(12) Oversettelse av europeisk patentskrift

Transkript

1 (12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. H0B 33/08 (06.01) Patentstyret (21) Oversettelse publisert (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet (86) Europeisk søknadsnr (86) Europeisk innleveringsdag (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato () Prioritet , WO, PCT/EP08/ (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR (73) Innehaver Lioris B.V., Markt 17, 4931 BR Geertruidenberg, NL-Nederland (72) Oppfinner DE SMIT, Pedro, Langebroekstraat 3, 4944 XH Raamsdonk, NL-Nederland (74) Fullmektig Oslo Patentkontor AS, Postboks 7007 Majorstua, 06 OSLO, Norge (4) Benevnelse Pulserende krafttilførsel, LED-belysningssystem og driver omfattende det samme (6) Anførte publikasjoner DE-A JP-A US-A US-A WO-A1-09/0821

2 1 Foreliggende oppfinnelse er relatert til en pulserende krafttilførsel. Det er også knyttet til et LED-belysningssystem og driver som utgjør en slik pulserende krafttilførsel. 1 2 Pulserende krafttilførsler er kjent i faget. Disse anordninger kan brukes for å omdanne et alternerende signal fra en strømnettet, f.eks. 2 til 0 Hz, til et DC- eller AC-signal med forskjellig amplitude. Den pulserende krafttilførselen ifølge den foreliggende oppfinnelsen er hovedsakelig rettet mot å transformere et vekslende elektrisk forsyningssignal til et DC-signal, hvori DC-signalet blir brukt til å mate en last. En pulserende krafttilførsel omfatter vanligvis en likeretter som er arrangert for å konvertere et strømforsyningssignal gitt som dets inngangssignal, for eksempel fra et ledningsnett, til et likerettet strømforsyningssignal som kommer som utgangssignal. Den inneholder også et energilager for lagring av elektrisk energi. Denne energilagringen kan være koblet til lasten som skal mates. I denne lagring kan, elektrisk felt energi og eller magnetisk felt energi eller elektromagnetisk energi i sin alminnelighet, lagres. Videre tilførsel omfatter et styrbart svitsjeelement som er koplet til energilagringen. Koplingselementet er anordnet til å slå på den pulserende krafttilførselen mellom en ladetilstand, hvori energilagringen er belastet av likeretteren via ladningstransport fra likeretteren, og en utladningstilstand, hvor energilagringen frigjør i det minste en del av den elektriske energien som er lagret deri til lasten. Ladningstransport, slik som strøm, resulterer i oppbygning av energi i energilagringen. For eksempel gir strøm gjennom en spole opphav til et magnetisk felt. Energien forbundet med dette feltet kan bli gjenvunnet hvis spolen er utsatt for en negativ strøm forandring. En pulseringselementkontroller brukes til styring av pulseringselementet. Det er arrangert for å kontrollere bildeskiftelementet for å koble den pulserende krafttilførselen fra ladetilstand til utladningstilstand når ladningstransporten overstiger en gjeldende grense. Under drift, veksler de pulserende strømforsyningene mellom ladetilstand og utladingstilstand ved en svitsjefrekvens som er vesentlig høyere enn en frekvens på det likerettede strømforsyningssignalet. Som sådan, i en periode av likerettet strømforsyningssignal, forandrer den pulserende krafttilførselen tilstand flere ganger. Typisk er koblingsfrekvensen på tilførselen i størrelsesorden khz-mhz, sammenlignet med en frekvens på omtrent 0-1 Hz for det likerettede forsyningssignalet.

3 2 Nylig, har LED-baserte belysningsløsninger dukket opp på markedet som kan konkurrere med de tradisjonelle glødelampene eller lysstoffrør. LED-basert belysning er mer energieffektivt og har en lengre levetid enn tradisjonelle belysningsprodukter. 1 LED-basert belysning omfatter typisk et flertall av lysdioder, som er styrt av en LED-driver. Vanligvis omfatter LED driveren i seg selv en koblingsnettforsyning. Spesielt for innenlandske belysningsløsninger, kan LED-driveren som normalt kobles til strømnettet, f.eks. 1 V eller 2 V, til hjemmenettet. En typisk kretskonfigurasjon av en kjent LED-baserte belysningsenhet er skjematisk vist i figur 1A. Anordningen omfatter en LED-driver 1 som driver et flertall av lysdioder LED-1 LED-X. Driveren omfatter en likeretter 2 som utfører en dobbellikeretting på et vekslende strømforsyningssignal på sine inngangsterminaler 3, 3', f.eks. 0Hz. Det likerettede signalet blir matet til LED-1 LED-X gjennom bryterelementet 4, som fører til en tidsvarierende strøm gjennom LED-1 LED-X. Frekvensen til den tidsvarierende strøm LED en, som svarer til svitsjefrekvensen, er vesentlig høyere enn frekvensen til det likerettede strømforsyningssignalet. Svitsjemodusdriften av lampene forbedrer virkningsgraden sammenlignet med situasjonen der lampene er koplet til likeretteren direkte, riktignok ved hjelp av en motstand koblet i serie for å begrense strømmen. 2 Et problem med disse kjente LED-basert belysningsenhetene, eller LED driveren, er den lave effektfaktoren og høy harmonisk forvrengning som er vanlig i forbindelse med sterkt ikke-lineære enheter. En lav effektfaktor indikerer at en betydelig del av kraften levert til LED-belysningssystemet er reaktivt. Reaktiv effekt er en utfordring for energi leverandører ved at den ikke bidrar til effekttapet / brukes av forbrukeren, men det øker belastningen på strømnettet på grunn av høye strømmer og / eller spenninger som kan oppstå i dem. Et annet problem i forbindelse med ikke-lineære elektroniske enheter er harmonisk forvrengning som innfører uønskede høye frekvenskomponenter i nettverket. Disse signalene kan forstyrre andre komponenter som er koblet til nettverket. Typiske I-V karakteristikker til en kjent LED-baserte belysningsenhet er illustrert i figur 1B. Som vist, er strømmen bare trukket fra strømnettet når spenningen er høy. I tillegg er strømmens bølgeform ikke sinusformet, og ute av fase i forhold til den påtrykte spenning. Som et resultat av disse faktorer, er effektfaktoren lav og harmonisk forvrengning høy.

