CN101473695A

CN101473695A - 包括多个光源的照明系统

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Publication number: CN101473695A
Application number: CNA2007800232685A
Authority: CN
Inventors: P·H·F·多伦伯格
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: EP2036403A1; CN101473695B; DE602007003360D1; US8110995B2; US20090236994A1; WO2007148250A1; EP2036403B1; ATE449526T1; TW200810607A; JP2009541925A; JP5225989B2

Abstract

一种照明系统(1)，包括：多个光源(11、12、13)，每个光源都设有一个驱动器(21、22、23)；一个控制器(30)，用于产生控制信号(S_C1、S_C2、S_C3)，控制对应的驱动器；温度前馈装置(60、61、62、63、81)，用于建立温度前馈(TFF)校正机制；通量反馈装置(71、82、83、84)，用于建立通量反馈(FFB)校正机制。控制器(30)能够在第一种操作模式下操作，其中温度前馈(FFB)校正机制和通量反馈(FFB)校正机制这两者都是有效的；控制器(30)能够在第二种操作模式下操作，其中温度前馈(FFB)校正机制是有效的，通量反馈(FFB)校正机制是无效的。对于控制器(30)进行设计，以便监视控制信号的占空比，并且根据所述的占空比选择它的所述操作模式。

Description

包括多个光源的照明系统

技术领域

本发明一般来说涉及彩色照明的领域。更加具体地说，本发明涉及一种包括多个光源的照明设备，其中的颜色和亮度水平是可控的。在下面的说明中，假定每个光源都实施为一个发光二极管，但是本发明还能用其它类型光源来实施，其它类型光源例如TL灯、卤素灯等。

背景技术

一般来说，期望照明设备能够产生具有可变光强度(昏暗水平)和可变颜色的光。本领域的普通技术人员应该清楚并且因此不需要具体说明，利用包括可产生相互不同颜色的光的3个发光二极管的系统，有可能产生在大部分色域中的所有可能颜色的光。在典型的例子中，一个发光二极管产生红色光，第二发光二极管产生绿色光，第三个发光二极管产生蓝色光。这三个发光二极管的组合光输出在由这三个发光二极管的颜色确定的色三角内具有混合的颜色，在这个色三角内的准确色点取决于三个发光二极管的强度的相互比例。因此，改变三个发光二极管之一的相对强度，就可以改变这个系统的色点，通过改变所有的发光二极管的强度到相同的程度，就可以改变光输出的强度同时维持色点不变。

要说明的是，有可能使用不止三个具有相互不同颜色的发光二极管；在这种情况下，通过适当的适配，也可以应用本发明，对于本领域的普通技术人员来说这将是清楚的。

为了控制对应的发光二极管的强度，系统包括一个控制器，通常将控制器实施成一个微控制器。微控制器具有一个输入，用于接收例如来自中央微控制器或个人计算机的设定信号。微控制器还有三个控制输出，对于每个发光二极管有一个控制输出，用于控制对应发光二极管的操作。在一般情况下，以可变的占空比操作发光二极管，以实现对应光强度的变化。根据所接收的输入设定信号并且根据存储在存储器中的公式或表格，并且根据在对应的发光二极管的输入设定信号和设定点之间的一对一的关系，产生从微控制器到对应的发光二极管的控制输出信号。

在这方面的问题是如下的事实：即使当由一个恒定的控制信号控制时，发光二极管的强度和颜色(波长)也可能变化，例如由于温度变化的影响，或者例如作为老化的结果。问题的另一方面是，各个发光二极管的影响不一定是同一程度，因此存在微小的变化。结果，系统的色点可能随温度和时间发生改变。为了防止出现这样的色点变化，应该为控制器提供某种补偿机制。

