СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ УРОВНЯМИ УМЕНЬШЕНИЯ СИЛЫ СВЕТА СВЕТОДИОДОВ
METHOD AND DEVICE TO CONTROL LED DIMMING LEVELS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение касается, в общем, управления уровнями уменьшения силы света светодиодов (LED). Более конкретно, различные новые способы и устройства, раскрытые в настоящем документе, относятся к управлению током возбуждения выше и ниже порогового уровня.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Цифровые технологии освещения, то есть освещения, основанного на полупроводниковых источниках света, таких как светодиоды, предлагают жизнеспособную альтернативу традиционным флуоресцентным, газоразрядным (HID) лампам и лампам накаливания. Функциональные преимущества и выгоды светодиодов включают в себя высокую эффективность преобразования энергии и оптическую эффективность, долговечность, более низкие эксплуатационные затраты и множество других преимуществ. Последние усовершенствования в технологии светодиодов обеспечили эффективные и надежные источники света полного спектра, которые позволяют получить различные эффекты освещения в множестве приложений. Некоторые из приборов, реализующих эти источники, имеют осветительный модуль, включающий в себя один или несколько светодиодов, способных производить различные цвета, например красный, зеленый и синий, а также процессор для независимого управления выходной мощностью светодиодов с целью генерации множества цветов и эффектов освещения с изменением цветов, например, как подробно описано в патентах США № 6016038 и 6211626, включенных в настоящий документ посредством ссылки.
Существенные усовершенствования были сделаны в производстве светодиодов, излучающих белый свет. В настоящее время в промышленном масштабе доступны светодиоды белого света, которые генерируют более чем 100 лм/Вт. Это сравнимо с производительностью флуоресцентных и газоразрядных ламп. Кроме того, эти светодиоды имеют другие преимущества, такие как более длительный срок эксплуатации, устойчивость к ударам/вибрации и конструктивную приспособляемость ввиду их малого размера. В результате светодиоды белого света получают признание в качестве замены традиционным источникам накаливания, компактным флуоресцентным и газоразрядным источникам, для применений в освещении, таких как идентификация, выделение и освещение дорожек, локальное освещение, освещение дорог и парковок. Белые светодиоды могут быть использованы самостоятельно или совместно с цветными светодиодами для достижения особого эффекта.
Электрические характеристики светодиодов таковы, что малые изменения в напряжении, приложенном к светодиодной лампе, вызывают заметные изменения тока. Кроме того, изменения в температуре окружающей среды также приведут к изменениям тока светодиодов из-за изменения прямого падения напряжения на светодиодах. Кроме того, выходная светосила светодиодов зависит от тока светодиода. Существующие источники электропитания для светодиодных источников света сконструированы с возможностью точной регулировки тока светодиода для предотвращения изменений в интенсивности свечения из-за изменений входного напряжения переменного тока и температуры окружающей среды. Функционирование светодиодных ламп при излишнем прямом токе в течение долгого периода времени может вызвать недопустимые изменения в интенсивности свечения и даже катастрофическое повреждение. Кроме того, существующие источники электропитания не минимизируют потребление мощности для максимизации экономии энергии.
Часто желательно обеспечить возможность уменьшения силы света светодиодов и осветительных приборов, использующих светодиоды. Известные способы уменьшения силы света светодиодов включают в себя «прерывание» формы волны тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и аналоговое уменьшение амплитуды формы волны тока. К сожалению, при использовании известного аналогового уменьшения амплитуды и ШИМ-уменьшения силы света сложно получить хороший кпд и хорошую производительность по всему диапазону уменьшения силы света от 0% светоотдачи (отсутствие светоотдачи) до 100% светоотдачи (полная светоотдача). Многие известные высокоэффективные устройства возбуждения светодиодов используют преобразователь режима переключения для регулирования тока к светодиодам. Для достижения «глубокого уменьшения силы света» (например, уменьшение до уровня от менее 5% и до 30%) обычно используется ШИМ-пульсация тока светодиода для обеспечения правильного функционирования светодиодов. На выходе источника тока ШИМ-уменьшение силы света требует шунтирующего переключателя, который шунтирует ток светодиода во время пульсаций «выключения» цикла ШИМ. По существу, относительно высокие потери имеют место в главном преобразователе и шунтирующем переключателе, потому что ток к светодиодам находится на сравнительно высоком уровне, даже если подается только часть тока. Соответственно, известные шунтирующие переключатели и способы их использования являются сравнительно неэффективными в приложениях светодиодов, включающих в себя уменьшение силы света. Кроме того, эффективность (лм/Вт) светодиодов является сравнительно высокой при низких значениях тока возбуждения и в результате известные способы ШИМ-уменьшения силы света являются менее эффективными, чем известные способы аналогового уменьшения силы света. Однако аналоговое уменьшение силы света также имеет некоторые недостатки при низких уровнях уменьшения силы света. Например, если ток светодиода является меньшим, чем примерно 5% и большим чем 30% полного значения выходного сигнала, уровни света могут быть неодинаковыми среди разных светодиодов, могут происходить смещения цвета и на очень низких уровнях тока значения эффективности светодиодов также являются сравнительно низкими. Кроме того, электроника устройств возбуждения становится более сложной при падении уровней тока ниже 1%, напряжения смещения и электрический шум в схемах считывания тока становятся большой проблемой. При уровнях уменьшения силы света ниже 0,1% эти проблемы делают аналоговое уменьшение силы света нежелательным.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, имеется необходимость в данной области техники обеспечить уменьшение силы света светодиодов, которое преодолевает по меньшей мере недостатки известных способов уменьшения силы света, описанных выше.
