Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
1. Erfindungsgebiet1. Field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein LED basierte Beleuchtungs-Einheiten und insbesondere Verfahren und Vorrichtung zum Antrieb einer Vielzahl von LED basierten Beleuchtungseinheiten, die entweder in Reihe oder parallel geschaltet sind.The present invention relates generally to LED based lighting units, and more particularly to methods and apparatus for driving a plurality of LED based lighting units connected in series or in parallel.
2. Beschreibung des Standes der Technik2. Description of the Related Art
Licht emittierende Dioden (LEDs) sind Lichtquellen auf Halbleiterbasis, die oft in niederenergetischen Geräten und Anwendungsfällen für Anzeigezwecke Verwendung finden. Die Anwendung von LEDs in verschiedenartigen Beleuchtungseinheiten ist immer gebräuchlicher geworden. So haben beispielsweise LEDs starker Helligkeit weit verbreitet für Verkehrsleuchten, Fahrzeugleuchten und Bremsleuchten Verwendung gefunden.Light-emitting diodes (LEDs) are semiconductor-based light sources that are often used in low-energy devices and in applications for display purposes. The use of LEDs in various lighting units has become more and more common. For example, LEDs of high brightness have been widely used for traffic lights, vehicle lights and brake lights.
Eine LED hat eine I-V(Stromspannung)-Kennzeichnungskurve, die ähnlich einer gewöhnlichen Diode ist. Sobald die Spannung, die an der LED anliegt, kleiner ist als eine Durchlaßspannung, fließt durch die LED nur ein sehr kleiner Strom. Wenn die Spannung die Durchlaßspannung übersteigt, nimmt der Strom rapide zu. Die Ausgangs-Lichtintensität eines LED-Lichts ist annähernd dem LED-Strom proportional, und zwar für die meisten Betriebswerte des LED-Stroms, ausgenommen für den Starkstromwert. Eine typische Antriebs-Vorrichtung für ein LED-Licht ist so gebaut, dass sie einen konstanten Strom zur Stabilisierung des von der LED ausgehenden Lichts und eine Verlängerung der Lebensdauer der LED liefert.An LED has an I-V (Voltage) characteristic curve, which is similar to a common diode. As soon as the voltage applied to the LED is less than a forward voltage, only a very small current flows through the LED. When the voltage exceeds the on-state voltage, the current increases rapidly. The output light intensity of an LED light is approximately proportional to the LED current for most of the operating current of the LED current, except for the high current value. A typical LED light driving device is designed to provide a constant current for stabilizing the light emanating from the LED and extending the life of the LED.
Um die Helligkeit eines LED-Lichts zu erhöhen, werden gewöhnlich eine Anzahl LEDs in Reihe geschaltet, um dadurch eine LED-basierte Beleuchtungseinheit zu schaffen, und eine Anzahl LED-basierter Beleuchtungseinheiten kann darüber hinaus in Reihe geschaltet werden, um ein Beleuchtungsgerät zu bilden. So beschreibt beispielsweise das US-Patent 6 777 891 mehrere LED-basierte Beleuchtungseinheiten in Form eines Computer gesteuerten Lichtstrangs, wobei jede Beleuchtungseinheit einen einzeln steuerbaren Knoten des Lichtstrangs oder der Lichterkette bildet.In order to increase the brightness of an LED light, a number of LEDs are usually connected in series to thereby provide an LED-based lighting unit, and a plurality of LED-based lighting units may be further connected in series to form a lighting apparatus. For example, this describes U.S. Patent 6,777,891 a plurality of LED-based lighting units in the form of a computer-controlled light string, each lighting unit forming an individually controllable node of the light string or string of lights.
Die Betriebsspannung, die für jede Beleuchtungseinheit benötigt wird, ist typischerweise von der Durchlaßspannung der LEDs in jeder Beleuchtungseinheit abhängig, hängt also davon ab, wie viele LEDs für jede Beleuchtungseinheit benutzt werden und wie sie miteinander verbunden sind sowie wie die entsprechenden Beleuchtungseinheiten organisiert sind, um von einer Energiequelle Energie zu empfangen. Demzufolge ist in vielen Anwendungsfällen eine gewisse Art von Spannungswandler-Vorrichtung erforderlich, um eine im allgemeinen niedrige Betriebsspannung für eine oder mehrere LED-basierte Beleuchtungseinheiten von gewöhnlicherweise zur Verfügung stehenden höheren Stromzufuhrspannungen zu erhalten. Die Notwendigkeit einer Spannungswandler-Vorrichtung verringert den Wirkungsgrad, führt zu höheren Kosten und macht es auch schwieriger, eine LED-basierte Beleuchtungs-Vorrichtung zu miniaturisieren.The operating voltage needed for each lighting unit is typically dependent on the forward voltage of the LEDs in each lighting unit, thus depending on how many LEDs are used for each lighting unit and how they are interconnected and how the corresponding lighting units are organized from an energy source to receive energy. Accordingly, in many applications, some type of voltage converting device is required to obtain a generally low operating voltage for one or more LED-based lighting units of commonly available higher power supply voltages. The need for a voltage converting device reduces the efficiency, leads to higher costs and also makes it more difficult to miniaturize an LED-based lighting device.
Das US-Patent Nr. 7 781 979 schlägt eine Vorrichtung zur Steuerung von in Reihe geschalteten LEDs vor. Zwei oder mehr LEDs sind in Reihe geschaltet. Ein Reihenstrom durchfließt die LEDs, sobald eine Betriebsspannung angelegt wird. Eine oder mehrere steuerbare Strompfade sind mit wenigstens einer LED parallel geschaltet, um den Reihenstrom an der LED teilweise abzulenken. Die Vorrichtung ermöglicht die Benutzung von Betriebsspannungen, beispielsweise 120 V Wechselstrom oder 240 V Wechselstrom, ohne dass eine Spannungswandler-Vorrichtung erforderlich ist.The U.S. Patent No. 7,781,979 proposes a device for controlling serially connected LEDs. Two or more LEDs are connected in series. A series current flows through the LEDs as soon as an operating voltage is applied. One or more controllable current paths are connected in parallel with at least one LED in order to partially divert the series current at the LED. The device allows the use of operating voltages, such as 120 V AC or 240 V AC, without the need for a voltage converter device.
Da mehr und mehr LED basierte Beleuchtungseinheiten in Beleuchtungs-Anordnungen, die eine große Helligkeit besitzen, benutzt werden, besteht ein starkes Bedürfnis nach Konstruktionsverfahren und Vorrichtungen, die LED basierte Beleuchtungseinheiten intelligent und wirksam antreiben sowie verbinden können, um den Gebrauch der LEDs zu fördern und stabile und große Helligkeit durch Verwendung der bereits zur Verfügung stehenden Wechselstromquelle von einer Energie liefernden Wandeinheit zu schaffen. Dazu kommt, dass es auch höchst erwünscht ist, viele unterschiedliche Beleuchtungsmodi für die miteinander verbundenen LED basierten Beleuchtungseinheiten zu schaffen, so dass die Helligkeit gemäß unterschiedlicher Beleuchtungserfordernisse oder Schwankung der Spannungshöhe der Wechselstromquelle in geeigneter Weise gesteuert werden kann.As more and more LED based lighting units are used in lighting assemblies having high brightness, there is a strong need for design methods and apparatus that can intelligently and effectively drive and connect LED based lighting units to promote the use of the LEDs and to provide stable and high brightness by using the already available AC power source from an energy supplying wall unit. In addition, it is also highly desirable to provide many different lighting modes for the interconnected LED based lighting units, so that the brightness can be suitably controlled according to different lighting requirements or variation of the voltage level of the AC power source.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben erwähnten Erfordernisse bei der Anwendung von LED basierten Beleuchtungseinheiten zu erfüllen. Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu entwickeln, die flexibel eine Vielzahl LED basierter Beleuchtungseinheiten in der Weise verbinden kann, dass jede der LED basierten Beleuchtungseinheiten mit ihrer benachbarten LED basierten Beleuchtungseinheit in Reihe oder parallel bzw. im Bypass geschaltet werden kann.The present invention has been made to meet the above-mentioned requirements in the application of LED based lighting units. A main object of the present invention is to develop a device that can flexibly connect a plurality of LED-based lighting units in such a way that each of the LED-based lighting units can be connected in series or in parallel or in bypass with its neighboring LED-based lighting unit.