这样的控制器的补偿机制本身是公知的。第一种补偿机制称之为“温度前馈”，简称TFF。为这个系统提供温度检测装置，用于检测发光二极管的温度，具体来说即各个发光二极管的结温。所述的存储器包含公式或表格，用于根据所测温度校正所述的一对一的关系。在一个可能的实施例中，所述的存储器包括为温度函数的一个发光二极管控制表格的矩阵，控制器使用与当前温度对应的“校正”表。所述的存储器还可以包括为温度函数的校正因子的矩阵，控制器根据用户设定值从表中读出控制信号，并且根据当前的温度应用这些校正因子。该补偿机制的优点是相对快速，但缺点是要依赖预先确定的数据并且没有考虑到与预先确定的数据的可能的偏差。进一步地，缺点还有，这种补偿机制不可能补偿由老化引起的变化。

第二种补偿机制基于光输出的反馈(“通量反馈(flux feedback)”，简称FFB)。要为系统提供光学传感器，用于检测各个发光二极管的实际光输出(通量)，并且控制器要改变它的驱动信号，以使发光二极管的实际光输出等于期望的光输出。这种补偿机制的优点是它不需要具有有关预先确定的温度响应的数据，并且它总是在考虑实际的光输出情况。然而，这种补偿机制的缺点是它需要3个光学传感器，每个发光二极管要有一个光学传感器，因此增加了硬件成本。为了减小这种硬件的问题，这种补偿机制的变化是公知的，在这里系统只包括一个共用的光学传感器，用于检测发光二极管的组合光输出的整个光。这种机制还需要各个发光二极管的一个特定的定时，以保证有可能获得测量信号，从测量信号导出各个光输出，例如通过保证当只有一个发光二极管导通而所有其它的发光二极管截止时存在着时间间隔来获得所述的测量信号。现在的缺点是，通量测量需要的时间量最小。这就给为发光二极管设定的占空比的下限施加了一个限制，这样就限制了可能设定的色点并且限制了昏暗水平的范围。

要注意的是，欧洲专利1346609公开了一种系统，其中的控制器包括串行操作的一个温度前馈部分和一个通量反馈部分，其中的温度前馈部分和通量反馈部分是同时有效的。虽然在这样一种系统中，温度前馈部分可以补偿通量反馈部分的某些缺点，但是对为发光二极管能设定的占空比的下限的限制仍旧存在由通量反馈部分引起的问题。

本发明的一个重要的目的就是克服上述的缺点。

发明内容

按照本发明的一个重要方面，控制器能够在两种操作模式下操作。在第一操作模式，根据温度前馈和通量反馈这两者进行控制。在第二操作模式，只根据温度前馈进行控制，忽略通量反馈设施。在第一操作模式和第二操作模式之间的切换是根据占空比进行的：如果控制器发现，发光二极管的至少一个占空比所对应的导通间隔的持续时间小于进行通量测量所需的最小时间，则控制器选择第二操作模式，否则(正常情况)控制器选择第一操作模式。

附图说明

通过下面的参照附图的描述进一步说明本发明的这些和其它方面、特征、和优点，附图中相同的参考数字表示相同或相似的部分，其中：

图1表示按照本发明的照明系统的示意框图；

图2是定时图，说明对应的灯的控制信号的可能的定时模式；

图3是框图，示意地表示照明系统操作的第一模式；

图4是框图，示意地表示照明系统操作的第二模式；

图5A、5B是框图，分别示意地表示图3和图4的操作的变化。

具体实施方式

图1示意地表示照明系统1的一个框图，照明系统1包括三个光源11、12、13的装置，用于产生相互不同颜色的光。在一般情况下，这些颜色是红(R)、绿(G)、蓝(B)，但其它的颜色也是可能的。在L处表示作为一个整体的系统1的光输出，它是各个光输出R、G、B的组合(混合)。这个光混合在由各个颜色R、G、B确定的一个色三角内有一个色点，这对于本领域的普通技术人员应该是清楚的。光源有益地实施为发光二极管，但其它类型的光源也是可能的，例如TL灯、卤素灯、等。要说明的是，光源实际上可以包括两个或多个并联或串联安排的基本上相同的颜色，但在下面假定每个光源只包括一个发光二极管。