Настоящее изобретение касается новых способов и устройств для управления уровнями уменьшения силы света. Заявители понимают и считают, что является преимущественным обеспечить более эффективное уменьшение силы света светодиодов во всем диапазоне уменьшения силы света от 0% до 100% способом, который преодолевает определенные недостатки в аналоговом и ШИМ-уменьшении силы света. Заявители дополнительно понимают и считают, что является преимущественным обеспечить аналоговое уменьшение силы света до определенного уровня уменьшения силы света и обеспечить ШИМ-уменьшение силы света ниже определенного уровня уменьшения силы света.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение раскрывает схему уменьшения силы света для светодиода, содержащую контроллер тока, сконфигурированный с возможностью принимать входной сигнал уменьшения силы света и обеспечивать сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и опорное напряжение. Схема уменьшения силы света также содержит преобразователь тока, сконфигурированный с возможностью обеспечивать выходной ток, и шунтирующий переключатель, подключенный к контроллеру и к преобразователю тока и между контроллером тока и светодиодами, причем шунтирующий переключатель является непроводящим, когда входной сигнал уменьшения силы света превышает пороговый уровень.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение раскрывает схему уменьшения силы света для светодиода, содержащую контроллер, сконфигурированный с возможностью принимать входной сигнал уменьшения силы света и обеспечивать сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и опорное напряжение. Схема уменьшения силы света также содержит преобразователь тока, сконфигурированный с возможностью обеспечивать выходной ток, и вольтодобавочный преобразователь, подключенный между светодиодами и преобразователем тока, причем вольтодобавочный преобразователь содержит шунтирующий переключатель, который является непроводящим, когда входной сигнал уменьшения силы света меньше порогового уровня.
При использовании в настоящем документе в целях настоящего раскрытия изобретения термин «светодиод» должен пониматься как включающий в себя любой электролюминесцентный диод или другой тип системы, основанной на инжекции/переходе носителей, которая способна генерировать излучение в ответ на электрический сигнал. Таким образом, термин «светодиод» включает в себя, но не ограничивается, различные структуры, основанные на полупроводниках, которые излучают свет в ответ на ток, излучающие свет полимеры, органические светодиоды (OLED), электролюминесцентные ленты и подобные. В частности, термин «светодиод» относится к светодиодам всех типов (включая полупроводниковые и органические светодиоды), которые могут быть сконфигурированы с возможностью генерации излучения в одном или нескольких из инфракрасного спектра, ультрафиолетового спектра и других частей видимого спектра (в целом включая излучения с длиной волны от примерно 400 нанометров до примерно 700 нанометров). Некоторые примеры светодиодов включают в себя, но не ограничиваются, различные типы инфракрасных светодиодов, ультрафиолетовых светодиодов, красных светодиодов, синих светодиодов,зеленыхсветодиодов, желтых светодиодов, янтарных светодиодов, оранжевых светодиодов и белых светодиодов (дополнительно описанных ниже). Следует также понимать, что светодиоды могут быть сконфигурированы с возможностью и/или управляться для генерации излучения, имеющего различную ширину полосы пропускания (например, полная ширина на половине максимума или FWHM) для данного спектра (например, узкая полоса пропускания, широкая полоса пропускания) и множество преобладающих длин волны в пределах данной общей цветовой классификации.
Например, одно воплощение светодиода, сконфигурированное с возможностью генерировать, по существу, белый свет (например, белый светодиод), может включать в себя набор кристаллов, которые, соответственно, излучают различные спектры электролюминесценции, которые, в сочетании, смешиваются для формирования, по существу, белого света. В другом воплощении, светодиод белого света может быть ассоциирован с люминофорным материалом, который преобразует электролюминесценцию, имеющую первый спектр, в другой второй спектр. В одном примере этого воплощения, электролюминесценция, имеющая относительно короткую длину волны и узкий спектр полосы пропускания, «накачивает» люминофорный материал, который, в свою очередь, излучает волны большей длины, имеющие несколько более широкий спектр.
Следует также понимать, что термин «светодиод» не ограничивает физический или электрический тип корпуса светодиода. Например, как было описано выше, светодиод может относиться к единственному излучающему свет устройству, имеющему множество кристаллов, которые сконфигурированы с возможностью соответственно излучать различные спектры излучения (например, которые могут или не могут быть индивидуально управляемыми). Также светодиод может быть ассоциирован с люминофором, который рассматривается в качестве неотъемлемой части светодиода (например, некоторые типы белых светодиодов). В общем, термин светодиод может относиться к корпусным светодиодам, некорпусным светодиодам, устанавливаемым на поверхность светодиодам, припаиваемым на плату светодиодам, устанавливаемым светодиодам, имеющим корпус в форме Т, светодиодам, имеющим радиальный корпус, силовым корпусным светодиодам, светодиодам, включающим в себя некоторый тип оболочки и/или оптический элемент (например, рассеивающую линзу) и так далее.
Термин «источник света» должен пониматься как относящийся к одному или нескольким из множества источников излучения, включающих в себя, но не ограничиваясь этим, источники на основе светодиодов (включая один или несколько светодиодов, описанных выше), источники накаливания (например, лампы накаливания, галогеновые лампы), флуоресцентные источники, фосфоресцирующие источники, высокомощные газоразрядные источники (например, натриевые, ртутные и металлогалогенные лампы), лазеры, другие типы электролюминесцентных источников, пиролюминесцентные источники (например, факелы), свечелюминесцентные источники (например, газокалильные сетки, углеродные источники дугового излучения), фотолюминесцентные источники (например, источники газового разряда), катодолюминесцентные источники, использующие электронное насыщение, гальванолюминесцентные источники, кристаллолюминесцентные источники, кинелюминесцентные источники, термолюминесцентные источники, триболюминесцентные источники, сонолюминесцентные источники, радиолюминесцентные источники и люминесцентные полимеры.
