DE60115927T2

DE60115927T2 - Led leuchte

Info

Publication number: DE60115927T2
Application number: DE60115927T
Authority: DE
Inventors: M. Thomas MARSHALL; D. Michael PASHLEY
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-09-15
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: KR20020059729A; EP1321012B1; WO2002023954A1; JP4749653B2; KR100788062B1; DE60115927D1; TW512548B; EP1321012A1; ATE313239T1; CN1269385C; US6445139B1; JP2004509431A; CN1393118A

Description

Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführungsanmeldung einer zuvor eingereichten und durch Nennung als hierin aufgenommen betrachteten Patentanmeldung. Gemäß dem bekannten Patent US-A-6 127 783 ist eine Photodiode angeordnet, um die Lichtleistungen von LEDs in einer Matrix in jeder Farbe getrennt in einer Zeitimpulsfolge zu messen. Während jedes Zeitimpulses wird der Strom für die nicht zu messenden Farben abgeschaltet.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leuchte mit einer Matrix von roten, grünen und blauen, Licht emittierenden Dioden (LEDs) und, im Besonderen, auf eine, weißes Licht emittierende Leuchte mit einem Steuersystem zur Einstellung der einzelnen Komponenten, um ein gewünschtes Farbgleichgewicht (Chromatizität) aufrechtzuerhalten.
US-Patent 5 301 090 offenbart eine LED-Leuchte mit einer Matrix von LEDs mit einer großen Anzahl LEDs in jeder der Farben rot, grün und blau. Die LEDs für jede Farbe sind parallel verdrahtet und mit einer separaten Energieversorgung versehen, und über der Matrix ist eine Streuscheibe vorgesehen. Die Chromatizität der Anordnung wird durch drei Bedienungsknöpfe für die jeweiligen Farben manuell gesteuert; eine automatische Steuerung ist nicht erwähnt.
LEDs arbeiten auf Halbleiterbasis; bei einem bestimmten Steuerstrom variiert die Lichtleistung von Clip zu Clip und ändert sich ebenfalls während der Lebensdauer jedes Clips. Die Lichtleistung ändert sich auch umgekehrt mit der Temperatur, jedoch nicht gleichmäßig für jede Farbe. Schließlich ändert sich die Lichtleistung in einem Block von LEDs einer bestimmten Farbe, wenn eine oder mehrere LEDs ausfallen. Unter Zugrundlegung sämtlicher Faktoren, welche das Farbgleichgewicht einer Matrix von LEDs beeinträchtigen können, wäre es wünschenswert, das Farbgleichgewicht, insbesondere in einer, weißes Licht emittierenden Leuchte, automatisch zu überwachen und zu regeln.
Es ist bekannt, Strom für eine Matrix von LEDs in einer bestimmten Farbtemperatur zu steuern, wie zum Beispiel bei einer Verkehrsampel. Dieses Schema wäre bei einer Leuchte mit LEDs in mehreren Farben umständlich, da sich die Temperatur (und daher die Lichtintensität) für die verschiedenen Farben nicht gleichmäßig ändert.
Es wäre wünschenswert, die Chromatizität einer, weißes Licht emittierenden Leuchte ohne Rücksicht auf die Faktoren, welche bewirken, dass sich die Lichtleistungen der einzelnen Farben ändern, automatisch zu steuern.