Demzufolge weist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl LED basierte Beleuchtungseinheiten auf, die mit einer Vielzahl von Schalteinheiten verbunden sind, welche durch eine Steuerung gesteuert werden. Jede Schalteinheit ist an eine vordere LED basierte Beleuchtungseinheit und eine hintere LED basierte Beleuchtungseinheit angeschlossen. Die Schalteinheit kann so gebaut sein, dass sie die beiden LED basierten Beleuchtungseinheiten parallel oder in Reihe schaltet oder die vordere also führende LED basierte Beleuchtungseinheit im Bypass umgeht. Die Eingangsspannungszufuhr ist an die erste LED basierte Beleuchtungseinheit angeschlossen, um die Vorrichtung mit Strom zu versorgen, und eine Stromsteuer-Vorrichtung verbindet die letzte LED basierte Beleuchtungseinheit mit der Erde.Accordingly, the apparatus of the present invention has a plurality of LED based lighting units connected to a plurality of switching units which are controlled by a controller. Each switching unit is connected to a front LED based lighting unit and a rear LED based lighting unit. The switch unit can be designed to switch the two LED-based lighting units in parallel or in series, or to bypass the front LED-based lighting unit in the bypass. The input voltage supply is connected to the first LED based lighting unit to power the device, and a power control device connects the last LED based lighting unit to ground.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jede Schalteinheit einen ersten parallelen Anschlußschalter auf, um zwei entsprechende positive Anschlußklemmen der vorderen und der hinteren LED basierten Beleuchtungseinheiten zu verbinden, und einen zweiten parallelen Anschlußschalter zur Verbindung von zwei entsprechenden negativen Anschlußklemmen der vorderen und hinteren LED basierten Beleuchtungseinheiten. Dazu kommt, dass jede Schalteinheit des weiteren einen Reihenanschlußschalter zur Verbindung der negativen Anschlußklemme der vorderen Beleuchtungseinheit mit der positiven Anschlußklemme der hinteren Beleuchtungseinheit aufweist.In a preferred embodiment of the present invention, each switching unit has a first parallel port switch to connect two corresponding positive terminals of the front and rear LED based lighting units, and a second parallel port switch for connecting two corresponding negative terminals of the front and rear LED based lighting units. In addition, each switching unit further includes a series terminal switch for connecting the negative terminal of the front lighting unit to the positive terminal of the rear lighting unit.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, eine Vorrichtung zur Steuerung des Anschlusses der zahlreichen LED basierten Beleuchtungseinheiten gemäß der Spannungshöhe der Eingangszufuhrspannung oder der Spannungshöhe über der Stromsteuer-Vorrichtung oder den Spannungshöhen von den genannten beiden zu schaffen. Bei den bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Stromsteuer-Vorrichtung ein stromempfindlicher Widerstand oder eine variable Stromquelle sein.Another object of the present invention is to provide an apparatus for controlling the connection of the plurality of LED based lighting units in accordance with the voltage level of the input supply voltage or the voltage level across the current control device or the voltage levels of the aforementioned two. In the preferred embodiment of the present invention, the current control device may be a current sensitive resistor or a variable current source.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle LED basierten Beleuchtungseinheiten in Reihe geschaltet, sobald die Eingangsspannungsquelle sich auf einem Maximum der Spannungshöhe befindet, und es sind alle zahlreichen LED basierten Beleuchtungseinheiten parallel geschaltet, wenn sich die Eingangsspannungsquelle auf einer minimalen Spannungshöhe befindet. Wenn die Spannungshöhe der Eingangsspannungsquelle abnimmt, steigt die Anzahl der LED basierten Beleuchtungseinheiten, die parallel geschaltet sind, an, und umgekehrt.According to a preferred embodiment of the invention, all LED based lighting units are connected in series as soon as the input voltage source is at a maximum voltage level, and all the numerous LED based lighting units are connected in parallel when the input voltage source is at a minimum voltage level. As the voltage level of the input voltage source decreases, the number of LED based lighting units connected in parallel increases, and vice versa.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verschiedenartige Verfahren zum Antrieb der LED basierten Beleuchtungseinheiten zu entwickeln, um eine Vielzahl von Beleuchtungsmodi durch Reihenschaltung der LED basierten Beleuchtungseinheiten zu schaffen sowie einige der LED basierten Beleuchtungseinheiten parallel zu schließen oder einige der LED basierten Beleuchtungseinheiten zu überbrücken. Fünf Beispiele der Antriebsverfahren, von denen jedes mit einer Vielzahl von Beleuchtungsmodi auf andere Art und Weise arbeitet, sind für die Steuerung vorgesehen, um die Vielzahl von Schalteinheiten zu steuern.It is also an object of the present invention to develop various methods of driving the LED based lighting units to provide a variety of lighting modes by series connection of the LED based lighting units, as well as closing some of the LED based lighting units in parallel or bridging some of the LED based lighting units , Five examples of the driving methods, each of which operates in a different manner with a plurality of illumination modes, are provided for the controller to control the plurality of switching units.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird für die auf diesem Gebiet tätigen Fachleute durch Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen noch verständlicher, in denen sind:The present invention will become more apparent to those skilled in the art by reading the following detailed description of its preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:
1 ein Schaltblockdiagramm einer Vorrichtung zur Steuerung LED basierter Beleuchtungseinheiten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a circuit block diagram of a device for controlling LED based lighting units according to a preferred embodiment of the present invention;
2 ein beispielsweises Blockdiagramm der Steuerung in der in 1 Vorrichtung; 2 an exemplary block diagram of the controller in the in 1 Contraption;
3 ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zur Steuerung LED basierter Beleuchtungseinheiten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 3 a circuit block diagram of an apparatus for controlling LED based lighting units according to another preferred embodiment of the present invention;
4 ein beispielsweises Blockdiagramm der Steuerung bei der in 3 gezeigten Vorrichtung; 4 an exemplary block diagram of the control at the in 3 shown device;
5 ein Beispiel für das Antreiben und Anschließen der zahlreichen LED basierten Beleuchtungseinheiten der Vorrichtung, um eine Vielzahl von Beleuchtungsmodi zu schaffen, und zwar auf der Grundlage der Spannungshöhe-Variation der Eingangsspannungsquelle, gemäß der vorliegenden Erfindung; 5 an example of driving and connecting the numerous LED based lighting units of the apparatus to provide a variety of lighting modes based on the voltage level variation of the input power source according to the present invention;
6 zeigt die Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN und des entsprechenden Reihenstroms ILED, der durch die Vorrichtung in unterschiedlichen Beleuchtungsmodi von 5 fließt; 6 shows the voltage level of the input voltage V IN and the corresponding series current I LED passing through the device in different illumination modes of 5 flows;
7 zeigt ein erstes Antriebsverfahren, bei dem die Vielzahl der LED basierten Beleuchtungseinheiten gesteuert wird, so dass sie in einer vollen Reihenschaltung sind zu immer mehr parallelen Verbindungen, und zwar gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn die Eingangsspannung VIN sich verringert und umgekehrt; 7 shows a first driving method in which the plurality of LED based lighting units are controlled to be in full series connection with more and more parallel connections, according to the present invention, when the input voltage V IN decreases and vice versa;
8A zeigt eine I-V-Kennzeichnungskurve für eine typische LED; 8A shows an IV-mark curve for a typical LED;
8B zeigt eine ideale Stromquelle ohne Begrenzung in der Minimalspannung Vmin; 8B shows an ideal current source without limitation in the minimum voltage V min ;
9 zeigt ein zweites Antriebsverfahren zur Steuerung mehrerer LED basierter Beleuchtungseinheiten, um eine Vielzahl von Beleuchtungsmodi gemäß der vorliegenden Erfindung zu erreichen; 9 shows a second drive method for controlling a plurality of LED based lighting units to achieve a variety of lighting modes according to the present invention;
10 zeigt ein drittes Antriebsverfahren zur Steuerung der Vielzahl von LED basierten Beleuchtungseinheiten, um gemäß der vorliegenden Erfindung viele Beleuchtungsmodi zu erhalten; 10 shows a third drive method for controlling the plurality of LED based lighting units to obtain many lighting modes according to the present invention;
11 zeigt ein viertes Antriebsverfahren zur Steuerung der Vielzahl von LED basierten Beleuchtungseinheiten, die gemäß der vorliegenden Erfindung viele Beleuchtungsmodi zu erhalten; 11 shows a fourth drive method for controlling the plurality of LED based lighting units that according to the present invention obtain many lighting modes;
12 zeigt ein fünftes Antriebsverfahren zur Steuerung der Vielzahl von LED basierten Beleuchtungseinheiten, um gemäß der vorliegenden Erfindung eine große Zahl von Beleuchtungsmodi zu erhalten; 12 shows a fifth driving method for controlling the plurality of LED based lighting units to obtain a large number of lighting modes according to the present invention;
13 zeigt eine Übersicht des Helligkeitsvergleiches durch Vergleich der Helligkeit, die durch das vierte Antriebsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird, mit der Helligkeit, die durch das Antriebsverfahren erhalten wird, welches von Philips für 32 LED basierte Beleuchtungseinheiten erhalten wird; 13 FIG. 10 is an overview of the brightness comparison by comparing the brightness obtained by the fourth driving method according to the present invention with the brightness obtained by the driving method obtained by Philips for 32 LED based lighting units; FIG.