系统1进一步还包括与对应的发光二极管相关的驱动器21、22、23，用于利用适当的发光二极管驱动信号S_D1、S_D2、S_D3(通常是直流信号)驱动发光二极管。由于发光二极管驱动器的本身是公知的，而驱动器的设计又不是本发明的主题，所以在这里不需要有关驱动器的设计和操作的更加详细地描述。只要说驱动器响应在它们的对应的控制输入端接收的控制信号S_C1、S_C2、S_C3，用于重复地切换发光二极管导通和截止足矣。发光二极管导通的时间间隔用导通间隔表示，导通间隔具有持续时间t_ON。发光二极管截止的时间间隔用截止间隔表示，截止间隔具有持续时间t_OFF。切换的总周期的持续时间是t_PERIOD，t_PERIOD等于t_ON+t_OFF。占空比Δ的定义为Δ＝t_ON/t_PERIOD。三个发光二极管可以有相互不同的切换周期，但切换周期对于所有的发光二极管通常是相等的。将每个发光二极管设计成可以利用标称电流数值进行操作。通常将发光二极管驱动器设计成在导通间隔的电流数值等于标称的电流数值。每个发光二极管都有一个标称光输出，当发光二极管在标称电流数值以Δ＝100％的占空比操作时，可以达到这个标称光输出。本领域的普通技术人员应该清楚，发光二极管占空比的变化导致发光二极管光输出的相应变化，三个发光二极管的光输出的变化导致输出混合光L的颜色变化和/或输出混合光L的亮度的变化。

系统1进一步还包括具有三个输出端31、32、33的控制器30，这三个输入端耦合到对应的驱动器21、22、23的控制输入端。将控制器30设计成能为各个驱动器21、22、23产生控制信号S_C1、S_C2、S_C3，指示驱动器为各个发光二极管11、12、13设定确定的占空比。在一般情况下，控制信号S_C1、S_C2、S_C3是数字信号，在导通间隔的值为1，在截止间隔的值为0，因此控制信号不仅决定占空比Δ的值，而且还决定导通间隔和截止间隔的准确定时。

控制器30具有一个用户控制输入端34，用于从用户输入设备40接收用户输入信号S_U。这样的用户输入设备40例如可以是一个键盘，或者是任何其它合适类型的设备，利用这种设备用户可以输入某种色点和亮度的选择。基于用户输入信号S_U，控制器30在它的输出端31、32、33产生控制信号S_C1、S_C2、S_C3。控制器30根据存储在相关的存储器50中的信息确定产生哪个控制信号S_C1、S_C2、S_C3，所述的存储器50是与控制器30的存储输入端35耦合的；可选择地，存储器可以是控制器本身的一部分。存储器包含的信息一方面确定控制信号(或占空比)之间的关系，另一方面确定色点和亮度。这种信息可以按查找表、公式、等的形式得到。

一个问题是，发光二极管的光输出不只取决于由诸如温度和老化引起的占空比，在颜色、通量、或者这两者等方面也可能发生偏差。为了弥补这样的偏差，为系统1设置两个校正机制。第一个校正机制是温度前馈，依据的是发光二极管的结温的测量。虽然系统可以包括一个共用的温度传感器，但是图1中表示的是每个发光二极管11、12、13都设有一个对应的温度传感器61、62、63，分别提供温度测量信号S_T1、S_T2、S_T3。由于测量发光二极管结温的方法本身是公知的并且可以用在本发明中，而且本发明又不涉及温度测量方法的改进，所以在这里不必更详细说明温度传感器的设计和操作。