Weiterhin wäre es wünschenswert, die Chromatizität automatisch zu steuern, ohne von einem spektral auflösenden Lichtmesssystem, wie z.B. einer Photodiode und einem Filter für jede der jeweiligen Farben, Gebrauch zu machen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die kombinierte Lichtleistung (Chromatizität) einer, weißes Licht emittierenden LED-Leuchte auf Grund von Messungen durch eine einzelne Photodiode, die vorgesehen ist, um die Lichtleistungen sämtlicher LEDs in der Matrix zu messen, elektronisch gesteuert. Dieses wird erreicht, indem die Lichtleistung der LEDs in jeder Farbe in einer Zeitimpulsfolge separat gemessen wird. Bei einer Matrix von roten, grünen und blauen LEDs sind drei Zeitimpulse in einer Messfolge vorgesehen. Während jedes Zeitimpulses wird der Strom für die nicht zu messenden Farben abgeschaltet. Die Ansprechzeit einer typischen Photodiode ist extrem kurz, so dass die Messfolge in einem Zeitraum durchgeführt werden kann, welcher kurz genug ist, um von einem Beobachter nicht wahrgenommen zu werden (z.B. 10 ms).
Gemessene Lichtleistungen für die Farben werden mit gewünschten Leistungen, die durch Benutzersteuerungen eingestellt werden können, verglichen, und es werden Änderungen der Energieversorgung für die Farbblocks, wie erforderlich, vorgenommen. Die Chromatizität wird somit ohne Rücksicht auf die Faktoren, die eine Änderung derselben bewirken können, automatisch gesteuert. Durch Benutzereingaben kann die gewünschte Chromatizität in entweder ein warmes Weiß (mehr abgegebene, rote Lichtmenge) oder ein kaltes Weiß (mehr abgegebene, blaue Lichtmenge) geändert werden.
Um temperaturabhängige Änderungen während einer Aufheizphase am besten auszugleichen, kann die elektronische Steuerschaltung die Messfolge während der Erwärmung öfter vornehmen. Weniger häufige Messungen reichen aus, um Langzeitänderungen in den LEDs auszugleichen, nachdem eine konstante Betriebstemperatur erreicht worden ist.
In dem Fall, in dem die LEDs in jeder Farbe parallel verdrahtet sind, kann der Ausfall einer LED automatisch ausgeglichen werden, indem der den restlichen LEDs zugeführte Strom während der nächsten Messfolge geändert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Matrix von LEDs von einer Stromversorgungsquelle gesteuert, welche einen Messsteuerimpuls mit mindestens einer ersten Verstärkungsstufe und einer „Abschalt"-Stufe vorsieht. Die LEDs in jeder Farbe haben eine Lichtleistung, welche einen kontinuierlichen Nennwert während des normalen Betriebs aufweist, während der Verstärkungsstufe ansteigt und während der „Abschalt"-Stufe unterbrochen wird. Die Matrix von LEDs weist eine kombinierte Lichtleistung auf, wenn Strom von der Stromversorgungsquelle zugeführt wird. Es ist eine Photodiode angeordnet, um die Lichtleistungen sämtlicher LEDs in der Matrix zu messen. Der elektrische Strom wird selektiv abgeschaltet, so dass die Photodiode die Lichtleistung für jede der Farben in Reaktion auf den Messsteuerimpuls getrennt misst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – einen Querriss einer Leuchte gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Lichtleitfasersensor;
2 – ein Schemaschaltbild der Leuchte;
3 – ein Diagramm der Logikfolge für die Steuereinheit;
4 – ein Zeitdiagramm für das System mit optischer Rückkopplung; sowie
5 – einen Messsteuerimpuls einer Messfolge.
