragungsfunktion entsprechend dem ausgewählten Reglerparametersatz dimensioniert wird.

[0044] Alternativ können mehrere Regler 8 vorgesehen sein, die sich in zumindest einem Reglerparameter unterscheiden, wobei einer der Regler 8 ausgewählt wird.

[0045] Die Sollwertsteuerung 11 ermittelt einen Sollwert für den Ausgangsstrom Iaus. Bekannt, in Fig. 1 jedoch nicht dargestellt, ist es, den Sollwert für den Ausgangsstrom laus entsprechend einer Dimmvorgabe (Dimmwert) einzustellen. Entsprechend einer Ausführung der Erfindung wird der Sollwert 13 zusätzlich entsprechend einem erkannten Betriebszustand der Konverterschaltung eingestellt, wie nachstehend mit Bezug zu Fig. 2 näher erläutert wird.

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[0046] Die Messmittel 5 können in einer einfachen Ausführung einen ersten Messwiderstand Rmess1 umfassen, der in Serie zu dem Ausgangskondensator Ceuck und dem LED-Modul 3 angeordnet ist. Der Messwiderstand Rmess1 kann dazu genutzt werden, eine für einen Summenstrom aus einem Ladestrom Isuc« des Kondensators Ceuck und dem Ausgangsstrom laus, der einem Laststrom IL_zo über das LED-Modul 3 entspricht, repräsentative Größe zu erfassen (messen). Alternativ oder zusätzlich können die Messmittel 5 auch einen zweiten Messwiderstand Rymessz, angeordnet in Serie zu dem LED-Modul 3 und parallel zu der Ausgangskapazität Ceuck, umfassen. Der zweite Messwiderstand Rwmessz ermöglicht es, unmittelbar eine für den Ausgangsstrom laus, der einem Laststrom Iı£o über das LED-Modul 3 entspricht, repräsentative Größe zu erfassen (messen).

[0047] Alternativ oder zusätzlich können die Messmittel 5 einen Spannungsteiler mit Messwiderständen Rmesss und Rmess« aufweisen, wobei der Spannungsteiler parallel zu der Last, also dem LED- Modul 3, angeordnet ist. Der Spannungsteiler teilt die Ausgangsspannung Uaus. Die heruntergeteilte Ausgangspannung kann dann von dem Steuerschaltkreis 6 abgetastet werden.

[0048] Die Messmittel 5 übermitteln die für den Ausgangsstrom laus repräsentative Größe 16 an den Summierer 7 für den Vergleich, insbesondere eine Differenzwertbildung mit dem Sollwert 13 für den Ausgangsstrom laus.

[0049] Die Messmittel 5 übermitteln weiter die für den Ausgangsstrom Iaus und/oder den Summenstrom repräsentative Größe 12 an den Steuerschaltkreis 6 für die Ermittlung eines Sollwerts in der Sollwertsteuerung 11 und/oder der Reglerparametersteuerung 10.

[0050] Der Steuerschaltkreis 6 kann als integrierter Schaltkreis (IC), insbesondere auch als Mikrokontroller ausgeführt sein.

[0051] In Fig. 2 werden beispielhafte Signalverläufe zur Umschaltung zwischen Bereichen gemäß der Erfindung dargestellt. Anhand dieser Signalverläufe wird im Folgenden die erfindungsgemäße Veränderung zumindest eines Parameters der Regelschleife für den Ausgangsstrom laus erläutert.

[0052] In der oberen Teilfigur 2 ist der Verlauf der Ausgangsspannung Uaus entsprechend einer an dem LED-Modul 3 anliegenden Lastspannung U_:> über der Zeit t dargestellt. Dabei wird eine Betriebsphase der getakteten Konverterschaltung nach Einschalten der getakteten Konverterschaltung betrachtet. In dieser Betriebsphase, die zum Beispiel 100 ms dauern kann, wird der Schalter 4 zyklisch ein- und ausgeschaltet. Der Regler 8 wird auf einen konstanten Strom IBuck geregelt. Dieser konstante Strom Isuck lädt in dieser Phase zunächst den Ausgangskondensator Ceuck auf. Da noch kein Ausgangsstrom lAus zur Last fließen kann, steigt die Ausgangsspannung Uaus linear an:

Ceuck x Uaus = IBuck x t; (1)

[0053] In (1) ist Ceuck konstant, es wird auf einen konstante Ladestroms Iguc«k geregelt und Uaus ist die mit der Zeit t linear ansteigende Ausgangsspannung.