温度的影响是预先知道的，例如根据经验预先知道的。控制器30设有一个耦合到温度校正输入端36的温度校正存储器60，这个存储器60包含例如矩阵、查找表、公式、或类似物形式的信息，通知控制器30如何随温度而变来修改它的控制信号S_C1、S_C2、S_C3。要说明的是，温度校正存储器60是可以与存储器50组合在一起的。

第二校正机制是通量反馈，通量反馈是基于测量各个发光二极管的实际光强度(通量)。尽管该系统可以包括各个通量检测器，但图1说明了，系统包括检测混合光L的强度的一个共用的通量检测器71。由于测量光通量的检测器的本身是已知的并且可以应用到本发明，而本发明不涉及光检测器的改进，所以在这里不必更详细说明光检测器的设计和操作。

图2是一个定时图，说明使用一个共用的通量检测器71测量每个单个的发光二极管的光强度是可能的。在第一周期A，第一发光二极管11的导通间隔的定时相对于第二和第三发光二极管的定时是超前的；用于确定这个定时的控制器知道，在从t₁₁-t₁₂的测量间隔期间，来自通量检测器71的输出信号只代表第一发光二极管11的光强度。在第二周期B，第二发光二极管12的导通间隔的定时相对于第一和第三发光二极管的定时是超前的，因而在从t₂₁-t₂₂的测量间隔期间，来自通量检测器71的输出信号只代表第二发光二极管12的光强度。在第三周期C，第三发光二极管13的导通间隔的定时相对于第一和第二发光二极管的定时是超前的，因而在从t₃₁-t₃₂的测量间隔期间，只允许控制器测量第三发光二极管13的光强度。在图1中，代表各个发光二极管的各个通量的通量测量信号分别表示为S_F1、S_F2、S_F3。

控制器30在通量测量输入端37接收通量测量信号S_F1、S_F2、S_F3。根据用户输入信号S_U、来自存储器50的信息、和来自温度校正存储器60的信息，控制器30知道这个通量对于每个发光二极管应该是什么样的；将这个通量表示为“目标通量”。如果实际通量与目标通量偏离，则控制器30修改它的控制信号以减小这个偏差。

在图3中比较详细地说明了这种操作模式。第一控制信号的第一近似值S₁是根据用户输入信号S_U从存储器50取得的。根据温度测量值，从温度校正存储器60取得第一校正值α₁，并且如乘法器81所示的，通过第一近似值S₁乘以第一校正值α₁来计算第一控制信号的第二近似值S₁’。这个第一校正值α₁如根据温度预期的那样补偿发光二极管的颜色和通量的偏差。

进而，从这个第二近似值S₁’，通过通量计算器82导出第一发光二极管11的通量的目标值S_TF1。

在减法器83中，从第一目标值S_TF1减去第一通量测量信号S_F1，得到第一通量误差信号S_FE1。第一通量误差信号S_FE1可以与合适的增益相乘，但图中没有将这种情况表示出来。在PID块87中，将第一通量误差信号S_FE1编译成一个第二校正值β₁。在第二乘法器84中，第二近似值S₁’乘以第二校正值β₁，从而给出第一控制信号：

S_C1＝S₁·α₁·β₁。

要说明的是，图3只表示第一控制信号S_C1的操作。第二和第三控制信号S_C2、S_C3的操作是类似的，本领域的普通技术人员对此应该是清楚的，因此，为简洁起见，没有表示出来。

按照本发明的一个重要方面，控制器30监测控制信号S_C1、S_C2、S_C3的占空比。如果至少一个占空比小于预先确定的水平，控制器30切换到第二操作模式。例如在一个实际的实施例中，控制信号的周期的持续时间t_PERIOD是8毫秒，而通量测量要占360微秒。那么，导通间隔的持续时间t_ON至少必须等于360微秒，即，占空比Δ至少必须等于4.5％。在图4中说明了第二操作模式。图2还表示出一个“死”间隔，从一个周期的开始t₁₀一直到第一导通间隔的开始t₁₁，在这期间所有的发光二极管都截止，允许控制器30实现0测量。

