СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СООТВЕТСТВУЮЩИМИ ТОКАМИ НАГРУЗКИ НЕСКОЛЬКИХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ НАГРУЗОК
METHODS AND DEVICES FOR CONTROL OF RESPECTIVE LOAD CURRENTS FOR SEVERAL IN-SERIES LOADS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области электротехники и в частности к способам и устройствам для управления токами нагрузки нескольких соединенных последовательно нагрузок.
По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент US 60/978612 "Integrated LED-Based Luminaire for General Lighting", поданной 9 октября 2007 года.
Изобретение осуществлено при поддержке правительства США по гранту DE-DE-FC26-06NT42932, выданному Министерством энергетики США.
Предшествующий уровень техники
Недавно была получена возможность использования в твердотельном освещении соединенные последовательно нагрузок, т.е. множества электропроводящих устройств, подключенных так, чтобы принимать электрический ток последовательно. Светоизлучающие диоды (светодиоды) являются полупроводниковыми источниками света, зачастую используемыми в вариантах применения измерительной аппаратуры и приборов с низким уровнем мощности для индикации. Светодиоды традиционно являются доступными во множестве цветов (например, красный цвет, зеленый цвет, желтый цвет, синий цвет, белый цвет) в зависимости от типов веществ, используемых при их изготовлении. Это цветовое разнообразие светодиодов, наряду с успехами в исследованиях и усовершенствованиями светового потока светоизлучающих устройств, в последнее время применяется при создании новых светодиодных источников света, имеющих достаточную световую выходную мощность для новых вариантов применения для освещения пространства.
Например, в патенте US 6777891 рассматривается компоновка множества светодиодных осветительных модулей как "гирлянда" с компьютерным управлением, в которой каждый осветительный модуль составляет отдельно управляемый "узел" гирлянды. Варианты применения, подходящие для таких гирлянд, включают в себя варианты применения освещения для декорирования и развлекательных мероприятий (например, освещение рождественской елки, подсветка дисплея, освещение парка отдыха, освещение видео- и других игровых автоматов и т.д.). Через компьютерное управление одна или более таких гирлянд предоставляют многообразие сложных временных и световых эффектов с изменением цвета. Во многих реализациях, данные по освещению передаются на один или более узлов данной гирлянды последовательным образом, согласно многообразию различных схем передачи и обработки данных, тогда как мощность предоставляется параллельно в соответствующие осветительные модули цепочки (например, от источника выпрямленного высокого напряжения, в некоторых случаях с существенным пульсирующим напряжением).
Рабочее напряжение, требуемое для каждого осветительного модуля (а также цепочки, вследствие параллельного соединения питания осветительных модулей), типично связано с прямым напряжением светодиодов в каждом осветительном модуле (например, около 2-3,5 В в зависимости от типа/цвета светодиода), тем, сколько светодиодов используется для каждого "цветового канала" осветительного модуля и как они соединены, и как соответствующие цветовые каналы организованы, чтобы принимать мощность от источника питания. Например, рабочее напряжение для осветительного модуля, имеющего параллельную компоновку соответствующих цветовых каналов, чтобы принимать мощность, где каждый канал включает в себя один светодиод, имеющий прямое напряжение порядка 3 В, и соответствующую схему, чтобы предоставлять ток в канал, может составлять порядка 4-5 В, которое прикладывается параллельно ко всем каналам, чтобы снабжать один светодиод и токовую схему в каждом канале. Соответственно, во многих вариантах применения, некоторый тип устройства преобразования напряжения желателен, чтобы обеспечивать, в общем, более низкое рабочее напряжение в один или более светодиодных осветительных модулей в сравнении с обычно доступными напряжениями питания с большей мощностью (например, 12 VDC, 15 VDC, 24 VDC, выпрямленное напряжение сети и т.д.).
Одним из препятствий для широкого применения низковольтных светодиодов и низковольтных светодиодных осветительных модулей в качестве источников света в вариантах применения, в которых, в общем, напряжения питания с большей мощностью легкодоступны, является необходимость преобразовывать энергию от одного напряжения к другому, что, во многих случаях, приводит к неэффективности преобразования и потерянной энергии. Кроме того, преобразование энергии типично заключает в себе компоненты управления мощностью типа и размера, которые, в общем, препятствуют интеграции. Традиционно, светодиоды предоставляются как комплекты одиночных светодиодов или несколько светодиодов, подключенных последовательно или параллельно в одном пакете. Один существенный барьер для интеграции светодиодов и схемы преобразования мощности связан с типом и размером компонентов управления мощностью, требуемых для того, чтобы преобразовывать энергию к относительно более низким уровням напряжения, типично требуемым для того, чтобы приводить в действие светодиоды.
В связи с вышеизложенным, другие последние варианты применения, заключающие в себе светодиоды, как пояснено, например, в публикации заявки на патент US 2008/0122376 A1, направлены на последовательное соединение нескольких светодиодов, чтобы разрешать использование рабочего напряжения, которое значительно превышает типичные прямые напряжения светодиодов и также обеспечивает работу нескольких светодиодов или светодиодных осветительных модулей без необходимости трансформатора между источником мощности (например, мощности питающей сети или напряжением сети, таким как 120 VAC или 240 VAC) и нагрузками (т.е. несколько соединенных последовательно нагрузок могут функционировать "непосредственно" от напряжения сети).
Краткое изложение существа изобретения
Было обнаружено, что управление несколькими соединенными последовательно нагрузками, такими как светодиодные источники света, предоставляет ряд вариантов применения освещения, в которых очень эффективные и приспосабливаемые источники питания могут быть интегрированы с источниками света в осветительном приборе, сконфигурированном для обеспечения многоцветного или по существу белого света. Было также обнаружено, что конкретные аспекты управления, в частности, управление током соответствующих нескольких соединенных последовательно нагрузок, могут улучшать различные рабочие характеристики таких осветительных приборов и, в частности, компенсацию дрейфа цвета или цветовой температуры формируемого света как функцию от тепловых переходных процессов.
Соответственно, один аспект настоящего изобретения направлен на устройство освещения, включающее в себя, по меньшей мере, один первый светодиод для формирования первого излучения, имеющего первый спектр, и, по меньшей мере, один второй светодиод для формирования второго излучения, имеющего второй спектр, отличный от первого спектра. По меньшей мере, один первый светодиод и, по меньшей мере, один второй светодиод электрически подключены последовательно между первым узлом и вторым узлом. Ток последовательности протекает между первым узлом и вторым узлом, когда рабочее напряжение прикладывается к первому узлу и второму узлу. Импульсный источник питания обеспечивает коррекцию коэффициента мощности и рабочее напряжение. Импульсный источник питания управляет, по меньшей мере, одним управляемым путем протекания тока, подключенным параллельно с одним, по меньшей мере, из одного первого светодиода и, по меньшей мере, одного второго светодиода, чтобы, по меньшей мере, частично отводить ток последовательности около одного, по меньшей мере, из одного первого светодиода и, по меньшей мере, одного второго светодиода таким образом, что первый ток, по меньшей мере, через один первый светодиод и второй ток, по меньшей мере, через один второй светодиод являются различными.
Другой аспект настоящего изобретения направлен на способ для управления цветовой температурой белого света, формируемого посредством светодиодного устройства освещения в течение теплового переходного процесса. Светодиодное устройство освещения включает в себя, по меньшей мере, один первый светодиод для формирования первого излучения, имеющего первый спектр, и, по меньшей мере, один второй светодиод для формирования второго излучения, имеющего второй спектр, отличный от первого спектра, причем белый свет является результатом смешения первого излучения и второго излучения. По меньшей мере, один первый светодиод и, по меньшей мере, один второй светодиод электрически подключены последовательно между первым узлом и вторым узлом, и ток последовательности протекает между первым узлом и вторым узлом, когда рабочее напряжение приложено к первому узлу и второму узлу. Способ включает в себя этапы формирования сигнала температуры, представляющего температуру рядом, по меньшей мере, с одним первым светодиодом и, по меньшей мере, одним вторым светодиодом; и управления, на основе сигнала температуры, по меньшей мере, одним управляемым током, подключенным параллельно с одним из, по меньшей мере, одного первого светодиода и, по меньшей мере, одного второго светодиода, чтобы, по меньшей мере, частично отводить ток последовательности около одного из, по меньшей мере, одного первого светодиода и, по меньшей мере, одного второго светодиода таким образом, что первый ток, по меньшей мере, через один первый светодиод и второй ток, по меньшей мере, через один второй светодиод являются различными.