Bezug nehmend auf 1 weist eine LED-Leuchte gemäß der vorliegenden Erfindung eine zweidimensionale Matrix von LEDs 10, 12, 14 mit einer großen Anzahl LEDs in jeder der mehreren Farben auf. Im vorliegenden Fall weist die Matrix rote LEDs 10, grüne LEDs 12 sowie blaue LEDs 14 auf, welche auf einem verdrahteten Substrat 16 in einem Gehäuse 18 angebracht sind. Die LEDs sind so vorgesehen, dass die Gesamtlichtleistung weiß ist; es ist ein auf dem Gehäuse angeordneter Diffusor 22 vorgesehen, um das Mischen zu verbessern. Es können LEDs in zusätzlichen Farben, wie zum Beispiel bernsteinfarbig, verwendet werden, um die Mischmöglichkeiten zu verbessern. Die Mischoptik kann andere Mittel als einen Diffusor aufweisen.
Es ist eine einzelne Photodiode 24 vorgesehen, um die Lichtintensität sämtlicher LEDs in der Matrix zu messen.
In 1 leitet eine sich entlang der Länge des Gehäuses 18 erstreckende Lichtleitfaser Licht zu der Photodiode 24, welche über Rückkopplungsleitung 26 entsprechende Stromsignale für die Steuereinheit 30 erzeugt. Bei kleinen Matrizes kann die Photo diode so angeordnet sein, dass sie die Lichtleistungen direkt misst. An Stelle der in 1 dargestellten Lichtleitfaseranordnungen kann eine große Anzahl LEDs in Matrizes mit einer Photodiode für jede Matrix unterteilt werden.
Bezug nehmend auf 2 wandelt die Steuereinheit 30 die Rückkopplung von der Photodiode 24 in Farbpunktmessungen um, welche mit einer über Benutzereingaben vorgesehenen, gewünschten Einstellung verglichen werden. Auf Grund des Vergleichs entscheidet die Steuereinheit 30, ob das gewünschte Farbgleichgewicht vorhanden ist und meldet den Stromreglern 11, 13, 13 die jeweiligen Dioden 10, 12, 14. Eine von dem Wechselstromumrichter 50 aufgenommene Leistung wird somit in Stromabgaben umgewandelt, welche die Lichtintensität für die jeweiligen Farben rot, grün und blau steuern, um das gewünschte Farbgleichgewicht zu erhalten. Die Dioden für jede Farbe der Matrix werden durch Verdrahtung auf dem Substrat 16 auf einem gemeinsamen Potential gehalten. Benutzersteuerungen für die gewünschte Einstellung erfolgen über Eingänge 41, 42, 43 für die jeweiligen Farben sowie Dimmer 44, welcher die Gesamtintensität des sich ergebenden, weißen Lichts steuert.
3 zeigt die Steuerlogik für die Leuchte in einem Diagramm. Bei Einschalten 31 der Lampe wird den LEDs Energie zugeführt und eine Messfolge 32 ausgelöst. Farbpunktmessungen werden mit gewünschten Einstellungen verglichen 33, welche der Benutzereinstellung 35 zufolge gespeichert 34 werden. Auf Grund dieses Vergleichs wird ermittelt 36, ob Farbeinstellungen erforderlich sind, und es werden, falls ja, Einstellungen vorgenommen 37 und die Messfolge wiederholt 32. Sollte ermittelt werden, dass Farbeinstellungen nicht erforderlich sind 36, wartet die Steuereinheit vor Wiederholen der Messfolge 32 einen vorgegebenen Messintervall 38 ab.