当控制器30发现，至少一个占空比小于所需的最小值时，控制器30将第二校正值β₁、β₂、β₃的电流值存入通量校正存储器90内。在下一个操作期间，控制器30从这个存储器90取得所存储的校正值，现在这些校正值分别表示为“被存储的”校正值β_1M、β_2M、β_3M。当然，是不随时间变化的。于是，补偿机制只基于温度前馈，并且基于通量的补偿动作是不随时间变化的，“被冻结到”最低的占空比小于预先确定的最小值时的情况。在这个第二操作模式，忽略了实际通量测量。事实上，由于通量测量是不需要的，“死”间隔(t₁₀到t₁₁)在这个第二模式不再需要。使发光二极管昏暗到较低的值，只由控制器的分辨率确定。

要注意的是，期望由忽略实际通量测量引起的误差相对较低。根据实际测量温度通过温度校正存储器60补偿了由温度变化引起的可能通量偏差。通过比较器83和乘法器84补偿了由老化引起的可能通量偏差，但这些效果不可能迅速随时间改变，所以对于相当短暂的周期，可以认为这些偏差是不变的，并且可以认为它们需要的补偿也是不变的，因而存储器90提供了充分的补偿。

在这个第二操作模式期间，控制器30继续监视控制信号S_C1、S_C2、S_C3的占空比。如果所有的占空比都超过所需的最低水平，控制器30切换到图3的第一操作模式，其中从减法器83而不是从存储器90获得通量误差信号S_FE1、S_FE2、S_FE3。

本领域的普通技术人员应该清楚，本发明不限于以上所述的典型实施例，在如所附的权利要求定义的保护范围内几种变化和改进是可能的。

例如在上述典型描述中，第二校正值β₁、β₂、β₃是存储在存储器90中并从存储器90读出的，但在从第一模式切换到第二模式的瞬间，还可能将通量测量信号S_F1、S_F2、S_F3的瞬时值存储在一个存储器内，并且目标值S_TF1、S_TF1、S_TF1要与来自存储器90的通量测量信号S_F1、S_F2、S_F3的“冷冻”值进行比较。

进而，在图4中，存储器90的输出耦合到相同的乘法器84，作为减法器83的输出。但还可能使用一个不同的乘法器。

进而，在上述典型的描述中，对于颜色偏差和通量偏差这两者基于温度的补偿都归结于温度校正存储器60上。然而还可能出现的情况是，温度校正存储器60只补偿颜色偏差，通量计算器82根据用户输入和所测温度对于通量计算出一个目标值，换言之，通量计算器82根据温度维护通量偏差的补偿。第一操作模式的这种可能性如图5A所示，图5A与图3进行比较。在图5B中说明的是第二操作模式的对应框图，图5B与图4进行比较。在选择第二操作模式的瞬间，将第二校正值β_-1、β₂、β₃存储在存储器90中。类似地，在存储器90中还要存储对应的目标通量信号S_TF1、S_TF2、S_TF3，将它们表示为“存储的”目标通量信号S_TF1M、S_TF2M、S_TF3M。在操作期间，通量计算器82根据瞬间温度来计算目标通量值S_TF1。这个瞬间目标通量值S_TF1除以“存储的”目标通量信号S_TF1M(除法器85)，给出第三校正值γ1。乘法器84将第二近似值S₁’乘以第三校正值γ1，并且乘以从存储器90读出的存储的第二校正值β_1M、β_2M、β_3M。于是，根据“存储的”通量数据产生了控制信号S_C1，但其中也考虑了由温度变化引起的通量偏差。

在以上的叙述中，参照框图说明了本发明，这些框图说明的是按照本发明的设备的功能块。应该理解，一个或多个这些功能块可以用硬件实施，其中的功能块的功能是由一个个硬件部件实现的，但是一个或多个功能块还可以用软件实施，因此这些功能块的功能是用计算机程序或可编程设备的一个或多个程序行实现的，可编程设备例如有微处理器、微控制器、数字信号处理器、等。