Данный источник света может быть сконфигурирован с возможностью генерации электромагнитного излучения в пределах видимого спектра, вне пределов видимого спектра или в комбинации обоих. Следовательно, термины «свет» и «излучение» используются в настоящем документе взаимозаменяемо. Кроме того, источник света может включать в себя в качестве неотъемлемого компонента один или несколько фильтров (например, цветных фильтров), линз или других оптических компонентов. Также следует понимать, что источники света могут быть сконфигурированы для множества приложений, включая, но не ограничиваясь, указание, отображение и/или освещение. «Источник освещения» является источником света, который, в частности, сконфигурирован с возможностью генерировать излучение, имеющее достаточную интенсивность для эффективного освещения внутреннего или внешнего пространства. В этом контексте «достаточная интенсивность» относится к достаточной мощности излучения в видимом спектре, сгенерированной в пространстве или окружении (единица «люмены» обычно используется для представления общей светоотдачи от источника света во всех направлениях в смысле мощности излучения или «светового потока») для обеспечения окружающего освещения (то есть света, который может восприниматься не напрямую и может, например, отражаться от одной или нескольких из множества промежуточных поверхностей до восприятия полностью или частично).
Термин «спектр» должен пониматься как относящийся к одной или нескольким частотам (или длинам волны) излучения, производимого одним или несколькими источниками света. Соответственно, термин «спектр» относится к частотам (или длинам волны) не только видимого диапазона, но также и к частотам (или длинам волны) в инфракрасной, ультрафиолетовой и других областях общего электромагнитного спектра. Также данный спектр может иметь относительно узкую полосу пропускания (например, FWHM, имеющий, по существу, малое количество компонентов частоты или длины волны) или относительно широкую полосу пропускания (несколько компонентов частоты или длины волны, имеющих различные относительные интенсивности). Следует также понимать, что данный спектр может быть результатом смешивания двух или более других спектров (например, смешивание излучения, соответственно излученного из нескольких источников света).
В настоящем описании термин «цвет» используется взаимозаменяемо с термином «спектр». Однако термин «цвет», в общем, используется для ссылки, главным образом, на свойство излучения, которое может быть воспринято наблюдателем (хотя это использование не предполагает ограничения объема данного термина). Соответственно, термин «различные цвета» неявно относится к множеству спектров, имеющих различные компоненты длины волны и/или полосы пропускания. Следует также понимать, что термин «цвет» может использоваться в связи с белым и небелым светом.
Термин «цветовая температура», в общем, используется в настоящем документе в связи с белым светом, хотя это использование не предполагает ограничения объема данного термина. Цветовая температура, по существу, относится к конкретному содержанию цвета или оттенка (например, красноватый, синеватый) белого света. Цветовая температура данного образца излучения обычно характеризуется в соответствии с температурой в градусах Кельвина (К) излучателя абсолютно черного тела, который излучает, по существу, тот же самый спектр, что и рассматриваемый образец излучения. Температуры цвета излучателя абсолютно черного тела обычно попадают в диапазон от примерно 700 градусов К (обычно рассматривается как первый видимый для человеческого глаза) до более чем 10000 градусов К; белый свет, в общем, воспринимается при температурах цвета выше 1500-2000 градусов К.
Термин «осветительный прибор» в настоящем документе используется для ссылки на реализацию или компоновку одного или нескольких блоков освещения в корпусе, сборке или упаковке конкретной формы. Термин «блок освещения» используется в настоящем документе для ссылки на устройство, включающее в себя один или несколько источников света одинакового или разных типов. Данный блок освещения может иметь любую из множества монтажных компоновок источника (источников) света, компоновок и форм корпуса/кожуха, и/или конфигураций электрического и механического подключения. Дополнительно, данный блок освещения может быть опционально ассоциирован с (например, включать в себя, быть связанным с и/или собранным совместно) различными другими компонентами (например, схема управления), относящимися к функционированию источника (источников) света. «Светодиодный блок освещения» относится к блоку освещения, который включает в себя один или несколько светодиодных источников света, как описано выше, самостоятельно или в сочетании с другими несветодиодными источниками света. «Многоканальный» блок освещения относится к светодиодному или несветодиодному блоку освещения, который включает в себя по меньшей мере два источника освещения, сконфигурированных с возможностью соответственно генерировать различные спектры излучения, причем каждый различный спектр источника может называться «канал» многоканального блока освещения.
Термин «контроллер» используется в настоящем описании, в общем, для описания различных устройств, относящихся к функционированию одного или нескольких источников света. Контроллер может быть выполнен различными способами (например, с помощью специализированного аппаратного обеспечения) для выполнения различных функций, описанных в настоящем документе. «Процессор» является одним примером контроллера, который использует один или несколько микропроцессоров, которые могут быть запрограммированы с использованием программного обеспечения (например, микрокода) для выполнения различных функций, описанных в настоящем документе. Контроллер может быть реализован с или без использования процессора и также может быть реализован в качестве комбинации специального аппаратного обеспечения для выполнения некоторых функций и процессора (например, одного или нескольких программируемых микропроцессоров и ассоциированных схем) для выполнения других функций. Примеры компонентов контроллера, которые могут быть использованы в различных вариантах осуществления настоящего изобретения, включают в себя, но не ограничиваются, традиционные микропроцессоры, интегральные схемы (ASIC) специального применения и программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA).
Термин «пользовательский интерфейс», используемый в настоящем документе, относится к интерфейсу между человеком-пользователем или оператором и одним или несколькими устройствами, который обеспечивает связь между пользователем и устройством (устройствами). Примеры пользовательских интерфейсов, которые могут быть использованы в различных реализациях настоящего изобретения, включают в себя, но не ограничиваются, переключатели, потенциометры, кнопки, циферблаты, ползунки, мышь, клавиатуру, клавишную панель, различные типы игровых контроллеров (например, джойстики), трекболы, дисплеи, различные типы графических пользовательских интерфейсов (GUI), тактильные экраны, микрофоны и другие типы сенсоров, которые могут принимать некоторую форму управляющего воздействия, генерируемого человеком, и генерировать сигнал в ответ на нее.