14 zeigt eine andere Übersicht des Helligkeitsvergleiches durch Vergleichen der Helligkeit, die durch das vierte Antriebsverfahren erhalten, mit der Helligkeit, die durch das fünfte Antriebsverfahren durch die vorliegende Erfindung mit denselben LED basierten Beleuchtungseinheiten erhalten wird; und 14 Fig. 12 shows another overview of the brightness comparison by comparing the brightness obtained by the fourth driving method with the brightness obtained by the fifth driving method by the present invention with the same LED based illuminating units; and
15 zeigt, dass jede LED basierte Beleuchtungseinheit wenigstens eine LED aufweisen kann, die in Reihe, parallel oder in ihrer Kombination erhalten wird. 15 shows that each LED based lighting unit can have at least one LED, which is obtained in series, in parallel or in their combination.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsformDetailed Description of the Preferred Embodiment
Die beigefügten Zeichnungen dienen zum weiteren Verständnis der Erfindung und bilden einen Teil der Beschreibung, in die sie eingefügt sind. Die Zeichnung zeigt Ausführungsformen der Erfindung und dient zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung.The appended drawings are for further understanding of the invention and form a part of the specification in which they are incorporated. The drawing shows embodiments of the invention and together with the description serves to explain the principles of the invention.
1 zeigt ein Schaltblockdiagramm einer Vorrichtung zur Steuerung LED basierter Beleuchtungseinheiten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist eine Vielzahl von LED basierten Beleuchtungseinheiten 101 auf, die zwischen den Knoten NA und NC geschaltet sind. Die Eingangsspannung VIN versorgt die Vielzahl der LED basierten Beleuchtungseinheiten 101 durch den Knoten NA mit Strom, und ein Stromfühler-Widerstand 103 verbindet den Knoten NC mit der Erde. Jede Beleuchtungseinheit 101 weist wenigstens eine oder mehrere LEDs auf, die in Reihe, parallel oder beides geschaltet sind, und zwar zwischen der positiven Anschlußklemme A und der negativen Anschlußklemme C der Beleuchtungseinheit. 1 FIG. 12 shows a circuit block diagram of a device for controlling LED-based lighting units according to a preferred embodiment of the present invention. The device has a plurality of LED based lighting units 101 on, which are connected between the nodes N A and N C. The input voltage V IN supplies the plurality of LED based lighting units 101 through the node N A with current, and a current sensor resistor 103 connects the node N C to the earth. Every lighting unit 101 has at least one or more LEDs connected in series, in parallel, or both, between the positive terminal A and the negative terminal C of the lighting unit.
Wie aus 1 hervorgeht, weist die Vorrichtung ferner mehrere Schalteinheiten 102 auf, die mit mehreren LED basierten Beleuchtungseinheiten verknüpft sind. Jede Schalteinheit 102 ist zwischen zwei benachbarten Beleuchtungseinheiten 101 angeordnet, um die beiden benachbarten Beleuchtungseinheiten durch ihre entsprechenden positiven und negativen Anschlußklemmen A und C zu verbinden. Jede Schalteinheit 102 weist zwei parallele Anschlußschalter 1021 zum entsprechenden Anschließen der positiven und negativen Anschlußklemmen A und C der führenden LED basierten Beleuchtungseinheit 101 an die positiven und negativen Anschlußklemmen A und C der hinteren LED basierten Beleuchtungseinheit 101 auf. Jede Schalteinheit 102 ist auch mit einem Reihenanschlußschalter 1022 zur Verbindung der negativen Anschlußklemme C der führenden LED basierten Beleuchtungseinheit 101 mit der positiven Anschlußklemme A der hinteren LED basierten Beleuchtungseinheit 101 versehen.How out 1 shows, the device further comprises a plurality of switching units 102 which are associated with multiple LED based lighting units. Each switching unit 102 is between two adjacent lighting units 101 arranged to connect the two adjacent lighting units through their respective positive and negative terminals A and C. Each switching unit 102 has two parallel connection switches 1021 for correspondingly connecting the positive and negative terminals A and C of the leading LED based lighting unit 101 to the positive and negative terminals A and C of the rear LED based lighting unit 101 on. Each switching unit 102 is also with a series connection switch 1022 for connecting the negative terminal C of the leading LED based lighting unit 101 with the positive terminal A of the rear LED based lighting unit 101 Mistake.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat die Schalteinheit 102 drei unterschiedliche Betriebsmodi. In dem ersten Betriebsmodus sind die beiden parallelen Verbindungsschalter 1021 ausgeschaltet, und der Reihenverbindungsschalter 1022 ist eingeschaltet. Infolgedessen ist die negative Anschlußklemme C der führenden LED basierten Beleuchtungseinheit 101 an die positive Anschlußklemme A der am Ende befindlichen LED basierten Beleuchtungseinheit 101 angeschlossen. Mit anderen Worten. Zwei benachbarte LED basierte Beleuchtungseinheiten sind in Reihe geschaltet, wenn die Schalteinheit 102 zwischen ihnen so gesteuert wird, dass der Betrieb in dem ersten Modus stattfindet.According to the present invention, the switching unit has 102 three different operating modes. In the first mode of operation, the two are parallel connection switches 1021 off, and the row connection switch 1022 is on. As a result, the negative terminal C is the leading LED based lighting unit 101 to the positive terminal A of the final LED based lighting unit 101 connected. In other words. Two adjacent LED based lighting units are connected in series when the switching unit 102 between them is controlled so that the operation takes place in the first mode.
In dem zweiten Betriebsmodus sind die beiden parallelen Verbindungsschalter 1021 eingeschaltet und der Reihenverbindungsschalter 1022 ist ausgeschaltet. Wie am besten aus 1 ersichtlich, sind die positive Anschlußklemme A und die negative Anschlußklemme C der führenden LED basierten Beleuchtungseinheit 101 direkt mit der positiven Anschlußklemme A und der negativen Anschlußklemme C der am Ende befindlichen LED basierten Beleuchtungseinheit 101 verbunden. Daher sind die beiden benachbarten LED basierten Beleuchtungseinheiten 101 durch die Anschlüsse der positiven und negativen Anschlußklemmen A und C parallel geschaltet, wenn die Schalteinheit 102 zwischen ihnen so gesteuert wird, dass der Betrieb in dem zweiten Modus stattfindet.In the second mode of operation, the two are parallel connection switches 1021 switched on and the row connection switch 1022 is switched off. How best 1 As can be seen, the positive terminal A and the negative terminal C are the leading LED based lighting unit 101 directly to the positive terminal A and the negative terminal C of the final LED based lighting unit 101 connected. Therefore, the two adjacent LED based lighting units 101 through the terminals of the positive and negative terminals A and C connected in parallel when the switching unit 102 between them is controlled so that the operation takes place in the second mode.
