EP3726932B1 - Verfahren zur frequenzvariablen steuerung der lichtfarbe und/oder des lichtstromes eines beleuchtungssystems - Google Patents

Verfahren zur frequenzvariablen steuerung der lichtfarbe und/oder des lichtstromes eines beleuchtungssystems Download PDF

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EP3726932B1
EP3726932B1 EP19169932.1A EP19169932A EP3726932B1 EP 3726932 B1 EP3726932 B1 EP 3726932B1 EP 19169932 A EP19169932 A EP 19169932A EP 3726932 B1 EP3726932 B1 EP 3726932B1
Authority
EP
European Patent Office
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time duration
light
light sources
time
lighting
Prior art date
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EP19169932.1A
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EP3726932A1 (de
EP3726932C0 (de
Inventor
Alexander Mair
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Lunatone Industrielle Elektronik GmbH
Original Assignee
Lunatone Industrielle Elektronik GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/20—Controlling the colour of the light

Definitions

  • the invention relates to a method for frequency-variable control of the light color and/or the luminous flux (or the brightness) of a lighting system.
  • the invention also relates to a lighting control unit, comprising a storage medium on which program logic for carrying out the method according to the invention is stored, and a microcontroller connected to the storage medium.
  • the invention relates to a lighting module, comprising a lighting system and a lighting control unit according to the invention.
  • the invention relates to a lighting arrangement comprising a number of individually controllable lighting modules according to the invention.
  • DE102013207961 discloses a method for changing the color locus of the visible light emitted by an LED module, the LED module having at least two parallel LED lines, the emission spectrum of the LED lines differing, the LED lines alternating with constant current are operated, and to change the color locus the ratio of the switch-on durations of the LED lines is changed, preferably while keeping the sum of the switch-on durations of all LED lines constant.
  • Lighting systems are known from the prior art in which the emitted light color and the brightness are controlled by pulse width modulation, which is controlled by a microcontroller.
  • the microcontroller has a timer and an associated comparator for each light source to be controlled, with each light source being activated for a specific time period within a clock period. This period of time is recorded by comparing a predefinable timer target value with the actual timer value using the comparator and the respective light source is controlled accordingly.
  • the clock rate of such a microcontroller can be, for example, a frequency of 1 kHz, with sub-intervals still being able to exist within such an interval, which enable the combination of RGB color components. When divided into four subintervals (see 1 ) the individual light sources can be switched off with a frequency of up to 4kHz.
  • the minimum switch-on time is limited due to the minimum sub-interval of the clocking of the microcontroller, it may be necessary, for example for dimming the emitted light, to increase the clock duration in order to reduce the proportion of the minimum sub-interval in the total time.
  • This also allows different ratios of the Achieve a mixture of the light colors involved.
  • the operating frequency of the microcontroller can be reduced to 500 Hz by halving it.
  • figure 2 shows such a transition, in which a clock interval now comprises 8 minimum time sub-intervals.
  • the proportion of the light color "red" in the emitted light distribution is to be reduced or dimmed (here halved).
  • the remaining light colors green and blue should remain unchanged.
  • the rigid mode of operation of the microcontroller is accompanied by the problem that beats can occur in the radiation of largely synchronously clocked lighting systems, which can be visible to the human eye and have a disruptive effect.
  • the method according to the invention makes it possible to vary the light color and the brightness of the light emitted by the lighting system without causing undesired transitional superimpositions or accepting beating of the light emission of different lighting systems.
  • the microcontroller can be designed in a particularly simple manner, since only one light source is active at a time.
  • the sum of all time periods can preferably also be less than 10 ms in the dimmed state in order to remain above the flicker merging frequency.
  • the only thing that needs to be observed exactly is the relationship between the time periods. In this way you can achieve significantly more precise resolutions and thus color settings with the same hardware.
  • the "light off" time span can also be divided into several time spans and inserted between the time spans of the individual colors. Since this method also manages with just one counter, inexpensive microcontrollers can be used.
  • colored light sources it is also possible to control white light sources or white light sources, in particular LEDs, with different color temperatures.
  • the microcontroller only uses a single comparator and/or a single timer to control the at least two light sources.
  • the reference time duration is assigned to the light source that is active for the shortest time during the clock interval, with the switch-on durations of the remaining light sources being divided by Multiplication of the reference switch-on time is set by an individual factor greater than 1, each factor being weighted according to the ratio of the calculated switch-on time ratios.
  • the shortest switch-on time is normalized to the value "1", so to speak, and the remaining switch-on times are given a factor greater than or equal to 1, the actual times being calculated by multiplying the respective factor by the reference time.
  • the microcontroller can have a minimum switch-on period that corresponds to the lowest period of time that can lie between a switch-on process and an immediately subsequent switch-off process, with the following applying to the reference period: tref ⁇ tmin.
  • This minimum switch-on time is specified by the technical limitations of the microcontroller and can be taken from the technical data sheet of the microcontroller used in each case or derived from it.
  • the reference time period is determined as a function of a random variable or is set to a randomly selected new value and the other time periods are adjusted in proportion. This not only prevents the lamps from oscillating with each other, but also error-free dimming down to the 0.1% range by increasing the "light off" period and continuously changing the frequency.
  • the random value can be determined with the aid of a noise generator, for example.
  • the reference period is selected in such a way that the resulting cycle period t T is a maximum of 10 ms. In this way it can be ensured that the human eye does not perceive the individual switch-on durations and operational pause durations per se, but only detects the temporal average of the sequence of these durations. In this way the clock frequency stays above the flicker merging frequency.