Следует понимать, что все комбинации вышеуказанных понятий и дополнительных понятий, более подробно описанных ниже (при условии, что такие понятия не являются взаимоисключающими), рассматриваются в качестве части изобретения, раскрытого в настоящем документе. В частности, все комбинации заявленного изобретения, представленные в конце настоящего описания, рассматриваются в качестве части изобретения, раскрытого в настоящем документе. Следует также понимать, что терминология, явным образом использованная в настоящем документе, которая может также быть в любом описании, включенном по ссылке, должна быть согласована по значению, наиболее совместимому с конкретными понятиями, описанными в настоящем документе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает упрощенную блок-схему осветительного прибора в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения;
Фиг.2 изображает упрощенную принципиальную схему схемы уменьшения силы света в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
Фиг.3 изображает упрощенную принципиальную схему уменьшения силы света в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующем подробном описании в целях объяснения, а не ограничения раскрыты варианты осуществления изобретения, раскрывающие конкретные детали, с целью обеспечения всестороннего понимания настоящего изобретения. Описания известных устройств, материалов и способов изготовления могут быть опущены во избежание неясности описания примерных вариантов осуществления. Несмотря на это, такие устройства, материалы и способы, которые находятся в пределах кругозора специалиста в данной области техники, могут быть использованы в соответствии с примерными вариантами осуществления.
Фиг.1 изображает упрощенную блок-схему осветительного прибора 100 в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения. Осветительное устройство включает в себя схему 101 уменьшения силы света, которая принимает входное напряжение, такое как напряжение сети. На основании желаемой установки уменьшения силы света, схема 101 уменьшения силы света обеспечивает конкретный ток возбуждения на светодиод 102. В примерном варианте изобретения устройство освещения может быть обеспечено в корпусе со схемой уменьшения силы света и светодиодом в общем или отдельном сборочном корпусе.
Фиг.2 изображает упрощенную принципиальную схему 200 уменьшения силы света в соответствии с примерным вариантом осуществления. Схема 200 уменьшения силы света предполагается для использования в качестве схемы 101 уменьшения силы света в осветительном приборе 100 на Фиг.1. Схема 200 уменьшения силы света содержит преобразователь 201 неизменного тока («преобразователь») и контроллер 202. Контроллер 202 принимает входной сигнал уменьшения силы света, и преобразователь 201 принимает входное напряжение. В примерном варианте осуществления преобразователь 201 является известным источником питания, сконфигурированным с возможностью принимать подводимую мощность от одного из множества известных источников питания, которые являются иллюстративным источником напряжения переменного тока (напряжения сети), источником напряжения постоянного тока или источником напряжения переменного тока низкого напряжения. Преобразователь 201 обеспечивает выходной ток на основании входного напряжения. Как описано более полно в настоящем документе, ШИМ-сигнал 203 обеспечивается на шунтирующий переключатель (например, на полевой транзистор (FET)) 110 (Q1).
ref
В варианте осуществления, контроллер 202 включает в себя известный микропроцессор, содержащий запоминающее устройство и логическое устройство, и сконфигурирован с возможностью принимать входной сигнал уменьшения силы света и обеспечивать ШИМ-сигнал 203 и опорное напряжение 204 (V). Использование микропроцессора является всего лишь иллюстративным и использование программируемого логического устройства (PLD), такого как программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA) или интегральная схема специального применения (ASIC), или дискретные электронные компоненты, также предполагается для использования в контроллере 202.
ref
ref
ref
Опорное напряжение 204 (V) обеспечивает один входной сигнал в схему 205 усиления ошибки. Ток к светодиодам протекает через считывающий резистор 211 (R1), который производит напряжение считывания, которое обеспечивается в качестве другого входного сигнала в схему 205 усиления ошибки. Схема 205 усиления ошибки сравнивает сигнал напряжения считывания с опорным напряжением 204 (V). Сигнал 206 обратной связи, который основан на выходном сигнале схемы 205 усиления ошибки, обеспечивается на преобразователь 201. В ответ на значение сигнала 206 обратной связи преобразователь 201 увеличивает или уменьшает ток на светодиоды до тех пор, пока считанное напряжение на считывающем резисторе 211 (R1) не становится, по существу, идентичным опорному напряжению 204 (V).
При функционировании преобразователь 201 обеспечивает сравнительно постоянный ток первой катушке 207 индуктивности (L1). Ток от преобразователя 201, в свою очередь, протекает ко второй катушке 208 индуктивности (L2). Вторая катушка 208 индуктивности (L2) в сочетании с конденсатором 209 (C1) преимущественно уменьшает колебания тока и обеспечивает, по существу, неизменный постоянный ток либо к светодиодам (не показаны на Фиг.2), либо к шунтирующему переключателю 210 (Q1). Конденсатор 209 (С1) и вторая катушка 208 индуктивности (L2) имеют соответствующие значения, выбранные так, чтобы переключение шунтирующего переключателя 210 (Q1) не меняло существенно напряжение на конденсаторе 209 (С1), и, таким образом, ток во второй катушке 208 индуктивности (L2) остается, по существу, неизменным. Этот почти неизменный ток затем протекает либо к светодиодам напрямую, либо через шунтирующий переключатель 210 (Q1).
Ток протекает либо к светодиодам напрямую, либо на шунтирующий переключатель 210 (Q1) в зависимости от уровня уменьшения силы света, обеспеченного входным сигналом уменьшения силы света на контроллер 202. Часто, с целью избежать смещений уровня цвета и обеспечить базовый уровень эффективности, устанавливается минимальная амплитуда тока. Эта минимальная амплитуда тока обычно выражается в процентах от максимального уровня тока или амплитуды через контакт светодиода. Например, изготовитель светодиода или изготовитель лампы может указать минимальную амплитуду тока, необходимую для светодиодов, как процент от максимальной амплитуды тока, которая может быть подана на светодиоды.
