CN101480104B - 驱动光源阵列的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种照明系统(1)，其包括多个光源组件(10)和公共控制器(21)。每个光源组件(10)包括多个可单独控制的光源(11，12，13)，以生成相互不同颜色的光。该控制器设计成生成针对各自光源的多个开关频率信号(SF1，SF2，SF3)，所述不同频率信号(SF1，SF2，SF3)具有在较小频带内的相互不同的频率(f1，f2，f3)。在每个光源组件中，每个光源响应于所述开关频率信号(SF1，SF2，SF3)中对应的一个频率信号，只要各个开关频率信号为零，则该光源接通，并且只要各个开关频率信号具有各个频率，则该光源断开。

Description

驱动光源阵列的方法和设备
技术领域
本发明一般涉及彩色照明领域。更特别的是，本发明涉及一种包括多个光源的照明设备，其颜色和亮度级是可控制的。在以下的说明中，假设将每个光源实现为LED，但是也能够利用其它类型的光源实现本发明，例如TL灯、卤素灯等。
背景技术
一般而言，希望照明设备能够生成具有可变光强度(变暗)和可变颜色的光。本领域技术人员应当清楚并且因此不需要详细阐述，可以利用包括生成相互不同颜色的光的三基色LED的配置，生成大部分色域中所有可能颜色的光。在典型实例中，一个LED生成红光，第二个LED生成绿光，并且第三个LED生成蓝光。这三个基色LED的组合光输出具有位于由这三个基色LED的颜色限定的颜色三角内的混合颜色，并且该颜色三角内的精确色点取决于三基色LED的相互的强度比。因此，通过改变三个基色LED之一的相对强度能够实现该设置的色点的改变，而通过改变全部基色LED的强度到相同的程度，能够实现光输出强度的改变，同时保持色点。
已经注意到，可以使用具有相互不同颜色的多于三个基色LED；在这种情况下，通过适当的改变，也能够应用本发明，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。
以下，包括三个(或更多个)不同基色光源的基本组件由“点(spot)”表示。因此，以其最小的实施方案，点正好包括三个LED。
然而，可能的是利用基本上相互相同的LED组成的阵列来实现基色光源，每个LED生成基本上相同的颜色，将它们并联和/或串联连接以提高光输出。以下，假设由一个LED实现每个基色光源。
为了控制各个基色光源的强度，向点提供微控制器。该微控制器具有例如从中央微控制器或者PC接收设定信号的输入端。该微控制器还具有三个控制输出端，一个输出端针对一个LED，以控制各个LED的工作。通常，以可变占空比来操纵该LED，以实现各个光强度的变化。
一种照明系统可以包括应以相同方式工作的两个或多个点，即生成相同的光颜色和强度级。因此，随着点数量的增加，微控制器的数量也增加。这样就造成了成本方面的问题，这是因为微控制器是点中主要的成本因素。
本发明旨在解决这个问题。更具体地讲，本发明旨在提供一种相对简单和低成本的照明系统，其包括两个或多个点，其能够仅以一个单独的公共控制器进行工作。
发明内容
为此，本发明提供了一种通信系统，其仅需要传送LED的电力和LED的命令信号的两条线。
已经注意到，EP1555859公开了一种用于照明系统的通信系统，其中通过公共的两线总线控制多个LED，该总线传送LED的电力以及LED的命令信号。在该现有技术的系统中，该命令信号是编码消息。每个消息包含表示该消息所针对的LED的编码地址以及表示该LED所需要执行的动作的编码指令。尽管这种系统确实实现了中央控制，但是实际上由于每个点需要具有用于接收、解码和处理该编码指令的智能设备(例如微处理器)而使其相当复杂和成本高。
在本发明提出的系统中，该命令信号简单的多，并且直接控制各个LED。将命令信号实现为小频带内的信号，该信号存在或者不存在。对于不同的LED而言，使用不同的频带。每个点包括对应于各个频带的滤波器。利用该滤波器的输出信号直接控制LED：存在或者不存在该信号表示LED的接通或断开，因此利用中央控制器通过对命令信号的占空比控制，直接控制LED的占空比控制。
附图说明
通过以下参照附图的说明进一步阐述本发明的这些及其它方面、特征和优点，其中相同的附图标记表示相同或类似的部件，并且在附图中：