4 3 En den pulserende krafttilførselen i samsvar med innledningen til krav 1 er kjent fra US 08/ A1. En ytterligere tidligere kjent strømforsyning er beskrevet i DE A1. Det er en hensikt å tilveiebringe en pulserende krafttilførsel i stand til å operere med en høy effektfaktor i hvilken de ovenfor nevnte ulemper ikke forekommer, el- ler i det minste i mindre grad. Denne hensikten oppnås med pulserende krafttilførsel i henhold til krav Strømmen som trekkes fra likeretteren varierer på en vesentlig høyere frekvens enn den spenning som avgis fra likeretteren. I et lite nok tidsrom, kan spenningen bli betraktet som konstant, mens strømmen er gjenstand for variasjon, for eksempel i løpet av dette tidsintervallet at den pulserende krafttilførselen vil endre tilstander en rekke ganger. Under lademoduset til den pulserende krafttilførselen, er strømmen holdt innenfor en gjeldende grense proporsjonal med en umiddelbar spenning til det likerettede strømforsyningssignalet. Følgelig, under de ovenfor nevnte tidsrom er den gjennomsnittlige strømmen som er trukket i den vesentlige proporsjonal med den utgående spenningen som resulterer i den ønskede høye effektfaktoren. Strømgrensen er relatert til ladningstransporten fra likeretteren. Den aktuelle grense kan svare til den maksimale strømmen i løpet av varigheten av ladetilstanden. I dette tilfellet er den pulserende strømmen fra strømforsyningen til utladningstilstanden hvis strømmen levert av likeretteren overskrider en maksimalverdi som er proporsjonal med den øyeblikkelige spenning som avgis fra likeretteren. Den gjennomsnittlige strømmen under varigheten av ladetilstanden kan anvendes som strømgrense. I dette tilfelle ikke den maksimale verdien, men den gjennomsnittlige verdien beregnet over varigheten av ladenivået anvendt som strømgrense. Vanligvis vil strømmen gradvis øke etter at det byttes til ladetilstand. Som en følge av dette vil det krevede gjennomsnittet bare oppnås etter en viss tid i løpet av ladetilstand. Den aktuelle grensen kan svare til den gjennomsnittlige strømmen under den kombinerte lengden av ladetrinnet og utladningstrinnet. I dette tilfelle beregnes den gjennomsnittlige strømmen over total tid til ladetilstand og utladningstilstand. Følgelig, på utgangen av likeretteren blir en viss gjennomsnittlig strøm levert til den resterende av kretsen som er proporsjonal med den øyeblikkelige spenning. Effektivt blir en høy effektfaktor oppnådd.

5 Ved bruk av en gjennomsnittlig strømbestemmelse som beskrevet for to utførelser ovenfor, er en ikke-linearitet av lasten til å bli drevet av mindre betydning enn å arbeide med maksimal strøm. Med lineære belastninger kan en korrelasjon finnes mellom den gjennomsnittlige strømmen og den maksimale strømmen under en ladetilstand, proporsjonalitetskonstanten, avhengig av formen på det nåværendetidskurven. Et problem med ikke-lineære belastninger, er at formen av denne kurve kan endre seg betydelig med den øyeblikkelige spenning som avgis fra likeretteren. Ved hjelp av et strømgjennomsnitt i stedet for et strømmaksimum unngår man dette problemet. Likevel, ved å bruke en maksimal strøm som strømgrense muliggjør man en meget enkel løsning for å bli brukt som i de fleste tilfeller gir en tilfredsstillende løsning. Hvis den pulserende krafttilførselen brukes til å kjøre lysdioder, vil den ikke-lineær oppførselen være mest dominerende ved lav strøm og eller spenninger. Ved høyere verdier vil seriemotstanden til lampene være mer synlig. Men den høye strømdelen av operasjonen, hvor enhetene blir mer lineære, har den største innflytelsen på effektfaktoren. Dette gjør at høye effektfaktorer er oppnåelig ved hjelp av maksimal strømgrenser. For å bestemme den gjennomsnittlige strømmen, kan bryterelementregulatoren omfatte en tidsmåler for å bestemme en relevant varighet, f.eks. varigheten av ladetilstanden, og eller utladningstilstanden. Videre er bryterelementregulatoren fortrinnsvis anordnet for å måle en strøm som svarer til den ladningstransport, og for å bestemme den gjennomsnittlige strømmen ved å integrere den målte strøm over tid, og ved å dividere den integrerte strømmen ved den aktuelle varigheten. I tilfelle en gjennomsnittlig strøm bestemmes for den kombinerte lengden til ladnings- og utladningstilstanden, kan det være mulig først å bestemme varigheten av en utladningstilstand og deretter for å bestemme varigheten av en etterfølgende ladetilstand, og å legge sammen disse to verdier. I tilfelle varigheten av de forskjellige tilstandene ikke er fastsatt i en forutbestemt måte, iverksetter denne sekvensen et gjennomsnitt so skal fastsettes mens den pulserende krafttilførselen er i ladetilstand. Den gjennomsnittlige strømmen sett fra et perspektiv av likeretteren kan også være påvirket av varigheten av utladningstilstanden. Normalt leverer ikke likeretteren en vesentlig strøm i løpet av denne perioden, som et resultat av hvilke den gjennomsnittlige strømmen sett av likeretteren er lavere enn den gjennomsnittlige strømmen i løpet av ladeperioden. Hvis den kombinerte lengden av ladnings- og utladningstilstand holdes konstant eller i det minste til en på forhånd godkjente eller kjente verdier, er den gjennomsnittlige strømmen relatert til den gjennomsnittlige strømmen under ladetilstand med en konstant faktor.