В иллюстративных целях предполагается, что этот минимум в настоящий момент составляет примерно 10% максимальной амплитуды тока светодиодов, используемых в осветительном приборе 100. Отмечается, что процент от максимальной амплитуды тока может быть меньше или больше чем 10%, и это значение выбрано только для простоты пояснения. В соответствии с примерным вариантом осуществления, описанным в связи с Фиг.2, когда входной сигнал уменьшения силы света на контроллер 202 находится между 100% этого максимального уровня тока и 10% максимального уровня тока, вывод ШИМ-сигнала 203 из контроллера 202 находится на напряжении, которое обратно смещает шунтирующий переключатель 210 (Q1), так что он не проводит и является «выключенным», и опорное напряжение 204 (Vref) находится на уровне, пропорциональном входному сигналу уменьшения силы света. Опорное напряжение 204 (Vref) является входным сигналом в схему 205 усиления ошибки и обеспечивает обратную связь 206 на преобразователь 201, которая является пропорциональной сигналу ошибки между точкой установки желаемого тока (опорное напряжение 204 (Vref)) и фактическим током светодиода, считываемым на считывающем резисторе 211 (R1). Обратная связь 206 является входным сигналом для преобразователя 201, и выходной сигнал из преобразователя 201 является аналоговым выходным сигналом, который обеспечивает желаемый уровень тока на светодиод.
В противоположность, и придерживаясь иллюстративных значений, когда входной сигнал уменьшения силы света на контроллер 202 составляет примерно 10% или менее (до примерно 0%), контроллер 202 обеспечивает опорное напряжение 104 (Vref) в 10% (или менее, как выбрано) максимального значения. ШИМ-сигнал 203 на шунтирующий переключатель 210 (Q1) выборочно смещает шунтирующий переключатель 210 (Q1) на заданный рабочий цикл. В настоящем примерном варианте осуществления при пороговом уровне в 10% максимального тока возбуждения светодиода ШИМ-сигнал 203 имеет рабочий цикл выключения, который, по существу, совпадает с желаемым уровнем уменьшения силы света, поделенным на 10 (поскольку среднее значение тока уже уменьшено до 10%). Например, рабочий цикл выключения ШИМ в 1% соответствует уровню уменьшения силы света в 0,1%.
Преимущественно, поскольку шунтирующий переключатель 210 (Q1) смещен вперед («включен») только когда ток через первую катушку 207 индуктивности (L1) и вторую катушку 208 индуктивности (L2) уменьшен до уровня или ниже выбранной части (например, 10% или меньше) максимального уровня тока, потери в шунтирующем переключателе 210 (Q1) минимизированы. В дополнение, схема 200 позволяет шунтирующему переключателю 210 (Q1) иметь сравнительно высокое сопротивление и, в свою очередь, сравнительно низкую емкость. Это уменьшает вероятность потерь при переключении в случае, если желательна сравнительно высокая ШИМ-частота. Для этой цели в иллюстративном варианте осуществления шунтирующий переключатель 210 (Q1) является полевым транзистором с МОП-структурой (MOSFET) с номинальным значением напряжения в 600 В (предполагая, что светодиодная система имеет высокое выходное напряжение) имеет сопротивление примерно 1,2 Ом и выходную емкость около 100 пФ. Если бы шунтирующий переключатель 210 (Q1) настоящего примера (то есть MOSFET) проводил весь ток (например, 1А) от преобразователя 201, потери проводимости сами по себе уже составляли бы 1 Вт в момент, когда время включенного состояния шунтирующего переключателя 210 (Q1) составляет около 100%. Следует понимать, что такие потери не являются желательными. Напротив, и в соответствии с примерными вариантами осуществления, если ток через шунтирующий переключатель 210 (Q1) ограничен 10% или менее от максимального уровня тока, потери на электропроводность того же самого MOSFET являются существенно более низкими; иллюстративно, 0,012 Вт при тех же условиях и параметрах. Из-за существенного уменьшения в потерях проводимости, сопротивление шунтирующего переключателя 210 (Q1) может быть выбрано более высоким. В продолжение того же примера, если шунтирующий переключатель 210 (Q1) был бы MOSFET с более высоким сопротивлением (например, 10 Ом), выходная емкость бы существенно упала (например, в 10 раз в настоящем примере). Преимущественно, потери проводимости и потери при переключении существенно уменьшаются (в 10 раз в настоящем примере), и время переключения также уменьшается ввиду уменьшенной емкости. В особенности уменьшение времени переключения шунтирующего переключателя 210 (Q1) может быть особенно преимущественным, поскольку сравнительно точное управление уменьшением силы света выигрывает от сравнительно быстрых переходов переключения, которые обусловлены обеспечением переключателя (например, шунтирующего переключателя 210 (Q1)) со сравнительно низкой емкостью, в примерных вариантах осуществления. В дополнение, MOSFET с увеличенным в 10 раз сопротивлением во включенном состоянии является гораздо менее дорогостоящим, чем FET с более низким сопротивлением.
