Beschreibung

Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben mindestens einer LED

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanord ^¬ nung zum Betreiben mindestens einer LED, wobei die Schal- tungsanordnung einen DC-DC-Wandler umfasst, der einen Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsan- schluss umfasst zum Anlegen einer Eingangsspannung, sowie einen Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Aus- gangsanschluss zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung, wobei mindestens eine LED zwischen den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Sie betrifft ü- berdies ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben mindestens einer LED.

Stand der Technik

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Proble- matik resultiert insbesondere aus der Anwendung von LEDs in Microdisplay-Andwendungen für Front- und Rückprojektion. Dabei ist es nötig, den Strom und damit das Licht im μs-Bereich ein- und auszuschalten. Der Strom und damit die Helligkeit des von den LED abgegebenen Lichts sollte einstellbar sein. Es ist zu berücksichtigen, dass die Ströme der für diese Anwendungen eingesetzten LEDs zum Teil über 1 A betragen.

Im Stand der Technik werden zu diesem Zweck bisher lineare Leistungsverstärker eingesetzt. Diese zeichnen sich jedoch durch hohe Verlustleistung und einen daraus resultierenden niedrigen Wirkungsgrad aus. Dies vergrößert die

in anbetracht der hohen fließenden Ströme ohnehin vorhandenen Probleme bei der Ableitung der entstehenden Wärme. Ein direkter Betrieb der LEDs am Ausgang eines DC-DC- Wandlers, beispielsweise eines Tiefsetzstellers, ist ge- genwärtig unter vernünftigem Aufwand nicht möglich, da dazu der Schalter des Tiefsetzstellers im MHz-Bereich angesteuert werden müsste, um ein Ein- und Ausschalten des Lichts im μs-Bereich, insbesondere im Bereich unter 1 μs, zu ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben mindestens einer LED bereitzustellen, bei denen sich die mindestens eine LED auf kostengünstige Art und Weise und bei möglichst niedriger Verlustleistung derart betreiben lässt, dass das Ein- und Ausschalten der LEDs mit Schaltzeiten von bis zu < 1 μs ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 13.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe gelöst werden kann, wenn seriell zu der mindestens einen LED ein elektronischer Schalter angeordnet wird, mit dem der Stromkreis in dem Zweig, in dem die mindestens eine LED angeordnet sind, geschlossen und geöffnet werden kann. Dadurch ist die Ansteuerung der mindestens einen LED vom Verhalten des Tiefsetzstellers abgetrennt. Das Ein- und Ausschalten der LEDs erfolgt un ^¬ abhängig von der Schaltzeit des Schalters des DC-DC-

Wandlers oder etwa im Kreis vorhandener parasitärer Induktivitäten. Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Ansteuervorrichtung zum öffnen und Schließen des ersten Schalters. Zweckmäßigerweise ist se- riell zu den LEDs und dem elektronischen Schalter ein ohmscher Widerstand angeordnet, mit dem der in diesem Zweig fließende Strom eingestellt werden kann.

Durch die Maßnahmen gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Ein- und Ausschalten nicht mehr auf indirekte Weise von dem Schalter des DC-DC-Wandlers abhängig, woraus die äußerst hohen Ansteuerfrequenzen für diesen Schalter resultiert hätten, sondern sie ergeben sich unmittelbar aus entsprechender Ansteuerung des seriell zu den LEDs angeordneten Schalters. Diese Maßnahme ermöglicht demnach zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe die Verwendung eines DC-DC-Wandlers und resultiert dadurch - im Vergleich zu dem im Stand der Technik verwendeten linearen Leistungsverstärkern - in einem hohen Wirkungsgrad, niedriger Verlustleistung und geringer Erwärmung. Zur Regelung des Stroms durch die LEDs kann die am Aus ^¬ gang des DC-DC-Wandlers bereitgestellte Spannung durch entsprechende Ansteuerung des DC-DC-Wandlers variiert werden .

Bevorzugt ist parallel zur ersten Serienschaltung, umfas- send den mindestens einen ohmschen Widerstand, die min ^¬ destens eine LED und den ersten Schalter, mindestens eine weitere derartige Serienschaltung geschaltet, wobei die Ansteuervorrichtung ausgelegt ist, auch den ersten Schalter dieser mindestens einen weiteren Serienschaltung zum öffnen und Schließen anzusteuern. Bevorzugt sind die LEDs der parallelgeschalteten Serienschaltung ausgelegt, Licht

unterschiedlicher Farbe abzugeben. Damit lassen sich beispielsweise LEDs, die rotes, grünes und blaues Licht ab ^¬ geben, zeitlich entweder parallel oder seriell an einem einzigen DC-DC-Wandler betreiben, was in einer äußerst kostengünstigen Anordnung resultiert.