  • the lighting system for the optical transmission of information is controlled by the sequential sequence to be calculated in step b) being manipulated, taking into account an information signal to be transmitted, the information signal being selectively selected in the temporal sequence of the resulting according to step c).
  • Switch-on durations and possibly operational pause durations are encoded in the light distribution emitted by the lighting system.
  • the coding can be implemented, for example, by specifically specifying the sequence of emission by the individual light sources and by specifically arranging pauses within a clock cycle. In this way, the degrees of freedom that are given by the present inventive method in the emission of the light distribution can be used in a targeted manner without influencing the emitted light distribution on average and without the coding being visible to the human eye on the way Light distribution affects.
  • the lighting system has at least three light sources, namely a light source for emitting red light, a light source for emitting green light, and a light source for emitting blue light.
  • a light source for emitting red light a light source for emitting red light
  • a light source for emitting green light a light source for emitting blue light.
  • the invention also relates to a lighting control unit, comprising a storage medium on which program logic for carrying out the method according to the invention is stored, and a microcontroller which is connected to the storage medium and is set up to receive the input signal and the light color to be emitted and/or Specify lighting intensity of the lighting system using the program logic according to the inventive method.
  • the invention relates to a lighting module, comprising a lighting system and a lighting control unit according to the invention for controlling the lighting system, the lighting system comprising at least two light sources of different light colors.
  • the at least two light sources are LED light sources.
  • the invention relates to a lighting arrangement comprising a number of individually controllable lighting modules according to the invention.
  • these lighting modules can be set up to communicate with one another.
  • beats and undesired superimpositions between the light distributions emitted by the lighting modules can be avoided by the features already mentioned.
  • FIG. 1 and 2 show figures 1 and 2 the known prior art, in which the individual light sources are controlled separately by means of a PWM modulation, in the case of a dimming process it is necessary to greatly reduce the clock rate of the light control and the transition problems mentioned at the outset can occur when the clock rates change.
  • the horizontal axes are in the figures 1 and 2 the timelines.
  • two images are superimposed in the two figures - namely above the counting process associated with the individual durations, within which a timer reaches a predetermined value and a comparator is used to determine whether this value has been reached, and below the actual emission of light by a light source in each case , where the light sources R, G and B designate the light colors red, green and blue.
  • the hatched areas denote the switched-on state of the light sources.
  • the proportion of the red light R can be reduced, this can be done in a simple manner, as based on the second clock period T T2 of figure 3 is shown.
  • the red light component can be dimmed simply by increasing the green and blue on-time periods.
  • the pause duration can also be increased so that the emission of the green and blue light remains unchanged on average over time.
  • the light source 2 that is active for the shortest time during the clock interval is assigned the reference time duration t ref
  • the Turn-on durations of the remaining light sources by multiplying the reference turn-on duration t ref by an individual Factor greater than 1 is set, each factor being weighted according to the ratio of the calculated switch-on time ratios V R , V B , V G .
  • lighting system 1 is controlled for the optical transmission of information by manipulating the sequential sequence Seq to be calculated in step b), taking into account an information signal S I to be transmitted, with the information signal S I being generated by targeted selection of the temporal sequence of the according to step c), the resulting switch-on durations t eR , t eB , t eG and, if applicable, the operating pause durations t P are coded into the light distribution emitted by the lighting system 1 .
  • FIG 12 shows an exemplary representation of the operation of the invention in the form of a flow chart.
  • the invention relates to a method and a method for driving multicolored LEDs with 2 to n colors or color temperatures, where the brightness can be viewed as an additional color. It relates to an optimized color control in order to achieve maximum resolution of brightness and color with an optimal light merging frequency and the best possible temporal load distribution for the required power supply. With the condition that the individual output currents of the color LEDs are never allowed to overlap, it is guaranteed that currents higher than the rated current are never drawn from the power supply unit.
  • the first block determines which channels are involved in the desired mixing ratio and which of these channels has the smallest share in it.
  • the optimal pulse output time is assigned to the smallest part (preferably in the range 1-10us). Based on this, the necessary output times of the other channels are calculated.
  • the channel with the longest output time is determined. If this is greater than the maximum output time (preferably 0.5-1ms), it is split into two parts and interleaved with the other channels.

Landscapes

  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur frequenzvariablen Steuerung der Lichtfarbe und/oder des Lichtstromes (bzw. der Helligkeit) eines Beleuchtungssystems.
  • Weiters betrifft die Erfindung eine Beleuchtungssteuerungseinheit, umfassend ein Speichermedium, auf dem eine Programmlogik zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist, und einen mit dem Speichermedium in Verbindung stehenden Mikrokontroller.
  • Zudem betrifft die Erfindung ein Beleuchtungsmodul, umfassend ein Beleuchtungssystems und eine erfindungsgemäße Beleuchtungssteuerungseinheit.
  • Weiters betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsanordnung, umfassend eine Anzahl an einzeln ansteuerbaren erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodulen.
  • Ein Stand der Technik, DE102013207961 , offenbart ein Verfahren zur Änderung des Farborts des von einem LED-Modul emittierten sichtbaren Lichts bereit, wobei das LED-Modul wenigstens zwei parallele LED-Strecken aufweist, wobei sich das Emissionsspektrum der LED-Strecken unterscheidet, wobei die LED-Strecken abwechselnd mit Konstantstrom betrieben werden, und zur Farbortänderung das Verhältnis der Einschaltzeitdauern der LED-Strecken verändert wird, vorzugsweise unter Konstanthaltung der Summe der Einschaltzeitdauern sämtlicher LED-Strecken.