6 I en annen eller ytterligere utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen, er varigheten av den forutbestemte tilstanden og utladningen kjent. Dette gir et gjennomsnitt som skal bestemmes mens den pulserende krafttilførselen er i en ladetilstand Under utladningstilstanden, er belastningen fortrinnsvis utelukkende matet ved frigjøring av elektrisk energi fra energilageret. Videre blir belastningen fortrinnsvis i det minste delvis matet av likeretteren i løpet av ladetilstanden. Videre blir ladningstransport fra likeretteren fortrinnsvis begrenset til ladetilstanden. Fig. 2 viser en skjematisk utførelsesform som viser det generelle konseptet ved foreliggende oppfinnelse som er beskrevet så langt. Den pulserende krafttilførselen i figur 2 består av en likeretter, et energilager 6 som er koblet eller kan kobles til en last 9, et pulseringselement i form av en transistor 7, og en bryterelementregulator 8. Transistor 7 er anordnet slik at enhver ladningstransport fra likeretteren under i det minste en ladetilstand vil også flyte gjennom denne transistoren. Det burde være åpenbart for fagmannen at også andre arrangementer av pulseringselementet er mulig, selv ordninger som ikke er inkludert en transistor per se. En viktig side av pulseringselementet er muligheten for å skifte den pulserende krafttilførselen mellom de forskjellige tilstander. Pulseringselementet 7 styres av bryterelementregulatoren 8. Denne regulatoren får en spenning proporsjonal med den likerettede spenningen på utgangen av likeretteren, og en strøm 11 som svarer til ladningstransporten fra likeretteren til energilageret 6 i løpet av ladetilstand. I ladetilstand, leverer likeretteren en tidsvarierende strøm til energilageret 6. Fortrinnsvis vil i det minste en del av denne strøm også flyte til lasten 9. Når strømmen fra likeretteren når en strømgrensen, vil regulatoren 8 stenges av transistoren 7 derved forbyr dette noe ytterligere strøm gjennom denne transistoren, og, i dette tilfellet på grunn av arrangementet av den andre transistoren, fra likeretteren. Etter dette byttet til utladningstilstand, vil energilageret 6 frigi minst en del av den lagrede energi til å laste 9. I løpet av denne tiden, vil likeretteren ikke leverer betydelig strøm til energilageret 6. Figurene 3A og 3B illustrerer de aktuelle egenskaper kontra tid for strømmen som trekkes fra likeretteren, og strømmen gjennom belastningen, respektivt. Under ladetilstand, den strømmen som trekkes fra likeretteren, som flyter til energilageret 6 og belastningen 9, øker lineært. Under utladningstilstanden, energilageret 6 frigjør sin energi ved å gi en lineært avtagende strøm å motstanden 9. Den gjennomsnitt-

7 lige strømmen trekkes fra likeretteren, bestemt for den kombinerte lengden av utladningstilstand (D) og ladetilstand (S), angis av linjen 12, som er proporsjonal med den maksimale strømmen som indikert ved linjen 13. Forutsatt at den trekantede formen er uavhengig av den øyeblikkelige spenningen på utgangssiden av likeretteren, blir en gjennomsnittlig strøm trukket fra likeretteren som er proporsjonal med den utgående (momentan) spenningen. Det burde være åpenbart for fagmannen at de spesielle strømegenskapene avhenger av komponentene som brukes. En lineært økende strøm for eksempel tilsvarer en induktor som energilagringselementet. I eksempelet ovenfor, er varigheten av oppladings-/utladingstilstanden konstant. Videre ble den triangulære formen på strømmen antas å være uavhengig av den spenning som avgis fra likeretteren. Følgelig vil både en strømgrense som svarer til den maksimale strømmen, og en strømgrense som svarer til den gjennomsnittlige strømmen under ladetilstanden tilveiebringe et system med en sterkt forbedret høy effektfaktor. Figur 4 illustrerer en alternativ utførelsesform som viser det generelle konseptet, hvor kun de deler som er annerledes enn i figur 2 er illustrert. I figur 4, er den målte strømmen matet til en integrator 14. I tillegg er en tidtaker 1 inkludert som startes direkte etter en bryter fra utladningstilstanden til ladetilstanden. Utgangssignalet fra integratoren 14 tilføres til skillelinjen 16 som skiller den integrerte strømmen ved hjelp av tidtakningsverdien. Dette vil gi gjennomsnittsstrømmen i løpet av ladeperioden. Denne verdien blir matet tilbake til bryterelementregulatoren 8. Fordelen ved denne kretsen er at den er mindre utsatt for ikke-linearitet av lasten som kan for eksempel forandre den trekantede formen i figurene 3A og 3B. I tillegg kan en forskyvning 17 innføres ved hjelp av en tilleggsblokk 18 som svarer til varigheten av utladningstilstanden som er forutbestemt, og eller kjent. Denne verdien kunne forholde seg til utladingsperioden etter strøm ladningsperioden eller det kunne forholde seg til en tidligere utladningsperiode eller til begge. Alternativt kan tidtakeren 1 ses bort fra dersom offset omfatter total tid til oppladnings- og utladningstilstander, for eksempel fordi denne varigheten har en fast og eller kjente verdi. I en foretrukket utførelsesform omfatter den pulserende krafttilførselen en spenningsmåler for måling av en spenning som er proporsjonal med momentan spenning sendt ut av likeretteren, og en ladningstransport måler for måling av ladningstransport. Det omfatter videre en komparator for å sammenlikne den målte ladningstransporten til strømgrensen, hvori komparatoren er videre arrangert for å