In dem dritten Betriebsmodus ist der Parallel-Verbindungsschalter 1021 in der Schalteinheit 102, der die beiden Anschlußklemmen A der führenden und der am Ende befindlichen LED basierten Beleuchtungseinheiten verbindet, eingeschaltet, und der Reihen-Verbindungsschalter 1022 ist ebenfalls eingeschaltet, um die negative Anschlußklemme C der führenden LED basierten Beleuchtungseinheit mit der positiven Anschlußklemme A der am hinteren Ende befindlichen LED basierten Beleuchtungseinheit zu verbinden. Der Parallel-Verbindungsschalter 1021, der die beiden negativen Anschlußklemmen C der führenden und der am hinteren Ende befindlichen LED basierten Beleuchtungseinheit verbindet, ist ausgeschaltet. Infolgedessen sind die Anschlußklemmen A und C der führenden LED basierten Beleuchtungseinheiten 101 alle mit der positiven Anschlußklemme A der am hinteren Ende befindlichen LED basierten Beleuchtungseinheit kurzgeschlossen und daher wird die führende LED basierte Beleuchtungseinheit in dem dritten Betriebsmodus überbrückt.In the third mode of operation is the parallel connection switch 1021 in the switching unit 102 which connects the two terminals A of the leading and the end LED based lighting units, turned on, and the series connection switch 1022 is also turned on to connect the negative terminal C of the leading LED based lighting unit to the positive terminal A of the rear end LED based lighting unit. The parallel connection switch 1021 which connects the two negative terminals C of the leading and the rear end LED based lighting unit is turned off. As a result, the terminals A and C are the leading LED based lighting units 101 all are shorted to the positive terminal A of the rear LED based lighting unit, and therefore the leading LED based lighting unit is bypassed in the third mode of operation.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jede Schalteinheit 102 in der Vorrichtung separat gesteuert. Wie in 1 gezeigt, weist die Vorrichtung des weiteren eine Steuerung 110 auf, die dazu benutzt wird, eine entsprechende Reihe Steuersignale P und S an jede Schalteinheit 102 zu senden. Die beiden Steuersignale P und S können jede Schalteinheit 102 so steuern, dass sie in einem der drei oben beschriebenen Modi arbeitet. Da jedes Paar zwei benachbarte LED basierte Beleuchtungseinheiten 101 parallel oder in Reihe geschaltet sein kann, oder die führende LED basierte Beleuchtungseinheit 101 kann durch Steuern der Schalteinheit 102 zwischen ihnen überbrückt werden, lassen sich die Mehrzahl der Beleuchtungseinheiten in der Vorrichtung in vielen unterschiedlichen Beleuchtungsmodi steuern, wobei die Steuerung 110 Verwendung findet.According to the present invention, each switching unit 102 controlled separately in the device. As in 1 As shown, the device further includes a controller 110 which is used to apply a corresponding series of control signals P and S to each switching unit 102 to send. The two control signals P and S can each switching unit 102 to operate in one of the three modes described above. Because each pair has two adjacent LED based lighting units 101 parallel or in series, or the leading LED based lighting unit 101 can by controlling the switching unit 102 be bridged between them, the plurality of lighting units in the device can be controlled in many different lighting modes, the control 110 Use finds.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist die letzte Beleuchtungseinheit mit dem einen Ende des stromempfindlichen Widerstandes 103 am Knoten NC verbunden. Das andere Ende des stromempfindlichen Widerstandes 103 ist an die Erde angeschlossen. Der Knoten NC ist auch mit der Steuerung 110 verbunden, so dass die Spannungshöhe am Knoten NC durch die Steuerung 110 festgestellt werden kann. Die Vielzahl der Schalteinheiten 102 läßt sich durch die Steuerung 110 gemäß der Spannungshöhe über dem stromempfindlichen Widerstand 103 am Knoten NC, der Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN, die dem Knoten NA zugeführt wird oder der Kombination der beiden Spannungshöhen steuern.In this preferred embodiment, the last illumination unit is at one end of the current sensitive resistor 103 connected at node N C. The other end of the current-sensitive resistor 103 is connected to the earth. The node N C is also with the controller 110 connected so that the voltage level at node N C through the controller 110 can be determined. The variety of switching units 102 can be controlled by the controller 110 according to the voltage level across the current-sensitive resistor 103 at the node N C , the voltage level of the input voltage V IN , which is the node N A supplied or control the combination of the two voltage levels.
2 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm der Steuerung 110 gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform. Ein Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 1101 in der Steuerung 110 verwandelt die Eingangsspannung VIN in ein digitales Signal, das an eine Zustandsmaschine 1102 gesendet wird. Die Spannungshöhe am Knoten NC wird durch einen empfindlichen Verstärker 1103 ermittelt, der auch ein Signal an die Zustandsmaschine 1102 ausgeben kann. Die Logik der Steuerung der Vielzahl der Schalteinheiten 102 wird in der Zustandsmaschine 1102 zusammen mit einer Speicher-Vorrichtung 1104 verwirklicht, um Steuersignale P und S an jede Schalteinheit 102 zu senden. 2 shows an exemplary block diagram of the controller 110 according to the in 1 shown embodiment. An AC / DC converter 1101 in the controller 110 transforms the input voltage V IN into a digital signal sent to a state machine 1102 is sent. The voltage level at node N C is through a sensitive amplifier 1103 which also sends a signal to the state machine 1102 can spend. The logic of controlling the plurality of switching units 102 becomes in the state machine 1102 together with a storage device 1104 realized to control signals P and S to each switching unit 102 to send.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht sich die LED in der LED basierten Beleuchtungseinheit 101 auf alle Arten von Licht emittierenden Dioden, wie beispielsweise Halbleiter und organisches Licht emittierende Dioden, die Licht bei einer Vielfalt von Frequenzspektren emittieren können. Die Vorrichtung kann eine beliebige Zahl LED basierter Beleuchtungseinheiten aufweisen, und jede LED basierte Beleuchtungseinheit kann eine beliebige Zahl LED Vorrichtungen besitzen, und zwar gemäß dem Erfordernis bei den speziellen Anwendungsfällen der Vorrichtung. Die Schalteinheit 102 bezieht sich ganz allgemein auf eine Schalteinheit, die Schalteinrichtungen mit geeignetem Steuermechanismus zum Öffnen oder Schließen des Anschlusses oder eines oder mehrerer Schaltkreise. Die Schaltvorrichtungen können mechanischer oder elektrischer Natur sein oder Halbleiterschalter, versehen mit integrierten Schaltungen.According to the present invention, the LED refers to the LED based lighting unit 101 to all types of light emitting diodes, such as semiconductors and organic light emitting diodes, which can emit light in a variety of frequency spectra. The device can be a have any number of LED based lighting units, and each LED based lighting unit may have any number of LED devices, as required by the specific applications of the device. The switching unit 102 refers generally to a switching unit, the switching devices with a suitable control mechanism for opening or closing the terminal or one or more circuits. The switching devices may be mechanical or electrical in nature or semiconductor switches provided with integrated circuits.
3 zeigt ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zur Steuerung LED basierter Beleuchtungseinheiten gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform weist die Vorrichtung auch mehrere LED basierte Beleuchtungseinheiten 101 auf, die mit mehreren Schalteinheiten 102 verknüpft sind und zwischen den Knoten NA und NC geschaltet sind. Der stromempfindliche Widerstand 102, der bei der Ausführungsform von 1 gezeigt ist, wird durch eine variable Stromquelle 105 ersetzt. Eine Steuerung 120 steuert den durch die variable Stromquelle 105 fließenden Strom, und zwar zusätzlich zu der Steuerung der Vielzahl von Schalteinheiten 102. 3 FIG. 12 shows a circuit block diagram of a device for controlling LED-based lighting units according to another preferred embodiment of the present invention. In this embodiment, the device also has a plurality of LED-based lighting units 101 on that with multiple switching units 102 are linked and are connected between the nodes N A and N C. The current-sensitive resistor 102 in the embodiment of 1 is shown by a variable current source 105 replaced. A controller 120 controls this through the variable current source 105 flowing current, in addition to the control of the plurality of switching units 102 ,
Bei dieser Ausführungsform wird auch die Spannungshöhe der variablen Stromquelle 105 am Knoten NC ermittelt. Die Vielzahl von Schaltungseinheiten 102 kann durch die Steuerung 120 gemäß der Spannungshöhe gesteuert werden, die über der variablen Stromquelle 105, am Knoten NC herrscht, ferner gemäß der Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN, die dem Knoten NA zugeführt wird oder der Kombination der beiden Spannungshöhen.In this embodiment, the voltage level of the variable current source also becomes 105 determined at node N C. The variety of circuit units 102 can through the control 120 be controlled according to the voltage level, the above the variable current source 105 , at the node N C , and according to the voltage level of the input voltage V IN supplied to the node N A or the combination of the two voltage levels.