Bevorzugt weist die Schaltungsanordnung weiterhin eine erste Regel- oder Steuervorrichtung auf, zur Regelung o- der Steuerung des Istwerts der Ausgangsspannung auf einen von einer Sollwertvorgabevorrichtung vorgebbaren SoIl- wert. Dadurch lässt sich innerhalb bestimmter Grenzen die Helligkeit des von den LEDs abgegebenen Lichts einstel ^¬ len .

Besonders bevorzugt umfasst jedoch die erste Regelvor ^¬ richtung eine Spannungsmessvorrichtung zur Messung des Istwerts der Ausgangsspannung. Diese Maßnahme trägt dem Umstand Rechnung, dass die LED-Spannung nicht konstant ist und sich sowohl mit dem Strom als auch mit der Herstellcharge ändert. Unter Verwendung einer Spannungsmess ^¬ vorrichtung kann demnach sichergestellt werden, dass die richtige Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung, die am DC-DC-Wandler bereitgestellt wird, und der an der mindestens einen LED abfallenden Spannung eingestellt wird, wobei diese Differenz den Strom durch die mindestens eine LED und damit die Helligkeit des von ihr abgegebene Lichts bestimmt.

Bevorzugt umfasst die Schaltungsanordnung weiterhin eine Sollwertvariationsvorrichtung, die ausgelegt ist, den von der Sollwertvorgabevorrichtung vorgebbaren Sollwert zu variieren. Diese Maßnahme eröffnet die Möglichkeit, den Sollwert in Abhängigkeit eines Signals, insbesondere ei-

nes Videosignals, zu variieren. Besonders bevorzugt um- fasst daher die Sollwertvariationsvorrichtung einen Eingang zur Zuführung eines Videosignals, wobei die Soll ^¬ wertvariationsvorrichtung ausgelegt ist, den vorgebbaren Sollwert in Abhängigkeit des Videosignals, insbesondere in Abhängigkeit der Helligkeit eines Farbanteils, zu va ^¬ riieren. Dadurch lässt sich die am Ausgang des DC-DC- Wandlers bereitgestellte Spannung sinnvoll variieren, d.h. zum Beispiel an die geforderte Helligkeit anpassen, die im ohmschen Widerstand umgesetzte Verlustleistung wird weiter reduziert, was insgesamt einen noch höheren Wirkungsgrad zur Folge hat.

Besonders bevorzugt weist die Sollwertvariationsvorrich ^¬ tung überdies einen Eingang auf zur Zuführung eines In- formationssignals über den Schaltzustand des ersten Schalters, wobei die Sollwertvariationsvorrichtung ausgelegt ist, den Sollwert in Abhängigkeit des Schaltzustands des mindestens einen ersten Schalters zu variieren. Durch diese Maßnahme lassen sich extrem schnelle Ein- und Ausschwingvorgänge erreichen.

Eine bevorzugte Weiterbildung umfasst weiterhin eine zweite Regelvorrichtung zur Regelung mindestens einer Eigenschaft des von der mindestens einen LED abgegebenen Lichts auf einen vorgebbaren Sollwert. Bevorzugt umfasst die zweite Regelvorrichtung dabei einen Lichtsensor zum Sensieren mindestens einer Eigenschaft des von der min ^¬ destens einen LED abgegebenen Lichts. Besonders bevorzugt weist die erste Regelvorrichtung eine um mindestens den Faktor 10 größere Zeitkonstante auf als die zweite Regel- Vorrichtung. Auch durch diese Vorgehensweise lassen sich

besonders schnelle Ein- und Ausschwingvorgänge realisie ^¬ ren .

Am einfachsten erfolgen die Regelungen der ersten und/oder der zweiten Regelvorrichtung durch entsprechen- des öffnen und Schließen des Schalters des DC-DC- Wandlers .

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schaltungsanord- nung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten, soweit anwendbar, auch für das erfindungsgemäße Verfahren.

Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)

Im Nachfolgenden werden nunmehr verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung un- ter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 in schematischer Darstellung den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemä ^¬ ßen Schaltungsanordnung;

Fig. 3 in schematischer Darstellung den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemä- ßen Schaltungsanordnung;

Fig. 4 in schematischer Darstellung den Aufbau eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemä ^¬ ßen Schaltungsanordnung; und

Fig. 5 in schematischer Darstellung den Aufbau eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemä ^¬ ßen Schaltungsanordnung.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