8 7 sende ut et sammenligningssignal indikativ for hvorvidt den aktuelle grense er overskredet eller ikke. I dette tilfellet er bryterelementet styrbart i avhengighet av sammenligningssignalet Som nevnt tidligere, er det foretrukket å arrangere pulseringselementet slik at i løpet av ladetilstanden, ladningstransporten fra likeretteren er gjennom koplingselementet. Det er fordelaktig dersom spenningsmåleren omfatter en resistiv spenningsdeler som er koblet til utgangen fra likeretteren, og hvis ladningstransportmåleren omfatter en motstand koblet i serie med bryterelementet. I dette tilfellet er ladningstransportmåleren anordnet for å bestemme et spenningsfall over motstanden. Denne konfigurasjonen gir kontroll over strømmen fra likeretteren og det gir en relativt enkel måte å skaffe informasjon om ladningstransporten. Vanligvis er bryterelementet en FET-transistor med sin kilde koblet til jord via en liten motstand. Denne samme motstanden blir så brukt for å bestemme strømmen gjennom transistoren, som for det arrangement som er nevnt ovenfor svarer til den strømmen som trekkes fra likeretteren. Etter byttet fra ladetilstand til utladningstilstand, synker den strømmen som trekkes fra likeretteren, og hvis relevant, gjennom pulseringselementet, sterkt. Derfor kan ladningstransportmåleren ikke bare fungere for å bestemme når man skal bytte tilbake til ladetilstanden. I henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen omfatter den pulserende krafttilførselen ytterligere holdeorgan, fortrinnsvis anordnet mellom komparatoren og pulseringselementet, for å holde en verdi av sammenligningssignalet, fortrinnsvis etter en forutbestemt tidsperiode etter deteksjon av høyst fartsgrense. På denne måten, er energilageret i stand til å frigjøre sin energi før en annen ladesyklus begynner. Tidspunktet for ladning og utladning eller tilstand kan tilveiebringes dersom den pulserende krafttilførselen omfatter en oscillator som sender ut et svingende signal med en frekvens vesentlig høyere enn frekvensen til det likerettede elektriske forsyningssignalet, hvori koplingselementet er anordnet for å slå den pulserende krafttilførselen til ladetilstanden i avhengighet av det oscillerende signalet. I en ytterligere utførelsesform er koplingselementet kontrollerbart for å skifte den pulserende krafttilførselen til ladetilstanden i avhengighet av både den holdte verdien av sammenligningssignalet og det svingende signalet. I henhold til en utførelsesform, blir ladetilstanden avgitt når oscillatoren avgir en logisk høy verdi, og hvis den holdte verdien også er høy. Denne sistnevnte verdien svarer til den situasjonen hvor den målte strømmen er lav, noe som gjelder for utladningstilstanden.

9 8 Ved å benytte en oscillator tillater det videre at den kombinerte lengde av ladningstilstanden og utladningstilstanden som skal bestemmes. 1 Eventuelle uønskede høye frekvenskomponenter kan filtreres ut ved hjelp av filtreringsanordningen som er koblet til likeretterutgangen. Dette hindrer injeksjon av høyfrekvente komponenter tilbake i ledningsnettet for eksempel via utgangen fra likeretteren. I en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen omfatter energilageret en spole, selv om kapasitive elementer også kan anvendes. Denne spolen kan være anordnet i mellom likeretteren og pulseringselementet, hvori lasten er forbindbar i serie med induktoren. I tillegg kan en linjeslutt diode koples i parallell med seriekoblingen av lasten og en induktor eller energilager generelt. Linjeslutt dioden er anordnet slik at den utfører under utladningstilstand, hvor det forenkler frigjøringen av energi fra energilagringen til lasten. Den blokkerer under ladetilstand, og tvinger strøm til å kjøre gjennom energilagringen og belastningen, og eventuelt gjennom vekslingselementet. I en annen foretrukket utførelse omfatter et energilager en primær spole i en transformator. I dette tilfellet er lasten er forbindbar til en sekundær spole på transformatoren. Denne konfigurasjonen tilsvarer en linjeslutt transformator topologi. 2 Som nevnt ovenfor, kan pulseringselementet omfatte en transistor. Denne transistor vil heretter bli referert til som første transistor. Under arbeidsvilkår, har denne første transistoren fortrinnsvis en "av" tilstand der den blokkerer strøm, og en "på" tilstand der den er ledende. Disse tilstandene korresponderer til nevnte utladningstilstand og ladetilstand, hhv. Den pulserende krafttilførselen er spesielt godt egnet for kjøring av lysdioder på grunn av sin evne til å takle høye ikke-lineære enheter. Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer et LED-belysningssystem som omfatter en lysemitterende diode (LED) og en LED-driver for elektrisk å drive LED, hvori LED-driveren omfatter den pulserende krafttilførselen som definert tidligere. I en utførelsesform av dette LED-belysningssystemet, er energilageret, for eksempel en spole koblet i serie med lampen, hvori seriekobling av energilageret, og lampen har en første node, for eksempel nærmest anoden til LED en, og en andre node, for eksempel nærmest katoden av LED en. LED-driveren omfatter videre en linjeslutt diode plassert parallelt med seriekoblingen av energilageret og LED, hvori linjeslutt dioden har sin katode koblet til den første noden og sin anode koplet til

10 9 den andre noden. I denne konfigurasjonen er den andre noden koblet til pulseringselementet. 1 2 I en alternativ utførelsesform av LED-belysningssystemet ifølge den foreliggende oppfinnelse blir energilageret koblet i serie med lampen, hvori seriekoblingen av energilageret, og lampen har en første node som ligger nærmest anoden til LED en, og en andre node nærmest til katoden til LED en. LED-driveren omfatter videre en andre transistor som er lagt i parallell med seriekoblingen av energilageret og LED en, hvori den andre transistoren er styrbar ved koplingselementets kontroller via en inverter slik at den første og den andre transistoren opererer i motsatte tilstander, og hvor nevnte andre knutepunkt er koblet til den første transistoren. For å forbedre effektiviteten av LED driveren, og dermed LED-belysningssystemet, i "av" tilstand, som blir hovedsakelig bestemt av mot-spenningen til linjeslutt dioden, kan linjeslutt dioden bli erstattet av en annen transistor. Denne transistoren er styrbar ved hjelp av nevnte pulseringselementregulator, for eksempel en transistordriver, fortrinnsvis gjennom en vekselretter, slik at nevnte første og nevnte andre transistor opererer i motsatte tilstander. Derfor, når den første transistoren er i "av"-tilstand, flyter strømmen fra induktansen gjennom lampene og den andre transistor, som i dette tilfelle er i "på"-tilstand. Dimming av LED-baserte belysningssystemer som er typisk triac basert, er vanskelig på grunn av den relativt lave kraften som trengs av disse systemene. Vanligvis er disse kreftene for lave til å muliggjøre riktig dimming. Dette problemet kan omgås ved hjelp av en ytterligere eller alternativ utførelse av LED-belysningssystemet ifølge den foreliggende oppfinnelse som omfatter en tredje transistor som er koblet til utgangen på likeretteren. Denne transistoren ligger i serie med en ohmsk belastning, og er styrbar ved pulseringselementregulatoren, hvori den tredje transistoren og pulseringselementregulatoren er innrettet for å gi en intern motstandslast under ladning og utladning eller tilstand. Lastingen hindrer en triac fra å slukke tidlig. Hvis varigheten av hver tilstand er mye kortere enn den andre tilstanden, kan den resistive lastingen bli valgt til å forekomme bare under en begrenset tidsperiode. Ved å velge passende verdier for motstanden, kan hensiktsmessig dimming derfor realiseres med lave energitap. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer også en elektronisk LED driver for bruk i et belysningssystem, hvori LED-driveren er anordnet som ovenfor definert. 3 Deretter vil den foreliggende oppfinnelsen bli beskrevet nærmere under henvisning til de ledsagende tegninger, hvor:

11 Figur 1A og 1B presentere en skjematisk illustrasjon av et kjent LED-belysningssystem, og typiske I-V egenskaper med et slikt system; Figur 2 viser en utførelsesform som viser det generelle prinsippet for foreliggende oppfinnelse; Figurene 3A og 3B viser mulige bølgeformer som svarer til utførelsesformen i figur 2; Figur 4 viser en videre utvikling av utførelsesformen i figur 2; Figur viser en skjematisk illustrasjon av et LED-belysningssystem i henhold til den foreliggende oppfinnelsen; Figur 6A 6N illustrerer forskjellige bølgeformer som svarer til utførelsesformen i figur, og Figurene 7 og 8 avbilder andre utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelsen. 1 2 Figur viser en skjematisk illustrasjon av et LED-belysningssystem i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Systemet omfatter en pulserende krafttilførsel eller LEDdriver som er forbindbar til en eller flere LED er, som illustrert. Bruken av dette systemet vil nå bli beskrevet under henvisning til figurene 6A 6N. Først ved punktene 19 og, er vekselspenning fra et el-nett tilbudt, se figur 6A. I denne figuren, så vel som de gjenværende tallene Vx>y betegner spenningen mellom punktene x og y som er illustrert i figuren. Den vekselspenningen er utbedret av likeretter D1, se figur 6B. Ved hjelp av en motstandsdeler omfattende motstander R1 og R2, et referansesignal blir generert som har en lineær sammenheng med likerettet elektrisk forsyningssignal, se figur 6C. En oscillator 31 er forsynt med en fast frekvens, som er vesentlig større enn frekvensen av det likerettede elektriske forsyningssignalet. Oscillatoren genererer grunnsignalet for timingen av driveren/strømforsyning. En utgang fra oscillatoren 31 er vist i figur 6D. Noen tilsiktede frekvensvariasjoner i frekvensen til signalet som avgis fra oscillatoren kan ha gunstige virkninger på elektromagnetisk kompatibilitetsegenskaper for strømforsyningen eller driveren. Disse effektene kan oppnås ved å anvende en spektral spredningsteknikk til de strømmer og spenninger i systemet. Dette unngår spektrale topper på bestemte frekvenspoeng. I tilfelle ingen tilbakekobling anvendes, i motsetning til hva som skal beskrives videre, vil et signal bli brukt til pulseringselementet T via en logisk OG-port 32 som er identisk med utgangssignalet fra oscillatoren 31, se figur 6E.

12 11 Den faktiske tilbakekoblingen, og dette er et viktig aspekt ved den foreliggende oppfinnelse, er mulig fordi strømmen gjennom pulseringselementet T flyter også gjennom motstanden R3. Spenningsfallet over denne motstanden mates tilbake til en komparator 33, som sammenligner spenningen til referansesignalet. Så snart spenningen R3 overskrider verdien av referansesignalet, endrer komparatoren 33 utgangsnivået fra høy til lav. På grunn av at referansesignalet er lineært proporsjonalt med det likerettede elektriske forsyningssignalet, vil utgangen fra komparatoren 33 være høy for en lengre tidsperiode for høyere verdier av det likerettede elektriske forsyningssignalet. Følgelig kan strømmen IR3 gjennom pulseringselementet T oppnå en høyere verdi under disse betingelsene. Strømstyrken kan avhenge av mange faktorer i kretsen, men under de fleste forhold vil den vise topper som svarer til en sinusformet trend, se figur 6F. 1 2 Ved frakobling av strømkomponentene i oscillator- eller svitsjefrekvensen ved C1, gjeldende på inngangen, punkt 19 og, viser en sinusformet trend med en frekvens som i ledningsnettet. Videre er denne trenden praktisk talt i fase med ledningsnettet. Verdien av C1 påvirker faseforholdet mellom spenning og strøm på ledningsnettet. Imidlertid kan tilstrekkelig frakobling oppnås ved høye effektfaktorverdier (> 0,9) som angitt i figur 6A. Utgangssignalet fra komparatoren 33 blir matet til en tidskrets 34. Denne kretsen vil drive utgangssignalet ved punkt 28 lavt direkte etter en overgang fra høy til lav ved komparatorutgangen. Bare ved en neste stigende flanke av signalet fra oscillatoren 31 sin timing krets 34 vil bli drevet igjen som forårsaker utgangen å oppnå en høy verdi, se figur 6G. Denne operasjonen gir en blokkerende drift av pulseringselementet T så snart som den maksimalt tillatte strømmen gjennom motstanden R3 er oppnådd. Pulseringselement T er bare brakt tilbake til en ledende tilstand, og dermed den pulserende krafttilførselen i ladetilstand, ved starten av en ny syklus av oscillator 31, se figur 6H. Under påvirkning av oscillator 31 og tilbakemeldingene i den pulserende krafttilførselen, vil en strøm gjennom R3 gi et resultat som vist i figur 6I. Den samme trenden er synlig mellom punktene 21 og 26, se figur 6J. Fordi under sperring av pulseringselementet T (utladings tilstand), kan energien lagret i induksjonsspolen L bli sluppet gjennom dioden D2 og brukes av lampen(e), at strømmen gjennom induksjonsspolen L har en sagtannet form. Gjennomsnitts-