В особенности частота ШИМ-сигнала 203, обеспеченного на шунтирующий переключатель 210 (Q1), может быть выбрана для оптимизации производительности схемы 200. На практике желательно иметь, по существу, неизменный ток в первой катушке 207 индуктивности (L1) и, по существу, неизменное напряжение на конденсаторе 209 (С1), когда шунтирующий переключатель 210 (Q1) включается и выключается с фиксированным рабочим циклом в ответ на ШИМ-сигнал 203. Это гарантирует, что ток в светодиодах пропорционален рабочему циклу шунтирующего переключателя или обратному рабочему циклу. В соответствии с примерным вариантом осуществления, эти условия достигаются посредством выбора достаточно высокой частоты ШИМ для шунтирующего переключателя 210 (Q1). В примерном варианте осуществления, источники питания являются изолированными, и преимущественно преобразователь 201, который обеспечивает изоляцию, никогда не перестает переключаться и, следовательно, непрерывно обеспечивает достаточную мощность на любые дополнительные обмотки питания, необходимые для возбуждения усилителей обратной связи по току и контроллеров интерфейса уменьшения силы света, когда минимальный выходной ток преобразователя зафиксирован на ненулевом минимальном уровне (например, 10% или меньше от максимума в вышеуказанном примере). Частота ШИМ-сигнала 203 для светодиодов обычно выбирается в диапазоне от 200 Гц до 5 кГц. Однако для уменьшения размера второй катушки 208 индуктивности (L2) и конденсатора 209 (С1) возможно функционирование шунтирующего переключателя 210 (Q1) на еще более высоких частотах. Это в особенности уместно, когда шунтирующий переключатель 210 (Q1) является устройством с относительно высоким сопротивлением и низкой емкостью, что обеспечивает быстрые переходы переключения.
Фиг.3 изображает упрощенную принципиальную схему 300 уменьшения силы света в соответствии с другим примерным вариантом осуществления. Схема 300 уменьшения силы света предполагается для использования в качестве схемы 101 уменьшения силы света осветительного прибора 100 на Фиг.1. Многие из деталей компонентов, описанных в связи с вариантами осуществления схемы 200 уменьшения силы света, изображенной на Фиг.2, являются общими с вариантами осуществления схемы 300 уменьшения силы света. Многие из этих общих деталей не повторяются с целью избежать усложнения описания в настоящий момент описываемых вариантов осуществления. Кроме того, подобно вариантам осуществления, описанными в связи с Фиг.2, схема 300 уменьшения силы света обеспечивает эффективное уменьшение силы света светодиодов во всем диапазоне уменьшения силы света от примерно 0% до примерно 100%. Подобно схеме 200 уменьшения силы света схема 300 уменьшения силы света обеспечивает аналоговое уменьшение силы света от преобразователя 201 до порогового уровня, который обеспечивает правильное функционирование светодиода с минимальным смещением цвета.
ref
Схема 300 уменьшения силы света содержит преобразователь 201 и контроллер 202. Контроллер 202 принимает входной сигнал уменьшения силы света и преобразователь 201 принимает входное напряжение, такое как напряжение сети переменного тока. В примерном варианте осуществления изобретения контроллер 202 содержит известный микропроцессор, содержащий запоминающее устройство и логическое устройство, и сконфигурирован с возможностью принимать входной сигнал уменьшения силы света и обеспечивать ШИМ-сигнал 203 и опорное напряжение 204 (V). Использование микропроцессора является всего лишь иллюстративным и использование программируемого логического устройства (PLD), такого как программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA) или интегральная схема специального применения (ASIC), также предполагается для использования в контроллере 202. Опорное напряжение 204 (Vref) содержит один входной сигнал в схему 205 усилителя.
1
Схема 300 уменьшения силы света содержит вольтодобавочный преобразователь 301, который широтно-импульсно модулирует выходной ток с порогового уровня (например, 10% от максимальной амплитуды тока на светодиод) до 0% тока или 100% уменьшения силы света. Вольтодобавочный преобразователь 301 содержит первый переключатель 302 (Q1), соединенный параллельно со вторым переключателем 303 (Q2), катушкой 304 индуктивности и резистором 305. Диод 306 (D1) обеспечен между выводом второго переключателя 303 (Q2) и вводом на схему 205 усиления ошибки. Вольтодобавочный преобразователь 301 может быть описан так, как в публикации заявки 20080278092 на патент США, поданной настоящим заявителем, озаглавленной «Устройства и способы освещения, основанные на светодиодах с высоким коэффициентом мощности», Lys, et al. Описание этой публикации заявки на патент явным образом включено в настоящий документ посредством ссылки. В соответствии с примерными вариантами осуществления вольтодобавочный преобразователь 301 может либо функционировать на высокой частоте по сравнению с частотой ШИМ-сигнала 203 и использовать известный способ управления или использовать гистерезисный или пиковый способ управления током для получения сравнительно быстрого и сравнительно точного управления током. Частота переключения вольтодобавочного преобразователя 301 иллюстративно находится в диапазоне от примерно 100 кГц до примерно 500 кГц. Потери при переключении являются низкими, если емкость второго переключателя 303 (Q2) и диода 306 (D1) являются сравнительно малыми (порядка 10 пФ). Это может быть достигнуто, если сопротивление во включенном состоянии второго переключателя 303 (Q2) выбрано достаточно высоким и номинальный ток диода 306 (D1) выбран достаточно низким. По существу, в соответствии с примерным вариантами осуществления ток через вольтодобавочный преобразователь 301 поддерживается сначала при достаточно низкой амплитуде (например, 10% или меньше от максимального тока светодиодов), что позволяет выбрать сравнительно высокое сопротивление во включенном состоянии второго переключателя 303 (Q2) и что допускает сравнительно низкий ток на диоде 306 (D1) без существенных потерь проводимости. Например, диод с номинальным током в 1 А может иметь емкость перехода в 20-50 пФ, тогда как диод (например, диод 306 (D1)) с номинальным током в 0,1 А может иметь емкость перехода в диапазоне от примерно 1 пФ до примерно 5 пФ, что является сравнительно низким значением. Потери на переключение пропорциональны частоте, так что уменьшение в 10 раз емкости приводит к уменьшению в 10 раз потерь на переключение, которые могут быть очень существенными при частотах функционирования от 100 кГц до 500 кГц.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения вольтодобавочный преобразователь 301 функционирует на сравнительно высокой частоте переключения, чтобы обеспечивать низкие колебания выходного тока на светодиодах (то есть, по существу, неизменный ток светодиода) с низким значением катушки 304 индуктивности (L2). В особенности включение индуктивности со сравнительно малым значением в катушку 304 индуктивности (L2) будет определять, насколько быстро катушка 304 индуктивности (L2) может разряжаться во время «выключенного» цикла ШИМ. По существу, катушка 304 индуктивности (L2) определяет скорость переключения цикла ШИМ и, следовательно, максимальную частоту ШИМ-сигнала 203 и время нарастания и время спада ШИМ-сигнала 203. По существу, катушка 304 индуктивности (L2) вольтодобавочного преобразователя 301 определяет разрешение уменьшения силы света и минимальный достижимый уровень уменьшения силы света в схеме 300 уменьшения силы света.