4 zeigt ein Zeitdiagramm, welches die Steuerlogik darstellt, die ausgeführt wird, während die Leuchte eingeschaltet ist. Die oberste der vier Kurven stellt ein Messsignal dar, welches aus einer Folge von drei, durch einen Zeitabstand getrennten Impulsen (der Messfolge) besteht. Während des ersten Impulses sind die grünen und blauen LEDs abgeschaltet, so dass die Photodiode die Lichtintensität der roten LEDs messen kann; während des zweiten Impulses sind die roten und blauen LEDs abgeschaltet, so dass die Photodiode die Lichtintensität der grünen LEDs messen kann; während des dritten Impulses sind die roten und grünen LEDs abgeschaltet, so dass die Photodiode die Lichtintensität der blauen LEDs messen kann. Die Steuerelektronik vergleicht dann die gemessenen Intensitä ten mit den gewünschten Intensitäten und stellt den Strom, wie erforderlich, auf eine oder LED-Gruppen ein.
Die Ansprechzeit einer typischen Photodiode ist extrem kurz, und jeder Impuls kann so kurz sein, dass ein Beobachter diesen (z.B. 1,0 ms) nicht wahrnehmen kann. Somit kann eine Messfolge während des normalen Betriebs der Leuchte durchgeführt werden. Die Länge des Messintervalls ist davon abhängig, wie schnell sich die Lichtleistung ändert. Dieses hängt zum Beispiel davon ab, wie schnell die Temperatur der LEDs wechselt. Dieses könnte in jeder Minute oder weniger als einer Minute oder aber alle paar Stunden der Fall sein; die Steuerlogik kann kurz nach Inbetriebnahme auf häufige Messungen programmiert werden, auf welche weniger häufige Messungen folgen, wenn eine konstante Temperatur erreicht worden ist.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Leuchte mehr als eine LED-Kette in jeder Farbe enthält und die von den Ketten abgegebenen Lichtmengen einzeln gemessen werden. Zum Beispiel würde eine Messfolge bei zwei Ketten in jeder der drei Farben sechs Impulse umfassen. In jedem Fall ist es vorzuziehen, das Farbgleichgewicht auf der Basis sämtlicher Messungen in einer Folge einzustellen, statt die einzelnen Farben lediglich auf der Basis der entsprechenden Lichtleistung einzustellen.
Das zuvor Erwähnte ist exemplarisch und soll den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche nicht einschränken.
Obgleich die Steuerimpulse in jedem der oben unter Bezugnahme auf 4 erwähnten Kanäle wirklich kurz sind, zum Beispiel in der Größenordnung von 1–2 ms, nehmen viele Beobachter noch immer ein Flimmern in dem emittierten Licht wahr. Dieses ergibt sich, da das menschliche Auge durch Integrieren des mit den Augen aufgenommenen Lichts in Intervallen von etwa 15 ms auf Licht reagiert. Daher kann ein empfindliches Auge Lichtunterbrechungen bereits ab 400 μs wahrnehmen. Es ist somit wünschenswert, jede „Abschalt"-Periode in einer Messfolge auf 400 μs oder weniger zu kürzen. Diese Dauer kann jedoch für konventionelle, elektronische Schaltkreise extrem kurz sein, um die Lichtintensität der LEDs zu messen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Steuerimpuls jedes Kanals während jeder Messfolge zwecks Anpassung an ein solches mögliches Flimmern geändert. 5 zeigt einen Messsteuerimpuls während einer Messfolge gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Folglich umfasst der Messsteuerimpuls eine erste Verstärkungsstufe, auf welche eine „Abschalt"-Stufe bzw.