13 12 verdien av disse har en sinusformet form, som er i fase med hovednettverk, slik som vist i figur 6K Kondensatoren C2, som er lagt inn over lampen(e), fører til at strømmen og spenningen gjennom og over lampen(e) jevner seg ut. Resultatet er vist i figur 6L. Kapasitansverdien til kondensatoren påvirker ikke faseforhold ved inngangen av LEDdriveren / den pulserende krafttilførselen betraktelig, fordi det bare er synlig i løpet av ladetilstand. Figur 6M viser forholdet i tid mellom de forskjellige bølgeformene som er beskrevet så langt. I dette tallet, er romerske tall brukt for å referere til de relevante tallene, refererer f.eks. VI D til figur 6D. Figur 6N viser skjematisk bølgeformen av strømmen gjennom lampene med og uten C2. Uten C2, varierer strømmen mellom et maksimum- og et minimum Imax Imin. Med C2 er de høye frekvenskomponentene fjernet. I begge tilfeller, viser den gjennomsnittlige strømmen en sinusformet trend i fase med og proporsjonalt med spenningen som avgis fra likeretteren. Følgelig vil den pulserende krafttilførselen i henhold til oppfinnelsen viser en høy effektfaktor. Figurene 7 og 8 avbilder andre utførelsesformer til den foreliggende oppfinnelsen. I figur 7 er det vist en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. I henhold til denne utførelsesformen omfatter LED-belysningssystemet en diodebrolikeretter D1. Det likerettede signalet blir matet til induktansen L1 som er koblet i serie til et flertall av lysdioder (LED-1 LED-X). En linjeslutt diode D er plassert parallelt med denne seriekoblingen slik at de tilsvarende dioder, f.eks. LED-1 og D, er anti-parallelle. På katodesiden av LED-X, angitt med CON4, blir serieparallell-kombinasjonen som er koblet til N-kanalen MOSFET T1. Motstanden R er i serie med T1, og blir brukt under "på"-tilstand av T1 til å måle strømmen gjennom LED-1, slik det vil bli diskutert senere. Porten til T1 er drevet av en transistor-driver IC1, f.eks. MLX803 fra Melexis eller HV99 fra Supertex. I utførelsesformen som er vist i figur 7, brukes MLX803 og derfor vises bare de relevante pin navnene på MLX803. Deretter vil driften av LED-belysningssystemet bli diskutert i detalj. Som en starttilstand antas det at T1 er åpen, f.eks. lav-ohmsk. En strøm vil flyte gjennom L1, LED-1 LED-X, T1 og R til jord. På grunn av beskaffenheten av L1, vil denne strømmen gradvis øke og derved lagre magnetiske energi i induktansen. Strømmen gjennom LED-1 blir avfølt ved hjelp av spenningen over R. Denne spenningen mates til Rsense pin til IC1. Når strømmen har overskredet en viss for-

14 13 håndsbestemt grense, som kan justeres ved hjelp av en spenning på Vref pinnen, slår transistor driver av T1. Følgelig vil induktansen begynne å slippe sin magnetiske energi ved hjelp av en strøm som vil strømme gjennom LED-1 LED-X, D tilbake til L Den maksimale strømmen så vel som tiden T1 er satt i "off" tilstand kan justeres ved hjelp av komponenter eksterne til IC1 og / eller spenningen settes på pinnen Vref. I denne utførelsesform er Vref pinnen koblet til motstandsdeleren bestående av R7, R8 og R9. Følgelig er den maksimale strømmen gjennom LED-en satt proporsjonal med strømmens verdi av likerettet elektrisk forsyningssignal. Som et resultat av strømstyrken på LED-belysningssystemet er proporsjonalt med den øyeblikkelige spenningen anvendt for dette systemet, som fører til den ønskede høye effektfaktoren og lav harmonisk forvrengning. I figur 7, Zener diode D3, kondensator C2 og motstand R3 gir en 12V spenningsforsyning for IC1. De eksterne komponentene C4, R og C, R6 koblet til Iref1 og Iref2 henholdsvis, kan justeres for å optimalisere temperaturforholdene i LEDbelysningssystemet. Med komponentene K3, kan R4 sin oscillasjonsfrekvens på IC1 velges. I tillegg, blir dioden D4 som brukes til å lade porten til T1. Flere detaljer finner du i søknadsnotatet til IC1 og en mer detaljert beskrivelse anses derfor unødvendig. Dessuten er utførelsesformen i figur 7 omfattende en n-kanal MOSFET T3 koblet til porten i T1 til en motstand R1. T3 er koblet til likerettet elektrisk forsyningssignal med motstanden R2. Hensikten med T3 og R2 er å tilveiebringe ohmsk belastning av likeretteren slik at LED-belysningssystemet kan bli dempet ved bruk av konvensjonelle triac-baserte dimmere. Disse dimerne aktiveres vanligvis meget raskt, men krever et minimum av strøm for å holde dem aktivert. Et problem med LED-baserte kretser, er at den strøm som trekkes ut av systemet, er forholdsvis lav sammenlignet med for eksempel glødebelysning. Disse systemene er derfor vanskelig å dempe både ved lave spenningsregioner til forsyningssignalet. T3 og R2 forbedrer dette problemet i at en ohmsk last er presentert som trekker en strøm når T1 (og T3) er i "på" tilstand. Generelt er varigheten av "på"-tilstanden er mye kortere enn varigheten av "av"-tilstanden, slik at den energien som går tapt gjennom R2 er marginal. På grunn av det faktum at koblingsfrekvensen for IC1 er mye høyere (f.eks. khz) enn det likerettede elektriske forsyningssignalet (for eksempel 1 Hz), og på grunn av det faktum at triac-baserte dimmere aktiveres raskt, men slukke mye