4 zeigt ein beispielsweises Blockdiagramm der Steuerung 120 gemäß der Ausführungsform von 3. Die Logik der Steuerung der Vielzahl von Schalteinheiten 102 wird in einer Zustandsmaschine 1202 zusammen mit einer Speichervorrichtung 1204 umgesetzt, um zu jeder Schalteinheit 102 getrennte Steuersignale P und S zu senden. Die Spannungshöhe am Knoten N wird durch einen empfindlichen Verstärker 1203 ermittelt, der an die Statusmaschine 1202 ein Signal aussendet. Eine Stromsteuerschaltung 1205 steuert die variable Stromquelle 105. 4 shows an illustrative block diagram of the controller 120 according to the embodiment of 3 , The logic of controlling the plurality of switching units 102 becomes in a state machine 1202 together with a storage device 1204 implemented to each switching unit 102 to send separate control signals P and S. The voltage level at node N is through a sensitive amplifier 1203 Determines that to the state machine 1202 sends out a signal. A power control circuit 1205 controls the variable current source 105 ,
Gemäß der Vorrichtung zur Steuerung der LED basierten Beleuchtungseinheit der vorliegenden Erfindung können zwei benachbarte LED basierte Beleuchtungseinheiten 101 so gesteuert werden, dass sie parallel oder in Reihe geschaltet sind oder mit der führenden LED basierten Beleuchtungseinheit überbrückt werden. Infolge dessen kann die Vielzahl von LED basierten Beleuchtungseinheiten 101 mit unterschiedlichen Antriebsverfahren gesteuert werden, um viele unterschiedliche Beleuchtungsmodi zu verwirklichen, und zwar auf der Grundlage wie jede einzelne LED basierte Beleuchtungseinheit 101 gestaltet ist, um mit ihrer benachbarten LED basierten Beleuchtungseinheit in Verbindung zu treten. So kann beispielsweise die Vorrichtung von einem Beleuchtungsmodus auf einen anderen Beleuchtungsmodus schalten, und zwar auf der Grundlage der Änderung in der Eingangsspannung VIN.According to the device for controlling the LED based lighting unit of the present invention, two adjacent LED based lighting units 101 be controlled so that they are connected in parallel or in series or bridged with the leading LED based lighting unit. As a result, the variety of LED based lighting units 101 be controlled with different drive methods to realize many different lighting modes, based on how each individual LED based lighting unit 101 is designed to connect with their neighboring LED based lighting unit. For example, the device may switch from one illumination mode to another illumination mode, based on the change in the input voltage V IN .
5 zeigt ein Beispiel einer Vielzahl von Beleuchtungsmodi, die von der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angeboten werden. Die Vorrichtung kann auf der Grundlage der Änderung der Eingangsspannung VIN gesteuert werden, um im Modus 0, Modus 1, ..., und Modus M zu arbeiten. Wenn die Eingangsspannung VIN den höchsten Wert aufweist, arbeitet die Vorrichtung im Modus M, in dem alle zwei benachbarten LED basierten Beleuchtungseinheiten 101 so gesteuert werden, dass sie durch die Schalteinheit 102 zwischen ihnen in Reihe geschaltet werden, so dass alle LEDs in den LED basierten Beleuchtungseinheiten 101 in Reihe geschaltet sind. Wenn die Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN von dem höchsten Wert abnimmt, werden einige der LED basierten Beleuchtungseinheiten so gesteuert, dass sie parallel liegen, und der Beleuchtungsmodus der Vorrichtung schaltet vom Modus M zum Modus (M – 1), Modus (M – 2), ..., usw. 5 shows an example of a plurality of illumination modes offered by the device according to the present invention. The device may be controlled based on the change of the input voltage V IN to operate in the 0 mode, the 1 mode, ..., and the M mode. When the input voltage V IN has the highest value, the device operates in mode M in which all two adjacent LED based illumination units 101 be controlled so that they pass through the switching unit 102 be connected in series between them, so that all LEDs in the LED based lighting units 101 are connected in series. When the voltage level of the input voltage V IN decreases from the highest value, some of the LED based lighting units are controlled to be in parallel, and the lighting mode of the apparatus switches from the mode M to the mode (M-1), mode (M-2). , ..., etc.
Wenn im Gegensatz dazu die Eingangsspannung VIN sich auf dem niedrigsten Niveau bzw. Wert befindet, arbeitet die Vorrichtung im Modus 0, in dem jeweils zwei benachbarte LED basierte Beleuchtungseinheiten 101 so gesteuert werden, dass sie zwischen jeder Schalteinheit 102 zwischen ihnen parallel geschaltet werden, so dass alle LED basierten Beleuchtungseinheiten parallel geschaltet sind. Da die Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN von dem untersten Wert ansteigt, werden immer mehr LED basierte Beleuchtungseinheiten so gesteuert, dass sie in Reihe geschaltet sind, und der Beleuchtungsmodus der Vorrichtung schaltet vom Modus 0 zum Modus 1, Modus 2, ..., usw.In contrast, when the input voltage V IN is at the lowest level, the device operates in mode 0, in each of which two adjacent LED based lighting units 101 be controlled so that they are between each switching unit 102 be connected in parallel between them, so that all LED-based lighting units are connected in parallel. As the voltage level of the input voltage V IN increases from the lowest value, more and more LED based lighting units are controlled to be connected in series, and the lighting mode of the device switches from the 0 mode to the 1 mode, 2 mode, ..., etc ,
6 zeigt die Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN u den entsprechenden Reihenstrom ILED, der durch die Vorrichtung unter den verschiedenen Modi fließt. Im allgemeinen wird eine Wechselstromspannung gleichgerichtet, bevor Energie an eine LED basierte Beleuchtungs-Vorrichtung abgegeben wird. Daher variiert die Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN entsprechend den vorgegebenen Zyklen der gleichgerichteten Sinuswellen. Zur Vereinfachung verwendet 6 eine Dreieckwelle zur Darstellung der Änderung der Eingangsspannung VIN und des Betriebs der verschiedenen Beleuchtungsmodi dieser Erfindung. Als Beispiel kann bei der Spannungshöhe einer Dreieckwelle VIN ausgedrückt werden als (VM/TM)t, wobei VM = 120 Volt und TM = (1/240) Sekunden für 120 Volt Wechselstromspannung von 60 Hz ist, ausgedrückt werden. 6 shows the voltage level of the input voltage V IN u the corresponding series current I LED , which flows through the device under the different modes. In general, an AC voltage is rectified before power is delivered to an LED based lighting device. Therefore, the voltage level of the input voltage V IN varies according to the predetermined cycles of rectified sine waves. Used for simplicity 6 a triangular wave representing the change in the input voltage V IN and the operation of the various illumination modes of this invention. As an example, at the voltage level of a triangular wave V IN can be expressed as (V M / T M ) t, where V M = 120 volts and T M = (1/240) seconds for 120 volts AC voltage of 60 Hz.
Wie in 6 gezeigt, arbeitet die Vorrichtung im Modus 0, wenn die Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN von 0 auf V0 ansteigt. Mit anderen Worten, während der Zeit 0 bis T0 ist Modus 0 der Beleuchtungsmodus. Wenn die Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN von V0 auf V1 während der Zeit T0 bis T1 ansteigt, arbeitet die Vorrichtung im Beleuchtungsmodus 1. In ähnlicher Weise arbeitet die Vorrichtung dann, wenn die Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN von VM-1 auf VM während der Zeit TM-1 bis TM ansteigt im Beleuchtungsmodus M. Wie aus 6 ersichtlich, hat bei den Zeiten T0, T1, ..., TM der Reihenstrom ILED, der durch die LED basierten Beleuchtungseinheiten fließt, die maximale Höhe IMAX, und der Strom fällt dann und steigt daraufhin wieder allmählich zwischen jeder Zeitperiode Ti-1 bis Ti auf den Maximalwert an. Wenn die Spannungshöhe der Eingangsspannung VIN von dem maximalen Wert VM abfällt, arbeitet die Vorrichtung gleichermaßen, jedoch in umgekehrter Weise.As in 6 As shown, the device operates in mode 0 when the voltage level of the input voltage V IN increases from 0 to V 0 . In other words, during the time 0 to T 0 , mode 0 is the lighting mode. When the voltage level of the input voltage V IN increases from V 0 to V 1 during the time T 0 to T 1 , the device operates in lighting mode 1. Similarly, the device operates when the voltage level of the input voltage V IN of V M-1 on V M during time T M-1 to T M increases in illumination mode M. As off 6 As can be seen, at times T 0 , T 1 , ..., T M, the series current I LED flowing through the LED based lighting units has the maximum height I MAX , and the current then drops and then gradually increases again between each time period T i-1 to T i to the maximum value. When the voltage level of the input voltage V IN drops from the maximum value V M , the device operates equally, but in the opposite way.
Um die Betriebsweise und die Beleuchtungsmodi der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weiter zu erklären, werden ein paar Anwendungsbeispiele verschiedener Antriebsverfahren für die Vielzahl von Beleuchtungsmodi zur Steuerung der Anschlüsse der LED basierten Beleuchtungseinheiten beschrieben. Zur Vereinfachung wird angenommen, dass die Gesamtzahl der LED basierten Beleuchtungseinheiten in der Vorrichtung N ist und jede LED basierte Beleuchtungseinheit nur eine LED aufweist. In jedem Antriebsverfahren bietet die vorliegende Erfindung M unterschiedliche Beleuchtungsmodi für die Vorrichtung, wobei M von N abhängt, aber für ein unterschiedliches Antriebsverfahren verschieden sein kann. 7 zeigt ein erstes Antriebsverfahren, bei dem die Mehrzahl der Beleuchtungseinheiten in der Vorrichtung von einer vollen Reihenschaltung auf immer mehr Parallelschaltungen geschaltet wird, sobald die Spannung VIN abnimmt und umgekehrt.To further explain the operation and lighting modes of the device according to the present invention, a few application examples of various driving methods for the plurality of lighting modes for controlling the connections of the LED based lighting units will be described. For simplicity, it is assumed that the total number of LED based lighting units in the device is N and each LED based lighting unit has only one LED. In each drive method, the present invention M provides different illumination modes for the device, where M depends on N but may be different for a different drive method. 7 shows a first driving method in which the plurality of lighting units in the device is switched from a full series connection to more and more parallel circuits as soon as the voltage V IN decreases and vice versa.