Отмечается, однако, что частота ШИМ-сигнала 203 не может быть выбрана сколь угодно малой. На частотах ШИМ порядка примерно 100 Гц в результате можно получить видимое мерцание, и даже частоты ШИМ, настолько низкие, как 500 Гц, могут быть проблемой для фотографирования. По существу, в соответствии с примерными вариантами осуществления с целью исключения детектируемого мерцания и обеспечения лучшего качества выходного света светодиодов частота ШИМ-сигнала задается выше порогового уровня. На практике вольтодобавочный преобразователь 301 функционирует на частоте, по меньшей мере, в 100 раз большей, чем частота ШИМ, чтобы обеспечить рабочий цикл ШИМ примерно в 5% с приемлемой точностью. Для более низких уровней уменьшения силы света необходима еще более высокая вольтодобавочная частота.
Придерживаясь иллюстративного диапазона, описанного выше, аналоговое уменьшение силы света может быть реализовано из уменьшения силы света от примерно 0% уменьшения силы света (то есть отсутствие уменьшения силы света и 100% максимальной амплитуды тока на светодиод) до 90% уменьшения силы света (то есть 10% максимальной амплитуды тока на светодиод). При уменьшении силы света ниже 90% высокочастотный вольтодобавочный преобразователь 301 используется для ШИМ выходного тока от 10% до 0%. Отмечается, однако, что вольтодобавочный преобразователь 301 позволяет устанавливать пороговый уровень на значение в примерно 5% максимальной амплитуды тока на светодиоды. Как указано выше, вольтодобавочный преобразователь 301 может либо функционировать на очень высокой частоте по сравнению с частотой ШИМ и использовать стандартный способ управления или использовать гистерезисный или пиковый способ управления током для получения очень быстрого и точного управления током. Вольтодобавочный преобразователь 301 может быть шунтирован с помощью переключателя (FET или другого) во время части аналогового уменьшения силы света, где используется первичное управление током для минимизации любых дополнительных потерь при полной выходной мощности. Первый переключатель 302 (Q1), который является обходным (шунтирующим) переключателем, может быть одним из множества управляемых переключателей (например, FET) и в настоящем варианте осуществления может быть сравнительно медленным устройством переключения, поскольку он должен включаться только выше 10% уменьшения силы света (например) и выключаться ниже этого уровня. Первый переключатель 302 (Q1) может иметь сравнительно низкое сопротивление во включенном состоянии. Емкость первого переключателя 302 (Q1) является незначительной фактором в конструкции схемы, поскольку в первом переключателе 302 (Q1) имеются низкие потери на переключение. В частности, в примерных вариантах осуществления команда уменьшения силы света является относительно фиксированной и изменяется, только когда пользователь меняет заданное значение. Например, и в продолжение этого примера, если дана команда уменьшения силы света в 11% максимального тока, то первый переключатель 302 (Q1) включен и преобразователь 201 обеспечивает неизменный ток в 11% на светодиоды. Отмечается, что первый переключатель 302 (Q1) никогда не выключается в этом состоянии и второй переключатель 303 (Q2) никогда не включается, так что отсутствуют потери на переключение. Напротив, например, если дана команда уменьшения силы света в 9% максимального тока, то первый переключатель 302 (Q1) выключен и вольтодобавочный преобразователь 301 обеспечивает управление неизменным током. В этом диапазоне функционирования первый переключатель (Q1) не переключается, но выключен. Опять же отсутствуют потери на переключение, вносимые первым переключателем 302 (Q1).
При функционировании на основании входного сигнала уменьшения силы света контроллер 202 обеспечивает опорное напряжение 204 (Vref) и ШИМ-сигнал 203. Когда опорное напряжение 204 (Vref) превышает пороговое значение уменьшения силы света (например, 10% максимальной амплитуды тока на светодиоды), первый переключатель 302 (Q1), который функционирует в качестве шунтирующего переключателя, вольтодобавочного преобразователя 301, смещается на проводимость (то есть включается) преобразователем 201. Таким образом, для входного сигнала уменьшения силы света на контроллер 202 в 0% уменьшения силы света (то есть максимальная амплитуда тока на светодиоды) до минимального аналогового задания уменьшения силы света (10% максимальной амплитуды тока, например), вольтодобавочный преобразователь 301 производит регулируемый выходной ток на светодиоды через первый переключатель 302 (Q1). Остальные компоненты вольтодобавочного преобразователя 301, а именно второй переключатель 303 (Q1), катушка 304 индуктивности (L2), резистор 305 (R3) и диод 306 (D1), шунтируются для минимизации потерь. Для входных сигналов уменьшения силы света на контроллер 202, меньших, чем пороговое значение (например, менее чем 10% максимальной амплитуды тока на светодиод), первый переключатель 302 (Q1) не является проводящим, и преобразователь 201 регулирует напряжение на емкости 307 (С1) до напряжения, большего, чем напряжение включения светодиода. Соответственно, вольтодобавочный преобразователь 301 предоставляет возможность регулирования тока светодиода на 10% аналогового уровня. В дополнение второй переключатель 303 (Q2) включается и выключается посредством ШИМ 203 и, таким образом, вольтодобавочный преобразователь 301 затем включается и выключается при сравнительно низкой частоте ШИМ (от 100 Гц до 1000 Гц, например) контроллером 202. Рабочий цикл вольтодобавочного преобразователя 301 затем регулируется на основании ШИМ-сигнала, по существу, тем же самым образом, как и в схеме 200, чтобы подать ток с ШИМ на светодиоды, который является пропорциональным команде уменьшения силы света (меньшим во время включенного состоянии при малом уменьшении силы света и большим во время выключенного состояния).