15 14 saktere, dimmer forblir aktivert i løpet av en stor del av syklusen av det vekslende elektriske forsyningssignalet. Diode D2 og kondensatoren C1 er tatt med for å redusere påvirkningen på harmonisk forvrengning av de nåværende pulser forårsaket av R2 og T I figur 8 er en videreutvikling av kretsen fra figur 7 avbildet. I denne utførelsesformen er den linjeslutt diode D erstattet med en n-kanal MOSFET T2. Porten til T2 er koblet til porten i T1 til en inverter omfattende PNP-transistoren T og NPNtransistoren T4. En Zener-diode D6 er brukt for å begrense spenningsfallet over T. Driften av T2 er motsatt til T1, dvs. hvis T1 er i "på" tilstand, er T2 i "off" tilstand og vice versa. Hvis T1 er i "off" tilstand, flyter strømmen fra L1 gjennom T2 i stedet for linjeslutt dioden D. Fordelen ved å bruke en n-kanal MOSFET er som utgjør en lav-ohmsk vei og ikke lider av mot-spenningen på linjeslutt dioden D. Følgelig kan de tap i "av" tilstanden til T1 reduseres betydelig. Det burde være åpenbart for fagmannen at funksjoner som er beskrevet i en hvilken som helst av utførelsesformene, f.eks. kondensatoren plassert parallelt med lampene, kan kombineres til en ny utførelsesform uten å avvike fra omfanget av den foreliggende oppfinnelsen. Med utførelsesformene som er beskrevet ovenfor, kan en effektfaktor oppnås bedre enn 0,9 kombinert med en total harmonisk forvrengning bedre enn 1 %. Den totale strømeffektivitet er bedre enn 8 %. Det er høyst overraskende at disse tall kan oppnås med denne mengden av komponenter. Kostnadene involvert i fabrikasjonen og vedlikeholdet er derfor sterkt redusert i forhold til mer komplekse systemer der effektfaktoren er forbedret ved å gi ytterligere komplekse kretser. Til søkerens kjennskap, er det i disse kretsene ikke benyttet prinsippet i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Til slutt bør det bemerkes at det er åpenbart for en fagmann på området at forskjellige modifikasjoner og endringer kan bli brukt til de utførelser som er beskrevet i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse uten å avvike fra oppfinnelsens omfang som angitt i de etterfølgende patentkrav. For eksempel, kan energi bli lagret i en ikke-elektrisk form i energilageret. Energi- lageret må under utladningstilstanden brukes til og i det minste delvis mate lasten. Ethvert energikonverteringsskritt før denne frigjøringen av energi er ikke utelukket. I tillegg eller alternativet vil strøm trekkes fra likeretteren omfattende en liten komponent for mating til det elektriske kretsløpet for eksempel pulseringselement-

16 1 regulatoren. Å bestemme den aktuelle grensen i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig for denne strømmen for å bli tatt i betraktning. En annen teknologi for lagring av elektrisk energi som overføres til en last er bruk av en piezoelektrisk omformer. Denne enheten er i stand til å overføre elektrisk energi ved mekanisk lagring av det ved hjelp av to elektroder på primærsiden til en krystall, og slippe det ut en last via to elektroder på sekundærsiden. På grunn av sine spesifikke egenskaper, kan en piezoelektrisk transformator brukes til å utforme nettaggregat for et bredt spekter av inngangs- og utgangsspenninger med lav til høy utgangseffekt, samtidig som en meget god effektfaktor, høy virkningsgrad og små dimensjoner. Denne typen strømforsyning kan for eksempel brukes til bærbare og stasjonære datamaskiner, LCD-TV-skjermer og monitorer, lav spenningsbelysning og mange flere. Det burde være åpenbart at disse programmene kan også benytte pulserende krafttilførsel som er beskrevet tidligere.

17 16 P a t e n t k r a v Pulserende krafttilførsel for å gi strømforsyningen til en last (9), som omfatter: en likeretter () som har en inngang og en utgang, nevnte likeretter () er anordnet til å konvertere et elektrisk forsyningssignal ved sin inngang til et likerettet elektrisk forsyningssignal som dukker opp på dets utgang; et energilager (6) for lagring av elektrisk energi, nevnte energilager (6) kan forbindes til nevnte last (9); et styrbart svitsjeelement (7) som er koblet til energilageret (6), hvori pulseringselementet (7) er anordnet for å veksle den pulserende krafttilførselen mellom en ladetilstand, hvori energilagringen er belastet av likeretteren () via ladningstransporten fra likeretteren (), og en utladningstilstand, hvor energilageret (6) i det minste frigjør en del av den elektriske energien som er lagret deri til lasten (9); en pulseringselementregulator (8) for styring av pulseringselementet (7), hvori pulseringselementregulatoren (8) er anordnet for å styre pulseringselementet (7) for å veksle den pulserende krafttilførselen fra ladetilstand til utladningstilstand når ladetransporten overstiger en gjeldende grense; hvori under drift alternerer den pulserende krafttilførselen mellom ladetilstand og utladingstilstand ved en pulseringsfrekvens som er vesentlig høyere enn frekvensen på det likerettede strømforsyningssignalet, og hvor den nåværende grensen er satt proporsjonalt med en umiddelbar spenning på det likerettede strømforsyningssignalet; k a r a k t e r i s e r t v e d at, strømgrensen tilsvarer den maksimale strømmen i løpet av varigheten av ladetilstanden, og/eller, strømgrensen tilsvarer den gjennomsnittlige strømmen under varigheten av ladetilstanden, nevnte pulseringselementregulator (8) er fortrinnsvis anordnet for å måle en strøm som svarer til den nevnte ladetransporten, og for å bestemme den gjennomsnittlige strømmen ved å integrere den målte strømmen over tid, og ved å dividere den integrerte strømmen ved den aktuelle varigheten, og/eller strømgrensen tilsvarer den gjennomsnittlige strømmen under den kombinerte lengde av ladetilstanden og utladningstilstanden, og hvor pulseringselementregulatoren (8) er fortrinnsvis anordnet for å måle en strøm som svarer til den nevnte ladningstransporten, og for å bestemme den gjennomsnittlige strømmen ved å integrere den målte strømmen over tid, og ved å dele den integrerte strømmen ved den aktuelle varigheten.