Wie aus 7 ersichtlich ist, gibt es eine Gesamtheit von N Beleuchtungseinheiten in der Vorrichtung mit N = 2M, und jede Beleuchtungseinheit weist hier aus Vereinfachungsgründen nur eine LED auf. Bei dem ganz links gezeigten Beleuchtungsmodus, wo die Eingangsspannung VIN den höchsten Wert hat, sind alle Beleuchtungseinheiten in Reihe geschaltet. Wenn die Eingangsspannung abnimmt, schaltet die Vorrichtung in den nächsten Beleuchtungsmodus, der als zweites links gezeigt ist, und alle zwei LED basierten Beleuchtungseinheiten werden so gesteuert, dass sie parallel geschaltet sind. Daher gibt es N/2 Gruppen von LED basierten Beleuchtungseinheiten, die in der Vorrichtung in Reihe geschaltet sind, wobei jede Gruppe zwei LED basierte Beleuchtungseinheiten aufweist, die parallel geschaltet sind.How out 7 As can be seen, there are a total of N lighting units in the device with N = 2 M , and each lighting unit has here, for simplicity, only one LED. In the lighting mode shown on the far left, where the input voltage V IN has the highest value, all lighting units are connected in series. As the input voltage decreases, the device switches to the next illumination mode, shown second left, and all two LED based illumination units are controlled to be connected in parallel. Therefore, there are N / 2 groups of LED based lighting units connected in series in the device, each group having two LED based lighting units connected in parallel.
Wenn die Eingangsspannung weiter abfällt, schaltet die Vorrichtung in den folgenden Beleuchtungsmodus, wobei jeweils vier LED basierte Beleuchtungseinheiten so gesteuert werden, dass sie in Reihe liegen, um N/4 Gruppen LED basierter Beleuchtungseinheiten zu bilden, die mit jeder Gruppe, welche vier LED basierte Beleuchtungseinheiten aufweist, parallel geschaltet sind. Wenn die Eingangsspannung weiter abfällt, verringert sich die Zahl der Gruppen LED basierter Beleuchtungseinheiten, wobei jede Gruppe mit mehr LED basierten Beleuchtungseinheiten parallel geschaltet ist. Wenn die Eingangsspannung VIN auf den untersten Wert sinkt, wird der Beleuchtungsmodus ganz rechts gezeigt, wobei dann alle LED basierten Beleuchtungseinheiten parallel geschaltet sind. Wenn die Eingangsspannung beginnt anzusteigen, dann schaltet die Vorrichtung die Beleuchtungsmodi in der umgekehrten Weise. Da sich in der Vorrichtung N = 2M LED basierten Beleuchtungseinheiten befinden, bietet dieses Antriebsverfahren M + 1 unterschiedliche Beleuchtungsmodi für die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.As the input voltage continues to drop, the device switches to the following illumination mode, with four LED based lighting units each being controlled to line up to form N / 4 groups of LED based lighting units associated with each group of four LED's Lighting units, are connected in parallel. As the input voltage continues to drop, the number of groups of LED based lighting units decreases, each group being connected in parallel with more LED based lighting units. When the input voltage V IN decreases to the lowest value, the illumination mode is shown at the far right, in which case all the LED based illumination units are connected in parallel. As the input voltage begins to increase, the device will switch the lighting modes in the reverse manner. Since there are N = 2 M LED based lighting units in the device, this drive method M + 1 offers different lighting modes for the device of the present invention.
Die von den LED basierten Beleuchtungseinheiten der Vorrichtung gemäß dem ersten Antriebsverfahren der vorliegenden Erfindung geschaffene Helligkeit läßt sich auf der Grundlage der I-V Charakteristik (Strom-Spannungs-Charakteristik) der LED analysieren. 8A zeigt eine I-V Charakteristikkurve für eine typische LED. Zur Vereinfachung ist die I-V Charakteristikkurve als stückweise linear gezeigt. Wenn die Eingangsspannung VLED, die an einer LED anliegt, größer als eine Durchlaßspannung Vf0 ist, ist der Strom ILED, der durch die LED fließt, linear proportional der Eingangsspannung VLED. Wenn die Eingangsspannung VLED die Spannung VLm erreicht, hat der Strom ILED einen Maximalwert km. 8B zeigt eine ideale Stromquelle bei keiner Beschränkung der Minimalspannung Vmin.The brightness provided by the LED based lighting units of the apparatus according to the first driving method of the present invention can be analyzed on the basis of the IV characteristic (current-voltage characteristic) of the LED. 8A shows an IV characteristic curve for a typical LED. For convenience, the IV characteristic curve is shown as piecewise linear. When the input voltage V LED, which is applied to an LED, is greater than a forward voltage V f 0, the current I LED flowing through the LEDs, linearly proportional to the input voltage V LED. When the input voltage V LED reaches the voltage V Lm , the current I LED has a maximum value km. 8B shows an ideal current source with no limitation of the minimum voltage V min .
Die stückweise lineare I-V Charakteristikkurve kann wie folgt ausgedrückt werden: wobei ILm der maixmale Strom ist, der von der Stromquelle an die LED geliefert wird. Die folgende Analyse nimmt an, dass kein Energieverlust vorhanden ist und jede LED basierte Beleuchtungseinheit eine LED besitzt mit denselben I-V Charakteristiken sowie eine Durchlaßspannung Vf0. Die Gesamtzahl der LED basierten Beleuchtungseinheiten ist: wobeifür den ganzzahligen Teil der Anzahl (VM/Vf0) steht und VM die maximale Spannungshöhe ist, die der Vorrichtung durch die Eingangsspannung VIN zugeführt wird.The piecewise linear IV characteristic curve can be expressed as follows: where I Lm is the maximum current supplied by the power source to the LED. The following analysis assumes that there is no energy loss and each LED based illumination unit has an LED with the same IV characteristics as well as a forward voltage V f0 . The total number of LED based lighting units is: in which is the integer part of the number (V M / V f0 ) and V M is the maximum voltage level supplied to the device by the input voltage V IN .
Die gesamte Helligkeit einer Vielzahl von LED basierten Beleuchtungseinheiten ist proportional der Summe des durchschnittlichen Stroms, der durch jede LED fließt, d. h. wobei ILED(j, k) den Strom darstellt, der durch die jth LED im Beleuchtungsmodus k fließt, der in 6 gezeigt ist, wobei angenommen wird, dass jede LED basierte Beleuchtungseinheit nur eine LED hat.The total brightness of a plurality of LED based lighting units is proportional to the sum of the average current flowing through each LED, ie where I LED (j, k) represents the current flowing through the j th LED in illumination mode k, which in 6 It is assumed that each LED based lighting unit has only one LED.