Claims

1、照明系统(1)，包括：

-多个光源(11、12、13)，用于产生相互不同颜色的光，每个光源都设有一个相关的驱动器(21、22、23)；

-一个控制器(30)，用于产生控制信号(S_C1、S_C2、S_C3)，控制对应的驱动器；

-温度前馈装置(60、61、62、63、81)，用于建立温度前馈(TFF)校正机制；

-通量反馈装置(71、82、83、84)，用于建立通量反馈(FFB)校正机制；

其中控制器(30)能够在第一种操作模式下操作，其中温度前馈(FFB)校正机制和通量反馈(FFB)校正机制这两者都是有效的；

其中控制器(30)能够在第二种操作模式下操作，其中温度前馈(FFB)校正机制是有效的，通量反馈(FFB)校正机制是无效的；

其中对于控制器(30)进行设计，以便监视控制信号(S_C1、S_C2、S_C3)的占空比，并且根据所述的占空比选择它的所述第一或第二操作模式。

2、根据权利要求1所述的系统，

其中当控制器(30)在第一操作模式下操作正在寻找至少一个占空比小于预定值时，将控制器(30)设计成能够切换到第二操作模式；

其中当控制器(30)在第二操作模式下操作正在寻找所有的占空比大于所述的预定值时，将控制器(30)设计成能够切换到第一操作模式。

3、根据权利要求2所述的系统，其中所述的通量反馈装置(71、82、83、84)包括计算装置(83)，用于根据目标通量信号(S_TF1、S_TF2、S_TF3)和测量通量信号(S_F1、S_F2、S_F3)的相互比较计算通量误差信号(S_FE1、S_FE2、S_FE3)，并且其中所述的通量反馈装置(71、82、83、84、87)包括补偿装置(84)，用于接收从所述的通量误差信号(S_FE1、S_FE2、S_FE3)导出的校正信号(β₁、β₂、β₃)并且从一个中间的控制信号值(S₁’、S₂’、S₃’)计算校正的控制信号(S_C1、S_C2、S_C3)；

其中系统(1)进一步还包括一个通量校正存储器(90)；

其中当控制器(30)在第一操作模式下操作正在寻找至少一个占空比小于预先确定的值时，将控制器(30)设计成能够将校正信号(β₁、β₂、β₃)的当前值存储在所述的存储器(90)中；

其中当控制器(30)在第二操作模式下操作时，将控制器(30)设计成能够从所述的存储器(90)中读出存储的校正信号(β_1M、β_2M、β_3M)，以便从中间控制信号值(S₁’、S₂’、S₃’)计算校正的控制信号(S_C1、S_C2、S_C3)。

4、根据权利要求3所述的系统，其中所述的计算装置(83)包括一个减法器(84)，用于在第一输入端接收目标通量信号(S_TF1、S_TF2、S_TF3)并且在第二输入端接收测量通量信号(S_F1、S_F2、S_F3)。

5、根据权利要求3所述的系统，其中所述的补偿装置(84)包括一个乘法器(84)，用于在第一输入端接收校正信号(β₁、β₂、β₃)并且在第二输入端接收中间控制信号(S₁’、S₂’、S₃’)。

6、根据权利要求3所述的系统，进一步还包括：温度检测装置(61、62、63)，用于产生表示光源(11、12、13)温度的温度信号(S_T1、S_T2、S_T3)，并且其中所述的中间控制信号值(S₁’、S₂’、S₃’)是从用户输入值(S₁、S₂、S₃)通过用户输入值(S₁、S₂、S₃)乘以第一校正值(α₁、α₂、α₃)计算出来的，所述的第一校正值基于所述的温度信号(S_T1、S_T2、S_T3)。