Другой аспект настоящего изобретения направлен на устройство для управления цветовой температурой белого света, формируемого посредством светодиодного источника света в течение теплового переходного процесса. Светодиодный источник света устанавливается на теплопроводящей подложке, и теплопроводящая подложка имеет выемку, сформированную рядом со светодиодным источником света. Устройство включает в себя печатную плату, имеющую контактный вывод для вставки в выемку, сформированную в теплопроводящей подложке. Устройство дополнительно содержит датчик температуры, расположенный на контактном выводе печатной платы таким образом, что, когда печатная плата вставлена в выемку, сформированную в теплопроводящей подложке, датчик температуры по существу становится встроенным в теплопроводящую подложку рядом со светодиодным источником света. Устройство дополнительно содержит множество компонентов, расположенных на печатной плате и составляющих импульсный источник питания для обеспечения коррекции коэффициента мощности и рабочего напряжения для светодиодного источника света, причем импульсный источник питания содержит, по меньшей мере, один контроллер на интегральной схеме (IC).
Под термином "светодиод" должен пониматься как включающий в себя любой электролюминесцентный диод или другой тип системы на основе инжекции/перехода носителей, которая допускает формирование излучения в ответ на электрический сигнал. Таким образом, термин "светодиод" включает в себя, но не ограничиваясь этим, различные полупроводниковые структуры, которые испускают свет в ответ на ток, светоизлучающие полимеры, органические светоизлучающие диоды (OLED), электролюминесцентные гирлянды и т.п.
В частности, термин "светодиод" упоминается как светоизлучающие диоды всех типов (включая полупроводниковые и органические светоизлучающие диоды), которые могут быть сконфигурированы для формирования излучения в одном или более из спектра инфракрасного излучения, спектра ультрафиолетового излучения и различных участков видимого спектра (в общем, включающих в себя длины волны излучения от приблизительно 400 нанометров до приблизительно 700 нанометров). Некоторые примеры светодиодов включают в себя, но не ограничиваясь этим, различные типы инфракрасных светодиодов, ультрафиолетовых светодиодов, красных светодиодов, синих светодиодов, зеленых светодиодов, желтых светодиодов, янтарных светодиодов, оранжевых светодиодов и белых светодиодов (поясненных дополнительно ниже). Также следует принимать во внимание, что светодиоды могут конфигурироваться и/или управляться так, чтобы формировать излучение, имеющее различные полосы пропускания (например, полную ширину на уровне полумаксимума, или FWHM) для данного спектра (например, узкую полосу пропускания, широкую полосу пропускания) и множество доминирующих длин волны в рамках данной общей классификации цветов.
Под термин "спектр" следует понимать любую одну или более частот (или длин волны) излучения, формируемого посредством одного или более источников света. Соответственно, термин "спектр" означает частоты (или длины волны) не только в видимом диапазоне, но также и частоты (или длины волны) в инфракрасном, ультрафиолетовом и других областях полного электромагнитного спектра. Кроме того, данный спектр может иметь относительно узкую полосу пропускания (например, FWHM, имеющую в своей основе небольшое количество частотных или спектральных компонентов) или относительно широкую полосу пропускания (несколько частотных или спектральных компонентов, имеющих различную относительную интенсивность). Также следует принимать во внимание, что данный спектр может быть результатом смешения двух или более других спектров (например, смешение излучения, соответственно, испускаемого из нескольких источников света). Для целей раскрытия термин "цвет" используется взаимозаменяемо с термином "спектр". Тем не менее, термин "цвет", в общем, используется для того, чтобы означать главным образом свойство излучения, которое воспринимается наблюдателем (хотя это применение не должно ограничивать объем данного термина). Соответственно, термин "различные цвета" неявно означает несколько спектров, имеющих различные компоненты длины волны и/или полосы пропускания. Также следует принимать во внимание, что термин "цвет" может быть использован в связи и с белым и с небелым светом.
Термин "цветовая температура", в общем, используется в данном документе в связи с белым светом, хотя это применение не имеет намерения ограничивать объем данного термина. Цветовая температура по существу означает конкретное цветовое содержимое или оттенок (например, красноватый, синеватый) белого света. Цветовая температура данной выборки излучения традиционно характеризуется в соответствие с температурой в градусах Кельвина (K) абсолютно черного излучателя, который излучает в своей основе такой же спектр, как и рассматриваемая выборка излучения. Цветовые температуры абсолютно черного излучателя, в общем, находятся в диапазоне приблизительно от 700 K (типично считается первой видимой для человеческого глаза) до более чем 10000 K; белый свет, в общем, воспринимается при цветовых температурах выше 1500-2000 K.
Более низкие цветовые температуры, в общем, указывают белый свет, имеющий более существенный красный компонент, или "более теплое ощущение", тогда как более высокие цветовые температуры, в общем, указывают белый свет, имеющий более существенный синий компонент, или "более холодное ощущение". В качестве примера, огонь имеет цветовую температуру около 1800 K, традиционная лампа накаливания имеет цветовую температуру около 2848 K, дневной свет рано утром имеет цветовую температуру около 3000 K, а пасмурное небо в полдень имеет цветовую температуру около 10000 K. Цветное изображение, просматриваемое под белым светом, имеющим цветовую температуру около 3000 K, содержит относительно красноватый оттенок, тогда как тоже цветное изображение, просматриваемое под белым светом, имеющим цветовую температуру около 10000 K, содержит относительно синеватый оттенок.
Термин "контроллер" используется в данном документе, чтобы описывать различные устройства, связанные с работой одного или более источников света. Контроллер может быть реализован множеством способов (например, c помощью специализированных аппаратных средств), чтобы выполнять различные функции, поясненные в данном документе. "Процессор" - это один пример контроллера, который использует один или более микропроцессоров, которые могут программироваться с использованием программного обеспечения (например, микрокода), чтобы выполнять различные функции, поясненные в данном документе. Контроллер может быть реализован с применением или без применения процессора, а также может быть реализован как комбинация специализированных аппаратных средств для выполнения некоторых функций, и процессора (например, одного или более программируемых микропроцессоров и ассоциированных схем) для выполнения других функций. Примеры компонентов контроллера, которые могут использоваться в различных вариантах осуществления настоящего раскрытия сущности, включают в себя, но не ограничиваясь этим, традиционные микропроцессоры, специализированные интегральные схемы (ASIC) и программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA).
В различных реализациях процессор или контроллер может быть связан с одним или более носителей хранения данных (в общем упоминаемых в данном документе как "запоминающее устройство", например, энергозависимое и энергонезависимое компьютерное запоминающее устройство, такое как RAM, PROM, EPROM и EEPROM, гибкие диски, компакт-диски, оптические диски, магнитная лента и т.д.). В некоторых реализациях, носители хранения данных могут быть закодированы с помощью одной или более программ, которые при выполнении на одном или более процессорах и/или контроллерах, осуществляют, по меньшей мере, некоторые из функций, поясненных в данном документе. Различные носители хранения данных могут быть стационарными в процессоре или контроллере или могут быть переносными, так что одна или более программ, сохраненных на них, могут быть загружены в процессор или контроллер, чтобы реализовывать различные аспекты настоящего изобретения, поясненные в данном документе. Термины "программа" или "компьютерная программа" используются в общем смысле, чтобы означать любой тип машинного кода (например, программного обеспечения или микрокода), который может использоваться для программирования одного или более процессоров или контроллеров.
