CN101015233A - 利用光反馈颜色和强度控制方案的基于led的照明设备 - Google Patents

Abstract

一种用于实现包括一个或多个颜色通道(32－n)的基于LED的照明设备(100)的***和方法。该照明设备包括使用光检测和反馈以控制每个通道的LED(30A)从而交付一致的强度和/或颜色输出的控制器(50)。光反馈回路可提供该照明设备输出的被测量的强度和/或颜色给照明设备控制器。然后该控制器可调整电流、脉宽调制(PWM)工作周期或两者，它被交付给照明设备的离散颜色通道以获得期望的强度和/或颜色。

Description

利用光反馈颜色和强度控制方案的基于LED的照明设备

相关申请的交叉引用

[0001]该非临时申请根据35U.S.C.§119(e)要求2004年7月6日提交的美国临时申请No.60/585524的优先权，它的全部内容通过引用结合到本文中。

技术领域

[0002]本发明涉及基于固态光源用于照明应用中照明设备的光反馈控制***和方案。

背景技术

[0003]固态光源在某些应用中为传统的白炽灯和荧光灯提供了益处。发光二极管(LED)的鲁棒性、可靠性和长使用寿命是这些益处的例子。当前，固态光源、如LED的强度输出根据如温度、使用年限和制造日期等因素而改变。因此，基于固态源的传统照明设备在它们的生存期中不能维持期望的强度和/或颜色。

发明内容

[0004]根据本发明的示范实施例，基于LED的照明设备调整该照明设备中交付给发光二极管(LED)的电流以便维持一致的颜色和/或强度水平。交付的电流可根据LED被测量的输出、如光强度或颜色进行调整。

[0005]根据示范实施例，照明设备包括具有一个或多个LED的发射器模块以及调整交付给发射器模块的电流的调整设备。照明设备可包括测量LED辐射输出的光传感器以及根据被测量的输出使用检测到的输出控制调整设备的控制器。

[0006]在另一示范实施例中，基于LED的照明设备可结合一个或多个颜色通道。在该实施例中，光传感器可为对应于颜色通道的每个颜色产生强度输出。

[0007]本发明的示范实施例利用光传感器提供反馈给控制调整设备操作的控制设备。控制设备促使调整设备以这种方式交付电流以便从发射器模块实现期望的强度和/或颜色。例如，控制设备可调整交付给照明设备的离散颜色通道的电流的电平、脉宽调制(PWM)工作周期或两者以便获得期望的强度和/或颜色输出。

[0008]根据示范实施例，控制器可从输入设备或连接到输入设备的数据总线接收期望的强度/颜色设置。该实施例允许照明设备输出被维持在可调整的设置。

[0009]另一示范实施例涉及包括多个照明设备的照明***，它的控制设备被连接到公用数据总线。

[0010]因此，根据本发明示范实施例的控制方案可用于提供一致的、均匀的颜色/强度，而不管在照明设备寿命中由制造差异、温度浮动、和/或腔管退化引起LED输出变化。

附图说明

[0011]图1A-1C描述了根据本发明示范实施例的照明设备的各种部件；

[0012]图2是根据本发明示范实施例的照明设备的功能框图；以及

[0013]图3是根据示范实施例描述多照明设备***中用于确定发送的消息是否包含特定照明设备设置的算法的流程图。

具体实施方式

[0014]根据示范实施例，本发明涉及带有基于发光二极管(LED)的光源的照明设备，它从光传感器接收反馈以维持照明设备的输出在期望水平。在示范实施例中，照明设备使用该反馈来调整照明设备中交付给LED的电流以确保输出保持期望的强度和/或颜色，而不管LED的温度变化和腔管退化。

[0015]根据示范实施例在图1A-1C中描述了这些部件的各种方面。更具体地说，图1A根据示范实施例描述了照明设备100的横断面图。图1B描述了装配的照明设备100的线性部分，以及图1C描述了照明设备100中各种部件的分解图。

[0016]如图1A-1C所述，照明设备100包括外壳10、光***20、包括一个或多个LED 30A的基于发光二极管(LED)的发射器模块30(“LED发射器模块”)和热管理部件40。在示范实施例中，照明设备100包括控制模块(未示出)，它被连接到一个或多个光传感器(未示出)。控制模块和光传感器在图2中被相应描述为元件50和60。

[0017]应该指出图1A-1C仅被提供用于说明的目的。例如这些图中部件的相对尺寸、形状和大小并不限制本发明。此外各种部件的缺席或出现也不限制本发明。图1A-1C仅描述一个特定示范实施例，例如其中照明设备100实现为飞机机舱内的侧墙灯或舱顶灯或类似设备的情况。然而本领域的普通技术人员将会认识到在不背离本发明的精神或范围前提下，可进行许多变化而将该照明***裁剪为其它类型的应用。

[0018]根据示范实施例，照明设备100可包括设计用于驱散照明设备100中产生的热量的热管理部件40。热管理部件40可包括无源装置，如由外壳10固定或安装到外壳10上的散热器。热管理部件40或者可是外壳10自身的延伸。图1A-1C描述了利用结合了散热片的散热器40的实施例。热管理部件40还可包括有源散热设备(未示出)，如冷风机、热电冷却器、热管或其任意组合。在示范实施例中，热管理部件40被设计为维持照明设备100中的单个LED30A和其它电子部件在安全的操作温度下。

[0019]如图1A-1C所示，照明设备100根据示范实施例还包括光部件20。光部件20被设计为根据期望的光模式从LED发射器模块30收集并分配光。根据示范实施例，光部件20可包括透镜、反射元件、折射或漫射元件或其任意组合。光部件20或者可简单的合并在LED发射器模块30中的单个LED 30A的包装中。

[0020]在示范实施例中，光部件20可被配置为混合来自单个颜色通道和每个通道中的单个发射器30A的光从而提供期望颜色和模式的光。例如光部件20可利用来自LED 30A的直射光和反射光的组合以产生期望的光分配。应该指出图1A-1C中描述的光部件20的配置仅是说明性的并不旨在限制本发明。如何配置光部件20以便从一个或多个颜色通道产生预定的颜色和/或光分配模式对本领域的普通技术人员将是显而易见的。

[0021]根据示范实施例，LED发射器模块30包括足够量的离散LED 30A以提供期望的强度和颜色。LED发射器模块30包括至少一个颜色通道，它包括一个或多个特定颜色的LED 30A。在示范实施例中，在每个颜色通道中单个发射器30A的可串行、并行或串并结合地电连接。在每个颜色通道中链接LED 30A的电连接类型(串行、并行或串并组合)可如本领域普通技术人员容易想到的那样被选择以适合照明设备100的电源特性。

[0022]例如，照明设备100可使用串联的红、绿、蓝和白LED 30A以实现对应的四色通道。然而本领域普通技术人员将会认识到LED30A可被配置为其它方式以产生期望的颜色通道。

[0023]图2是根据本发明示范实施例的照明设备100的功能框图。根据示范实施例，控制模块50被配置为根据光传感器60所进行的LED 30A输出的测量以控制LED发射器模块30中交付给LED30A的电流量。

[0024]参考图2，控制模块50可包括控制设备52、输入电源调节电路56以及LED驱动部件58。如图2所示，控制模块50可被链接到光传感器60，它位于或接近LED发射器模块30以便测量被发射的光。

[0025]图2还说明了可被控制设备52使用的通信线70以便从用户接口(未示出)接收期望的强度和/或颜色设置。然而在备选实施例中，该用户接口可被结合到控制器模块50或在照明设备100中的其它某个地方实现。

[0026]根据示范实施例，控制设备52至少可部分实现为数字处理设备。例如，控制设备52可包括微控制器和伴随软件。然而其它类型的数字处理设备也可被使用。

[0027]在备选示范实施例中，每个控制设备52的功能都可被模拟电路和设备执行。在另一实施例中，控制设备52可包括本领域普通技术人员容易想到的数字处理设备和模拟设备的组合。

[0028]参考图2，光传感器60可被配置为在相应的LED发射器模块30中测量各种颜色通道32-1...32-N(N是颜色通道的数量)的输出，每个通道包括一个或多个相应颜色的LED 30A。例如，图2说明了如包括四个不同颜色通道(32-1...32-4)的LED发射器模块30。如上所述，照明设备100的LED发射器模块30可包括单个颜色通道32-1或多个不同颜色的通道32-1...32-N。

[0029]根据示范实施例，光传感器60可以是单个集成电路(IC)设备，它能检测多个颜色通道32-1...32-N。例如，一个该类型的多色光传感器60是TCS230光频转换器芯片，它由得克萨斯州普莱诺市的德州高级光电解决方案(TAOS)  (参见Texas AdvancesOptoelectronic Solutions of Plano，Texas)公司制造。在备选示范实施例中，多传感器设备60(IC或其它)可被使用，每个具有对应于不同颜色的不同谱响应。该单色传感器设备60的例子包括过滤波长的光电二极管，它可从各种制造商处获得。

[0030]在示范实施例中，电源调节电路56被配置为提供电磁干扰(EMI)抑制和过滤。电源调节电路56还可被设计用于将照明设备100的输入功率转换成合适的电压和电流电源以便供应LED驱动部件58以及用户接口电路和控制电路(图2中其被包含在处理设备52中)。在图2的实施例中，输入电源由电源线80供应。

[0031]在包括多个照明设备100(例如包括多个舱顶灯和侧墙灯部件的飞机机舱照明***)的***中，每个LED驱动电路58可被配置用以对如图2所示的电源线80进行分叉。在该实施例中，电源线80到各种发光二级管驱动部件58的连接可根据菊花链、T型通过(tee-and-pass)配置被实现。

[0032]LED驱动部件58可根据来自控制设备52的控制信号提供调整电流和电压作为给LED发射器模块30的单一供应。LED驱动部件58或者可根据控制信号单独地提供调整电流/电压给每个颜色通道32-n(或其分组)。在另一备选实施例中，LED驱动部件58可被配置为提供调整电源给LED发射器模块30中的每一个单独的LED30A。

[0033]在示范实施例中，电流和电压调整可使用电流脉宽调制(PWM)、电流幅度调制或两种方法的组合实现。该方法的使用在本领域是众所周知的。然而LED驱动部件58可实现任意其它调整方法，它将很容易被本领域普通技术人员想到。

[0034]在示范实施例中，用户接口(未示出)使得用户能够设置照明设备100的强度水平和/或期望的颜色输出。根据示范实施例，用户接口可利用模拟输入电路，它产生代表被选强度和/或颜色设置的可变电压输入信号并被连接到控制设备52。然而在备选示范实施例中，用户接口可产生代表期望的强度和/或颜色设置的数字信号，它由用户选择和输入。

[0035]用户接口还可作为照明设备100的一部分实现或配置为远程输入设备。图2描述了用户接口是远程设备的特定实施例，它通过通信线70与控制设备52进行通信。当远程用户接口被使用时，期望的强度/颜色设置可通过数字通信协议中的数据消息与照明设备100进行通信。然而该设置可以其它格式被发送。

[0036]在图2所描述的实施例中，控制设备52可包括包含用于处理接收自用户接口的消息的逻辑的数字处理设备。在该实施例中，用户可输入指定期望设置的命令给远程用户接口，它通过通信线路70被送到控制设备52。如果使用模拟或光通信协议，数字处理设备52可包括用于将来自用户接口的消息转变为数字信号的接口电路。

[0037]根据示范实施例，用户可通过远程用户接口选择和输入设置，它通过通信线70被传输为数字命令信号。例如，通信线70可包括串行数据总线或其它类型的数字通信线，它被用于连接多个照明设备100到用户接口。在该实施例中，串行数据总线70(例如CAN、RS232或RS485)可以类似于图2中所示的电源线80的菊花链、T型通过配置被实现。

[0038]后文所使用的“逻辑”指的是硬件(数字或模拟设备)、软件或其任意组合，它被设计并实现为执行特定功能。根据示范实施例，控制模块50可包括控制逻辑，用于从光传感器60接收被测量的信号、比较被测量的强度和颜色与用户(通过用户接口电路)指定的期望强度和颜色以及产生交付给LED驱动部件58的必需命令信号从而维持或获得期望的输出。控制逻辑可执行用于实现每个功能的特定算法。

[0039]如上所述，数字处理设备、如微控制器可在控制设备52中实现从而既完成上述控制功能又与通信线路70接口以便从远程用户接口接收和处理设置。在该实施例中，软件可被装载到微处理器以实现用于完成该功能的一个或多个算法(共同被称为“控制算法”)。然而显而易见的是用于执行该算法的逻辑并不限于微控制器执行软件。

[0040]现在将描述被控制设备52完成的控制算法的例子。用户接口可被设计为从用户接收用于照明设备100的期望强度和/或颜色设置。用户接口还可被配置为通过通信线70向控制设备52之间传递预定设置。用户接口或者可允许用户为照明设备100LED发射器模块30中的每一个颜色通道32-n分别指定设置(强度和/或颜色)。

[0041]考虑该例子，其中用户接口指定期望的强度设置给照明设备100的控制设备52。该强度设置可涉及特定的颜色通道32-n或照明设备100的总输出。

[0042]在该例子中，控制算法可促使控制设备52比较接收到的设置与从传感器60接收的被测量的强度输出。例如，控制设备52可使用在该比较中从光传感器60最近接收到的测量，等待直到从光传感器60接收到下一测量，或立刻命令光传感器60产生用于比较的另一测量。将被测量的强度与期望的设置比较之后，控制设备52可根据两者之间的差异产生控制信号。根据示范实施例，该控制信号可被发送到LED驱动部件58，它根据控制信号调整交付的电流。更具体地说，LED驱动部件58可被配置为调整交付给LED发射器模块30(或其中特定的颜色通道32-n)的电流以便基本上降低或消除被测量的强度和期望设置之间的差异。

[0043]考虑另一例子，其中用户接口发送期望的颜色设置给控制设备52。如在前面的例子中所指出的，控制设备52可比较接收到的颜色设置与用于比较的最近接收到的颜色测量。控制设备52或者可等待来自光传感器60的下一测量以完成比较，或立刻命令光传感器60产生另一测量以便与接收到的设置进行比较。

[0044]光传感器60可被配置为测量来自照明设备100或其中的单个颜色通道32-n的颜色输出。根据示范实施例，光传感器60可被配置为通过测量多个颜色检测元件(例如红、蓝、绿和白)中每一个的强度来测量单个通道32-n的颜色输出。光传感器60还可被配置为测量发射光的总强度。因此根据被测量的颜色强度关于总强度的比率，光传感器60(或者控制设备52)可被配置为产生总颜色测量。

[0045]通过用光传感器60的每一元件(例如红、绿、蓝和白)单个评估颜色通道32-n并确定来自元件的各种读数之间的比率，区分强度变化与LED30A的波长偏移是可能的。该区分可能无法通过使用单色传感器60实现。在该实施例中，来自光传感器60的读数可与LED驱动部件58的脉宽调制周期同步以便在仅接通通道32-n的状态下评估每个颜色通道32-n。对本领域普通技术人员来说如何设计控制算法以便根据检测到的颜色强度比率区分强度和波长的变化是显而易见的。

[0046]如前所述，光传感器60可包括多色检测设备或能产生多色测量的集成电路。或者多个单色传感器60(例如红、绿和白传感器)可被使用，每个产生一个颜色测量。为了本说明的目的，术语“光传感器”总体来说可指用于其中多个传感器被用于提供测量给照明设备100的控制设备52的实施例。

[0047]将被测量的颜色与期望的颜色设置比较之后，控制设备52可根据被测量的颜色与期望设置之间的差异产生控制信号。该控制信号可被发送给LED驱动部件58，它以某种方式调整发送给照明设备100或单色通道32-n的电流从而基本上降低或消除差异。

[0048]根据示范实施例，控制设备52的控制算法可被设计以便为照明设备100接收期望的强度设置和颜色设置。在该实施例中，控制设备52可被配置为产生用于调整由照明设备100或其特定颜色通道32-n发射的光颜色和总强度的控制信号。

[0049]对本领域普通技术人员来说如何配置控制设备52和LED驱动部件58以便产生期望的控制信号并调整电流从而调整由照明设备100或特定颜色通道32-n发射的强度和/或颜色是显而易见的。此外，本发明涵盖上述控制算法的所有明显的改变。例如，对本领域普通技术人员来说如何应用本发明可用的原理以便测量和调整在LED发射器模块30中由单个LED30A发射的强度和/或颜色是显而易见的。

[0050]根据示范实施例，控制算法可被设计为重复比较LED发射器模块30输出的被测量的输出强度/颜色与最近接收到的用户设置。例如，该检查可根据持续时间是几分钟的周期被实现。因此即使当没有新的设置从用户接收到时，控制模块可根据如腔管退化和温度变化调整照明设备输出。

[0051]控制设备52的控制算法也可包括其它功能。例如在多照明设备的照明***中，每个照明设备100的控制逻辑可能需要分析在通信线70上发送的消息包的目的标识符。这可被要求用于确定是否消息包及其包含的用户设置旨在用于那个照明设备100。

[0052]根据示范实施例，在数据总线70上发送的每个消息包可包括识别预期的目的地的地址段。该地址段可包括分组标识符(GID)。例如，在多照明设备***中照明设备100的不同子集可根据特定GID被聚集在一起。如果消息包包括用于照明设备100特定子集的设置，则该子集的GID将被包括在地址段中。因此消息包将在数据总线70上被广播给指定的照明设备100的子集。相反地，如果消息包并不旨在用于由通用GID识别的照明设备的特定子集，则地址段的GID域可被设置为空。

[0053]在另一示范实施例中，地址段还可相应地包括用于类型标识符(TID)和唯一标识符(UID)的域。在该实施例中，每个照明设备100被分配TID和UID。相同类型的多个照明设备100将被分配相同的TID。然而每个照明设备100被分配它自己的UID。

[0054]在示范实施例中，每个发送的包含空GID的消息包将承载非空TID。然而该包可包含空UID。例如，如果消息包被发送给对应特定类型(即TID)的每个照明设备100，则UID将会为空。然而，如果消息包被发送给单个照明设备100，则地址段将包含该照明设备100的TID和UID。

[0055]图3描述了算法的流程图，通过它照明设备100在多照明设备***中确定发送的消息包是否包含用于该照明设备100的设置。如S10所示，控制设备52分析发送的消息包的地址段。如S20所示，控制设备52首先确定地址段是否包含匹配照明设备100的GID的GID。如果消息包的GID相匹配，则数据(即强度/颜色设置)可从包中提取(S70)。否则，处理继续到S30。

[0056]在S30中，给出了关于包地址段中的GID域是否为空的确定。如果GID域为空，则控制设备52继续分析TID域(S40)。然而，如果GID域包含不匹配照明设备100的GID的非空值，则包可被忽略(S80)。

[0057]在S40中，给出了关于地址段中TID是否匹配照明设备100的TID的确定。如果不匹配，则包可被忽略(S80)。

[0058]然而，如果TID匹配，则地址段的UID根据S50被检查。如果UID为空，则包中的设置用于照明设备100以及相同类型的其它照明设备。因此该设置根据S70被提取。然而，如果UID域非空，则处理继续至S60。

[0059]根据S60，如果包地址段中的UID匹配照明设备100的UID，则表示消息包特别用于照明设备100。因此照明设备100从包中提取设置(S70)。如果包的UID不匹配照明设备100的UID，则包被忽略(S80)。

[0060]示范实施例如上描述的同时，应该指出这些实施例并不限制本发明。在不背离本发明的精神和范围前提下，可对上述实施例进行各种修改和改变。

[0061]例如，在上面实施例描述允许用户设置用于照明设备100的期望的强度或颜色设置的用户接口的同时，本发明没有因此受限。例如，用于照明设备的设置可被安装并存储在控制模块50的存储器或存储设备中。或者设置可例如通过处理***执行软件而被自动确定。例如，设置可使用如时刻、环境亮度等因素而自动确定。

[0062]仅为了描述，在下面说明中提供了照明设备100的特定示范实施例。

[0063]在该实施例中，每个照明设备100的LED发射器模块30可包括在四色通道中串联的红、绿、蓝和白LED30A。所有的四色通道可通过TCS230光频转换器被检测，并通过照明设备100控制模块50的基于微控制器的处理设备52中的软件被控制。软件可用于在控制模块50中命令16位脉宽调制LED驱动器58。控制模块50中的元件连同在LED发射器模块30中的那些可被安装到包括散热器12的外壳10上。反射器可在外壳中实现，并且照明设备100的光部件20可简单地包含对发射器包装完整的光学器件或可包括任意几何学中必需的透镜以便将光线引向期望的位置。

Claims (12)

1.一种照明设备(100)，包括：

发射器模块(30)，包括基于发光二极管(LED)的光源；

光传感器(60)，被配置为通过测量所述发射器模块的强度输出来产生被测量的输出；以及

调整设备(58)，被配置为根据所述发射器模块的所述被测量的输出与可选预定光设置之间的比较来调整交付给所述发射器模块的电流。

2.权利要求1中的所述照明设备，其中所述可选预定光设置包括预定强度设置，并且所述照明设备还包括：

控制设备(52)，被配置为

比较所述被测量的输出与预定强度设置；以及

根据所述被测量的输出与所述预定强度设置之间的差异产生控制信号，所述控制信号被发送给所述调整设备以调整所交付的电流，

其中所述调整设备被配置为调整交付给所述发射器模块的电流从而降低所述强度输出和所述预定强度设置之间的差异。

3.权利要求1中的所述照明设备，其中

所述发射器模块包括至少一个颜色通道(32-n)，每个颜色通道包括至少一个LED(30A)，以及

所述光传感器被配置为通过测量对应于所述至少一个颜色通道的多个颜色中每一个的强度输出来产生所述被测量的输出。

4.权利要求3中的所述照明设备，还包括确定所述颜色强度输出比率并根据所确定的比率控制所述调整设备的控制设备(52)。

5.权利要求4中的所述照明设备，其中所述可选预定光设置包括预定颜色设置，并且所述控制设备被配置为：

根据所确定的颜色强度输出比率确定所述发射器模块的颜色输出；

比较所述颜色输出与预定颜色设置；以及

根据所述颜色输出和所述预定颜色设置之间的差异产生控制信号，所述控制信号被发送给所述调整设备从而调整所交付的电流，以及

所述调整设备被配置为调整交付给所述发射器模块的电流从而降低所述颜色输出和所述预定颜色设置之间的差异。

6.权利要求5中的所述照明设备，其中

所述光传感器被配置为通过测量除了所述颜色强度输出之外的总强度输出来产生所述被测量的输出，以及

所述控制设备被配置为：

比较所述总强度输出与预定强度设置；以及

根据所述总强度输出与所述预定强度设置之间的差异以及所述颜色输出与所述预定颜色设置之间的差异来产生所述控制信号，以及

所述调整设备被配置为调整交付给所述发射器模块的电流从而降低所述总强度输出与所述预定强度设置之间的差异，并降低所述颜色输出和所述预定颜色设置之间的差异。

7.权利要求5中的所述照明设备，其中

所述控制设备被通信链接到输入设备，所述输入设备用于选择所述预定颜色设置，

所述光传感器被配置为在预定间隔测量多个颜色通道中每一个的强度，以及

对于每一个所述预定间隔，所述控制设备被配置为：

根据所述预定间隔的所述颜色强度输出确定所述颜色输出，

比较所述颜色输出与从所述输入设备最近接收到的所述预定颜色设置，以及

产生所述控制信号，它根据所述最近接收到的输入颜色参数和所述颜色输出之间的差异被发送给所述调整设备。

8.权利要求5中的所述照明设备，其中所述光传感器包括多色检测集成电路。

9.权利要求5中的所述照明设备，其中所述光传感器包括一个或多个颜色检测设备，每个能检测至少一种颜色的强度。

10.权利要求5中的所述照明设备，其中所述调整设备利用直流(DC)控制和脉宽调制(PWM)中的至少一个以调整交付给所述发射器模块的电流。

11.权利要求5中的所述照明设备，还包括：

外壳(10)；以及

热管理部件(40)；

其中所述外壳保证所述热管理部件处在允许所述热管理部件从所述发射器模块散热的相对于所述发射器模块的位置。

12.权利要求11中的所述照明设备，其中所述热管理部件包括下面至少一个：散热器、热管、冷风机和热电式冷却设备。

Images