18 17 2. Pulserende krafttilførsel som angitt i krav 1, hvori pulseringselementregulatoren (8) er anordnet for styring av pulseringselementet (7) for å slå på den pulserende krafttilførselen fra utladingstilstand til ladetilstand etter en forutbestemt tidsperiode etter at en overgang fra ladetilstanden til utladningstilstanden og/eller hvor den kombinerte lengden av ladetilstanden og utladingstilstand har en på forhånd bestemt verdi, hvori under utladningstilstanden, (9) er belastningen fortrinnsvis utelukkende matet av frigjøring av elektrisk energi fra energilager (6) og/eller hvori i løpet av ladetilstanden, (9) er belastningen fortrinnsvis i det minste delvis matet med likeretteren (), og/eller hvori ladningstransport fra likeretteren () er fortrinnsvis begrenset til ladetilstanden Pulserende kraftforsyningen i henhold til krav 1 eller 2, omfattende: et voltmeter for måling av en spenning proporsjonal med momentan spenning sendt ut av likeretteren (); en ladningstransport måler for måling av ladningstransporten; en komparator for å sammenlikne den målte ladningstransport til strømgrensen, hvori komparatoren er videre arrangert for å sende ut et sammenligningssignal indikativ for hvorvidt den aktuelle grensen er overskredet eller ikke; hvori pulseringselementet (7) er styrbart i avhengighet av sammenligningssignalet Pulserende krafttilførsel som angitt i krav 3, hvori under nevnte ladetilstand for ladningstransport fra likeretteren () er via pulseringselementet (7), og hvor spenningsmåleren omfatter en ohmsk spenningsdeler (R1, R2, R7, R8, R9) som er koblet til utgangen på likeretteren (), og hvor ladningstransportmåleren omfatter en motstand (R3, R) koblet i serie med pulseringselementet (7), idet ladningstransportmåleren er anordnet for å bestemme et spenningsfall over motstanden (R3, R).. Pulserende krafttilførsel som angitt i krav 4, videre omfattende holdeorganer for å holde en verdi av sammenligningssignalet etter detektering av overskridelse av strømbegrensningen Pulserende krafttilførsel som angitt i krav, omfattende en oscillator (31) som sender ut et svingende signal med en frekvens vesentlig høyere enn frekvensen til det likerettet elektrisk forsyningssignalet, hvori pulseringselementet (7) er anordnet for å slå på den pulserende krafttilførselen til ladetilstand i avhengighet av det svingende signalet, hvori pulseringselementet (7) er fortrinnsvis regulerbart for

19 18 å veksle den pulserende krafttilførselen til ladetilstand i avhengighet av begge de holdte verdiene av sammenligningssignalet og det svingende signalet. 7. Pulserende krafttilførsel som angitt i et av de foregående krav, videre omfattende filtreringsanordningen (C1) som er koblet til likeretter-utgangen for å reduse- re injeksjonen av høye harmoniske tilbake til likeretterutgangen. 8. Pulserende krafttilførsel som angitt i et av de foregående krav, hvori energilageret (6) omfatter en spole (L, L1), hvori induktoren (L, L1) er fortrinnsvis plassert mellom likeretteren () og det pulserende element (7) med last (9) kan forbindes i serie med induksjonsspolen (L, L1) og den pulserende krafttilførselen videre omfatter en linjeslutt diode (D2, D) som er koblet i parallell med seriekoblingen av lasten (9) og induksjonsspolen (L, L1) Pulserende krafttilførsel som angitt i et av de foregående krav, hvori energi- lageret (6) omfatter en primærspole til en transformator, og hvor lasten (9) kan forbindes til en sekundær spole på transformatoren LED-belysningssystem bestående av en lysdiode (LED) (LED, LED-1 LED-X) og en LED-driver til elektrisk drift av den nevnte LED, der LED-driveren omfatter pulserende kraftforsyning som definert i noen av de foregående krav, hvori pulseringselementet (7) til den nevnte pulserende krafttilførselen omfatter en første transistor (T, T1), hvori fortrinnsvis: energilageret (6) er forbundet i serie med LED en (LED, LED-1 LED-X), idet seriekoblingen av energilageret (6) og LED en (LED, LED-1 LED-X) har en første node og en andre node, nevnte LED driver videre omfatter en linjeslutt diode (D2, D) plassert parallelt med seriekoblingen av energilageret (6) og lampen, nevnte linjeslutt diode (D2, D) har sin katode koblet til den første noden og sin anode koblet til den andre noden, hvori den andre noden er forbundet med koplingselementet (T, T1), eller energilageret (6) er forbundet i serie med LED en (LED-1 LED-X), idet seriekobling av energilageret (6) og LED en (LED-1 LED-X) som har en første node og en andre node, nevnte LED driver videre omfatter en andre transistor (T2) som er lagt inn parallelt med seriekoblingen av energilageret (6) og LED en (LED-1 LED-X), hvori den andre transistoren (T2) kan kontrolleres med en pulseringselementregulator (IC1) slik at den første (T1) og den andre (T2) transistoren opererer i motsatte tilstander, og hvor den andre noden er koblet til den første transistoren (T1).

20 LED-belysningssystem som angitt i krav, som videre omfatter en tredje transistor (T3) er koblet til utgangen av nevnte likeretter (), idet den tredje transistoren (T3) som er lagt inn i serie med en ohmsk last (R2) og er styrbar ved en pulseringselementregulator (IC1), hvori den tredje transistoren (T3) og pulseringselementregulatoren (IC1) er anordnet til å gi internt resistive belastninger i en ladetilstand. 12. Elektronisk LED-driver for bruk i et belysningssystem, hvori den elektroniske LED driveren er anordnet som angitt i krav eller 11.

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32