  • Aus dem Stand der Technik sind Beleuchtungen bekannt, bei denen die Regelung der abgestrahlten Lichtfarbe und der Helligkeit über eine Pulsweitenmodulation erfolgt, die mittels eines Mikrokontrollers geregelt wird. Hierzu weist der Mikrokontroller je zu regelnder Lichtquelle einen Timer und einen zugehörigen Komparator auf, wobei jede Lichtquelle für eine bestimmte Zeitdauer innerhalb einer Taktperiode aktiviert wird. Diese Zeitdauer wird durch Vergleich eines vorgebbaren Timer-Sollwertes mit dem Timer-Istwert mittels dem Komparator erfasst und die jeweilige Lichtquelle entsprechend angesteuert. Die Taktrate eines solchen Mikrokontrollers kann beispielsweise eine Frequenz von 1kHz betragen, wobei innerhalb eines solchen Intervalls noch Teilintervalle vorliegen können, die die Kombination von RGB-Farbanteilen ermöglicht. Bei einer Teilung in vier Teilintervalle (siehe Fig. 1) können die einzelnen Lichtquellen mit einer Frequenz von bis zu 4kHz ausgeschaltet werden.
  • Da die minimale Einschaltzeitdauer aufgrund des minimalen Teilintervalls der Taktung des Mikrokontrollers begrenzt ist, kann es beispielsweise für ein Dimmen des abgestrahlten Lichts erforderlich sein, die Taktdauer zu erhöhen, um so den Anteil des minimalen Teilintervalls an der Gesamtzeitdauer zu verringern. Damit lassen sich auch unterschiedliche Verhältnisse der Mischung der beteiligten Lichtfarben erzielen. Beispielsweise kann hierzu die Arbeitsfrequenz des Mikrokontrollers durch Halbieren auf 500 Hz gesenkt werden. Figur 2 zeigt einen solchen Übergang, in der ein Taktintervall nun 8 Mindestzeitteilintervalle umfasst. Darin soll beispielsweise der Anteil der Lichtfarbe "Rot" an der abgestrahlten Lichtverteilung reduziert bzw. gedimmt (vorliegend halbiert) werden. Die verbleibenden Lichtfarben Grün und Blau sollen allerdings unverändert beibehalten werden. Da eine Lichtfarbe innerhalb des Taktintervalls nur einmal ausgeschaltet werden kann, wird die Einschaltzeitdauer der Abstrahlung der Lichtfarben Grün und Blau bei doppelter Taktzeitdauer einfach verdoppelt. Damit ist nach erfolgtem Übergang grundsätzlich im zeitlichen Mittel eine unveränderte Abstrahlung der Lichtfarben Grün und Blau sichergestellt. Allerdings kommt es im Bereich des Übergangs zu einer kurzen Erhöhung der durchschnittlichen Abstrahlung, die in Figur 2 durch den eingekreisten Bereich dargestellt ist. Erst die darauffolgende nun verlängerte Einschaltpause bzw. Ausschaltzeitdauer führt zu einem Abklingen der Erhöhung hin zu dem ursprünglich angestrebten Durchschnittswert.
  • In Abhängigkeit von der Taktrate des Mikrokontrollers ist diese kurzzeitige Erhöhung für das menschliche Auge erkennbar. Zudem geht mit der starren Arbeitsweise der Mikrokontroller das Problem einher, dass Schwebungen in der Abstrahlung von weitgehend gleichgetakteten Beleuchtungssystemen entstehen können, die für das menschliche Auge erkennbar sein können und störend wirken.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, indem erfindungsgemäß das Beleuchtungssystem zumindest zwei Lichtquellen unterschiedlicher Lichtfarbe umfasst, wobei zur Ansteuerung der zumindest zwei Lichtquellen ein Mikrokontroller vorgesehen ist, umfassend die folgenden Schritte:
    1. a) Empfang eines die abzustrahlende Lichtfarbe und/oder den abzustrahlenden Lichtstrom des Beleuchtungssystems vorgebenden Inputsignals,
    2. b) Berechnen eines Taktzyklus umfassend eine sequenzielle Abfolge von Einschaltzeitdauerverhältnissen der zumindest zwei Lichtquellen, zu einander und gegebenenfalls eines zusätzlichen durch Ausschaltung sämtlicher Lichtquellen gekennzeichneten Betriebspausenzeitverhältnisses, in Abhängigkeit von dem Inputsignal, wobei die sequenzielle Abfolge dergestalt bestimmt wird, dass zu jedem Zeitpunkt immer nur maximal eine der zumindest zwei Lichtquellen aktiv ist,
    3. c) Berechnen von Einschaltzeitdauern und gegebenenfalls einer Betriebspausenzeitdauer, indem die in Schritt b) errechneten Einschaltzeitdauerverhältnisse und gegebenenfalls das Betriebspausenzeitdauerverhältnis mit einer variablen Referenzzeitdauer multipliziert werden, und berechnen einer variablen Taktzeitdauer durch Summation der innerhalb eines Taktzyklus vorgesehenen Einschaltzeitdauern und gegebenenfalls der Betriebspausenzeitdauer, wobei sämtliche Zeitdauerverhältnisse und damit die daraus berechneten Zeitdauern dergestalt gewählt sind, dass innerhalb der variablen Taktzeitdauer im zeitlichen Mittel die gemäß dem Inputsignal vorgegebene Lichtfarbe und/oder der Lichtstrom abgestrahlt wird,
    4. d) Steuerung der Ein- und Ausschaltvorgänge der zumindest zwei Lichtquellen mittels dem Mikrocontroller zur Umsetzung der gemäß Schritt b) berechneten sequenziellen Abfolge unter Heranziehung der gemäß Schritt c) errechneten Einschaltzeitdauern und gegebenenfalls Betriebspausenzeitdauer.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Lichtfarbe und die Helligkeit des durch das Beleuchtungssystems abgestrahlten Lichtes zu variieren, ohne dabei unerwünschte Übergangsüberlagerungen zu verursachen, oder Schwebungen der Lichtabstrahlung unterschiedlicher Beleuchtungssystemen in Kauf zu nehmen. Zudem kann der Mikrokontroller besonders einfach ausgestaltet werden, da immer nur eine Lichtquelle zur gleichen Zeit aktiv ist.