[0054] Die Spannung Uaus steigt in einem ersten Bereich der oberen Teilfigur 2, bei angenommenem konstanten Strom linear, also mit einer konstanten Steigung, an. In diesem ersten Bereich ist die Spannung Uaus noch kleiner als die Vorwärtsspannung Ur des LED-Moduls 3, so dass kein oder lediglich ein verschwindend geringer Stromfluss über das LED-Modul 3 erfolgt. Der Ausgangsstrom laus entsprechend dem Laststrom ILep ist nahezu Null. Der Strom fließt als Ladestrom IBuck in den Ausgangskondensator Ceuck.

[0055] Wenn die Spannung Uaus in einen Bereich der Vorwärtsspannung Ur gelangt, beginnt die LED-Strecke des LED-Moduls 3 einen Stromfluss des Ausgangsstroms laus zuzulassen. Die Leitfähigkeit der LED-Strecke wird größer. Eine Steigung des Anstiegs der Ausgangsspannung Uaus verändert, insbesondere verringert sich. Diese Veränderung der Spannungsänderung dUAaus/dt wird gemäß einer Ausführung der Erfindung genutzt, den Zeitpunkt zu bestimmen, um eine Anderung zumindest eines Parameters der Regelschleife vorzunehmen.

[0056] Insbesondere kann der Zeitpunkt für die Änderung des zumindest einen Parameters

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dadurch bestimmt werden, dass der Steuerschaltkreis 6 erkennt, dass die Ausgangsspannungsänderung dUAaus/dt nicht mehr konstant mit großer Anderungsgeschwindigkeit erfolgt, sondern die Ausgangsspannungsänderung dUAus/dt abnimmt. Beispielsweise kann der Steuerschaltkreis 6 eingerichtet sein, zu erkennen, dass eine Änderung d?Uaus/dt? der Ausgangsspannungsänderung dUAaus/dt mit einem Wert kleiner als Null erfolgt, also die Ausgangsspannungsänderung dUAaus/dt mit einer geringeren und nicht mehr konstanten, sondern abnehmenden Anderungsrate erfolgt.

[0057] Damit wird es ermöglicht, erfindungsgemäß zumindest einen Parameter des Regelkreises so zu ändern, dass eine unerwünschte Lichtabgabe des LED-Moduls 3 unterbunden wird.

[0058] In einem weiteren Bereich oberhalb der Vorwärtsspannung Ur ist kein oder ein lediglich sehr geringer weiterer Anstieg der Ausgangsspannung Uaus feststellbar, also dUaus/dt sehr gering bis Null, da in diesem Bereich die charakteristischen Eigenschaften der LED-Strecke des LEDModuls 3 dominieren.

[0059] Zugleich können die Parameter der Regelschleife für den Ausgangsstrom laus für die Zeitdauer tiaden des Ladens des Ausgangskondensators Ceuck SO gewählt werden, dass die Zeitdauer tLapen Möglichst gering wird. Damit wird eine schnelle Abgabe von Licht in einem Einschaltvorgang der Konverterschaltung und eines mit ihr ausgestatteten Betriebsgeräts erreicht.

[0060] Die untere Teilfigur der Fig. 2 stellt dazu den Stromverlauf 17 des Laststroms ILeo in Abhängigkeit von der Lastspannung UL: für eine LED-Modul 3 dar. Mit Erreichen des Werts der Vorwärtsspannung Ur durch die Lastspannung UL: beginnt ein Laststrom ILeo zu fließen, der mit weiter zunehmender Lastspannung UL: stark ansteigt. Der Anstieg des Stroms IL: wird durch die Regelschleife zur Regelung der Ausgangsspannung Uaus auf die Lastspannung ULEp,.Ap und den Laststrom ILeo:4p entsprechend dem eingestellten Sollwert 13 des Ausgangsstroms laus geregelt.