Следует принимать во внимание, что все комбинации вышеприведенных концепций и дополнительных концепций, подробнее поясненных ниже (если такие концепции не являются взаимно исключающими), считаются частью предмета изобретения, раскрытого в данном документе. Также следует принимать во внимание, что термины, используемые в данном описании, которые также могут использоваться при раскрытии сущности изобретения, должны соответствовать значению, наиболее согласующемуся с принятыми в данной области.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает обобщенную блок-схему различных электрических компонентов источника питания для нескольких соединенных последовательно нагрузок, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 - принципиальная схема каскада коррекции коэффициента мощности источника питания, показанного на фиг. 1, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 - принципиальная схема каскада коррекции коэффициента мощности источника питания, показанного на фиг. 1, вместе с контроллером, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 - принципиальная схема каскада управления нагрузкой источника питания, показанного на фиг. 1, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 5 - принципиальная схема каскада управления нагрузкой источника питания, показанного на фиг. 1, вместе с контроллером, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 6 - блок-схема последовательности операций, показывающая способ температурной компенсации, реализованный посредством контроллера по фиг. 5 для управления каскадом управления нагрузкой, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 7 - две диаграммы цветовой температуры формируемого света в зависимости от времени на основе способа температурной компенсации на фиг. 6, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 8 - примерная конфигурация печатной платы, на которой расположен источник питания по фиг. 1, и присоединение печатной платы к подложке, содержащей светодиодные нагрузки, согласно одному варианту осуществления изобретения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На Фиг. 1 показана блок-схема, иллюстрирующая электрические компоненты устройства 100 для управления соответствующими токами нагрузки нескольких соединенных последовательно нагрузок, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. В одной примерной реализации, поясненной подробно в данном документе, устройство может быть осветительным прибором, содержащим несколько соединенных последовательно светодиодных нагрузок для обеспечения многоцветного и/или белого света, имеющего многообразие цветов и/или коррелированных цветовых температур. Следует принимать во внимание, что, в общем, устройство согласно одному варианту осуществления изобретения, как проиллюстрировано на фиг. 1, не ограничено в этом отношении, и предполагаются различные типы нагрузок и различные типы вариантов применения (в некоторых случаях не обязательно связанные с освещением). Также следует принимать во внимание, что некоторые из электрических компонентов, проиллюстрированных на фиг. 1, являются опционными, и что не все компоненты должны обязательно присутствовать в различных вариантах осуществления способов и устройств согласно настоящему описанию.
Как показано на фиг. 1, устройство 100 в виде осветительного прибора содержит несколько светодиодных источников света и включает в себя источник питания и электронные схемы 414 управления, которые принимают входное напряжение 514 переменного тока и обеспечивают рабочее напряжение 516 для светодиодных источников света. На фиг. 1 показаны два различных типа светодиодных источников света, составляющих несколько соединенных последовательно нагрузок, а именно, один или более первых светодиодов 202 для формирования первого излучения 503, имеющего первый спектр, и один или более вторых светодиодов 204 для формирования второго излучения 505, имеющего второй спектр, отличный от первого спектра (для простоты на фиг. 1, один или более первых светодиодов показаны в блоке, помеченном L1, а один или более вторых светодиодов показаны в блоке, помеченном L2).
В одной неограничивающей примерной реализации, первый светодиод(ы) 202 может включать в себя один или более красных светодиодов для формирования первого спектра излучения, включающего в себя, по существу, монохроматический красный свет, а второй светодиод(ы) может включать в себя один или более белых светодиодов (например, синий светодиод, облучающий люминофор) для формирования второго спектра излучения, включающего в себя относительно широкополосный белый свет. Свет, формируемый посредством осветительного прибора, является результатом смешения первого излучения 503 и второго излучения 505, когда оба присутствуют. В одном конкретном примере, в осветительном приборе относительно меньшее число красных светодиодов (например, шесть) используется с относительно большим числом белых светодиодов (например, двадцать), чтобы обеспечивать конкретную коррелированную цветовую температуру белого света (например, около 2800-3000 К) и относительно высокий индекс цветопередачи (например, CRI около 85-90).
L
На фиг. 1, первый светодиод(ы) 202 и второй светодиод(ы) 204 электрически подключены последовательно между первым узлом 516A и вторым узлом 516B. Когда источник 414 питания обеспечивает рабочее напряжение 516, ток 550 последовательности (I) протекает между первым узлом и вторым узлом.
Как показано на фиг. 1, источник питания и электронные схемы 414 управления (в дальнейшем "источник питания") могут быть многоступенчатым импульсным источником питания для обеспечения как коррекции коэффициента мощности, так и рабочего напряжения 516. Более конкретно, источник 414 питания может включать в себя каскад 502 коррекции коэффициента мощности для приема входного напряжения 514 переменного тока через мостовой выпрямитель 506 и обеспечения коррекции коэффициента мощности и рабочего напряжения 516. Вследствие сильной коррекции коэффициента мощности, обеспеченной посредством каскада 502 коррекции коэффициента мощности, осветительный прибор/устройство 100 считается, по существу, резистивным элементом для приложенного входного напряжения 514.
1
2
1
2
Источник 414 питания также может включать в себя каскад 504 управления нагрузкой, чтобы управлять потоком тока 550 последовательности между узлами 516A и 516B. В частности, каскад 504 управления нагрузкой включает в себя управляемый путь 518 протекания тока (включающий в себя переключатель 560), соединенный с узлом 520 между первым светодиодом(ами) 202 и вторым светодиодом(ами) 204 и подключенный параллельно со вторым светодиодом(ами) 204, чтобы, по меньшей мере, частично отводить ток 550 последовательности около второго светодиода(ов) 204. В одном аспекте, путь 518 тока может управляться таким образом, что первый ток 552 (I) через первый светодиод(ы) и второй ток 554 (I) через второй светодиод(ы) являются различными. Такое управление соответствующими токами I и Iчерез первый светодиод(ы) и второй светодиод(ы) упрощает задание и регулирование цвета или цветовой температуры света, формируемого посредством осветительного прибора. В одном аспекте примерной реализации, поясненной подробно ниже, часть второго тока, которая отводится от второго светодиода(ов), может быть "повторно использована" и добавлена к первому току.
Хотя фиг. 1 конкретно иллюстрирует управляемый путь 518 тока каскада 504 управления нагрузкой параллельно со вторым светодиодом(ами), тем не менее, следует принимать во внимание, что один или более управляемых путей тока могут использоваться в каскаде 504 управления нагрузкой, параллельно одному или обоим из первого светодиода(ов) 202 и второго светодиода(ов) 204, для отведения, по меньшей мере, части тока 550 последовательности около одного или обоих из первого светодиода(ов) и второго светодиода(ов). Как показано на фиг. 1, каскад 504 управления нагрузкой может принимать от каскада 502 коррекции коэффициента мощности напряжение 517, отличное от рабочего напряжения 516, для упрощения управления переключателем 560 в управляемом пути 518 протекания тока, а также другими компонентами в каскаде 504 управления нагрузкой, как пояснено дополнительно ниже.
В другом варианте осуществления, также показанном на фиг. 1, устройство/осветительный прибор 100 дополнительно может включать в себя один или более датчиков 416 температуры (TS), расположенных рядом и поддерживающих тепловую связь с первым светодиодом(ами) 202 и вторым светодиодом(ами) 204. Дополнительно, источник 414 питания может включать в себя контроллер 510, связанный, по меньшей мере, с каскадом 504 управления нагрузкой, для приема сигнала 526 температуры обеспечиваемого посредством датчика(ов) 416 температуры. Как также показано на фиг. 1, контроллер 510 может принимать один или более внешних сигналов 524 вместо или в дополнение к сигналу 526 температуры. В одном аспекте, контроллер 510 предоставляет управляющий сигнал 522 в каскад 504 управления нагрузкой для управления управляемым путем 518 протекания тока (т.е. управления переключателем 560), по меньшей мере, частично на основе сигнала 526 температуры и/или внешнего сигнала 524. Таким образом, управление одним или обоими из первого тока 552 (через первый светодиод(ы) 202) и второго тока 554 (через второй светодиод(ы) 204) может зависеть от изменений температуры во времени около светодиодных источников (через сигнал 526 температуры) и/или любого числа внешних параметров (через внешний сигнал 524). Как подробнее поясняется ниже со ссылкой на фиг. 5, способность варьировать один или оба из первого и второго токов как функцию от температуры светодиода значительно уменьшает нежелательные изменения цвета или цветовой температуры света, обеспечиваемого осветительным прибором в течение тепловых переходных процессов (например, по мере того как светодиоды прогреваются в течение некоторого периода времени до теплового установившегося режима после включения осветительного прибора).