  • Anders ausgedrückt, können alternativ zur üblichen Ansteuerung über drei PWM Signale (für ein RGB-System) mit fester Frequenz zeitliche aneinander gereihte Zeitspannen von beispielsweise rotem, grünem, blauem (auch weitere Farben möglich) und keinem Licht in beliebiger sequenzieller Reihenfolge und mit fast beliebigen Zeitspannen ausgegeben werden.
  • Die Summe aller Zeitspannen kann dabei vorzugsweise auch im gedimmten Zustand kleiner 10ms sein, um über der Flimmerverschmelzungsfrequenz zu bleiben. Genau einzuhalten ist jeweils nur das Verhältnis der Zeitspannen zueinander. Auf diese Weise lassen sich mit derselben Hardware wesentlich genauere Auflösungen und somit Farbeinstellungen erreichen.
  • Da zudem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Zustände eintreten, in denen zwei Farben gleichzeitig eingeschaltet werden, ist die Auslegung des Netzteils auf eine höhere Spitzenlast nicht notwendig. Vorzugsweise kann die "Licht Aus" Zeitspanne auch in mehrere Zeitspannen aufgeteilt und zwischen den Zeitspannen der einzelnen Farben eingefügt werden. Da diese Methode zudem mit nur einem Zähler auskommt, können günstige Mikrokontroller zum Einsatz kommen. Alternativ zu farbigen Lichtquellen können auch weiße Lichtquellen oder weiße Lichtquellen, insbesondere LEDs, mit mit verschiedenen Farbtemperaturen angesteuert werden.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Mikrocontroller zur Ansteuerung der zumindest zwei Lichtquellen lediglich einen einzigen Komparator und/oder einen einzigen Timer heranzieht.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass bei der Berechnung der sequenziellen Abfolge gemäß Schritt b) im Falle der Aktivierung zumindest zweier Lichtquellen innerhalb des Taktintervalls derjenigen Lichtquelle, die während des Taktintervalls am kürzesten aktiv ist, die Referenzzeitdauer zugeordnet wird, wobei die Einschaltzeitdauern der verbleibenden Lichtquellen durch Multiplikation der Referenzeinschaltzeitdauer mit einem individuellen Faktor größer 1 festgelegt wird, wobei jeder Faktor entsprechend dem Verhältnis der errechneten Einschaltzeitdauerverhältnisse gewichtet ist. Die kürzeste Einschaltzeitdauer wird sozusagen auf den Wert "1" normiert und die verbleibenden Einschaltzeitdauern werden dadurch mit einem Faktor größergleich 1 versehen, wobei die tatsächlichen Zeitdauern durch Multiplikation des jeweiligen Faktors mit der Referenzzeitdauer errechnet werden.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Mikrocontroller eine Mindesteinschaltzeitdauer aufweist, die einer niedrigsten Zeitdauer entspricht, die zwischen einem Ein- und einem unmittelbaren darauffolgenden Ausschaltvorgang liegen kann, wobei für die Referenzzeitdauer folgendes gilt: tref ≥ tmin. Diese Mindesteinschaltzeitdauer ist durch technische Limitierungen des Mikrokontrollers vorgegeben und kann dem technischen Datenblatt des jeweils eingesetzten Mikrokontrollers entnommen oder daraus abgeleitet werden.
  • Um Schwebungen zu verhindern, kann vorgesehen dass die Referenzzeitdauer in Abhängigkeit von einer Zufallsgröße bestimmt wird bzw. auf einen zufällig gewählten neuen Wert gesetzt wird und die anderen Zeitspannen sich im Verhältnis anpassen. Dadurch lassen sich nicht nur Schwebungen der Leuchtmittel untereinander verhindern, sondern auch ein fehlerfreies Dimmen bis in den Bereich 0,1% durch Erhöhung der "Licht Aus" Zeitspanne und einer kontinuierlichen Frequenzänderung erreichen. Der Zufallswert kann beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Rauschgenerators ermittelt werden.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass die Referenzzeitdauer dergestalt gewählt ist, dass die resultierende Taktzeitdauer tT maximal 10ms beträgt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das menschliche Auge die einzelnen Einschaltzeitdauern und Betriebspausenzeitdauern für sich genommen nicht wahrnimmt, sondern lediglich das zeitliche Mittel der Abfolge dieser Zeitdauern erfasst. Auf diese Weise bleibt die Taktfrequenz oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Beleuchtungssystem zur optischen Übertragung von Informationen angesteuert wird, indem unter Berücksichtigung eines zu übertragenden Informationssignals die in Schritt b) zu berechnende sequentielle Abfolge manipuliert wird, wobei das Informationssignal durch gezielte Auswahl der zeitlichen Abfolge der gemäß Schritt c) resultierenden Einschaltzeitdauern und gegebenenfalls Betriebspausenzeitdauern in die durch das Beleuchtungssystem abgestrahlte Lichtverteilung kodiert wird.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass ein optischer Sensor zur Erfassung eines Informationssignals vorgesehen ist, indem der Sensor zur Erfassung der durch ein Beleuchtungssystem abgestrahlten kodierten Lichtverteilung eingerichtet ist. Die Kodierung kann beispielsweise durch gezielte Festlegung der Reihenfolge der Abstrahlung durch die einzelnen Lichtquellen sowie durch gezielte Anordnung von Pausen innerhalb eines Taktzyklus implementiert sein. Auf diese Weise können die Freiheitsgrade, die durch das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren bei der Abstrahlung der Lichtverteilung gegeben werden, gezielt genutzt werden, ohne die abgestrahlte Lichtverteilung im Mittelwert zu beeinflussen und ohne dass sich die Kodierung auf für das menschliche Auge sichtbare Art und Weise auf die Lichtverteilung auswirkt.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Beleuchtungssystem zumindest drei Lichtquellen, nämlich eine Lichtquelle zur Abstrahlung von rotem Licht, eine Lichtquelle zur Abstrahlung von grünem Licht, und eine Lichtquelle zur Abstrahlung von blauem Licht, aufweist. Durch Überlagerung der Abstrahlung dieser Lichtquellen kann auf einfache Weise die abgestrahlte Lichtfarbe bis hin zur Abstrahlung von weißem Licht manipuliert werden.