Unterbrechungsstufe folgt, an die sich wiederum eine zweite Verstärkungsstufe anschließt. Es gibt u.a. drei Zwangsläufigkeiten, welche die Wahl jedes Messsteuerimpulses beeinflussen. Erstens ist die Verstärkungsstufe jedes Impulses vorzugsweise so niedrig wie möglich, um Langzeitschaden an den LEDs zu verhindern. Zweitens ist die „Abschalt"- bzw. Unterbrechungsstufe vorzugsweise so lang wie möglich, um exakte Messungen mit weniger kostenaufwendigen Komponenten zu ermöglichen. Drittens dauert die gesamte Folge der ersten Verstärkungsstufe, der „Abschalt"-Stufe sowie der zweiten Verstärkungsstufe vorzugsweise etwa 15 ms, um sichtbare Artefakten zu verhindern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht ein Messsteuerimpuls, welcher ein stabiles Erscheinen der Lichtintensität der LEDs ermöglicht, eine 5 ms anhaltende Verstärkung der Lichtnennleistung bis zu 120% vor, auf welche eine komplette Stromunterbrechung von 2 ms folgt, an die sich eine weitere, 5 ms anhaltende Verstärkung der Lichtnennleistung von 120% anschließt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Steuerimpulsfolge symmetrisch, so dass die beiden Verstärkungsstufen in der Folge die gleiche Amplitude und Dauer aufweisen, obgleich die Erfindung in dieser Hinsicht in ihrem Anwendungsbereich nicht beschränkt ist. Zum Beispiel umfasst der Messsteuerimpuls gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zwei Komponenten mit einer ersten Verstärkungsstufe, auf die eine „Abschalt"-Stufe folgt. Des Weiteren können gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung weitere Messsteuerimpulsformen mit mindestens einer Verstärkungsstufe und einer „Abschalt"-Stufe verwendet werden. Vorzugsweise werden die Impulse so gewählt, dass die durchschnittliche Lichtintensität der gesteuerten LED innerhalb der Integrationszeit des menschlichen Auges – d.h. etwa 15 ms – die gleiche wie der kontinuierliche Nennwert bei Normalbetrieb ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Lichtleistung etwa proportional zu dem Steuerstrom, so dass ein bestimmter Prozentsatz des Anstiegs des Steuerstroms einer proportionalen Zunahme der Höhe der Lichtleistung entspricht. Wenn es zum Beispiel wünschenswert ist, die Lichtleistung, wie in 5 dargestellt, auf 120% zu erhöhen, steigt der Strom um einen vorgegebenen Prozentsatz, zum Beispiel ebenfalls 120%, an. Damit ist es möglich, eine Messsteuerimpulsfolge anzuwenden, welche einen bestimmten Stromverstärkungsgrad für sämtliche Steuerpegel vorsieht.
Jedoch weisen LEDs nicht unbedingt eine proportionale Relation zwischen den Lichtleistungsänderungen und Steuerstromänderungen bei sämtlichen Betriebsströmen auf. Um eine bessere Genauigkeit in der Aufrechterhaltung eines konstanten Lichtleistungspegels während Messfolgen zu erzielen, wird somit das Licht-Strom-Verhältnis für die Leuchte gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kalibriert, und die Stromverstärkungswerte werden so gewählt, dass die Lichtintensität in sämtlichen Betriebsstufen durchschnittlich bei dem Gleichstrompegelsollwert liegt. Um das kalibrierte Verhältnis zwischen Strom und Lichtleistung zu speichern, ist ein intelligenter Steuerkreis 30 so konfiguriert, dass er eine Datenbasis aufweist, welche die Höhe der Stromänderung, die bei verschiedenen Betriebszuständen für eine gewünschte Änderung des Lichtleistungspegels erforderlich ist, vorsieht.