В еще одном варианте осуществления, показанном на фиг. 1, источник 414 питания может включать в себя второй контроллер 508, соединенный с каскадом 502 коррекции коэффициента мощности. Контроллер 508 предоставляет управляющий сигнал 532 в каскад 502 коррекции коэффициента мощности, чтобы управлять рабочим напряжением 516 и/или мощностью, обеспечиваемой посредством каскада коррекции коэффициента мощности, на основе любых из множества параметров. С этой целью, контроллер 508 может принимать в качестве входных сигналов первый сигнал 528, представляющий, по меньшей мере, одно из напряжения или тока, ассоциированного с каскадом 502 коррекции коэффициента мощности, второй сигнал 534, представляющий частоту входного напряжения 514 переменного тока, или внешний сигнал 530. В частности, внутренняя синхронизация контроллера 508 может быть "линейно управляемой" посредством второго сигнала 534 (предоставляющего точные временные признаки с помощью использования опорного линейного напряжения переменного тока на 60 Гц или на 50 Гц).
Следует принимать во внимание, что хотя как контроллер 508, связанный с каскадом 502 коррекции коэффициента мощности, так и контроллер 510, связанный с каскадом 504 управления нагрузкой, показаны в источнике 414 питания по фиг. 1, один или оба из контроллеров 508 и 510 представляют собой опционные признаки, которые не обязательно должны присутствовать в различных реализациях устройства/осветительного прибора 100 согласно настоящему описанию. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления, один контроллер может использоваться для того, чтобы обеспечивать один или более управляющих сигналов как в каскад 502 коррекции коэффициента мощности, так и в каскад 504 управления нагрузкой, чтобы реализовывать различные функции, поясненные в данном описании в связи с этими соответствующими каскадами.
На Фиг. 2 показана принципиальная схема, иллюстрирующая элементы каскада 502 коррекции коэффициента мощности источника 414 питания, показанного на фиг. 1, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Общая архитектура схемы, показанной на фиг. 2, основана на контроллере 602 (U1) коррекции коэффициента мощности на интегральной схеме, и различные схемы на основе этой общей архитектуры пояснены подробно в заявке US 12/113320 от 1 мая 2008 года "High Power Factor LED-based Lighting Apparatus and Methods".
Более конкретно, каскад 502 коррекции коэффициента мощности использует контроллер 602 коррекции коэффициента мощности, проиллюстрированный посредством контроллера ST Microelectronics L6562. В некоторых традиционных вариантах применения, контроллер L6562 и связанный контроллер ST Microelectronics L6561 используют технологию "переходного режима" (TM) (т.е. работу около границы между непрерывными и прерывистыми режимами), обычно применяемую для коррекции коэффициента мощности в вариантах применения с относительно низким уровнем мощности. Подробности контроллера L6561 и технологии переходного режима пояснены в документе ST Microelectronics Application Note AN966, "L6561 Enhanced Transition Mode Power Factor Corrector", автора Claudio Adragna, март 2003 года, доступном на веб-сайте http://www.st.com. Отличия между контроллерами L6561 и L6562 пояснены в документе ST Microelectronics Application Note AN1757, "Switching from the L6561 to the L6562", автора Luca Salati, апрель 2004 года, также доступном на http://www.st.com. Для целей настоящего описания эти два контроллера, в общем, поясняются как имеющие аналогичные функции.
В дополнение к упрощению коррекции коэффициента мощности, контроллеры ST Microelectronics L6561 и L6562 альтернативно могут использоваться в "нестандартной" конфигурации в качестве контроллера в реализации обратноходового преобразователя постоянного тока. Подробности этих и связанных альтернативных вариантов применения контроллеров L6561/L6562 пояснены в документах ST Microelectronics Application Note AN1060, "Flyback Converters with the L6561 PFC Controller", авторов C. Adragna и G. Garravarik, январь 2003 года, ST Microelectronics Application Note AN1059, "Design Equations of High-Power-Factor Flyback Converters based on the L6561", автора Claudio Adragna, сентябрь 2003 года, и ST Microelectronics Application Note AN1007, "L6561-based Switcher Replaces Mag Amps in Silver Boxes", автора Claudio Adragna, октябрь 2003 года, каждый из которых доступен на сайте http://www.st.com.
В частности, Application Notes AN1059 и AN1060 поясняют одну примерную конфигурацию для обратноходового преобразователя на основе L6561 (обратноходовую конфигурацию High-PF), который работает в переходном режиме и применяет способность контроллера L6561 для выполнения коррекции коэффициента мощности, тем самым, предоставляя преобразователь постоянного тока с одним переключающим каскадом и высоким коэффициентом мощности для относительно низких требований по мощности нагрузки (например, приблизительно до 30 ватт). Конфигурация обратноходового преобразователя требует контура регулирования с обратной связью по напряжению, который принимает в качестве входного сигнала выборку выходного напряжения постоянного тока, предоставляемого посредством преобразователя, и предоставляет в качестве обратной связи сигнал ошибки, который подается на вход INV контроллера L6561.
Документ ST Microelectronics Application Note AN1792, озаглавленный "Design of Fixed-Off-Time-Controlled PFC Pre-regulators with the L6562", Claudio Adragna, ноябрь 2003 года, доступный по адресу http://www.st.com, раскрывает другой подход для управления предварительным регулятором модуля коррекции коэффициента мощности в качестве альтернативы способу переходного режима и способу режима постоянной проводимости с фиксированной частотой. В частности, способ управления "по фиксированному времени выключения" (FOT) может использоваться с контроллером L6562, например, в котором только время включения сигнала с широтно-импульсной модуляцией модулируется, а время выключения сохраняется постоянным (приводя к модуляции частоты переключения). Аналогично подходу переходного режима, способ управления по фиксированному времени выключения (FOT), традиционно предполагаемый при использовании контроллера L6562, также требует контура регулирования с обратной связью по напряжению.
Как можно видеть на фиг. 2, в отличие от традиционных вариантов применения для контроллера L6561 и L6562, поясненных выше, каскад 502 коррекции коэффициента мощности не требует какого-либо контура регулирования с обратной связью для того, чтобы регулировать рабочее напряжение 516, тем самым, упрощая схемную конструкцию по сравнению с традиционными реализациями. В частности, было обнаружено, что для реализаций, заключающих в себе по существу фиксированные/стабильные требования по мощности нагрузки для достижения эффективной работы, контур регулирования с обратной связью по напряжению не требуется. В частности, нагрузки, заключающие в себе сами светоизлучающие диоды (светодиоды), являются по существу устройствами регулирования напряжения, так как один светодиод или несколько светодиодов, соединенных в различных последовательных, параллельных или последовательно/параллельных конфигурациях, диктуют конкретное напряжение для нагрузки. Следовательно, каскад 502 коррекции коэффициента мощности может быть надежно сконфигурирован надлежащим образом для обеспечения стабильного рабочего напряжения 516 и мощности в светодиодную нагрузку без необходимости контура регулирования с обратной связью.
В принципиальной схеме на фиг. 2, каскад 502 коррекции коэффициента мощности основан на конфигурации преобразователя постоянного тока компенсационного типа, в котором контроллер 602 коррекции коэффициента мощности управляет переключателем 604 (реализованным посредством транзистора Q1), который, в свою очередь, предписывает цикл накопления и высвобождения энергии для индуктора (предоставляемого посредством одной из обмоток трансформатора T1). Более конкретно, в течение интервалов, в которых транзисторный переключатель 604 "включен" или замкнут (т.е. применяет напряжение через обмотку трансформатора, выступающую в качестве индуктора), ток протекает через индуктор на основе приложенного напряжения, и индуктор накапливает энергию в своем магнитном поле. Когда переключатель "выключен" или разомкнут (т.е. напряжение удалено от индуктора), энергия, накопленная в индукторе, передается через диод D9 в конденсатор C7 фильтра, через который предоставляется рабочее напряжение 516 (т.е. конденсатор предоставляет по существу непрерывную энергию между циклами накопления энергии индуктора).