[0061] Wird entsprechend einer Ausführung der Erfindung der zweite Messwiderstand Rmessz ZU einer direkten Erfassung des Ausgangsstroms Iaus genutzt, so ist die Erfassung eines Abschnitts mit veränderter Steigung in dem Verlauf der Spannung Uaus (Knick) nicht erforderlich. In diesem Fall wird die Unterscheidung zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebszustand der Wandlerschaltkreises aufgrund einer Veränderung der Leitfähigkeit des LED-Moduls 3 als Last des Wandlerschaltkreises allein mittels Detektion eines Ausgangsstroms laus als Laststrom I_eo möglich. Insbesondere kann die Anderung zumindest eines Reglerparameters dann ausgeführt werden, wenn der Beginn eines Stromflusses des Stroms laus bzw. IL[0062] Fig. 3 zeigt ein einfaches Ablaufdiagramm für ein Steuerungsverfahren gemäß einer Anwendung der Erfindung. Dabei wird die Erfindung anhand eines Startprozesses für das Hochfahren eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel, beispielsweise mit einer Konstantregelung des Laststroms als Beispiel herangezogen. Das Betriebsgerät umfasst eine Konverterschaltung mit einem Wandlerschaltkreis. Der Wandlerschaltkreis hat mit einen getakteten Schalter und ist zur Erzeugung des Laststroms für das Leuchtmittel ausgelegt. Weiter verfügt der Wandlerschaltkreis über einen Steuerschaltkreis für eine Ansteuerung des Schalters und zur Regelung des Laststroms, sowie Messmittel zur Ermittlung einer Lastspannung oder des Laststroms. [0063] Nach einem Start des Betriebsgeräts wird zunächst in einem Schritt S1 ein erster Parametersatz für den Regler 8 der Regelschleife ausgewählt und gesetzt. Der erste Parametersatz kann beispielsweise eine Regelkreisverstärkung Kr? und eine Nachlaufzeit Tv eines Pl-Reglers der Regelschleife umfassen. [0064] Alternativ oder zusätzlich kann der erste Parametersatz einen vorbestimmten Sollwert 13 für eine Laststrom I_=o umfassen. [0065] Der erste Parametersatz ist bevorzugt darauf ausgelegt, ein schnelles Laden des Ausgangskondensators Ceuckx an dem Ausgang des Wandlerschaltkreis 1 zu gewährleisten. Insbesondere ist die Regelschleife mit dem ersten Parametersatz so ausgelegt, dass die Ausgangsspannung Uaus und damit die Lastspannung UL: möglichst schnell den Wert einer Vorwärtsspannung Vr der Last, insbesondere eine Vorwärtsspannung Vr einer LED, erreicht. Dies erfordert zum Beispiel eine schnelle Steuerung des mittleren Laststroms oder ein Laden des Ausgangs

[0063] Nach einem Start des Betriebsgeräts wird zunächst in einem Schritt S1 ein erster Parametersatz für den Regler 8 der Regelschleife ausgewählt und gesetzt. Der erste Parametersatz kann beispielsweise eine Regelkreisverstärkung Kr? und eine Nachlaufzeit Tv eines Pl-Reglers der Regelschleife umfassen.

[0064] Alternativ oder zusätzlich kann der erste Parametersatz einen vorbestimmten Sollwert 13 für eine Laststrom I_=o umfassen.

[0065] Der erste Parametersatz ist bevorzugt darauf ausgelegt, ein schnelles Laden des Ausgangskondensators Ceuckx an dem Ausgang des Wandlerschaltkreis 1 zu gewährleisten. Insbesondere ist die Regelschleife mit dem ersten Parametersatz so ausgelegt, dass die Ausgangsspannung Uaus und damit die Lastspannung UL: möglichst schnell den Wert einer Vorwärtsspannung Vr der Last, insbesondere eine Vorwärtsspannung Vr einer LED, erreicht. Dies erfordert zum Beispiel eine schnelle Steuerung des mittleren Laststroms oder ein Laden des Ausgangs-

kondensators Ceuck mit einem festgelegten, geeignet gesteuerten elektrischen Strom.

[0066] Während des Anstiegs der Ausgangsspannung Uaus über den Ausgangskondensator Ceuck werden in einer Schleife die Schritte S2 bis S4 durchlaufen, bis eine Abbruchsbedingung erfüllt ist.

[0067] Im Einzelnen wird beispielsweise die Ausgangsspannung Uaus mit einer vorbestimmten Abtastrate entsprechend einer Abtastperiode At abgetastet und jeweils ein Spannungswert der Ausgangsspannung Uaus gemessen. Die Abtastperiode in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung beträgt 1ms. Aus den entsprechend gemessenen Spannungswerten der Ausgangsspannung Uaus und der Abtastrate At kann in einem Schritt S2 eine Steigung, also eine Veränderung der Ausgangsspannung Uaus ermittelt werden:

dUaus/dt = (Uaus n- Uaus »-1) / At (2)

mit der Abtastperiode At, einer Ausgangsspannungsänderung dUAaus/dt, einem gemessen Spannungswert Uaus n für einen ersten Abtastzeitpunkt n und einem gemessenen Spannungswert Uaus »-1 für einen vorhergehenden Abtastzeitpunkt n-1.