Für das erste Antriebsverfahren, das in 7 dargestellt ist, gibt es M + 1 verschiedene Modi für die Gesamtheit N der LED basierten Beleuchtungseinheiten mit M = log2N und für den Beleuchtungsmodus k, wobei der Strom, der durch die LEDs fließt, beträgt: ILED(1, k) = ILED(2, k) = ... = ILED(N, k), wobei k = 0, 1, 2, ..., M ist. Für den Beleuchtungsmodus 0 ist der gesamte Strom, der jede LED fließt: For the first drive method used in 7 is shown, there are M + 1 different modes for the totality N of the LED based lighting units with M = log 2 N and for the lighting mode k, where the current flowing through the LEDs is: I LED (1, k) = I LED (2, k) = ... = I LED (N, k) , where k = 0, 1, 2, ..., M. For lighting mode 0, the total current that flows through each LED is:
Mitkann weiter gezeigt werden, dass With can be further shown that
In gleicher Weise ist für den Beleuchtungsmodus k der gesamte Strom, der durch jede LED fließt: Likewise, for illumination mode k, the total current flowing through each LED is:
Mitkann weiter gezeigt werden, dass: With can be further shown that:
9 zeigt ein zweites Antriebsverfahren, bei dem die Vielzahl der LED basierten Beleuchtungseinheiten in der Vorrichtung ebenfalls von einer vollständigen Reihenschaltung zu immer mehr Parallelschaltungen geschaltet wird, sobald die Eingangsspannung VIN abfällt und umgekehrt. Bei dieser Ausführungsform ist der Beleuchtungsmodus dann, wenn die Eingangsspannung VIN sich auf dem höchsten Wert befindet, ganz links gezeigt, wobei alle LED basierten Beleuchtungseinheiten in Reihe geschaltet sind. Wenn die Eingangsspannung abfällt, ist nur eine Gruppe von LED basierten Beleuchtungseinheiten parallel geschaltet, und die Gruppe ist mit den verbleibenden LED basierten Beleuchtungseinheiten in Reihe geschaltet. Die Zahl der LED basierten Beleuchtungseinheiten in der Gruppe erhöht sich jedoch, wenn die Vorrichtung in den nächsten Beleuchtungsmodus schaltet, sobald sich die Eingangsspannung verringert, und die Anzahl der verbleibenden LED basierten Beleuchtungseinheiten, die in Reihe geschaltet sind, nimmt ab. 9 shows a second drive method in which the plurality of LED based lighting units in the device is also switched from a complete series connection to more and more parallel circuits as soon as the input voltage V IN drops and vice versa. In this embodiment, when the input voltage V IN is at the highest value, the illumination mode is shown at the far left, with all LED based illumination units connected in series. When the input voltage drops, only a group of LED based lighting units are connected in parallel, and the group is connected in series with the remaining LED based lighting units. However, the number of LED-based lighting units in the group increases as the device switches to the next lighting mode as the input voltage decreases, and the number of remaining LED-based lighting units connected in series decreases.
Unter Bezug auf 9 ist festzustellen, dass der Beleuchtungsmodus, der als zweites links gezeigt ist, zwei LED basierte Beleuchtungseinheiten aufweist, die parallel geschaltet sind und dass der Beleuchtungsmodus als dritter links drei LED basierte Beleuchtungseinheiten besitzt, die parallel geschaltet sind, während beim Beleuchtungsmodus ganz rechts alle LED basierten Beleuchtungseinheiten parallel geschaltet sind, wenn die Eingangsspannung sich weiter bis zu einem niedrigsten Niveau verringert. In ähnlicher Weise wie die Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, schaltet die Vorrichtung, sobald die Eingangsspannung ansteigt, die Beleuchtungsmodi in umgekehrter Weise. Wie aus 9 ersichtlich ist, beträgt die Zahl der verschiedenen Beleuchtungsmodi, die bei diesem Antriebsverfahren vorgesehen wird, N, wenn die gesamte Anzahl LED basierter Beleuchtungseinheiten N ist.With reference to 9 Note that the illumination mode, shown second left, has two LED based lighting units connected in parallel, and the third left lighting mode has three LED based lighting units connected in parallel, while the rightmost lighting mode is all LED based Lighting units are connected in parallel, when the input voltage continues to decrease to a lowest level. In a similar manner to the embodiment described in 7 As shown, as soon as the input voltage increases, the device switches the lighting modes in the reverse manner. How out 9 is apparent, the number of different illumination modes provided in this drive method is N when the total number of LED based illumination units is N.
Bei dem zweiten Antriebsverfahren, das in 9 gezeigt ist, sind N verschiedene Beleuchtungsmodi für die Gesamtheit von N Beleuchtungseinheiten vorhanden, und für den Modus k gibt es k LEDs, die mit der Gruppe von (N – k) LEDs, die parallel geschaltet sind, in Reihe geschaltet sind. Der durch die LEDs fließende Strom ist: wobei k = 0, 1, ..., N – 1. Für den Beleuchtungsmodus 0 ist der gesamte Strom, der durch jede LED in diesem Antriebsverfahren fließt, identisch mit dem ersten Antriebsverfahren, das oben besprochen ist, d. h. In the second drive method, which is in 9 5, there are N different lighting modes for the total of N lighting units, and for the mode k there are k LEDs connected in series with the group of (N-k) LEDs connected in parallel. The current flowing through the LEDs is: where k = 0, 1, ..., N-1. For the illumination mode 0, the total current flowing through each LED in this driving method is identical to the first driving method discussed above, ie
Für den Beleuchtungsmodus k wird angenommen: For the illumination mode k it is assumed:
Mit läßt sich der durch die LED fließende Strom wie folgt darstellen: With the current flowing through the LED can be represented as follows:
Daher ist und der gesamte Strom, der durch die LED fließt, ist: wobeithats why and all the current flowing through the LED is: in which
Zusätzlich zu den ersten und zweiten Antriebsverfahren, die oben beschrieben und erläutert worden sind, kann bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ein drittes Verfahren Anwendung finden, das in 10 gezeigt ist. Wenn angenommen wird, dass die Gesamtzahl der LED basierten Beleuchtungseinheiten N ist und (M + 1) Verzweigungen n0, n1, ..., und nM Verzweigungen in wachsender Reihe für n existieren, so ist N/nk eine ganze Zahl für k = 0, 1, 2, ..., und M. Das dritte Antriebsverfahren gemäß dieser Erfindung hat (M + 1) Beleuchtungsmodi für die Vorrichtung, wobei der Beleuchtungsmodus k nk Gruppen von LED basierten Beleuchtungseinheiten aufweist, die in Reihe geschaltet sind, und jede Gruppe hat N/nk Beleuchtungseinheiten, die parallel geschaltet sind, wie in 10 gezeigt.In addition to the first and second drive methods described and discussed above, in the apparatus of the present invention, a third method can be used which is disclosed in US Ser 10 is shown. Assuming that the total number of LED based illumination units is N and (M + 1) branches n 0 , n 1 , ..., and n M branches exist in increasing order for n, N / n k is an integer for k = 0, 1, 2, ..., and M. The third driving method according to this invention has (M + 1) lighting modes for the device, the lighting mode kn k having groups of LED based lighting units connected in series and each group has N / nk lighting units connected in parallel, as in FIG 10 shown.
Für den Beleuchtungsmodus k zeigt der Strom, der durch die LEDs fließt: ILED(1, k) = ILED(2, k) = ... = ILED(N, k). für ist der gesamte Strom, der durch die LED fließt: wobei For illumination mode k, the current flowing through the LEDs shows: I LED (1, k) = I LED (2, k) = ... = I LED (N, k). For is the total current that flows through the LED: in which
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch ein viertes Antriebsverfahren für die Vorrichtung Verwendung finden, um eine Vielzahl von Beleuchtungsmodi zu verwirklichen, wie in 11 gezeigt. Bei dem vierten Antriebsverfahren sind die LED basierten Beleuchtungseinheiten in (k + 1) Gruppen von LED basierten Beleuchtungseinheiten für den Beleuchtungsmodus k aufgeteilt. Die (k + 1) Gruppen der Beleuchtungseinheiten sind in Reihe geschaltet, und die LED basierten Beleuchtungseinheiten in jeder Gruppe sind parallel geschaltet. Mit anderen Worten, jede Gruppe hat ⌊ N / k+1⌋ LED basierte Beleuchtungseinheiten, die in Reihe geschaltet sind, wobei ⌊ N / k+1⌋ dem ganzzahligen Teil der Zahl N/(k + 1) entspricht.According to the present invention, a fourth drive method for the apparatus may also be used to realize a variety of illumination modes, as in FIG 11 shown. In the fourth driving method, the LED based lighting units are divided into (k + 1) groups of LED based lighting units for the lighting mode k. The (k + 1) groups of lighting units are connected in series, and the LED based lighting units in each group are connected in parallel. In other words, every group has ⌊ N / k + 1⌋ LED based lighting units connected in series, wherein ⌊ N / k + 1⌋ corresponds to the integer part of the number N / (k + 1).