L
Каскад 502 коррекции коэффициента мощности может быть сконфигурирован для множества различных входных напряжений 514, рабочих напряжений 516 и тока 550 последовательности нагрузки (I) на основе соответствующего выбора различных компонентов схемы. В частности, схема 606 резисторного делителя, сформированная посредством R10 и R11, фактически определяет ток 550 последовательности через нагрузку при условии, что тип и число соединенных последовательно светодиодов, составляющих нагрузку, по существу, определяют целевое рабочее напряжение. В конкретном примере схемы, показанном на фиг. 2, схема выполнена с возможностью принимать входное действующее напряжение 120 В и обеспечивать рабочее напряжение порядка 80 В с током 550 последовательности порядка 150 миллиампер. В одном аспекте схемы, показанной на фиг. 2, контроллер 602 коррекции коэффициента мощности сконфигурирован для использования технологии управления по фиксированному времени выключения (FOT), чтобы управлять переключателем 604 (Q1). Технология управления по FOT разрешает использование относительно меньшего трансформатора T1 для компенсационной конфигурации. Это обеспечивает работу трансформатора на более постоянной частоте, что, в свою очередь, обеспечивает большую мощность для нагрузки для данного размера сердечника.
В некоторых вариантах реализации, входное напряжение 514 переменного тока может извлекаться из выходного сигнала регулятора освещенности переменного тока (который, в свою очередь, принимает в качестве входного сигнала напряжение линии переменного тока). В различных аспектах, напряжение 514, предоставляемое посредством регулятора освещенности переменного тока, может быть, например, управляемым по амплитуде напряжением или управляемым по рабочему циклу (фазе) напряжением переменного тока. В одной примерной реализации, посредством варьирования действующего значения напряжения 514 переменного тока, прикладываемого к источнику 414 питания через регулятор освещенности переменного тока, рабочее напряжение 516 (и, в свою очередь, ток 550 последовательности) может аналогично варьироваться; таким образом, регулятор освещенности переменного тока может использоваться для того, чтобы варьировать полную яркость света, формируемого посредством осветительного прибора.
На Фиг. 3 показана принципиальная схема каскада 502 коррекции коэффициента мощности источника 414 питания, показанного на фиг. 1, вместе с контроллером 508, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Каскад 502 коррекции коэффициента мощности, показанный на фиг. 3, фактически аналогичен каскаду, показанному на фиг. 2, во многих характерных аспектах, хотя некоторые конкретные значения параметров компонентов могут быть различными, чтобы иллюстрировать возможность различных рабочих параметров (например, входное напряжение, рабочее напряжение, ток). Как пояснено выше в связи с фиг. 1, опционный контроллер 508 может использоваться совместно с каскадом 502 коррекции коэффициента мощности, чтобы обеспечивать управляющий сигнал 532, подводимый к схеме 606 резисторного делителя, с тем чтобы управлять рабочим напряжением 516 и/или током 550 последовательности и, тем самым, мощностью, предоставляемой посредством каскада коррекции коэффициента мощности. Контроллер 508 может формировать управляющий сигнал 532 на основе любого одного из множества параметров, предоставляемых в качестве входных сигналов в контроллер 508. Как пояснено дополнительно ниже в связи с фиг. 5, в одной примерной реализации управляющий сигнал 532, предоставляемый посредством контроллера 508, может быть управляющим сигналом с широтно-импульсной модуляцией (PWM), рабочий цикл которого влияет на напряжения, устанавливаемые посредством схемы 606 резисторного делителя; следовательно, посредством варьирования рабочего цикла управляющего сигнала 532 PWM, рабочее напряжение 516 и/или ток 550 последовательности, предоставляемый посредством каскада 502 коррекции коэффициента мощности, может варьироваться посредством контроллера 508.
Относительно параметров, в ответ на которые контроллер 508 может варьировать управляющий сигнал 532, как показано на фиг. 3, контроллер 508 может принимать один или более входных сигналов 528, представляющих, по меньшей мере, одно из напряжения или тока, ассоциированного с каскадом 502 коррекции коэффициента мощности (например, контактный вывод 6 в IC U3 соединен так, чтобы принимать сигнал, управляющий переключателем Q1, а контактные выводы 2 и 3 в U3 соединены с напряжением, ассоциированным со схемой 606 резисторного делителя). Таким образом, контроллер 508 может использовать функцию управления с обратной связью и предоставлять управляющий сигнал 532 в ответ на любой один из ряда отслеживаемых параметров схемы, ассоциированных с каскадом 502 коррекции коэффициента мощности.
Контроллер 508 также может принимать сигнал 534, представляющий частоту входного напряжения 514 переменного тока (прикладываемого к контактному выводу 7 в IC U3 через схему резисторного делителя, сформированную посредством R15, R18 и R19). В частности, внутренняя синхронизация контроллера 508 может быть "линейно управляемой" через сигнал 534, обеспечивающий точные признаки времени с помощью использования опорного напряжения линии переменного тока на 60 Гц или на 50 Гц. В одном примерном варианте выполнения, контроллер 508 может поддерживать счетчик циклов (например, отслеживать прохождения через нуль) входного напряжения 514 переменного тока через сигнал 534 в качестве показателя для "времени в работе" светодиодных источников света, составляющих нагрузку. В свою очередь, контроллер 508 может регулировать рабочие параметры каскада коррекции коэффициента мощности через управляющий сигнал 532 на основе времени работы, чтобы компенсировать эффекты старения, связанные со светодиодами (например, увеличивая рабочее напряжение 516 и/или ток 550 последовательности, чтобы компенсировать более низкую эффективность/уменьшенный поток стареющих светодиодов). Альтернативно или в дополнение к регулированию рабочих параметров каскада коррекции коэффициента мощности, чтобы компенсировать эффекты старения, контроллер 508 может использовать информацию, ассоциированную со "временем в работе" светодиодных источников света, чтобы предоставлять некоторую индикацию относительно "оставшегося времени жизни лампы". Например, контроллер 508 может предоставлять управляющий сигнал 532, который модулирует мощность, предоставляемую в светодиодную нагрузку, так чтобы видимо влиять на формируемый свет (например, намеренно мигать или модулировать яркость света), чтобы предоставлять информацию, касающуюся некоторого условия (например, срока службы лампы), через намеренно модулированный свет.
Дополнительно, контроллер 508 может принимать один или более внешних сигналов 530 (например, прикладываемых к контактному выводу 5 в IC U3 в примере по фиг. 3) так, что управление каскадом 502 коррекции коэффициента мощности может осуществляться на основе любых из большого множества внешних условий (например, температурных условий, условий окружающего освещения, других окружающих условий, перегрузки по напряжению или условий сбоя нагрузки, аварийных ситуаций, движения и т.д.). В ответ на один или более таких внешних сигналов, контроллер может предоставлять управляющий сигнал 532, который регулирует один или более рабочих параметров каскада коррекции коэффициента мощности, и/или может модулировать мощность, предоставляемую в светодиодную нагрузку, чтобы предоставлять информацию, касающуюся некоторого условия, представленного посредством внешнего сигнала(ов) через намеренно модулированный свет.
На Фиг. 4 показана принципиальная схема, иллюстрирующая элементы каскада 504 управления нагрузкой источника 414 питания, показанного на фиг. 1, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Аналогично каскаду 502 коррекции коэффициента мощности, общая схемная архитектура для каскада 504 управления нагрузкой, показанного на фиг. 4, основана на контроллере на интегральной схеме согласно ST Microelectronics L6562, показанном как IC U4, использующем технологию управления по фиксированному времени выключения (FOT) и реализованном в конфигурации компенсационного преобразователя. В частности, IC-контроллер 562, состоящий из U4, управляет переключателем 560 (реализованным посредством транзистора Q6), чтобы, в свою очередь, управлять путем 518 протекания тока, в котором также расположен индуктор L3 в качестве устройства накопления/высвобождения энергии в конфигурации компенсационного преобразователя.