[0068] Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Änderung der Ausgangsspannung Uaus oder des Ausgangsstroms laus mittels des Messmittels erfasst wird. Wenn eine erfasste Ausgangsspannungsänderung dUaus/dt oder ein Ausgangsstrom Iaus eine Anderung einer Leitfähigkeit des LED-Moduls 3 signalisiert, ändert der Steuerschaltkreis 6 zumindest einen der Parameter der Lastromregelschleife.

[0069] Anschließend an Schritt S2 wird in Schritt S3 eine Veränderung des Anstiegs der Ausgangsspannung Uaus ermittelt. Diese Ausgangsspannungsänderung dUaus/dt tritt für das Beispiel einer oder mehrerer Leuchtdioden als Last auf, wenn die Ausgangsspannung Uaus und damit auch die Lastspannung UL: den Wert der Vorwärtsspannung Ur der LED erreicht.

[0070] Dies kann in Schritt S3 mittels Ermitteln einer Veränderung der Ausgangsspannungsänderung dUAaus/dt erreicht werden. Für einen nahezu linearen Anstieg der Ausgangsspannung Uaus ist die Ausgangspannungsänderung dUAaus/dt konstant oder nahezu konstant. Bei Erreichen des Werts der Vorwärtsspannung Ur durch die Ausgangsspannung Uaus und Anderung der Leitfähigkeit des LED-Moduls 3 erfolgt ein schnelles Abflachen des Anstiegs der Ausgangsspannung Uaus. Dies kann in der in Fig. 3 gezeigten Ausführung in Schritt S3 durch Ermitteln der Änderung d?Uaus/dt? der Ausgangsspannungsänderung dUA4us/dt erzielt werden.

[0071] Im anschließenden Schritt S4 wird die ermittelte Änderung d?U,=p/dt? der Lastspannungsänderung dU,:p/dt dazu genutzt zu entscheiden, ob sie kleiner als eine Grenze, beispielsweise kleiner als Null ist. Ist dies nicht der Fall, also ist in Schritt S4 der Fall „NEIN“ gegeben, so wird das Verfahren mit dem Schritt S2 fortgesetzt. Damit wird die Regelung des Ausgangstroms laus unverändert mit dem ersten Reglerparametersatz ausgeführt. Die Überwachung des Anstiegs der Ausgangsspannung Uaus wird unverändert fortgeführt.

[0072] Wird hingegen in Schritt S4 bestimmt, dass die ermittelte Änderung d’Uaus/dt? der Ausgangsspannungsänderung dUAaus/dt kleiner als 0 ist, somit Schritt S4 als Ergebnis „JA“ ausgibt, so wird das Verfahren mit dem Schritt S5 fortgesetzt. In dem Schritt S5 wird ein zweiter Reglerparametersatz für den Regler 8 in der Regelschleife gesetzt. Der zweite Reglerparametersatz ist vorteilhaft dafür ausgelegt, einen glatten linearen Verlauf einer Dimmkurve für das LED-Modul 3 als Last des Wandlerschaltkreises 1 verwirklichen. Da erfindungsgemäß das Umschalten auf den zweiten Reglerparamtersatz bereits zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem die LED des LED-Moduls 3 gerade beginnt zu leiten, wird ein blitzartiges Aufleuchten oder Flackern der LED aufgrund der Veränderung der Leitfähigkeit der LED bei Überschreiten der Vorwärtsspannung Ur vermieden.

[0073] Alle beschriebenen, gezeigten und/oder beanspruchten Merkmale können im Rahmen der in den Ansprüchen definierten Erfindung beliebig miteinander kombiniert werden.

[0074] So kann die Erfindung nicht nur für ein geschaltetes Netzteil für einen Wandlerschaltkreis 1 in Abwärtswandlertoplogie (Buck-Konverter, Tiefsetzsteller, Abwärtsregler), sondern auch für weitere schaltende Gleichspannungswandler wie zum Beispiel Wandler in LLC-Resonanzwand-

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N N NS

ler-Topologie genutzt werden.

[0075] Auch sind für die Implementierung der Erfindung, insbesondere des Erkennens einer Änderung der Ausgangsspannungsänderung dUaus/dt, andere als das mit Bezug zu Fig. 3 geschilderte Verfahren der Bildung einer zweiten Ableitung des Ausgangsspannungsverlaufs Uaus möglich. Beispielsweise kann aus den Abtastwerten der Ausgangsspannung Uaus eine lineare Extrapolation des Anstiegs der Ausgangsspannung Uaus und entsprechend zu erwartende künftige Abtastwerte für die Ausgangsspannung Uaus ermittelt werden. Eine Abweichung eines gemessenen Abtastwerts der Ausgangsspannung Uaus von einem für diesen Abtastwert erwarteten prognostizierten Ausgangsspannungswert Uaus kann dann als Auslösebedingung für das Andern des zumindest einen Parameters der Regelschleife in den Schritten S4 und S5 genutzt werden.