In den nachfolgend beschriebenen Figuren sind gleiche o- der ähnliche Bauelemente mit denselben Bezugszeichen ge ^¬ kennzeichnet. Diese werden nur einmal eingeführt, so dass bei der entsprechenden Figurenbeschreibung lediglich auf die Unterschiede zu den vorher diskutierten Figuren eingegangen wird. Wie für den Fachmann offensichtlich, ist die vorliegende Erfindung, wenngleich in den Figuren am Beispiel eines Tiefsetzstellers dargestellt, auch auf an- dere Arten von DC-DC-Wandlern anwendbar.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin ^¬ dungsgemäßen Schaltungsanordnung. Dabei ist an einen Eingang mit einem ersten El und einem zweiten Eingangsan- schluss E2 eine Eingangsspannung U _e in angelegt. Zwischen den Eingangsanschlüssen El und E2 ist ein Kondensator Ci angeordnet, der die Eingangsspannung U _e in an einen DC-DC- Wandler 10 bereitstellt. Dieser ist vorliegend als Tief- setzsteller ausgebildet und umfasst einen Schalter Sl, eine Diode Dl, eine Induktivität Ll und einen Kondensator C2, wobei am Kondensator C2, d.h. am Ausgang des DC-DC- Wandlers 16, der von einem ersten Al und einem zweiten Ausgangsanschluss A2 gebildet wird, die Ausgangsspannung U _zw , die so genannte Zwischenkreisspannung, an eine Se-

rienschaltung umfassend einen ohmschen Widerstand R, vier LEDs LEDl bis LED4 sowie einen elektronischen Schalter S2 bereitgestellt wird. Die an den vier LEDs LEDl bis LED4 abfallende Spannung ist mit U _LED bezeichnet. Der Schalter S2 wird von einer Ansteuervorrichtung 12 zum öffnen und Schließen des Schalters S2 angesteuert.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind drei gleichartige Serienschaltungen aus jeweils einem Schalter, einem ohmschen Widerstand und vier LEDs am Ausgang Al, A2 des DC-DC-Wandlers 10 parallelgeschaltet. Die erste Serien ^¬ schaltung umfasst einen ohmschen Widerstand Rl, vier LEDs einer ersten Farbe, an denen die Spannung U _LED i abfällt, sowie einen Schalter S21, die zweite Serienschaltung um- fasst einen ohmschen Widerstand R2, vier LEDs einer zwei ^¬ ten Farbe, an denen die Spannung U _LED2 abfällt, sowie ei ^¬ nen Schalter S22 und die dritte Serienschaltung umfasst einen ohmschen Widerstand R3, vier LEDs einer dritten Farbe, an denen die Spannung U _LED3 abfällt, sowie einen Schalter S23. Wie für den Fachmann offensichtlich, kann die Anzahl der LEDs pro Zweig variieren, ebenso können die Farbkombinationen variieren, d. h. eine jeweilige Serienschaltung kann LEDs nur einer Farbe aufweisen, kann jedoch auch eine Zusammensetzung von LEDs unterschiedli- eher Farben sein.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin ^¬ dungsgemäßen Schaltungsanordnung. Diese weist eine Regelvorrichtung 14 zur Regelung des Istwerts der Spannung U _zw auf einen von einer Sollwertvorgabevorrichtung 16 vorge- gebenen Sollwert auf. Der Spannungsteiler aus den ohmschen Widerständen R4 und R5, der parallel zum Kondensa-

tor C2 geschaltet ist, dient als Spannungsmessvorrichtung, wobei die am Widerstand R5 abfallende Spannung der Regelvorrichtung 14 zugeführt wird. Die Spannung wird geregelt durch entsprechende Ansteuerung des Schalters Sl des DC-DC-Wandlers 16.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist überdies eine Sollwertvariationsvorrichtung 18 vorgesehen, die einerseits einen Eingang V aufweist zur Zuführung eines Videosignals, wobei die Sollwertvariationsvorrichtung 18 ausgelegt ist, den von der Sollwertvorgabevorrichtung 16 vorgebbaren Sollwert in Abhängigkeit des Videosignals, insbesondere in Abhängigkeit der Helligkeit eines Farban ^¬ teils, zu variieren. Die Sollwertvariationsvorrichtung 18 weist überdies einen Eingang I auf zur Zuführung eines Informationssignals über den Schaltzustand des Schalters S2, wobei die Sollwertvariationsvorrichtung 18 ausgelegt ist, den von der Sollwertvorgabevorrichtung 16 vorgegebenen Sollwert in Abhängigkeit des Schaltzustands des Schalters S2 zu variieren. Das Informationssignal I wird bevorzugt am Ausgang der Ansteuervorrichtung 12 ausgekoppelt.

Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform weist eine zweite Regelvorrichtung 20 auf, die vorliegend vom selben Bauelement, insbesondere einem Microcontroller, übernom- men wird, der auch die Funktion der Ansteuervorrichtung 12 sowie der ersten Regelvorrichtung 14 übernimmt. Sie umfasst einen Lichtsensor 22 zum Sensieren mindestens einer Eigenschaft des von den LEDs abgegebenen Lichts. Ver ^¬ gleicht man die Zeitkonstanten der ersten 14 und der zweiten Regelvorrichtung 20, so ist besonders bevorzugt, wenn die erste Regelvorrichtung 14 eine um mindestens den

Faktor 10 größere Zeitkonstante aufweist als die zweite Regelvorrichtung 20.