  • Weiters betrifft die Erfindung eine Beleuchtungssteuerungseinheit, umfassend ein Speichermedium, auf dem eine Programmlogik zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist, und einen mit dem Speichermedium in Verbindung stehenden Mikrokontroller, der dazu eingerichtet ist, das Inputsignal zu empfangen, und die abzustrahlende Lichtfarbe und/oder Beleuchtungsintensität des Beleuchtungssystems unter Heranziehung der Programmlogik entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugeben.
  • Zudem betrifft die Erfindung ein Beleuchtungsmodul, umfassend ein Beleuchtungssystems und eine erfindungsgemäße Beleuchtungssteuerungseinheit zur Ansteuerung des Beleuchtungssystems, wobei das Beleuchtungssystem zumindest zwei Lichtquellen unterschiedlicher Lichtfarbe umfasst.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die zumindest zwei Lichtquellen LED-Lichtquellen sind.
  • Weiters betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsanordnung, umfassend eine Anzahl an einzeln ansteuerbaren erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodulen. Diese Beleuchtungsmodule können insbesondere dazu eingerichtet sein, miteinander zu kommunizieren. Zudem können durch die bereits erwähnten Merkmale Schwebungen und unerwünschte Überlagerungen zwischen den durch die Beleuchtungsmodule abgestrahlten Lichtverteilungen vermieden werden.
  • Die Erfindung ist im Folgenden anhand beispielhafter und nicht einschränkender Ausführungsformen näher erläutert, die in den Figuren veranschaulicht sind. Darin zeigt
    • Figur 1 eine schematische Darstellung der Steuerung eines Beleuchtungssystems gemäß dem Stand der Technik,
    • Figur 2 einen dimmregelungsbedingten Übergang hin zu einer reduzierten Arbeitsfrequenz und eine daraus resultierende kurzfristige erkennbare Veränderung der Intensität der der Lichtverteilung gemäß der Steuerung nach Fig. 1,
    • Figur 3 eine schematische Darstellung der Steuerung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • Figur 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie von zugehörigen Komponenten, und
    • Figur 5 eine beispielhafte Darstellung der Arbeitsweise der Erfindung in Form eines Ablaufdiagrammes.
  • In den folgenden Figuren bezeichnen - sofern nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
  • Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt wurde, zeigen Figuren 1 und 2 den bekannten Stand der Technik, bei dem mittels einer PWM-Modulation die einzelnen Lichtquellen separat angesteuert werden, wobei im Falle eines Dimmvorganges es erforderlich ist, die Taktrate der Lichtsteuerung stark zu reduzieren und dabei die eingangs genannten Übergangsprobleme bei Änderung der Taktraten auftreten können. Die horizontalen Achsen sind in den Figuren 1 und 2 die Zeitachsen. In vertikaler Richtung sind in den beiden Figuren zwei Abbildungen überlagert - nämlich oberhalb der den Einzelzeitdauern zugeordnete Zählvorgang, innerhalb der ein Timer einen vorgegebenen Wert erreicht und mittels eines Komparators das Erreichen dieses Wertes festgestellt wird, und unterhalb die tatsächliche Abstrahlung von Licht durch jeweils eine Lichtquelle, wobei die Lichtquellen R, G und B die Lichtfarben Rot, Grün bzw. Blau bezeichnen. Die schraffierten Flächen bezeichnen dabei den Einschaltzustand der Lichtquellen.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Steuerung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Anders als im Stand der Technik, ist erfindungsgemäß immer nur maximal eine der Lichtquellen 2 (siehe Fig. 4) aktiv, die vorliegend als R, G und B bezeichnet sind. Genauer gesagt, ist darin in Zusammenschau mit Figur 4 ein Verfahren zur frequenzvariablen Steuerung der Lichtfarbe und/oder des Lichtstromes eines Beleuchtungssystems 1 dargestellt, wobei das Beleuchtungssystem 1 zumindest zwei Lichtquellen 2 unterschiedlicher Lichtfarbe umfasst, wobei zur Ansteuerung der zumindest zwei Lichtquellen 2 ein Mikrokontroller 3 vorgesehen ist, umfassend die folgenden Schritte:
    1. a) Empfang eines eine die abzustrahlende Lichtfarbe und/oder den abzustrahlenden Lichtstrom des Beleuchtungssystems 1 vorgebenden Inputsignals Sin,
    2. b) Berechnen eines Taktzyklus T umfassend eine sequenzielle Abfolge Seq von Einschaltzeitdauerverhältnissen VR, VB, VG der zumindest zwei Lichtquellen 2, und gegebenenfalls eines zusätzlichen durch Ausschaltung sämtlicher Lichtquellen gekennzeichneten Betriebspausenzeitverhältnisses P, in Abhängigkeit von dem Inputsignal Sin, wobei die sequenzielle Abfolge dergestalt bestimmt wird, dass zu jedem Zeitpunkt immer nur maximal eine der zumindest zwei Lichtquellen 2 aktiv ist,
    3. c) Berechnen von Einschaltzeitdauern teR, teB, teG und gegebenenfalls einer Betriebspausenzeitdauer tp, indem die in Schritt b errechneten Einschaltzeitdauerverhältnisse VR, VB, VG und gegebenenfalls das Betriebspausenzeitdauerverhältnis P mit einer variablen Referenzzeitdauer tref multipliziert werden, und Berechnen einer variablen Taktzeitdauer tT durch Summation der innerhalb eines Taktzyklus vorgesehenen Einschaltzeitdauern teR, teB, teG und gegebenenfalls der Betriebspausenzeitdauer tP, wobei sämtliche Zeitdauerverhältnisse VR, VB, VG, P und damit die daraus berechneten Zeitdauern teR, teB, teG, tP dergestalt gewählt sind, dass innerhalb der variablen Taktzeitdauer tT im zeitlichen Mittel die gemäß dem Inputsignal Sin vorgegebene Lichtfarbe und/oder der Lichtstrom abgestrahlt wird,
    4. d) Steuerung der Ein- und Ausschaltvorgänge der zumindest zwei Lichtquellen 2 mittels dem Mikrocontroller 3 zur Umsetzung der gemäß Schritt b berechneten sequenziellen Abfolge Seq unter Heranziehung der gemäß Schritt c errechneten Einschaltzeitdauern teR, teB, teG und gegebenenfalls Betriebspausenzeitdauer tP.
  • In dem Beispiel gemäß Figur 3 ist erkennbar, dass innerhalb der ersten Taktzeitdauer TT1 die Farbe Grün doppelt so lange abgestrahlt wird wie die Farbe Rot und die Farbe Blau dreimal so lange abgestrahlt wird, wie die Farbe Rot. Die Farbe Rot hat damit die kürzeste Einschaltzeitdauer. Wird die Abstrahlzeitdauer für die Farbe Rot auf den Wert "1" normiert, so beträgt der Wert für die Zeitdauer der Farbe Grün daher "2" und für die Farbe Blau folglich "3". Die Pause erhält den Wert "2". Die Zeitdauerverhältnisse lauten daher wie folgt: VR= 1, VG= 2, VB= 3, P= 2. Werden diese Verhältnisse nun mit der Referenzzeitdauer tref beispielsweise in Höhe von 1 µs multipliziert, ergeben sich die folgenden Zeitdauern: teR = 1 µs, teG = 2 µs, teB = 3 µs, tP = 2 µs. Daraus ergibt sich eine Taktzeitdauer TT1 = 8 µs. Die Verhältnisse selbst können aus dem Eingangssignal Sin unter Berücksichtigung der Leistung der Lichtquellen abgeleitet werden. Unter der Annahme, dass die Lichtquellen R, G und B allesamt während der Einschaltzeitdauer mit gleicher Leistung Licht abstrahlen, würde dies bedeuten, dass die Lichtanteile von R, G und B im zeitlichen Mittel einfach den zeitlichen Verhältnissen zueinander entsprechen.
  • Soll nun - ähnlich wie in Figur 2 im Stand der Technik - in einer darauffolgenden Taktperiode der Anteil des roten Lichtes R reduziert werden, so kann dies auf einfache Weise erfolgen, wie anhand der zweiten Taktperiode TT2 der Figur 3 dargestellt ist. Ausgehend von der ersten Taktperiode TT1 kann ein Dimmen des roten Lichtanteils erfolgen, indem einfach die grüne und blaue Einschaltzeitdauer erhöht wird. Zudem kann auch die Pausenzeitdauer erhöht werden, damit die Abstrahlung des grünen und blauen Lichts im zeitlichen Mittel unverändert bleibt. D.h. die Einschaltzeitdauer für das rote Licht kann unverändert VR= 1 bleiben, und die verbleibenden Zeitdauern können beispielsweise um 10% erhöht werden, wodurch folgt: VG= 2,2, VB= 3,3, P= 2,2 und teR = 1 µs, teG = 2,2 µs, teB = 3,3 µs, tP = 2,2 µs sowie TT2 = 8,7 µs. Auf diese Weise kann eine äußerst robuste und fein dosierbare Helligkeits- und Farbreglung vorgenommen werden. Diese zeitliche Verlängerung der Einschaltzeitdauern innerhalb der zweiten Taktzeitdauer TT2 ist in Figur 3 durch Vergleich mit den Hilfslinien L1, L2 und L3 deutlich erkennbar.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass bei der Berechnung der sequenziellen Abfolge Seq gemäß Schritt b) im Falle der Aktivierung zumindest zweier Lichtquellen 2 innerhalb des Taktintervalls derjenigen Lichtquelle 2, die während des Taktintervalls am kürzesten aktiv ist, die Referenzzeitdauer tref zugeordnet wird, wobei die Einschaltzeitdauern der verbleibenden Lichtquellen durch Multiplikation der Referenzeinschaltzeitdauer tref mit einem individuellen Faktor größer 1 festgelegt wird, wobei jeder Faktor entsprechend dem Verhältnis der errechneten Einschaltzeitdauerverhältnisse VR, VB, VG gewichtet ist.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass Beleuchtungssystem 1 zur optischen Übertragung von Informationen angesteuert wird, indem unter Berücksichtigung eines zu übertragenden Informationssignals SI die in Schritt b) zu berechnende sequentielle Abfolge Seq manipuliert wird, wobei das Informationssignal SI durch gezielte Auswahl der zeitlichen Abfolge der gemäß Schritt c) resultierenden Einschaltzeitdauern teR, teB, teG und gegebenenfalls Betriebspausenzeitdauern tP in die durch das Beleuchtungssystem 1 abgestrahlte Lichtverteilung kodiert wird.
  • Figur 5 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Arbeitsweise der Erfindung in Form eines Ablaufdiagrammes. Nachfolgend wird die Erfindung in ganz allgemein mit anderen Worten mit Blick auf das Diagramm gemäß Figur 5 beschrieben:
    Die Erfindung betrifft eine Methode bzw. ein Verfahren zur Ansteuerung von mehrfärbigen LEDs mit 2 bis n Farben oder Farbtemperaturen, wobei die Helligkeit wie eine zusätzliche Farbe betrachtet werden kann. Sie betrifft eine optimierte Farbansteuerung, um maximale Auflösung von Helligkeit und Farbe bei optimaler Lichtverschmelzungsfrequenz und bestmöglicher zeitlicher Lastverteilung für die benötigte Stromversorgung zu erreichen. Mit der Bedingung zu keinem Zeitpunkt eine Überlappung der einzelnen Ausgangsströme der FarbLEDs zuzulassen wird garantiert, dass aus dem Netzteil zu keinem Zeitpunkt höhere Ströme als der Nennstrom gezogen werden. Die Ansteuerung erfolgt durch sequentielle Ausgabe der Kanäle z.B.: der drei Farben R, G, B und H (Helligkeit). Im ersten Block wird ermittelt welche Kanäle am gewünschten Mischverhältnis beteiligt sind und welcher dieser Kanäle den geringsten Anteil daran hat. Im zweiten Block wird dem kleinsten Anteil die optimale Impulsausgabezeit zugewiesen (vorzugshalber im Bereich 1-10us). Davon ausgehend werden die notwendigen Ausgabezeiten der anderen Kanäle berechnet. Im dritten Block wird der Kanal mit der längsten Ausgabezeit ermittelt. Ist diese größer als die maximale Ausgabezeit (vorzugshalber 0.5-1ms), wird dieser in zwei Teile aufgeteilt und mit den anderen Kanälen verschachtelt.
  • Dieser Vorgang wird solange wiederholt bis alle Ausgabezeiten der Kanäle diese Anforderung (< optimaler Lichtverschmelzungsfrequenz) erfüllen oder die geteilten Ausgabezeiten die Mindestimpulsdauer erreichen.
  • Um Schwebungen zwischen den Leuchtmitteln zu vermeiden, können im vierten Block zufällig gewählte Zeiten addiert werden. Abschließend kann in Block 5 als Optimierung eine Reduktion der auftretenden Ausgangsfrequenzen zur Verringerung der Schaltverluste erfolgen.
  • Mit dieser Methode können alle vorhandenen Freiheitsgrade optimal ausgenutzt werden um bestmöglichen Lichtverhältnisse für das menschliche Auge zu erreichen. Da verschiedene Ausgabemustern zu denselben Lichtverhältnissen führen, kann optional vorgesehen sein, dass durch die sequentielle Ausgabe verschiedener Ausgabemuster Informationen übermittelt werden ohne die Lichtverhältnisse zu stören.
  • In Anbetracht dieser Lehre ist der Fachmann in der Lage, ohne erfinderisches Zutun zu anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen. Die Erfindung ist daher nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Auch können einzelne Aspekte der Erfindung bzw. der Ausführungsformen aufgegriffen und miteinander kombiniert werden. Etwaige Bezugszeichen in den Ansprüchen sind beispielhaft und dienen nur der einfacheren Lesbarkeit der Ansprüche, ohne diese einzuschränken.

Claims (13)

  1. Verfahren zur frequenzvariablen Steuerung der Lichtfarbe und/ oder des Lichtstromes eines Beleuchtungssystems (1), wobei das Beleuchtungssystem (1) zumindest zwei Lichtquellen (2) unterschiedlicher Lichtfarbe umfasst, wobei zur Ansteuerung der zumindest zwei Lichtquellen (2) ein Mikrokontroller (3) vorgesehen ist, umfassend die folgenden Schritte:
    a) Empfang eines die abzustrahlende Lichtfarbe und/oder den abzustrahlenden Lichtstrom des Beleuchtungssystems (1) vorgebenden Inputsignals (Sin),
    b) Berechnen eines Taktzyklus (T) umfassend eine sequenzielle Abfolge (Seq) von Zeitdauerverhältnissen umfassend Einschaltzeitdauerverhältnisse (VR, VB, VG) der zumindest zwei Lichtquellen (2) zu einander, und gegebenenfalls eines zusätzlichen durch Ausschaltung sämtlicher Lichtquellen gekennzeichneten Betriebspausenzeitverhältnisses (P), in Abhängigkeit von dem Inputsignal (Sin), wobei die sequenzielle Abfolge dergestalt bestimmt wird, dass zu jedem Zeitpunkt immer nur maximal eine der zumindest zwei Lichtquellen (2) aktiv ist,
    c) Berechnen von jeweils einer Einschaltzeitdauer (teR, teB, teG) der jeweiligen Lichtquelle der zumindest zwei Lichtquellen und gegebenenfalls einer Betriebspausenzeitdauer (tP), indem die in Schritt b) errechneten Einschaltzeitdauerverhältnisse (VR, VB, VG) und gegebenenfalls das Betriebspausenzeitdauerverhältnis (P) jeweils einer variablen Referenzzeitdauer (tref) multipliziert werden, und Berechnen einer variablen Taktzeitdauer (tT) durch Summation der innerhalb des Taktzyklus (T) berechneten Einschaltzeitdauern (teR, teB, teG) und gegebenenfalls der Betriebspausenzeitdauer (tP), wobei sämtliche Zeitdauerverhältnisse (VR, VB, VG, P) und damit die daraus berechneten jeweiligen Zeitdauern (teR, teB, teG und der gegebenenfalls berechneten Betriebspausenzeitdauer (tp) dergestalt gewählt sind, dass innerhalb der variablen Taktzeitdauer (tT) im zeitlichen Mittel die gemäß dem Inputsignal (Sin) vorgegebene Lichtfarbe und/oder der Lichtstrom abgestrahlt wird,
    d) Steuerung der Ein- und Ausschaltvorgänge der zumindest zwei Lichtquellen (2) mittels dem Mikrocontroller (3) zur Umsetzung der gemäß Schritt b) berechneten sequenziellen Abfolge (Seq) unter Heranziehung der gemäß Schritt c) errechneten jeweiligen Einschaltzeitdauern (teR, teB, teG) und der gegebenenfalls errechneten Betriebspausenzeitdauer (tP).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Mikrocontroller (3) zur Ansteuerung der zumindest zwei Lichtquellen (2) lediglich einen einzigen Komparator und einen einzigen Timer aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Berechnung der sequenziellen Abfolge (Seq) gemäß Schritt b) im Falle der Aktivierung zumindest zweier Lichtquellen (2) innerhalb des Taktzyklus derjenigen Lichtquelle (2), die während des Taktzyklus am kürzesten aktiv ist, die Referenzzeitdauer (tref) zugeordnet wird, wobei die jeweilige Einschaltzeitdauer der verbleibenden Lichtquellen durch Multiplikation der Referenzeinschaltzeitdauer (tref) mit einem individuellen Faktor größer 1 festgelegt wird, wobei jeder individuelle Faktor entsprechend dem Verhältnis der errechneten Einschaltzeitdauerverhältnisse (VR, VB, VG) gewichtet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Mikrocontroller eine Mindesteinschaltzeitdauer, tmin, aufweist, die einer niedrigsten Zeitdauer entspricht, die zwischen einem Ein- und einem unmittelbaren darauffolgenden Ausschaltvorgang liegen kann, wobei für die Referenzzeitdauer, tref, folgendes gilt: tref ≥ tmin.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Referenzzeitdauer (tref) in Abhängigkeit von einer Zufallsgröße bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Referenzzeitdauer (tref) dergestalt gewählt ist, dass die resultierende variable Taktzeitdauer (tT) maximal 10ms beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beleuchtungssystem (1) zur optischen Übertragung von Informationen angesteuert wird, indem unter Berücksichtigung eines zu übertragenden Informationssignals (SI) die in Schritt b) zu berechnende sequentielle Abfolge (Seq) manipuliert wird, wobei das Informationssignal (Si) durch gezielte Auswahl der zeitlichen Abfolge der gemäß Schritt c) resultierenden Einschaltzeitdauern (teR, teB, teG) und gegebenenfalls Betriebspausenzeitdauern (tP) in die durch das Beleuchtungssystem (1) abgestrahlte Lichtverteilung kodiert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein optischer Sensor (4) zur Erfassung eines Informationssignals vorgesehen ist, indem der Sensor (4) zur Erfassung der durch ein Beleuchtungssystem (1) abgestrahlten kodierten Lichtverteilung eingerichtet ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beleuchtungssystem (1) zumindest drei Lichtquellen (2), nämlich eine Lichtquelle zur Abstrahlung von rotem Licht, eine Lichtquelle zur Abstrahlung von grünem Licht, und eine Lichtquelle zur Abstrahlung von blauem Licht, aufweist.
  10. Beleuchtungssteuerungseinheit, umfassend ein Speichermedium, auf dem eine Programmlogik zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche gespeichert ist, und einen mit dem Speichermedium in Verbindung stehenden Mikrokontroller (3), der dazu eingerichtet ist, das Inputsignal (Sin) zu empfangen, und die abzustrahlende Lichtfarbe und/oder Beleuchtungsintensität des Beleuchtungssystems (1) unter Heranziehung der Programmlogik entsprechend dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorzugeben.
  11. Beleuchtungsmodul, umfassend ein Beleuchtungssystems (1) und eine Beleuchtungssteuerungseinheit (1) nach Anspruch 10 zur Ansteuerung des Beleuchtungssystems (1), wobei das Beleuchtungssystem (1) zumindest zwei Lichtquellen (2) unterschiedlicher Lichtfarbe umfasst.
  12. Beleuchtungsmodul nach Anspruch 11, wobei die zumindest zwei Lichtquellen (2) LED-Lichtquellen sind.
  13. Beleuchtungsanordnung, umfassend eine Anzahl an einzeln ansteuerbaren Beleuchtungsmodulen nach Anspruch 11 oder 12.
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