FIG. 2

40: Benutzersteuerungen: Dimmung, Farbe
50: Leistungswandler
30: intelligente Steuerung
20: Mischoptik
26: optische Rückkopplung

FIG. 3

31: Lampe einschalten
32: Messfolge
33: mit gespeicherten Farpunkteinstellungen vergleichen
34: neue Einstellungen speichern
35: Benutzereinstellung
36: Korrektur erforderlich?
YES: ja
37: RGB-Lichtintensität einstellen
NO: nein
38: Messintervall abwarten

FIG. 4

ON: ein
MEASURE SIGNAL: Messsignal
OFF: aus
RED CHANNEL: roter Kanal
GREEN CHANNEL: grüner Kanal
BLUE CHANNEL: blauer Kanal
MEASURE SEQUENCE: Messfolge
MEASUREMENT INTERVAL: Messintervall
MEASURE SEQUENCE: Messfolge

FIG.5

CURRENT: Strom
Zeit: TIME

Claims

Leuchte, welche aufweist: – eine Matrix von LEDs (10, 12, 14) mit mindestens einer LED in jeder der mehreren Farben, – Mittel, um den LEDs (10, 12, 14) in jeder der Farben elektrischen Strom (50) zuzuführen, wobei der elektrische Strom eine Messperiode vorsieht, die LEDs (10, 12, 14) in jeder der Farben eine Lichtleistung so vorsehen, dass diese während des normalen Betriebs einen kontinuierlichen Nennwert aufweist, und die Matrix eine kombinierte Lichtleistung vorsieht, wenn sämtlichen LEDs (10, 12, 14) in der Matrix Strom zugeführt wird, – eine Photodiode (24), welche vorgesehen ist, um die Lichtleistungen sämtlicher LEDs (10, 12, 14) in der Matrix zu messen; sowie – Mittel, um den, den LEDs (10, 12, 14) zugeführten, elektrischen Strom selektiv abzuschalten, so dass die Photodiode (24) die Lichtleistung in der Messperiode für jede Farbe getrennt misst, dadurch gekennzeichnet, dass die Messperiode einen Messsteuerimpuls mit mindestens einer ersten Verstärkungsstufe und einer Abschaltstufe vorsieht, so dass die Lichtleistung während der Verstärkungsstufe ansteigt und während der Abschaltstufe unterbrochen wird und die Photodiode (24) in Reaktion auf den Messsteuerimpuls die Lichtleistung für jede Farbe misst, und dass die durchschnittliche Lichtleistung während der Messperiode im Wesentlichen dem kontinuierlichen Nennwert der Lichtleistung während des normalen Betriebs entspricht, um sichtbares Flimmern zu verhindern.
Leuchte nach Anspruch 1, wobei der Messsteuerimpuls weiterhin eine, auf die Abschaltstufe folgende, zweite Verstärkungsstufe vorsieht.
Leuchte nach Anspruch 2, wobei die erste und die zweite Verstärkungsstufe die gleiche Dauer und Amplitude aufweisen.
Leuchte nach Anspruch 3, wobei die erste und die zweite Verstärkungsstufe eine Verstärkung auf 120% des kontinuierlichen Nennwerts der Lichtleistung vorsehen.
Leuchte nach Anspruch 4, wobei die Dauer der ersten und der zweiten Verstärkungsstufe etwa 5 ms und die Dauer der Abschaltstufe 2 ms beträgt.
Leuchte nach Anspruch 1, welche weiterhin Mittel (30) aufweist, um kalibrierte Werte zu speichern, wobei Schwankungen des LED-Ansteuerstroms mit Schwankungen der LED-Lichtleistung assoziiert werden.
Verfahren zur Ansteuerung einer Matrix von LEDs (10, 12, 14) mit mindestens einer LED in jeder der mehreren Farben in einer Leuchte, wonach: – den LEDs (10, 12, 14) in jeder der Farben elektrischer Strom (31) so zugeführt wird, dass die LEDs (10, 12, 14) bei Normalbetrieb eine Lichtleistung mit einem kontinuierlichen Nennwert aufweisen, – und die Matrix eine kombinierte Lichtleistung aufweist, wenn sämtlichen LEDs (10, 12, 14) in der Matrix Strom zugeführt wird, – die Lichtleistungen (32) sämtlicher LEDs (10, 12, 14) in der Matrix gemessen werden und – der, den LEDs (10; 12, 14) zugeführte Strom selektiv abgeschaltet wird, um die Lichtleistung in Reaktion auf den Messsteuerimpuls für jede Farbe getrennt zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahren weiterhin ebenfalls – der elektrische Strom während einer Messperiode verstärkt wird, um einen Messsteuerimpuls mit mindestens einer ersten Verstärkungsstufe zu definieren, – der elektrische Strom während der Messperiode abgeschaltet wird, um eine Abschaltstufe so zu definieren, dass die Lichtleistung während der Verstärkungsstufe zunimmt und während der Abschaltstufe unterbrochen wird, und – die durchschnittliche Lichtleistung während der Messperiode so gehalten wird, dass diese im Wesentlichen dem kontinuierlichen Nennwert der Lichtleistung bei Normalbetrieb entspricht, um sichtbares Flimmern zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 7, wonach weiterhin der elektrische Strom verstärkt wird, um eine zweite Verstärkungsstufe zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 8, wonach weiterhin die erste und die zweite Verstärkungsstufe so gehalten werden, dass sie die gleiche Dauer und Amplitude aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 9, wonach weiterhin das Stromsignal um 120% des kontinuierlichen Nennwerts der Lichtleistung verstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wonach weiterhin die Dauer der ersten und der zweiten Verstärkungsstufe auf etwa 5 ms und die Dauer der Abschaltstufe auf etwa 2 ms gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wonach weiterhin kalibrierte Werte gespeichert werden, wobei Schwankungen des LED-Ansteuerstroms mit Schwankungen der LED-Lichtleistung assoziiert werden.