В варианте осуществления с целью исключения любых проблем отклика контура управления вольтодобавочный преобразователь 301 может управляться через гистерезисное управление током во время включенного состояния, что обеспечивает сравнительное быстрое время отклика, по существу, без подачи излишнего тока на светодиоды. Однако, альтернативные способы управления током, такие как управление пиковым током, стандартное управление режимом тока или управление критической проводимостью тока, могут быть использованы в зависимости от необходимых требований. Поскольку схема вольтодобавочного преобразователя 301 является активной только во время глубокого уменьшения силы света (ниже 10%, например), второй переключатель 303 (Q2), диод 306 (D1) и катушка 304 индуктивности (L2) должны быть спроектированы только для работы с 10% уровнем тока, а не с полным выходным током. Это также позволяет выбрать переключатель (например, MOSFET) и диод со сравнительно низкой емкостью, что обеспечивает быструю частоту переключения вольтодобавочного преобразователя 301 без излишних потерь. Наконец, вольтодобавочный преобразователь 301 может быть размещен в положительном токовом соединении светодиода, как показано, или на отрицательной стороне, чтобы сделать возбуждение FET более простым (в отношении заземлением). Рассматриваются и другие конфигурации в пределах кругозора специалиста в данной области техники.
В то время как в настоящей заявке были описаны и проиллюстрированы несколько новых вариантов осуществления, специалист в данной области техники легко представит множество других средств и/или структур для выполнения функции и/или получения результатов и/или одного или нескольких преимуществ, описанных в настоящем документе, и каждая из таких вариаций и/или модификаций предполагается находящейся в пределах объема новых вариантов осуществления изобретения, описанных в настоящем документе. В более общем смысле специалистам в данной области техники будет сразу понятно, что все параметры, величины, материалы и конфигурации, описанные в настоящем документе, подразумеваются примерными и что фактические параметры, величины, материалы и/или конфигурации будут зависеть от конкретного приложения или приложений, для которых изобретение будет использовано. Специалистам в данной области техники будут понятны, или они смогут определить с использованием не более, чем обычных экспериментов, множество эквивалентов конкретным новым вариантам осуществления изобретения, описанным в настоящем документе. Следовательно, следует понимать, что вышеописанные варианты осуществления изобретения представлены только в виде примеров и что в пределах объема приложенной формулы изобретения и ее эквивалентов могут быть реализованы новые варианты осуществления изобретения, отличные от тех, которые конкретно описаны и заявлены. Новые варианты осуществления изобретения настоящего описания направлены на каждый индивидуальный признак, систему, предмет, материал, набор и/или способ, описанный в настоящем документе. Кроме того, любая комбинация двух или более таких признаков, систем, предметов, материалов, наборов и/или способов, если такие признаки, системы, предметы, материалы, наборы и/или способы не является взаимоисключающими, включается в объем настоящего описания.
Все определения, указанные и использованные в настоящем документе, должны пониматься, как преобладающие над словарными определениями, определениями в документах, включенных по ссылке, и/или обычными значениями определенных терминов.
Единственное число, используемое в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, если не указывается явно обратное, должно пониматься как значащее «по меньшей мере один». Фраза «и/или», используемая в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, должна пониматься как значащая «любой или оба» элемента, соединенных таким образом, то есть элементы, которые совместно присутствуют в некоторых случаях и отдельно присутствуют в других случаях. Множество элементов, указанных с «и/или», должны восприниматься таким же образом, то есть «один или несколько» из элементов, таким образом соединенных. Могут опционально присутствовать другие элементы, отличные от элементов, явно указанных выражением «и/или», относящиеся или не относящиеся к явно указанным элементам.
Как указано в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, «или» следует понимать как имеющее то же самое значение, что и «и/или», как определено выше. Например, при отделении элементов в списке «или» или «и/или» должны интерпретироваться как являющиеся включающими в себя, то есть включение по меньшей мере одного, но также включение более чем одного, множества или списка элементов и, опционально, дополнительных не указанных элементов. Только термины, явно указывающие на обратное, такие как «только один из» или «конкретно один из» или, будучи использованным в формуле изобретения, «состоящий из» ссылаются на включение конкретно одного элемента из множества или списка элементов. В общем, термин «или», как он использован в настоящем документе, должен интерпретироваться как указывающий исключение альтернативы (то есть «один или другой, но не оба»), когда перед ним находятся термины исключительности, такие как «или, или», «один из», «только один из» или «конкретно один из». «Состоящий, по существу, из», будучи использованным в формуле изобретения, должен иметь свое обычное значение, используемое в патентном праве.
Любые условные обозначения или другие символы, появляющиеся в скобках в формуле изобретения, приведены всего лишь для удобства и не предназначены для ограничения формулы изобретения любым способом.
Следует также понимать, что, если явно не указано обратное, в любых способах, заявленных в настоящем документе, которые включают в себя более одного этапа или действия, порядок этапов или действий способа не обязательно ограничен тем, как указаны этапы или действия способа.
В формуле изобретения, а также в вышеприведенном описании все переходные фразы, такие как «содержащий», «включающий в себя», «несущий», «имеющий», «включающий», «держащий», «состоящий из» и подобные следует понимать как открытые, то есть подразумевающие включение, но не ограничение. Только переходные фразы «состоящий из» и «состоящий, по существу, из» должны являться закрытыми или полузакрытыми переходными фразами соответственно.