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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Helligkeitsregelung und dynamische
Farbmischung von LED-Einheiten gemäß Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein Lichtnetzwerk zur Durchführung des Verfahrens gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 5.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind in
der WO-A-99/10867
beschrieben. Das bekannte Verfahren dient zur Ansteuerung von LED-Modulen
in Form von Lichtstrahlern oder Handleuchten, deren Helligkeit und/oder
Farbe regelbar ist. Zur Helligkeitsregelung und dynamischen Farbmischung
ist vorgesehen, dass ein in seiner Amplitude durch einen Stormregler
fest vorgegebener Diodenstrom in seiner Pulsstromdauer und/oder
Pulsstromfrequenz eingestellt wird. Eine Vernetzung von LED-Modulen und deren
Helligkeitsregelung und dynamische Farbmischung in einem vernetzten
System, um eine gleichmäßige Ausleuchtung
beispielsweise eines kantenbeleuchteten flächigen Lichtleiterelementes
zu erreichen, ist in der WO-A-99/10867 nicht angesprochen.
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Die
DE-A-198 48 925 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
zur Ansteuerung von Lichtdioden, wobei der Flussstrom durch die
Leuchtdioden nur bis zu einem vorbestimmten unteren Grenzwert verringert
und zur weiteren Reduzierung der Helligkeit der Flussstrom getaktet
wird. Dabei kann der Betrag des Flussstroms gleich oder größer als
der untere Grenzwert sein. Eine Vernetzung von LED-Einheiten und
deren Helligkeitsregelung ist in der DE-A-198 48 925 nichtangesprochen.
Vielmehr wird der Strom durch eine einzelne LED gesteuert.
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Die
EP-A-1 220 578 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Veränderung
der Farbtemperatur und der Helligkeit einer Beleuchtungsvorrichtung,
welche zumindest zwei Leuchtdioden umfasst, die Licht unterschiedlicher
Farbtöne emittieren.
Dabei wird die Farbtemperatur der Beleuchtungsvorrichtung über die
jeweilige Speisespannung und/oder den jeweiligen Speisestrom der zumindest
zwei Leuchtdioden eingestellt. Auch eine Kombination von Speisespannungs-/Stromeinstellung
wird vorgeschlagen, wobei eine Helligkeitsreduktion bei konstanter
Farbtemperatur durch eine Pulsbreitenmodulation möglich ist.
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Die
DE-A-195 07 459 bezieht sich auf ein Farbakupunkturgerät zur humanen
und veterinären therapeutischen
Behandlung der Akupunkturpunkte. Durch eine additive Mischung und
Wichtung von vorzugsweise drei Grundfarben kann jede therapeutisch relevante
Farbe gewählt
werden. Die LED wird durch eine Stromquelle mit gewichtetem, konstantem Strom
versorgt. Der Lichtstrom der LED ist über einen Schalter einstellbar.
Zusätzlich
kann das Licht gepulst werden, wobei sich als therapeutisch besonders
wirkungsvoll die Erzeugung von Rechteckimpulsen herausgestellt hat.
Durch die Frequenzmodulation können
insbesondere psychisch bedingte Belastungen erfolgreicher als beim
Einsatz von nicht moduliertem Licht therapiert werden.
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Die
DE-A-199 01 735 beschreibt einen Lichtemissionsschaltkreis, bei
dem ein D/A-Wandler
analoge Spannungen in einem Bereich von 0 bis 2 V entsprechend einem
von einer Lichtemissionssteuereinheit ausgegebenen digitalen Wert
ausgibt. Die analoge Spannung wird zu mehreren Spannungs-/Stromwandlereinheiten
geführt,
die jeweils einen Treiberstrom ausgeben, der auf unterschiedliche
mA-Einheiten steuerbar ist. Die Span nungs-/Stromwandlereinheiten
werden jeweils entsprechend der Bereichsbezeichnungssignale an-/ausgesteuert.
Dementsprechend kann die Luminanz der LED gesteuert werden.
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LEDs
werden seit geraumer Zeit als Anzeige- und Kontrolllichter in elektrischen
Geräten
eingesetzt, so. z.B. in Schalttafeln, Bedienpulten, Radiogeräte, usw..
Seit Entwicklung der "ultrahellen" LEDs finden sie
aber auch immer mehr Einsatz im Beleuchtungsbereich. Mit Erfindung
der blauen LED lässt sich
auch weißes
Licht oder beliebige Mischfarben durch additive Farbmischung aus
den Grundfarben rot, grün
und blau erzeugen. Dieses Verfahren wird z.B. in LED-Videowänden oder
für Beleuchtung
mit Farbwechsel angewandt.
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Eine
Helligkeitsregelung der LEDs ist für eine dynamische Farbmischung
unerlässlich,
da durch unterschiedliche Intensitäten der Grundfarben die entsprechenden
Mischfarben erzeugt werden. Aber auch bei einfarbigen Beleuchtungsanlagen
ist eine Regelung der Helligkeit oft erforderlich, um die Helligkeit
an die jeweilige Beleuchtungssituation anpassen zu können.
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Es
ist bekannt, dass LEDs über
die Spannung (Volt) in ihrer Helligkeit geregelt werden können. Die
Regelung über
die Spannung ist für
einzelne LEDs, z. B. über
ein Potentiometer, sehr einfach. Sollen jedoch mehrere LEDs in der
Helligkeit geregelt werden findet dieses Verfahren kaum Verwendung, da
jede LED produktionstechnisch bedingt geringfügig unterschiedliche Durchlassspannungen
aufweist und somit eine einheitliche Helligkeitsregelung mehrerer
LEDs nur mit hohem technischen Aufwand möglich wäre.
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Aus
der
DE 100 30 772
A1 und
EP
0 660 648 A1 sind Verfahren und Schaltungsanordnungen bekannt,
durch die LEDs über
den Strom (Ampere) in ihrer Helligkeit geregelt werden können. Da
LEDs nur in einem schmalen Bereich von wenigen Milliampere betrieben
werden können,
ist bei digitaler Ansteuerung nur eine relativ geringe Anzahl von
Helligkeitsstufen erzeugbar. Die Folge sind für das menschliche Auge wahrnehmbare
Sprünge
von einer Helligkeitsstufe zur nächsten.
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Aus
DE 100 13 207 A1 und
CA 2 324 423 sind Verfahren
zur Helligkeitsregelung von LEDs durch "Pulsen" des Stromes bekannt. Hier gibt es die unterschiedlichsten
Modulati onsverfahren, wie z.B. die Pulsweitenmodulation (PWM) oder
die Pulsfrequenzmodulation (PFM), um nur einige zu nennen. Das Prinzip
ist bei allen Modulationsarten ähnlich:
Es wird der Stromfluss zur LED durch einen mikroprozessorgesteuerten
Ein/Aus-Schalter in Impulse zerlegt, wobei der Betriebsstrom auf
einem bestimmten Wert konstant gehalten wird und die Helligkeit
der LED durch die Veränderung
der Ein- und Ausschaltdauer geregelt wird. Die Pulsfrequenz wird
dabei so hoch gewählt,
dass die LED für
das menschliche Auge unterbrechungsfrei zu leuchten scheint. So
lassen sich auch größere Anzahlen
von LEDs gleichmäßig und
in praktisch beliebig vielen Stufen in der Helligkeit regeln.
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Da
bei der Pulsung des Stromes eine Verminderung der Helligkeit der
LED durch längere
Pausen zwischen jedem Einschaltimpuls erzeugt wird, ist zwangsläufig irgendwann
der Punkt erreicht, an dem die Pulsung für das menschliche Auge sichtbar
wird. Die LED fängt
an zu flackern. Die unterste Helligkeitsstufe ist also ein Kompromiss
aus möglichst
geringer Helligkeit und gerade noch flackerfreiem Betrieb der LED.
Diese unterste Helligkeitsstufe wird in Fachkreisen als "Grundhelligkeit" oder "Resthelligkeit" bezeichnet und wird
in vielen Anwendungsbereichen, z. B. im künstlerischen oder architektonischen Bereich,
als störend
empfunden, da der Übergang von
0% Helligkeit zur untersten Helligkeitsstufe deutlich sichtbar ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Helligkeitsregelung
und dynamischen Farbmischung von LED-Einheiten sowie ein Lichtnetzwerk
zur Durchführung
des Verfahrens der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden,
dass die LED-Einheiten zur flächigen
Ausleuchtung beispielsweise einer Acrylglasplatte gleichmäßig und
ruckfrei in ihrer Helligkeit regelbar sind, wobei eine möglichst
geringe „Grundhelligkeit" erzeugt wird, so
dass ein für
das menschliche Auge nicht sichtbarer Übergang von 0% auf die unterste
Helligkeitsstufe verwirklicht wird.
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Diese
Aufgabe wird u. a. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei ist vorgesehen, dass eine Ansteuerung der je eine Reihenschaltung
von LEDs einer Grundfarbe aufweisenden LED-Einheiten über eine
Pulsmodulation in Verbindung mit einer variablen Stromregulierung
erfolgt. Zur Veranschaulichung wird das Verfahren mit der Gangschaltung
und dem Gaspedal beim Automo bil verglichen. Die Steuerung über den
Strom mit der geringen Anzahl an Schaltstufen ist hier gleichzusetzen
mit den Gängen
eines Getriebes und die hochauflösende
Pulsung des Stromes mit dem fein dosierbaren Gaspedal eines Motors.
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So
kann im unteren Helligkeitsbereich ein geringer Strom vorgegeben
werden, welcher von vornherein eine geringe Helligkeit der LED bewirkt. Diese
geringe Helligkeit wird über
die Pulsung des Stromes bis an die Helligkeitsstufe null herunter
geregelt, so dass für
das menschliche Auge kein Übergang
zwischen 0% und Einsetzen der Helligkeit sichtbar ist. Die LED ist
hierbei flackerfrei. Die Flackerfreiheit wird erreicht, indem die
Pulsstromdauer und/oder die Pulsstromfrequenz auf einen Minimalwert
eingestellt werden. Soll die Helligkeit der LED bis auf 100% angehoben
werden, wird im Verlauf der Helligkeitssteigerung ebenfalls der
Strom stufenweise erhöht,
wobei bei jeder Stromschaltstufe die Pulsung entsprechend wieder
zurück
genommen wird, um einen gleichmäßigen und
ruckfreien Verlauf zu erzeugen. Die Zuordnung des eingegebenen Helligkeitswertes
zum entsprechenden Verhältnis
der jeweiligen Schaltstufen von Strom und Pulsung ist in einer Korrekturtabelle
hinterlegt, auf welche eine Prozessoreinheit zugreift.
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Es
erfolgt eine Umschaltung auf eine nächsthöhere Pulsstromamplitude IPULS, wenn die Pulsstromperiode im Bereich
der zweifachen Pulsstromdauer liegt und eine Umschaltung auf eine
niedrige Pulsstromamplitude IPULS erfolgt,
wenn die Pulsstromdauer einen Minimalwert unterschreitet, bei dem noch
ein flackerfreier Betrieb der LED möglich ist.
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Die
Ansteuereinheit ist frei adressierbar und wird über einen Datenbus angesteuert.
So können eine
Vielzahl von LED Einheiten über
eine gemeinsame Datenleitung unterschiedlich oder synchron angesteuert
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass die Amplitude zum
Erreichen eines höheren/niedrigen
Helligkeitsbereichs vorzugsweise in Stufen von IN/2 ≤ IPULS ≤ IN/100 vorzugsweise IN/30
erhöht/erniedrigt
wird.
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Vorteilhaft
ist auch die Möglichkeit
Programmabläufe
direkt in der Steuerungseinheit zu hinterlegen, so dass z. B. Lichtspiele
unabhängig
von einem zentralen Steuergerät
ablaufen können.
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Die
Aufgabe wird durch ein Lichtnetzwerk mit Merkmalen des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 5 gelöst.
Der Stromregler ist als steuerbarer Stromregler zur Variation der
Pulsstromamplituden zur Einstellung verschiedener Helligkeitsstufen
und der Pulsgenerator ist zur Einstellung der Pulsstromdauer und/oder
Pulsstromfrequenz innerhalb einer durch die Pulsstromamplitude vorgegebenen
Helligkeitsstufe ausgebildet. Ferner weist die Prozessoreinheit
eine Speichereinheit auf, in der eine Zuordnungs- bzw. Korrekturtabelle
hinterlegt ist, in der entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie
gewünschten
Helligkeitswerten entsprechende Werte für die Pulsstromamplitude, die
Pulsstromdauer und/oder die Pulsstromfrequenz definiert sind. Ferner
ist vorgesehen, dass die Prozessoreinheit über einen Controller mit einem
Datennetz verbunden ist. Ausgehend von dem Controller, der als Mastercontroller ausgebildet
ist, kann ein digitales synchrones Subnetz ausgehen, in dem weitere
Ansteuereinheiten zur Ansteuerung mehrere LED-Reihen angeschlossen sind,
wobei jeder Reihe eine Farbe, wie beispielsweise rot, grün oder blau
zugeordnet ist.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht
nur aus den Ansprüchen,
den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-,
sondern auch aus dem der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmenden
bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer Ansteuereinheit zur Helligkeitssteuerung
zumindest einer LED,
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2 ein
schematisches Blockschaltbild eines Lichtnetzwerks zur Helligkeitssteuerung
zumindest einer LED mit synchronem Subnet,
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3a)–d)
Signalverläufe
zur Ansteuerung der Prozessoreinheit mit D/A-Wandler gemäß 1 und 2 und
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4 einen
Vernetzungsaufbau zur Ansteuerung von RGB-LED-Streifen.
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1 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild einer Ansteuereinheit 10 zur
Helligkeitssteuerung mindestens einer LED 12, die im vorliegenden Fall
aus einer Reihenschaltung einer Vielzahl von LEDs (LED-Streifen)
gebildet wird.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst einen Stromregler 14 sowie
einen Pulsgenerator 16, die von einer Prozessoreinheit 18 angesteuert
werden. Die Prozessoreinheit umfasst einen D/A-Wandler 20 sowie
eine Speichereinheit 22 und ist über einen Controller 24 mit
einem Datennetz bzw. Netzwerk 26 verbunden, welches von
einer Zentraleinheit bzw. einem Ansteuer-Computer 28 gesteuert
wird. Zur Energieversorgung der Ansteuereinheit 10 sowie
der LEDs 12 ist eine Energieversorgungseinheit 30 vorgesehen.
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Mit
der dargestellten Ansteuereinheit 10 wird die Möglichkeit
eröffnet,
die LEDs 12 mit einem variablen Pulsstrom IPULS zu
speisen, der sowohl in seiner Pulsamplitude, seiner Pulsdauer und
der Pulsfrequenz steuerbar ist. Die Regelung der Pulsamplitude erfolgt
durch den Stromregler 14 in Stufen, wobei die Pulsdauer
und/oder Pulsfrequenz innerhalb einer Stufe über den Pulsgenerator 16 gesteuert
werden.
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2 zeigt
den Aufbau eines Lichtnetzwerks 32, wobei von dem als Master-Controller
ausgebildeten Controller 24 ein digitales synchrones Subnet 34 ausgeht,
an dem sodann eine Vielzahl von weiteren Ansteuereinheiten 10.R, 10.G sowie 10.B zur
Ansteuerung von LED-Streifen unterschiedlicher Farben angeschlossen
werden können.
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Dabei
entspricht der Aufbau der Ansteuereinheiten 10.R, 10.G, 10.B im
Wesentlichen der in 1 beschriebenen Ansteuereinheit 10.
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Über das
Netzwerk 26 werden Daten asynchron in den Master-Controller 24 übertragen,
in dem sodann eine Zuordnung der Daten nach Adresse, Farbe und Helligkeitswert
zu den einzelnen Ansteuereinheiten 10.R, 10.G, 10.B erfolgt.
In der Speichereinheit 22 erfolgt eine Übersetzung und Linearisierung
von Steuersignal bzw. Steuerdaten und Helligkeit. Die Steuerdaten
bzw. Steuersignale für
den Pulsgenerator 16 welche sowohl Pulsdaten wie beispielsweise
Pulsdauer und Pulsfrequenz als auch Stromdaten wie beispielsweise
Pulsamplitude enthalten, werden in der Speichereinheit 22 gespeichert. Ferner
ist in der Speichereinheit 22 eine Zuordnungstabelle hinterlegt,
die eine Zuordnung zwischen den gewünschten Helligkeitswerten und
den Steuerdaten enthält,
wie diese beispielsweise der in 2b) dargestellten
Funktion 36 entspricht. Ausgehend von den gewünschten
Helligkeitswerten werden sodann der Pulsgenerator 16, der
D/A-Wandler 20 sowie der Stromregler 14 angesteuert,
wobei gemäß der Erfindung
vorgesehen ist, dass der die LEDs 12 durchfließende Pulsstrom
IPLUS sowohl in seiner Pulsamplitude als
auch in der Pulsdauer bzw. Pulsfrequenz gesteuert wird, um eine
Helligkeitsregelung der LEDs zu erreichen.
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Dabei
wird in einem unteren Helligkeitsbereich eine geringe Stromamplitude
durch den Stromregler 14 vorgegeben, so dass von vornherein
eine geringe Helligkeit der LED eingestellt wird. Eine weitere Reduzierung
kann sodann durch Variation der Pulsdauer und/oder der Pulsfrequenz
so eingestellt werden, dass die Helligkeit der LED 12 bis
auf Null heruntergeregelt wird, wobei für das menschliche Auge kein Übergang
zwischen 0% Helligkeit und einsetzender Helligkeit sichtbar ist.
Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt eine flackerfreie Helligkeitsregelung
der LED ohne sichtbare Abstufungen über den gesamten Dimmbereich.
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Sollte
eine höhere
Helligkeit gewünscht
werden, erfolgt diese, indem die Stromamplitude stufenweise erhöht wird,
wobei bei jeder Stromschaltstufe die durch den Pulsgenerator 16 vorgegebene
Pulsdauer bzw. Pulsfrequenz zurückgenommen
wird, um einen gleichmäßigen und
ruckfreien Verlauf zu erzeugen.
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3a) bis d) zeigt rein beispielhaft Pulsströme IPULS. Bei dem in 3a) dargestellten
Pulsstrom wird weder die Pulsamplitude noch die Pulsdauer eingestellt.
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3b) zeigt eine Helligkeitsregelung durch Variation
der Pausendauer, d. h. der Pulsfrequenz, wobei die Pulsamplitude,
d. h. die Stromhöhe,
fest auf einem konstanten Wert gehalten und fest eingeprägt wird.
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3 zeigt eine Variante des Stromes IPLUS, wobei eine Helligkeitsregelung durch
Variation der Pulsdauer bei gleicher Pulsfrequenz und konstanter Pulsamplitude
erfolgt.
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Schließlich zeigt 3d) den Pulsstrom IPLUS gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wobei eine Helligkeitsregelung sowohl durch Variation der Pulsamplitude,
d. h. der Stromhöhe
als auch durch Variation der Pulsdauer und/oder der Pausendauer, d.
h. der Pulsfrequenz erfolgt.
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2c) zeigt eine Kennlinie 38, der die
Amplitude des Pulsstroms IPLUS über die
Ansteuerspannung USteuer zu entnehmen ist.
Die Kennlinie zeigt, dass unterhalb einer Grenzspannung UGRENZ die Ansteuereinheit 10 in
einem Analogbetrieb arbeitet, in dem die Stromamplitude entsprechend
den vorgegebenen Stromdaten linear oder in Stufen von 0 bis beispielsweise
20 mA einstellbar ist.
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In
einem Spannungsbereich oberhalb der Grenzspannung UGRENZ arbeitet
die Ansteuereinheit 10 in einem Schalterbetrieb, was bedeutet,
dass bei maximaler Stromamplitude die Steuerung der Helligkeit über Variation
der Pulsdauer bzw. Pulsfrequenz erfolgt.
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Das
in 2 dargestellte Lichtnetzwerk zeichnet sich des
Weiteren dadurch aus, dass die Prozessoreinheiten 18 der
jeweiligen Ansteuereinheiten 10.R, 10.G, 10.B frei
adressierbar und über den
Controller 24 und die Netzwerke 34 bzw. 26 ansteuerbar
sind. So können
eine Vielzahl von LED-Einheiten über
eine gemeinsame Datenleitung wie beispielsweise das digitale synchrone
Subnet 34 unterschiedlich oder synchron angesteuert werden. Auch
können
in den Ansteuereinheiten 10.R, 10.G, 10.B Programmabläufe hinterlegt
werden, so dass zum Beispiel Lichtspiele unabhängig von der zentralen Steuereinheit 28 ablaufen
können.
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4 zeigt
ein Anwendungsbeispiel eines Vernetzungsaufbaus 40 von
RGB-LED-Streifen,
wobei ein RGB-LED-Streifen mehrere Ansteuereinheiten 10.R, 10.G, 10.B für LED-Streifen
aufweist, wobei jedem LED-Streifen eine Farbe wie beispielsweise rot,
grün oder
blau zugeordnet ist. Das Netzwerk besteht aus der als Zweidraht-Netzwerk
ausgebildeten Datenleitung 26, die mit der Steuereinheit 28 verbunden
ist. Das Zweidraht-Netzwerkleitung 26 ist über den
Master-Controller 24 mit den einzelnen Ansteuereinheiten 10-R, 10.G, 10.B verbunden,
welche, wie in 4 dargestellt, ein RGB-LED-Streifen
mit Master-Controller bilden. Ausgehend von dem Master-Controller 24 verläuft sodann
das digitale synchrone Subnet 34 zu weiteren Ansteuereinheiten 10.R, 10.G, 10.B,
wobei die Ansteuereinheit 10.R zur Kommunikation mit dem
synchronen Subnet einen Slave-Controller 24 aufweist,
der die über
das synchrone Subnet 34 übertragene Daten an die Prozessoreinheiten 18 der
einzelnen Ansteuereinheiten 10.R, 10.G, 10.B weiterleitet.