Claims (10)

x ‚Hex AT 18 370 U1 2024-12-15 Ss N 8 Ansprüche

1. Konverterschaltung, umfassend

einen Wandlerschaltkreis (1) mit einem getakteten Schalter (4) zur Erzeugung eines Ausgangsstroms,

einen Steuerschaltkreis (6) ausgelegt zur Ansteuerung des Schalters (4) für eine Regelung des Ausgangsstroms mittels einer Regelschleife (1,7, 8), und

Messmittel (5) zur Ermittlung einer Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms,

wobei der Steuerschaltkreis (6) ausgelegt ist, zumindest einen Parameter der Regelschleife (1, 7, 8) zu ändern, wenn eine Anderung einer Ausgangsspannungsänderung oder des Ausgangsstroms erkannt wird.

2. Konverterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass das Messmittel (5) zumindest einen Messwiderstand (Rmess1) umfasst, der eingerichtet ist, einen Summenstrom umfassend den Ausgangsstrom und einen Ladestrom einer Ausgangskapazität (Ceuc«k) des Wandlerschaltkreis (1) zu erfassen, und/oder

einen weiteren Messwiderstand (Rwess2) umfasst, der eingerichtet ist, den Ausgangsstrom, insbesondere ausschließlich den Laststrom des Wandlerschaltkreises (1) zu erfassen.

3. Konverterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

dass der zumindest eine zu ändernde Parameter der Regelschleife (1, 7, 8) ein Sollwert des Ausgangsstroms ist.

4. Konverterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

dass der Steuerschaltkreis (6) einen ersten Sollwert für den Ausgangsstrom einstellt, und

„wenn die Änderung der Ausgangsspannungsänderung oder des Ausgangsstroms eine Anderung einer Leitfähigkeit einer Last (3) signalisiert,

der Steuerschaltkreis (6) einen zweiten Sollwert für den Ausgangsstrom einstellt, wobei der erste Sollwert für den Ausgangsstrom größer als der zweite Sollwert für den Ausgangsstrom ist.

5. Konverterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

dass der zumindest eine zu ändernde Parameter der Regelschleife (1, 7, 8) ein Reglerparameter eines Reglers (8) der Regelschleife (1, 7, 8) ist, und/oder

dass zum Ändern des zumindest einen zu ändernden Parameters der Regelschleife (1,7, 8) zwischen Reglern (8), insbesondere auch Reglern (8) unterschiedlichen Typs, umgeschaltet wird, wobei der Reglerparameter ein Verstärkungsfaktor und/oder eine Zeitkonstante des Reglers (8), insbesondere eines Pl-Reglers ist.

6. Konverterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

dass die Änderung der Ausgangsspannungsänderung und/oder des Ausgangsstroms durch Auswerten periodisch abgetasteter Ausgangsspannungswerte der Ausgangsspannung ermittelt wird oder durch Erfassen eines beginnenden Ausgangsstroms, ermittelt wird.

7. Konverterschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

dass aus den abgetasteten Ausgangsspannungswerten eine Steigung eines Ausgangsspannungsverlaufs ermittelt wird.

8. Konverterschaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Ausgangsspannungsänderung und/oder des Ausgangsstroms als eine Anderung der Leitfähigkeit einer Last (3) erkannt wird.

9. Konverterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

dass der Wandlerschaltkreis (1) eingerichtet ist, den Ausgangsstrom als Laststrom für den Betrieb eines Leuchtmittels, insbesondere eines LED-Moduls (3), zu erzeugen.

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Ss N 8

10. Verfahren zur Steuerung einer Konverterschaltung, wobei die Konverterschaltung

einen Wandlerschaltkreis (1) mit einem getakteten Schalter (4) zur Erzeugung eines Ausgangsstroms, einen Steuerschaltkreis (6) für eine Ansteuerung des Schalters (4) und für eine Regelung des Ausgangsstroms mittels einer Regelschleife (1,7, 8), und Messmittel (5) zur Ermittlung einer Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms umfasst, wobei das Verfahren

eine Änderung einer Ausgangsspannungsänderung oder des Ausgangstroms mittels des Messmittels erkennt (S2, S3, S4), und

wenn eine Änderung erkannt wird, zumindest einen Parameter der Regelschleife (1, 7, 8) ändert (S5).

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen