ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО НА СВЕТОДИОДАХ С УПРАВЛЕНИЕМ СВЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
LIGHT-EMITTING DIODE BASED ILLUMINATION DEVICE WITH CONTROLLED LIGHT EMISSION

Настоящее изобретение относится к осветительной аппаратуре, используемой в домах, офисах, медицинских учреждениях, магазинах и т.п. В частности, изобретение относится к осветительному устройству на светоизлучающих диодах (СИД) с управлением световым излучением, где светодиоды возбуждаются при получении мощности от источника питания переменного тока, для того чтобы функционировать как источник света, регулирующий психофизиологическое состояние человека, находящегося в помещении при искусственном и смешанном освещении.
Изобретение может быть использовано для восстановления здоровья человека и увеличения его работоспособности.
В статье Г. ван ден Бельда «Освещение и самочувствие человека», опубликованной в журнале «Светотехника» 2004 г., №6 на страницах 11-14, представлена концепция для алгоритма светового регулирования. Предлагается выбирать энергоэффективные световые решения в зависимости от зрительных потребностей и необходимое освещение для учета психологического настроя, циркадных (суточных) ритмов и годичных циклов (сезонных). Минусом данной статьи является то, что не приводится вариантов реализации технического устройства, а ограничивается лишь теорией.
Известно осветительное устройство или источник света, основанный на действии светодиодов, включающее в себя осветительную часть, содержащую совокупность светодиодов, блок питания, содержащий силовой преобразователь, преобразующий входящий постоянный или переменный ток в постоянный ток для питания светодиодов, и при этом указанный силовой преобразователь имеет первый и второй выходы для подключения светодиодов (заявка RU 2005119149, Н05В 33/02, 2006 г.).
Недостатком известного устройства является то, что конструкция не позволяет при одной и той же конструкции светильника создавать как белый, так и окрашенный свет, а так же низкая точность задания фотометрических параметров белого и окрашенного света, т.к. не учитываются координаты цветности и распределение яркости на освещаемой плоскости.
Наиболее близким по технической сущности является осветительное устройство на светодиодах с управлением световым излучением (RU 2256305 С2, Н05В 37/00, 2005 г.).
Осветительное устройство на СИД с управлением освещением включает в часть осветительного устройства, состоящего из СИД, средство формирования выходного сигнала управления для формирования одной последовательности входного сигнала управления, средство формирования выходного сигнала управления и средство индивидуального управления мощностью. Цветовой тон части осветительного устройства, состоящего из СИД, непрерывно изменяется в зависимости от величины входного сигнала управления. Техническим результатом изобретения является упрощение управления освещением с возможностью получения самых разнообразных цветовых тонов в широком диапазоне.
Недостатком данного изобретения является то, что задание цветовой температуры (цветового тона) происходит вручную самим пользователем, не учитывается изменение координат цветности, не учитывается уровень зрительной задачи (обнаружение, различение, опознавание), стоящей перед пользователем для получения визуальной информации, не учитывается распределение яркости и цветности на рабочей поверхности при наличии различных затенений, бликов и влияния других источников освещения, а так же неравномерность линейчатого спектра излучения красного, зеленого, синего СИД (RGB СИД).
Техническим результатом изобретения является автоматизация изменения цветового тона и яркости излучения с учетом координат цветности излучения, заданием циркадных и годичных циклов человека на данном диапазоне географических широт и долгот, а также контроль и регулирование необходимого уровня и равномерности распределения яркости и цветности для заданного оператором вида зрительной деятельности с помощью контролирующего устройства.
Для достижения указанного технического результата осветительное устройство на светодиодах с управлением световым излучением, содержащее часть осветительного устройства, состоящего из СИД, в которой содержатся группа СИД первого цвета, группа СИД второго цвета и группа СИД третьего цвета; часть, подключающую мощность переменного тока, для подключения к источнику питания; часть, преобразующую источник питания, для выпрямления мощности переменного тока, получаемой через часть, подключающую мощность переменного тока; схему возбуждения первого цвета, схему возбуждения второго цвета и схему возбуждения третьего цвета для подачи мощности соответственно в группу СИД первого цвета, группу СИД второго цвета и группу СИД третьего цвета с помощью выходного сигнала части, преобразующей источник питания, так чтобы обеспечить излучение групп СИД; средство формирования входных сигналов управления для формирования одной последовательности входного сигнала управления, причем значение входного сигнала управления увеличивается или уменьшается в предварительно определенном диапазоне в ответ на действия пользователя; средство формирования выходного сигнала управления для формирования комбинации из данных яркости первого цвета, данных яркости второго цвета и данных яркости третьего цвета, соответствующих значению входного сигнала управления, в соответствии с предварительно определенными характеристиками; и средство индивидуального управления мощностью для независимого управления схемой возбуждения первого цвета, схемой возбуждения второго цвета и схемой возбуждения третьего цвета на основе данных яркости первого цвета, данных яркости второго цвета и данных яркости третьего цвета для изменения величины мощности, подаваемой в первую группу СИД, вторую группу СИД и третью группу СИД, причем цветовой тон части осветительного устройства, состоящего из СИД, непрерывно изменяется в зависимости от значения входного сигнала управления в соответствии с предварительно определенной кривой, установленной в системе координат цветности; средство формирования второго входного сигнала управления для формирования одной последовательности второго сигнала управления, причем величина второго сигнала увеличивается или уменьшается в предварительно определенном диапазоне в результате действий пользователя; средство общего управления мощностью для равномерного изменения величины мощности, подаваемой в группу СИД первого цвета, группу СИД второго цвета и группу СИД третьего цвета путем равномерного увеличения или уменьшения величины тока в схеме возбуждения первого цвета, схеме возбуждения второго цвета и схеме возбуждения третьего цвета в зависимости от значения второго входного сигнала управления, причем цветовой оттенок осветительного устройства, состоящего из СИД, по существу поддерживается неизменным при изменении яркости освещения; средство формирования второго входного сигнала управления для формирования одной последовательности второго сигнала управления, причем значение второго сигнала управления увеличивается или уменьшается в предварительно определенном диапазоне в результате действий пользователя; средство общего управления мощностью для равномерного изменения величины мощности, подаваемой в группу СИД первого цвета, группу СИД второго цвета и группу СИД третьего цвета путем изменения выходного сигнала части, преобразующей источник питания, в зависимости от величины второго входного сигнала управления, причем цветовой оттенок осветительного устройства, состоящий из СИД, фактически поддерживается неизменным при изменении яркости освещения; средство формирования выходных сигналов управления для формирования комбинации из данных яркости первого цвета, данных яркости второго цвета и данных яркости третьего цвета, соответствующих значению входного сигнала управления, в соответствии с предварительно определенной основной кривой, установленной в системе координат цветности, согласно изобретению дополнительно содержит группу СИД белого цвета для создания комфортного освещения; средство контроля световых характеристик, устройство видеозахвата, устройство анализа и контроля световых характеристик; светооптическую часть, обеспечивающую равномерное распределение яркости и освещенности на рабочей поверхности и оптимальное смешение излучения красных, синих и зеленых СИД; жидкокристаллический экран для введения начальных характеристик и контроля режимов.
Устройство содержит часть осветительного устройства, составленную из СИД, в которой содержатся группа СИД первого цвета, группа СИД второго цвета, группа СИД третьего цвета и группа СИД белого цвета; часть, подключающую мощность переменного тока, для подключения к источнику питания; часть, преобразующую источник питания, для выпрямления мощности переменного тока, получаемой через часть, подключающую мощность переменного тока; схему возбуждения первого цвета, схему возбуждения второго цвета и схему возбуждения третьего цвета для подачи мощности соответственно в группу СИД первого цвета, группу СИД второго цвета, группу СИД третьего цвета и группу СИД белого цвета с помощью выходного сигнала части, преобразующей источник питания, так чтобы обеспечить излучение групп СИД; средство формирования входных сигналов управления для формирования одной последовательности входного сигнала управления, причем значение входного сигнала управления увеличивается или уменьшается в предварительно определенном диапазоне в ответ на действия пользователя; средство формирования выходных сигналов управления для формирования комбинации из данных яркости первого цвета, данных яркости второго цвета и данных яркости третьего цвета, соответствующих значению входного сигнала управления в соответствии с предварительно определенными характеристиками; и средство индивидуального управления мощностью для независимого управления схемой возбуждения первого цвета, схемой возбуждения второго цвета и схемой возбуждения третьего цвета на основе данных яркости первого цвета, данных яркости второго цвета и данных яркости третьего цвета, для изменения величины мощности, подаваемой в первую группу СИД, вторую группу СИД, третью группу СИД и группу СИД белого цвета, причем цветовой тон части осветительного устройства, составленного из СИД, непрерывно изменяется по заданному временному циклу в зависимости от значения входного сигнала управления в соответствии с предварительно определенной основной кривой, установленной в системе координат цветности; средство формирования второго входного сигнала управления для формирования одной последовательности второго сигнала управления, причем значение второго сигнала увеличивается или уменьшается в предварительно определенном диапазоне в результате действий пользователя; средство общего управления мощностью для равномерного изменения величины мощности, подаваемой в группы СИД первого цвета, группы СИД второго цвета, группы СИД третьего цвета и группу СИД белого цвета путем равномерного увеличения или уменьшения величины тока в схеме возбуждения первого цвета, схеме возбуждения второго цвета и схеме возбуждения третьего цвета в зависимости от значения второго входного сигнала управления, причем цветовой оттенок осветительного устройства, составленного из СИД, фактически поддерживается неизменным при изменении яркости освещения. Схема возбуждения первого цвета, схема возбуждения второго цвета и схема возбуждения третьего цвета могут быть схемами на постоянном токе, а средство индивидуального управления мощностью индивидуально изменяет величину мощности, подаваемой в группу СИД первого цвета, группу СИД второго цвета, группу СИД третьего цвета и группу СИД белого цвета методом широтно-импульсной модуляции; средство формирования входных сигналов управления для формирования последовательностей входного сигнала управления, причем значение входного сигнала управления увеличивается или уменьшается в предварительно определенном диапазоне в ответ на введенные параметры пользователя (день, месяц, год, географическое положение и вид зрительной задачи); средство формирования выходных сигналов управления для формирования комбинации из данных яркости первого цвета, данных яркости второго цвета и данных яркости третьего цвета, соответствующих значению входного сигнала управления в соответствии с предварительно определенной кривой, соответствующей циркадному ритму человека, для выбранной зрительной задачи в данный сезон с введенным географическим нахождением наблюдателя, установленной в системе координат цветности; и средство индивидуального управления мощностью для независимого управления схемой возбуждения первого цвета, схемой возбуждения второго цвета и схемой возбуждения третьего цвета на основе данных яркости первого цвета, данных яркости второго цвета и данных яркости третьего цвета - для изменения величины мощности, подаваемой в первую группу СИД, вторую группу СИД, третью группу СИД и группу СИД белого цвета, в которой цветовой тон части осветительного устройства, составленной из СИД, непрерывно изменяется в зависимости от значения входного сигнала управления; устройство для контроля световых характеристик таких как распределение яркости, освещенности и координат цветности, связанное с устройством анализа световых характеристик, которое формирует выходной сигнал управления для формирования комбинации из данных яркости первого цвета, данных яркости второго цвета, данных яркости третьего цвета и данных яркости СИД белого цвета, соответствующих значению входного сигнала управления, необходимых для получения на рабочей поверхности характеристик, находящихся в блоке памяти; так же устройство содержит светопреобразующую часть, необходимую для создания заданного распределения яркости и освещенности для обеспечения необходимого уровня зрительной задачи, а так же оптимального смешения излучения цветных СИД, жидкокристаллический экран для введения начальных характеристик и контроля режимов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлена общая блок-схема одного варианта реализации осветительного устройства на СИД с управлением световым излучением согласно настоящему изобретению;
на фиг.2 представлены примеры спектральных характеристик групп красных, синих, зеленых, белых СИД;
на фиг.3 представлена диаграмма цветности в координатах ху, где показана основная кривая, относящаяся к одному варианту реализации настоящего изобретения;
на фиг.4 представлен общий пример светопреобразующей части устройства, относящейся к одному варианту реализации настоящего изобретения;
на фиг.5 представлен пример одного из вариантов циркадного ритма.
Описание предпочтительного варианта реализации изобретения.
На фиг.1 представлена схема одного варианта осветительного устройства на СИД с управлением световым излучением согласно настоящему изобретению. Осветительное устройство на СИД состоит из основного корпуса, включающего в качестве источника света часть I осветительного устройства, составленного из СИД, миниатюрной цветной камеры 16 и микроконтроллера 5 с автоматическим управлением.
Часть I осветительного устройства, состоящая из СИД, формируется путем установки группы 1 красных СИД, группы 2 зеленых СИД, группы 3 синих СИД и группы белых СИД 4, формирующих оптическую систему, рассеивающую световое излучение, состоящее из хорошо смешанных красного, зеленого и синего света, с помощью светопреобразующей части (описывающейся ниже).
Для обеспечения более комфортной световой среды, т.е. излучение СИД светильника приближенно к естественному свету, была применена группа белых СИД, т.к. излучение цветовой температуры 3000 помогает сгладить общую спектральную характеристику светильника (Фиг.2) и увеличить общий световой поток от светильника, что является отличительной чертой данного изобретения.
Группа красных СИД соединены электрически соответствующим образом последовательно и/или параллельно, образуя группу 1 красных СИД. Также группа зеленых СИД соединены соответствующим образом последовательно и/или параллельно, образуя группу 2 зеленых СИД, группа синих СИД соединены соответствующим образом последовательно и/или параллельно, образуя группу 3 синих СИД, а группа белых СИД соединены соответствующим образом последовательно и/или параллельно, образуя группу 4 белых СИД.
Часть, подключающая источник питания переменного тока, в основном корпусе представляет собой разъем источника питания, приспособленный для подключения к соответствующему источнику питания переменного тока общего пользования. При подсоединении разъема источника питания к соответствующему действующему источнику питания и включении выключателя источника питания мощность переменного тока подается в часть, преобразующую источник питания, которая содержит схему диодного мостового выпрямителя и конденсатор для выпрямления и сглаживания, при этом указанная часть преобразует источник питания переменного тока в источник питания постоянного тока. К выходу части, преобразующей источник питания, параллельно подсоединена группа 1 красных СИД, группа 2 зеленых СИД, группа 3 синих СИД и группа 4 белых СИД, образующие часть I осветительного устройства. Схема возбуждения красного цвета для подачи мощности для обеспечения излучения красных СИД в группе 1 красных СИД подсоединена к шине источника питания постоянного тока группы 1 красных СИД. Аналогично к шине источника питания постоянного тока группы 2 зеленых СИД подсоединена схема возбуждения зеленого цвета для подачи мощности для обеспечения излучения зеленых СИД в группе 2 зеленых СИД, к шине источника питания постоянного тока группы 3 синих СИД подсоединена схема возбуждения синего цвета для подачи мощности для обеспечения излучения синих СИД в группе 3 синих СИД, а к шине источника питания постоянного тока группы 4 белых СИД подсоединена схема возбуждения белого цвета для подачи мощности для обеспечения излучения белых СИД в группе 4 белых СИД. Система возбуждения для возбуждения соответствующих цветов групп СИД, обеспечивающего излучение строится путем подсоединения схем возбудителей для соответствующих цветов групп СИД. Схемы возбудителей (схемы питания) для соответствующих цветов содержат возбудители 6, 7, 8 и 17. Компоненты и функционирование системы возбуждения подробно описываются ниже.
Основным компонентом в системе обработки, находящейся в основном корпусе I, является микроконтроллер 5, блок памяти 9, устройство видеозахвата 10, устройство анализа - схема сравнения 11. Память 9 имеет вход для приема сигналов с устройства анализа световых характеристик 12, и выход, подсоединенный к блоку памяти для получения необходимых данных для расчета необходимых изменений в характеристиках освещения и микроконтроллеру 5, передающему сигнал к системе возбуждения.
На корпусе основного компонента находится жидкокристаллический дисплей 13 для отображения параметров освещения, создаваемого в данный момент, а так же часть для оперативного ввода пользователем команд управления.
Средство формирования первого входного сигнала управления является средством ввода команды для независимого управления яркостью группы 1 красных СИД, группы 2 зеленых СИД, группы 3 синих СИД и группы 4 белых СИД для формирования входного сигнала цветового тона, то есть для задания необходимого изменения цветовой температуры (Тц) в течение суток согласно циркадному и сезонному циклам (Фиг.5) (определяемое далее как средство ввода цветового тона). Средство для формирования второго входного сигнала управления является средством ввода команды для равномерного управления яркостью лампы, составленной из СИД, и формирования входного сигнала уровня светового излучения, необходимого для обеспечения выбранного уровня зрительной задачи (определяемое далее как средство ввода уровня светового излучения). Далее обсуждается управление возбуждением групп СИД на основе этих входных сигналов.
Управление возбуждением групп СИД
Когда пользователь с помощью средств ввода жидкокристаллического экрана 13 при первом включении задает текущую дату, месяц и год, а так же уровень зрительной задачи, которую он будет выполнять (например: работа за компьютером, работа с бумажными документами, отдых) и географическое место нахождения (например: город Москва) выполняет операцию ввода, наблюдая, например, за алфавитно-цифровыми символами, отображаемыми на жидкокристаллическом дисплее 13, микроконтроллер 5 устанавливает входные сигналы уровня светового излучения и цветового тона (Тц), созданные автоматически в соответствии с программой и затем с соответствие со временем суток и календарным временем цветовая температура (цветовой тон) и яркость освещения изменяется, учитывая выбранную при каждом включении уровень зрительной задачи (изменять данный уровень возможно и в течение работы светильника).
Сигнал управления уровнем светового излучения подается на вход микроконтроллера 5 в качестве общего сигнала для установки токов соответствующих возбудителей 6, 7, 8 и 17. При равномерном увеличении или уменьшении значения тока, протекающего через соответствующие возбудители 6, 7, 8 и 17, в зависимости от сигнала управления уровнем светового потока, равномерно увеличивается или уменьшается мощность, подаваемая на соответствующие группы СИД 1, 2, 3 и 4. А именно, посредством автоматического ввода уровня светового излучения в микроконтроллер 5 равномерно изменяется уровень яркости групп светодиодов 1, 2, 3 и 4.
В показанном варианте независимо от равномерного управления яркостью уровень яркости каждой группы СИД 1, 2, 3 и 4 можно регулировать независимо от других групп, то есть распределение яркости и освещенности на рабочем месте может быть постоянным, а цветовая температура источника изменятся или наоборот. Такое управление цветовым тоном выполняется методом широтно-импульсной модуляции на основе сигнала управления цветовым тоном в качестве другого сигнала управления. А именно, сигнал управления цветовым тоном подается на аналого-цифровой преобразователь микрокомпьютера. Затем осуществляется предварительно определенный процесс преобразования для вывода 8-битовых данных яркости красного, данных яркости зеленого и данных яркости синего, в виде преобразованных выходных сигналов на основе сигнала управления уровнем яркости. Микроконтроллер 5 фиксируют данные яркости красного цвета, данные яркости зеленого цвета и данные яркости синего цвета. Зафиксированные таким образом, 8-битовые данные яркости красного цвета, данные яркости зеленого цвета и данные яркости синего цвета представляют собой данные для определения ширины импульса возбуждения для возбуждения группы 1 красных СИД, группы 2 зеленых СИД, группы 3 синих СИД и группы 4 белых СИД для освещения на соответствующем, независимом от других уровне яркости. Система возбуждения для соответствующих четырех основных цветов (красный - зеленый - синий - белый) одинакова. В этой связи, далее в целях иллюстрации обсуждается система управления освещением красного цвета.
8
Таймер 14 или по-другому генераторная схема непрерывно генерирует тактовые импульсы достаточно высокой постоянной тактовой частоты. Под воздействием тактовых импульсов счетчик, встроенный в таймер с модулем счета 256 (=2), осуществляет прямой счет, многократно изменяя 8-битовое значение счета от всех "0" до всех "1" с заданным периодом Ts. В результате сравнения в цифровой схеме сравнения 11 8-битового значения счета с 8-битовыми данными уровня, зафиксированными регистром, из цифрового компаратора 11 выводится импульс возбуждения, соответствующий 8-битовым данным уровня, которые соответствуют ширине импульса Tw и периоду Ts. А именно, возбудитель 6 подает на красные СИД заданный ток в течение периода, соответствующего ширине Tw импульса возбуждения для излучения красных СИД. Это импульсное излучение повторяется с периодом Ts.
Как было установлено выше, с помощью операции ввода от средства ввода цветового тона в контроллере дистанционного управления 2 уровня яркости соответствующих цветов групп СИД 1, 2, 3 и 4 изменяются независимо. Создание данных яркостей для каждого цвета микроконтроллер 5 осуществляет преобразование аналогового сигнала управления цветовым тоном, подаваемого на вход аналого-цифрового преобразователя на 256 уровнях в зависимости от величины сигнала управления цветовым тоном. Цифровое значение, преобразованное таким образом в соответствующий уровень, запоминается в качестве параметра цветового тона в области адресов, предусмотренной для параметра цветового тона. Схема сравнения 11 и память 9 осуществляют предварительно определенную логическую программу, хранящуюся в памяти, с учетом параметров цветности и яркости. Затем схема сравнения 11 дополнительно выполняет логическую программу для получения соответствующих 8-битовых данных яркости красного цвета, яркости зеленого цвета и яркости синего цвета, а также белого цвета на основе значений координат цветности (х, у) и яркости (L). Эти данные передаются в систему возбуждения, как было изложено выше.
В описанном варианте реализации изобретения система координат цветности является пространственной системой координат, созданной путем наложения множества поверхностей одинаковой яркости (диаграмма цветности ху) в направлении оси яркости. С помощью координатного значения цветности в конкретной точке системы координат эти атрибуты цвета (яркость и цветность) определяются однозначным образом. На фиг.3 в качестве конкретного примера показаны пределы изменения цветности ху для нашего устройства. Внесенные в блок памяти 9 множество вариантов изменения параметров цветности и яркости, соответствующих различным циркадным и сезонным ритмами позволяют управлять световым излучением и использовать расчетные формулы для новых кривых блоком сравнения 11. Но стоит отметить, что данные кривые и уровни яркости и освещенности подвергаются постоянному контролю и корректированию в зависимости от данных контролирующего устройства световой среды 16, что является специфическим признаком изобретения.
Для обеспечения высокого уровня зрительной работоспособности необходимо учитывать распределение яркости и освещенности на рабочей поверхности, а так же обеспечить хорошее смешение излучения цветных СИД. Для этого в нашем устройстве предусмотрена светооптическая часть 15, что является специфическим признаком изобретения. Например, она может состоять из отражателя определенной формы (фиг. 4), линз, создающего из точечных источников, которыми являются СИД, источники с косинусным распределением силы света и молочного стекла, обеспечивающего смешение излучений. Так же возможны различные комбинации различных видов отражателей оптических систем, обеспечивающих равномерное распределение яркости и освещенности на рабочей поверхности, а так же смешение излучений СИД.
Для контроля изменения координат цветности, цветовой температуры освещения, уровней освещенности и яркости, которые могут возникнуть при появлении дополнительных источников освещения или затемнения (например: включение дополнительного освещения, восходе солнца и т.д.), а так же из-за явлений, проявляющихся в течение эксплуатации, такие как уширение спектральных характеристик СИД, смещение максимума различных характеристик СИД при увеличение температуры, а так же уменьшение светового потока, и подстраивать осветительное устройство так, чтобы параметры световой среды не изменялись и полностью соответствовали циркадному, сезонному ритмам для данного географического положения. Такое устройство контроля обеспечивает выбранный уровень зрительной работоспособности необходимых световых характеристик, являющееся специфическим признаком изобретения. Устройством контроля может служить миниатюрная камера, которая нацелена непосредственно на освещаемую поверхность и находится непосредственно на корпусе светильника (что предпочтительно). Ее поле зрения охватывает все освещаемое пространство. Цифровой сигнал от ПЗС матрицы камеры по трем каналам поступает на устройство видеозахвата 10, расположенное непосредственно в корпусе устройства и затем анализируется устройством анализа световых характеристик 12. После чего полученные результаты передаются к блок памяти 9 и схему сравнения 11.