Wenn N/(k + 1) keine ganze Zahl ist, werden Nz = (N – (k + 1) × ⌊ N / k+1⌋) Beleuchtungseinheiten umgangen. Das vierte Antriebsverfahren kann N unterschiedliche Beleuchtungsmodi bieten. Für den Beleuchtungsmodus k, k = 0, 1, ..., N, ist der durch die LEDs fließende Strom: ILED(1, k) = ILED(2, k) = ... = ILED(N-Nz, k), und ILED(N-Nz+1, k) = ILED(N-Nz+2, k) = ... = ILED(N, k) = 0. wobei und der gesamte Stromfluß durch die LED wobei If N / (k + 1) is not an integer, then N z = (N - (k + 1) × ⌊ N / k + 1⌋) Bypassed lighting units. The fourth drive method can provide N different illumination modes. For the illumination mode k, k = 0, 1, ..., N, the current flowing through the LEDs is: I LED (1, k) = I LED (2, k) = ... = I LED (N-Nz, k) , and I LED (N-Nz + 1, k) = I LED (N-Nz + 2, k) = ... = I LED (N, k) = 0. in which and the entire current flow through the LED in which
Die vorliegende Erfindung bietet des weiteren ein fünftes Antriebsverfahren für die Vorrichtung, um eine Vielzahl von Beleuchtungsmodi zu schaffen, wie in 12 gezeigt. Das fünfte Antriebsverfahren ist ähnlich dem vierten Antriebsverfahren mit Ausnahme der Tatsache, dass die NZ LED basierten Beleuchtungseinheiten, die in dem vierten Antriebsverfahren umgangen werden, in einigen der Gruppen gleichmäßig verteilt sind. Mit anderen Worten, in den (k + 1) Gruppen der LED basierten Beleuchtungseinheiten haben einige Gruppen ⌊ N / k+1⌋ Beleuchtungseinheiten, andere Gruppen jedoch haben (⌊ N / k+1⌋ + 1) Beleuchtungseinheiten. So gibt es beispielsweise für den Beleuchtungsmodus k Ak Gruppen, von denen jede aus ⌊ N / k+1⌋ Beleuchtungseinheiten besteht, die parallel geschaltet sind, und Bk Gruppen, von denen jede aus (⌊ N / k+1⌋ + 1) Beleuchtungseinheiten besteht, welche parallel geschaltet sind, wobei Ak + Bk = (k + 1) ist. Die (k + 1) Gruppen LED basierter Beleuchtungseinheiten sind in Reihe geschaltet.The present invention further provides a fifth drive method for the apparatus to provide a variety of illumination modes, as in 12 shown. The fifth driving method is similar to the fourth driving method except that the NZ LED based lighting units, which are bypassed in the fourth driving method, are evenly distributed in some of the groups. In other words, in the (k + 1) groups of LED based lighting units have some groups ⌊ N / k + 1⌋ Lighting units, but other groups have (⌊ N / k + 1⌋ + 1) Lighting units. For example, for the illumination mode, there are k A k groups, each of which is off ⌊ N / k + 1⌋ Lighting units is made in parallel, and B k groups, each of which (⌊ N / k + 1⌋ + 1) Lighting units, which are connected in parallel, where A k + B k = (k + 1). The (k + 1) groups of LED based lighting units are connected in series.
Für den Beleuchtungsmodus k gilt For the illumination mode k applies
Der Stromfluß durch die LED kann wie folgt beschrieben werden: The current flow through the LED can be described as follows:
Daher ist der Gesamtstrom, der durch die LED fließt Therefore, the total current flowing through the LED is
Um die Helligkeit der LED basierten Beleuchtungseinheiten, die durch die Antriebsmethoden erhalten werden, welche die vorliegende Erfindung bietet, mit derjenigen des bekannten Antriebsverfahrens zu vergleichen, wird die Helligkeit der LED basierten Beleuchtungseinheiten, die mit dem Verfahrensvorschlag verwendet werden, welcher in dem US Patent Nr. 7 781 979 offenbart ist, das der Firma Philips Solid-State Lightening Solutions, Inc. gehört, ebenfalls analysiert. Das Antriebsverfahren wird als Philips bezeichnet und hat N Beleuchtungsmodi, und für den Beleuchtungsmodus k ist der Strom, der durch jede LED fließt: ILED(1, k) = ILED(2, k) = ... = ILED(k+1, k) = ILm, und ILED(k+2, k) = ILED(k+3, k) = ... = ILED(N, k) = 0 In order to compare the brightness of the LED-based lighting units obtained by the driving methods which the present invention offers with that of the known driving method, the brightness of the LED-based lighting units used with the method proposal which is disclosed in US Pat U.S. Patent No. 7,781,979 which is owned by Philips Solid State Lightening Solutions, Inc., also analyzed. The driving method is called Philips and has N lighting modes, and for lighting mode k, the current flowing through each LED is: I LED (1, k) = I LED (2, k) = ... = I LED (k + 1, k) = I Lm , and I LED (k + 2, k) = I LED (k + 3, k) = ... = I LED (N, k) = 0
Daher ist der für den Beleuchtungsmodus 0 und den Modus 1 durch die LED fließende Gesamtstrom: Therefore, the total current flowing through the LED for the illumination mode 0 and the mode 1 is:
Für den Beleuchtungsmodus k mit k >= 2 gilt: und der gesamte Strom, der durch die LED fließt, ist: For the illumination mode k with k> = 2, the following applies: and all the current flowing through the LED is:
13 zeigt eine Tabelle, die die Helligkeit vergleicht, welche durch Verwendung des Antriebsverfahrens, das durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird, erreicht wird, mit dem Antriebsverfahren, das durch Philips für die LED basierten Beleuchtungseinheiten erreicht wird, welche 32 LEDs mit 32 unterschiedlichen Beleuchtungsmodi umfaßt. Bei dem Vergleich wird angenommen, dass die LEDs Cree LEDs sind und die Eingangsspannung VIN 120 Volt bei 60 Hz beträgt. Aus 13 ist ersichtlich, dass das vierte Antriebsverfahren dieser Erfindung zu mehr Helligkeit für die LED basierten Beleuchtungseinheiten in vielen Beleuchtungsmodi führt. 13 FIG. 12 shows a table comparing the brightness achieved by using the driving method proposed by the present invention with the driving method achieved by Philips for the LED based lighting units comprising 32 LEDs with 32 different lighting modes. In the comparison, it is assumed that the LEDs Cree are LEDs and the input voltage V IN is 120 volts at 60 Hz. Out 13 It can be seen that the fourth drive method of this invention results in more brightness for the LED based lighting units in many lighting modes.
14 zeigt eine andere Tabelle des Vergleichs des Helligkeit, die durch Verwendung des vierten und des fünften Antriebsverfahrens der vorliegenden Erfindung für dieselben LED basierten Beleuchtungseinheiten erzielt wird. Es kann festgestellt werden, dass die zwei Antriebsverfahren sehr kompatibel sind, wobei das vierte Antriebsverfahren geringfügig mehr Helligkeit der LED basierten Beleuchtungseinheiten in einigen Beleuchtungsmodi liefert. 14 Fig. 13 shows another table of the comparison of the brightness obtained by using the fourth and fifth drive methods of the present invention for the same LED based lighting units. It can be seen that the two drive methods are very compatible, with the fourth drive method providing slightly more brightness to the LED based lighting units in some lighting modes.
Zusammenfassend bietet die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung und Schaltung einer Vielzahl von LED basierten Beleuchtungseinheiten, wobei einige in Reihe geschaltet und einige parallel geschaltet werden können. Die Beleuchtungseinheit kann eine oder mehrere LEDs aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, parallel liegen oder in Kombination von beiden, wie in 15 gezeigt. Obgleich nur drei Beispiele in 15 dargestellt sind, wird darauf hingewiesen, dass die LEDs auf viele unterschiedliche Weisen geschaltet werden können, um als Beleuchtungseinheit der vorliegenden Erfindung zu dienen. Durch Verwendung der drei Antriebsverfahren der Erfindung lassen sich viele Beleuchtungsmodi für die LED basierten Beleuchtungseinheiten schaffen. Die vorliegende Erfindung kann den Einsatz von LEDs vergrößern, wie aus der Helligkeitsvergleichstabelle ersichtlich ist, die in 13 gezeigt wird. Viele unterschiedliche Beleuchtungsmodi können für zahlreiche Erfordernisse angeboten werden. Dazu kommt, dass durch Benutzung eines geeigneten Antriebsverfahren der durch die LEDs der Beleuchtungseinheiten fließende Strom gesteuert werden kann, so dass er gleichmäßiger ist.In summary, the present invention provides an apparatus for controlling and switching a plurality of LED-based lighting units, some connected in series and some connected in parallel. The illumination unit may include one or more LEDs connected in series, in parallel, or in combination of both, as in 15 shown. Although only three examples in 15 It will be understood that the LEDs may be switched in many different ways to serve as the lighting unit of the present invention. By using the three drive methods of the invention, many lighting modes can be created for the LED based lighting units. The present invention can increase the use of LEDs, as can be seen from the brightness comparison table, which is incorporated herein by reference 13 will be shown. Many different lighting modes can be offered for many needs. In addition, by using a suitable driving method, the current flowing through the LEDs of the lighting units can be controlled so that it is more uniform.
Obgleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es für die auf diesem Gebiet tätigen Fachleute offensichtlich, dass eine Vielzahl von Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden kann, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert werden soll.Although the present invention has been described in terms of its preferred embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that a variety of modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention as defined by the appended claims shall be.