Как пояснено выше в связи с фиг. 1, на фиг. 4 первый светодиод(ы) 202 и второй светодиод(ы) 204 подключаются последовательно между узлами 516A и 516B, через которые предоставляется рабочее напряжение 516. Управляемый путь 518 протекания тока соединен с узлом 520 между соединенным последовательно первым светодиодом(ами) 202 и вторым светодиодом(ами) 204. Хотя только один светодиод показан для целей иллюстрации на фиг. 4 для каждой из соединенных последовательно светодиодных нагрузок, как пояснено выше, следует принимать во внимание, что каждая из светодиодных нагрузок 202 и 204 может включать в себя несколько светодиодных источников света, подключенных в любой из множества последовательных, параллельных или последовательно-параллельных компоновок, и может иметь другое число светодиодов данного типа. В одной примерной реализации, поясненной в данном документе, первый светодиод(ы) 202 может включать в себя порядка шести соединенных последовательно красных светодиодов, а второй светодиод(ы) 204 может включать в себя порядка 20 соединенных последовательно белых светодиодов. При условии прямого рабочего напряжения для красного светодиода порядка 3,3 В и прямого рабочего напряжения для белого светодиода порядка 3 В, соответствующее рабочее напряжение 516, прикладываемое к узлам 516A и 516B в этом примере, должно составлять порядка 80 В (т.е. [3,3 В×6] + [3 В×20]).
1
2
Через управление переключателем 560 и, в свою очередь, через путь 518 протекания тока, каскад 504 управления нагрузкой по фиг. 4 управляет потоком тока 550 последовательности между узлами 516A и 516B. В частности, через работу переключателя 560, ток 550 последовательности может, по меньшей мере, частично отводиться около второго светодиода(ов) 204 таким образом, что первый ток 552 (I) через первый светодиод(ы) и второй ток 554 (I) через второй светодиод(ы) являются различными; в частности, когда переключатель 560 "включен" или проводит, индуктор L3 подключается к потенциалу земли через резистор R38, тем самым предоставляя дополнительный путь протекания тока между узлами 516A и 516B и давая возможность отведения, по меньшей мере, части тока 550 последовательности около второго светодиода(ов) 204. В схеме по фиг. 4, рабочий цикл переключателя 560, управляемый посредством IC-контроллера 562, и, следовательно, разность между первым током 552 и вторым током 554 задается посредством схемы 652 резисторного делителя, состоящей из R41 и R16. В конкретном примере, проиллюстрированном на фиг. 4, для R41 при 10 кОм и R16 при 20 кОм и на основе рабочего напряжения 516 приблизительно в 80 В и тока 550 последовательности приблизительно в 150 миллиампер, первый ток 552 составляет порядка 180 миллиампер, а второй ток 554 составляет порядка 120 миллиампер. Вышеприведенное иллюстрирует, что часть тока последовательности, которая отводится от второго светодиода(ов), не теряется, а повторно используется так, что она отводится в накапливающий элемент (индуктор L3) и сбрасывается (в следующей половине цикла) обратно в первый светодиод(ы), с минимальными потерями (например, 30 миллиампер вычитается из второго тока и прибавляется к первому току).
Первый ток 552 и второй ток 554, в общем, определяют соответствующие величины (световой поток) первого излучения 503 и второго излучения 505, формируемого посредством первого светодиода(ов) и второго светодиода(ов). Соответственно, посредством надлежащего выбора значений резисторов R41 и R16 на фиг. 4 и на основе типа и числа светодиодов, используемых для каждого из первого светодиода(ов) 202 и второго светодиода(ов) 204, могут задаваться цвет или цветовая температура формируемого света (на основе смешения первого излучения и второго излучения).
Несмотря на вышеприведенное, было обнаружено, что соотношение "ток к потоку" для различных типов светодиодов варьируется по-разному как функция от температуры. Это явление может быть проблематичным для некоторых вариантов применения, заключающих в себе несколько различных типов светодиодов, в которых ожидаются тепловые переходные процессы. Например, система первоначально имеет некоторую температуру окружающей среды, затем включается для работы, "прогревается" в течение некоторого периода теплового переходного процесса, в ходе которого ток начинает и продолжает протекать через светодиоды. На основе иллюстративной реализации, заключающей в себе как красные светодиоды, так и белые светодиоды для соответствующих соединенных последовательно нагрузок, по мере того система продолжает прогреваться до некоторого теплового установившегося режима, поток от красного светодиода(ов) изменяется на величину, отличную от величины потока от белого светодиода(ов), как функция от температуры, вызывая заметный сдвиг в цветовой температуре формируемого света в течение периода теплового переходного процесса; более конкретно, при постоянных соответствующих значениях для первых и вторых токов, по мере того как система прогревается, поток от красного светодиода(ов) понижается на величину большую, чем поток от белого светодиода(ов). В качестве примера, в течение приблизительно двадцатиминутного периода теплового переходного процесса после начального включения питания, цветовая температура формируемого света может сдвигаться (например, увеличиваться) на целых 100 К вследствие снижения потока от красного светодиода(ов) по сравнению с белым светодиодом(ами). Для некоторых вариантов применения этот эффект нежелателен, особенно при более низких номинальных цветовых температурах, при которых человеческий глаз более чувствителен к цветовым сдвигам.
В связи с вышеизложенным, другой вариант осуществления настоящего изобретения направлен на способы и устройства для компенсации сдвигов цвета и/или цветовой температуры, являющихся результатом тепловых переходных процессов в устройстве освещения, которое включает в себя несколько соединенных последовательно светодиодных источников света различных типов.
На Фиг. 5 показана принципиальная схема каскада 504 управления нагрузкой источника питания, показанного на фиг. 1, вместе с контроллером 510, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. В одном аспекте этого варианта осуществления, контроллер 510 управляет каскадом 504 управления нагрузкой в ответ на сигнал 526 температуры, принимаемый от датчика 416 температуры, расположенного рядом и поддерживающего тепловую связь с первым светодиодом(ами) 202 и вторым светодиодом(ами) 204, чтобы обеспечивать функцию тепловой компенсации, отмеченную выше. Следует принимать во внимание, тем не менее, что эта функция тепловой компенсации является просто одним примером того, как контроллер 510 может быть реализован, чтобы управлять различными аспектами каскада 504 управления нагрузкой, и что параметры или условия, отличные от температуры рядом со светодиодными источниками света, могут вводиться и использоваться посредством контроллера 510 для того, чтобы влиять на управление каскадом 504 управления нагрузкой (например, см. пояснение выше в связи с внешним сигналом 524, показанным на фиг. 1).
Как показано на фиг. 5, в одной примерной реализации, контроллер 510 включает в себя микроконтроллер U3 на интегральной схеме, который принимает рабочую мощность от регулятора U2 напряжения на интегральной схеме. Относительно компенсации тепловых переходных процессов, микроконтроллер U3 также принимает в качестве входного сигнала сигнал 526 температуры, выводимый посредством датчика 416 температуры (U5), и предоставляет в качестве выходного сигнала управляющий сигнал 522, который подается на резисторную схему/фильтр 652 каскада 504 управления нагрузкой. В одной примерной реализации, датчик 416 температуры может быть интегральной схемой на линейном активном терморезисторе малой мощности, примеры которой включают в себя семейство MCP9700/9700A и MCP9701/9701A интегральных схем, доступных от Microchip Technology, Inc.
Контроллер 510 может обеспечивать управляющий сигнал 522 в каскад 504 управления нагрузкой в форме управляющего сигнала с широтно-импульсной модуляцией (PWM), рабочий цикл которого влияет на напряжения, устанавливаемые посредством резисторной схемы/фильтра 652 каскада 504 управления нагрузкой. Следовательно, посредством варьирования рабочего цикла управляющего PWM-сигнала 522, контроллер 510 может, в свою очередь, варьировать разностью между первым током 552 через первый светодиод(ы) 202 и вторым током 554 через второй светодиод(ы) 204 и тем самым изменять соответствующие потоки, формируемые посредством различных типов светодиодов. Посредством управления рабочим циклом управляющего PWM-сигнала 522 в ответ на сигнал 526 температуры, контроллер 510 может эффективно предоставлять компенсацию сдвигов цвета или цветовой температуры формируемого света в течение тепловых переходных процессов (например, вследствие различных зависимых от температуры соотношений "ток к потоку" для различных типов светодиодов).
На Фиг. 6 показана блок-схема последовательности операций, показывающая способ 700, реализованный посредством контроллера 510 для регулирования рабочего цикла управляющего PWM-сигнала 522 в ответ на изменения температуры, представленные посредством сигнала 526 температуры, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. В одном аспекте способа 700, как указано на этапе 704, априори задают соотношение (например, уравнение), которое связывает рабочий цикл управляющего PWM-сигнала 522 с изменениями температуры, представленными посредством сигнала 526 температуры. После того как это соотношение задано, как проиллюстрировано на фиг. 6, контроллер 510 получает (этап 702) значение температуры от датчика 416 температуры, представляемое посредством сигнала 526 температуры, и вычисляет (этап 706) рабочий цикл как функцию от измеренной температуры на основе заранее заданного соотношения/уравнения (этап 704). Контроллер 510 затем регулирует рабочий цикл управляющего PWM-сигнала 522 согласно новому вычисленному значению (этап 708), и способ возвращается к этапу 702 для повторения.
Относительно соотношения на этапе 704, которое определяет рабочий цикл как функцию от температуры для управляющего PWM-сигнала 522, это соотношение может быть опытным путем определено в ходе процедуры калибровки, пример которой пояснен подробно ниже. Такое соотношение может моделироваться как линейное, кусочное линейное или нелинейное соотношение в зависимости, по меньшей мере, частично от степени компенсации, требуемой для данного применения. В одной примерной модели, соотношение предписывается посредством линейного уравнения (в котором различные параметры уравнения определены опытным путем), задаваемого следующим образом:
PWM Duty Cycle=[Ambient Temp Duty Cycle]-[(Temp Reading)-Ambient Temp)]*[Slope]
(1)
В уравнении 1: PWM Duty Cycle - рабочий цикл управляющего сигнала 522, вычисленного на этапе 706 по фиг. 6; Ambient Temp Duty Cycle - это рабочий цикл управляющего сигнала 522, в котором первые и вторые токи обеспечивают требуемую целевую цветовую температуру для формируемого света, когда светодиоды 202 и 204 имеют температуру окружающей среды; Temp Reading - это температура, представленная посредством сигнала 526 температуры (полученного на этапе 702 по фиг. 6); Ambient Temp - это температура окружающей среды (например, до включения питания); Slope - это изменение рабочего цикла в расчете на каждое изменение температуры.
Все значения, представленные в уравнении (1), преобразуются в двоичное значение от 0 до 255 (так, что каждое из них может обрабатываться посредством микроконтроллера U3 контроллера 510 как 8-битовое слово данных). Относительно значений рабочего цикла, двоичное значение 255 представляет 100% (т.е. двоичное значение 128 представляет приблизительно 50%-ый рабочий цикл). Относительно параметров Temp Reading и Ambient Temp, в одном примере температура в градусах Цельсия преобразуется согласно следующему: floor([(Temperature [°C]*0,01+0,414)/5]*255).
В примерной процедуре калибровки для упрощения определения различных параметров уравнения (1), один аспект процедуры заключает в себе варьирование рабочего цикла управляющего PWM-сигнала 522 в рамках некоторого примерного диапазона и измерение первого тока 552 и второго тока 554. Таблица 1, представленная ниже, предоставляет пример таких измерений.
Таблица 1
Рабочий цикл (%)
Первый ток (мА)
Второй ток (мА)
12,5
177
122
25
168
124
50
155
128
62,5
150
130
75
145
130
Другой аспект процедуры калибровки заключает в себе измерение цветовой температуры формируемого света как функции от различных первых и вторых токов, подводимых к соответствующим первым и вторым светодиодам. Этот процесс заключает в себе последовательность "мгновенных" фотометрических измерений, в которых два отдельных известных источника тока, соответственно, подключаются к первому светодиоду(ам) и второму светодиоду(ам) в течение относительно короткого периода времени, и цветовая температура формируемого света измеряется в течение нескольких секунд после подведения токов. Токи затем сразу отключаются на достаточно долгий период так, что светодиоды поддерживаются при окружающем тепловом установившемся режиме перед подведением другой пары токов. В одной примерной реализации, в которой красный светодиод(ы) используется в качестве первого светодиода(ов), а белый светодиод(ы) используется в качестве второго светодиода(ов), можно предположить, что красный поток варьируется больше белого потока, и, следовательно, номинальное значение может выбираться для второго тока в то время, когда первый ток варьируется. Таблица 2, представленная ниже, предоставляет один пример такого процесса измерения.
Таблица 2
Второй (белый) ток (мА)
Первый (красный) ток (мА)
Коррелированная цветовая температура (°K)
130
150
2994
130
160
2853
130
170
2175
130
180
2777
На основе процесса измерения, проиллюстрированного посредством Таблицы 2, номинальная целевая рабочая цветовая температура может выбираться для формируемого света. На основе этой целевой цветовой температуры, соответствующие первые и вторые требуемые токи (из Таблицы 2) сопоставляются с аналогичными первыми и вторыми токами в Таблице 1, чтобы определять Ambient Temp Duty Cycle для уравнения (1). Например, если целевая цветовая температура составляет 3000 К, из Таблицы 2 это соответствует первому току в 150 мА и второму току в 130 мА при температуре окружающей среды, что из Таблицы 1, в свою очередь, соответствует рабочему циклу для управляющего PWM-сигнала 522 в 62,5%. Таким образом, Ambient Temp Duty Cycle в этом примере для уравнения (1) должно иметь двоичное значение 62,5% (255)=159.
Конечный аспект процедуры калибровки для упрощения определения различных параметров в уравнении (1), заключает в себе определение члена Slope. С другой стороны, член Slope представляет изменение рабочего цикла в расчете на каждое изменение температуры, требуемое для поддержания достаточно стабильного цвета и/или цветовой температуры формируемого света в течение теплового переходного процесса, такого как период прогрева после включения питания. В одном примере, определение соответствующего члена градиента может включать в себя выбор начального инициирующего значения для члена Slope, выполнение итераций способа 700 в течение оцененного периода теплового переходного процесса (например, двадцать-тридцать минут), проведение периодических измерений (например, каждые тридцать секунд) цветовой температуры формируемого света, и составление диаграммы измерений цветовой температуры по времени. Этот процесс может повторяться с использованием других значений для члена Slope до тех пор, пока соответствующее значение не найдено, что приводит к наиболее плоской диаграмме цветовой температуры по времени.
На Фиг. 7 предоставлены две примерные диаграммы на основе двоичного значения Ambient Temp Duty Cycle 159 (представляющего целевую цветовую температуру в 3000 К) и двоичного значения Ambient Temp 38 (представляющего температуру окружающей среды в 25°С). Первая диаграмма 800 формируется с использованием члена Slope, имеющего двоичное значение 4, а вторая диаграмма 802 формируется с использованием члена Slope, имеющего двоичное значение 6. Из фиг. 7 можно легко заметить, что в этом примере член Slope, имеющий двоичное значение 6, приводит к значительно более плоской диаграмме цветовой температуры по времени в течение периода теплового переходного процесса. Таким образом, посредством использования уравнения:
PWM Duty Cycle=[159]-[(Temp Reading)-38)]*[6]
На этапе 704 способа 700, показанного на фиг. 6, для этого конкретного примера контроллер 510, реализующий способ 700, эффективно компенсирует тепловой переходный процесс и обеспечивает стабильную цветовую температуру приблизительно 3000 К по всему периоду теплового переходного процесса (например, "прогрева").
Следует принимать во внимание, что общий вид вышеприведенной процедуры калибровки может применяться к другим типам светодиодных источников и/или другим интересующим диапазонам цветовых температур, чтобы эффективно реализовывать функцию температурной компенсации контроллера 510, показанного на фиг. 5. В частности, следует принимать во внимание, что в некоторых случаях при использовании одинаковых аппаратных средств, два идентичных осветительных прибора могут быть сконфигурированы для обеспечения существенно различающихся цветов и/или цветовых температур белого света просто посредством выбора различного значения для члена Ambient Temp Duty Cycle в уравнении (1) выше. Дополнительно, член Ambient Temp Duty Cycle в уравнении (1) в некоторых реализациях может быть заранее определенной функцией от времени (например, чтобы компенсировать постепенное старение светодиодов и ослабление потока со временем). Кроме того, как указано выше, конкретное соотношение, используемое на этапе 704 способа 700, показанного на фиг. 6, может моделироваться как линейное соотношение, как в уравнении (1) выше, или альтернативно, как кусочное линейное или нелинейное соотношение в зависимости, по меньшей мере, частично от степени компенсации, требуемой для данного применения.
На Фиг. 8 показана примерная конфигурация печатной платы 175, на которой расположено множество компонентов 180, составляющих источник 414 питания, вместе с датчиком 416 температуры, согласно одному варианту осуществления изобретения. Фиг. 8 также показывает подложку 420 (например, теплоприемник, показанный на предыдущих чертежах), содержащую первый светодиод(ы) 202 и второй светодиод(ы) 204. Компоновка, показанная на фиг. 8, упрощает термическое соединение между датчиком 416 температуры и светодиодами и, следовательно, эффективное отслеживание температуры светодиода (например, для целей предоставления стабильности цвета и/или цветовой температуры в течение теплового переходного процесса). В частности, первый светодиод(ы) 202 и второй светодиод(ы) 204 устанавливаются на теплопроводящей подложке 420, которая имеет выемку 457, сформированную рядом со светодиодом(ами) 202 и 204. Печатная плата 175 имеет контактный вывод 456 для вставки в выемку 457; с этой целью, хотя конкретный вид на фиг. 8 иллюстрирует главным образом прямоугольный контактный вывод и прямоугольную выемку, следует принимать во внимание, что контактный вывод 456 может иметь любое множество форм и размеров с выемкой 457, дополнительно сформированной для совмещения с контактным выводом. Датчик 416 температуры расположен на контактном выводе печатной платы таким образом, что, когда печатная плата 175 вставлена в выемку 457, датчик температуры по существу становится встроенным в теплопроводящую подложку рядом со светодиодами. Как пояснено выше в связи с фиг. 1-5, источник 414 питания может включать в себя несколько каскадов на основе нескольких контроллеров переходного режима, и множество компонентов схемы, составляющих источник 414 питания, может быть надлежащим образом расположено на печатной плате 175.
Хотя различные варианты осуществления описаны и проиллюстрированы в данном документе, специалисты в данной области техники должны легко представлять себе многообразие других средств и/или структур для осуществления функций и/или получения результатов и/или одного или более из преимуществ, описанных в данном документе, и каждое из таких изменений и/или модификаций считается в рамках объема вариантов осуществления, описанных в данном документе. Если обобщить, специалисты в данной области техники должны легко принимать во внимание, что все параметры, размеры, материалы и конфигурации, описанные в данном документе, имеют намерение быть примерными, и что фактические параметры, размеры, материалы и/или конфигурации зависят от конкретного варианта применения или вариантов применения, для которых используются изобретаемые идеи. Специалисты в данной области техники должны признавать или иметь возможность устанавливать с помощью не более чем обычных экспериментов множество эквивалентов конкретным вариантам осуществления, описанным в данном документе. Следовательно, необходимо понимать, что вышеприведенные варианты осуществления представлены только в качестве примера и что, в рамках объема прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов, варианты осуществления могут осуществляться на практике иным способом относительно конкретно описанного и заявленного. Варианты осуществления настоящего изобретения направлены на каждый отдельный признак, систему, изделие, материал, набор и/или способ, описанный в данном документе. Помимо этого, любая комбинация двух или более таких признаков, систем, изделий, материалов, наборов и/или способов, если такие признаки, системы, изделия, материалы, наборы и/или способы не являются взаимно несогласованными, включается в объем настоящего изобретения.
Единственное число при использовании в подробном описании и в формуле изобретения, если явно не указано иное, должно пониматься как означающее "по меньшей мере, один".
Фраза "и/или", при использовании в данном документе в подробном описании и в формуле изобретения, должна пониматься как означающая "один или оба" из элементов, сочетающихся таким образом, т.е. элементов, которые совместно присутствуют в некоторых случаях и отдельно присутствуют в других случаях. Несколько элементов, перечисленных с "и/или", должны трактоваться одинаково, т.е. "одни или более" из элементов, сочетающихся таким образом. Другие элементы опционно могут присутствовать, кроме элементов, конкретно идентифицированных посредством выражения "и/или", будь то связанные или несвязанные с конкретно идентифицированными элементами. Таким образом, в качестве неограничивающего примера, ссылка на "A и/или B", когда используется вместе с не ограничивающей формулировкой, такой как "содержащий", может означать, в одном варианте осуществления, только A (опционно включающий в себя элементы, отличные от B); в другом варианте осуществления, только B (опционно включающий в себя элементы, отличные от A); в еще одном варианте осуществления, как A, так и B (опционно включающий в себя другие элементы); и т.д.
При использовании в подробном описании и в формуле изобретения, "или" должно пониматься как имеющее тот же смысл, как "и/или", как задано выше. Например, при разделении пунктов в списке, "или" или "и/или" должно интерпретироваться как включающее в себя, т.е. включение, по меньшей мере, одного, но также включающее в себя более одного из определенного числа или списка элементов и, опционно, дополнительные не включенные в список пункты. Только термины, явно указанные с обратным смыслом, такие как "только один из" или "точно один из", или, когда используется в формуле изобретения, "состоящий из", упоминаются как включение точно одного элемента из определенного числа или списка элементов. В общем, термин "или" при использовании в данном документе должен интерпретироваться только как указывающий исключающие альтернативы (т.е. "один или другой, но не оба") когда ему предшествуют термины исключительности, такие как "любой", "один из", "только один из" или "точно один из". "Состоящий по существу из", когда используется в формуле изобретения, должен иметь свой обычный смысл, как используется в области патентного права.
При использовании в подробном описании и в формуле изобретения, фраза "по меньшей мере, один" в ссылке на список из одного или более элементов должна пониматься как означающая, по меньшей мере, один элемент, выбранный из любого одного или более элементов в списке элементов, но не обязательно включающий в себя, по меньшей мере, один из каждого элемента, конкретно перечисленного в списке элементов, и не исключающий какие-либо комбинации элементов в списке элементов. Это определение также обеспечивает возможность того, что опционно могут присутствовать элементы, отличные от элементов, конкретно идентифицированных в списке элементов, к которым относится фраза "по меньшей мере, один", будь то связанные или несвязанные с конкретно идентифицированными элементами. Таким образом, в качестве неограничивающего примера, "по меньшей мере, одно из A и B" (или, эквивалентно, "по меньшей мере, одно из A или B", или, эквивалентно "по меньшей мере, одно из A и/или B") может означать, в одном варианте осуществления, по меньшей мере, одно, опционно включающее в себя больше одного, A, без присутствия B (и опционно включающее в себя элементы, отличные от B); в другом варианте осуществления, по меньшей мере, одно, опционно включающее в себя больше одного, B, без присутствия A (и опционно включающее в себя элементы, отличные от A); в еще одном варианте осуществления, по меньшей мере, одно, опционно включающее в себя больше одного, A, и, по меньшей мере, одно, опционно включающее в себя больше одного, B (и опционно включающее в себя другие элементы); и т.д.
Также следует понимать, что, если явно не указано иное, в любых способах, заявленных в данном документе, которые включают в себя более одного этапа или действия, порядок этапов или действий способа не обязательно ограничен порядком, в котором этапы или действия способа изложены.
В формуле изобретения, так же как в вышеприведенном подробном описании, все переходные фразы, такие как "содержащий", "включающий в себя", "переносящий", "имеющий", "вмещающий", "заключающий в себе", "хранящий", "состоящий из" и т.п., должны пониматься как открытые, т.е. означающие включение в себя, но не только. Только промежуточные фразы "состоящий из" и "состоящий по существу из", должны пониматься закрытыми или полузакрытыми промежуточными фразами.