图1是示意表示照明系统的结构图；
图2是更详细地表示控制器的实施例的结构图；
图3是示意表示图2的控制器中的信号的曲线图；
图4是更详细地表示光源组件的实施例的结构图；
图5是示意表示图4的光源组件中的信号的曲线图。
具体实施方式
图1示意地表示了照明系统1，其包括多个光源组件10和控制系统20。该图表示了四个光源组件10，但是光源组件的数量可以是三个或者更少，或者可以是五个或者更多。以下，将光源组件简称为“点”。
每个点10包括多个基色光源11、12、13。该图表示了每个点三个基色光源，但是基色光源的数量可以不止三个。在优选实施例中，该基色光源是由LED构成的，然而其它类型的光源也是可能的。每个基色光源可以由一个单独的LED(或者其它类型的光源)构成，但是基色光源还可以由多个串联和/或并联的LED(或者其它类型的光源)构成，以提高光输出。一个点的基色光源11、12、13相互之间是不同的，不同之处在于它们生成相互不同颜色的光，通常为红色、绿色、蓝色。尽管每个基色光源的LED(或者其它类型的光源)的数量对于不同点而言可以是不同的，但是这些点基本上相同的方面在于不同点的基色光源11、12、13生成相互相同颜色的光(即每个点生成红色、绿色和蓝色光的集合)。
每个点10生成点输出光14，它是该点的各个基色光源11、12、13发射的光的混和。该点输出光14具有取决于各个光源输出的强度比的颜色。通过改变一个或多个光源输出的强度，使点输出光14的颜色和/或强度变化。照明系统1的控制系统20设计成按照使每个点以基本相同的混和强度生成基本上相同的混和颜色的方式控制点的各个灯。
该控制系统20包括公共控制器21，其具有例如从用户或者外部微控制器或PC(未示出)接收设定点信号SSP的输入端。该控制器21还具有与两线控制总线24相连的输出端23。该控制器21设计成根据在其输入端22接收的设定点信号SSP，在其输出端23生成输出信号SBUS，该输出信号SBUS包含该点10的电能以及控制信号。所有点与总线25并联连接，因此所有点均接收相同的输入信号。在电能输入端26处，从普通电源向控制器21供电，该电源可以是电池等，但是在图1的实例中其表示为AC/DC转换器25，其由电力网供电。
图2是更加详细地表示控制器21的实施例的结构图。该控制器21包括计算器30，其具有三个输出端31、32、33并且具有从控制器输入端22接收设定点信号SSP的输入端34。根据该设定点信号，并且还根据相关存储器35中的颜色设定信息(例如查找表、公式等)，该计算器30计算各个LED11、12、13的工作占空比Δ1、Δ2、Δ3。该计算器30具有用于分别输出表示占空比Δ1、Δ2、Δ3的信号的输出端31、32、33。已经注意到，通过控制不同光源的占空比来进行颜色控制本身是一种已知的技术，因此此处无需对其进行详细解释。足以说，占空比Δ表示灯接通时间的持续时间与灯周期持续时间的比，并且例如能够表达为百分比或者0与1之间的数值。
该控制器21还包括占空比发生器41、42、43，它们分别从计算器30接收占空比Δ1、Δ2、Δ3。每个占空比发生器41、42、43用于分别生成占空比信号SDC1、SDC2、SDC3。每个占空比信号为具有高水平值(或称为“1”)或者低水平值(或称为“0”)的信号。如将要说明的，该点的LED在该占空比信号具有其高水平值时接通，并且在该占空比信号具有其低水平值时断开，或者可选的是，该点的LED在其占空比信号具有其高水平值时断开，在占空比信号具有其低水平值时接通。无论如何，占空比信号的周期决定了LED电流的周期，并且高信号值持续时间与低信号值持续时间的比决定了LED电流的占空比，将其设定为等于从计算器30接收的占空比Δ。已经注意到，能够由例如本身已知的决脉冲发生器实现每个占空比发生器。还已经注意到，由不同占空比发生器41、42、43生成的占空比信号SDC1、SDC2、SDC3的信号周期可以是相互相同的，但这不是关键的。
已经注意到，可以将占空比发生器41、42、43与计算器30集成在一起。
该控制器21还包括可控频率发生器51、52、53，它们分别从占空比发生器41、42、43接收占空比信号SDC1、SDC2、SDC3。每个频率发生器51、52、53能够分别生成具有预定频率f1、f2、f3的频率信号，其优选为具有单频或者在较小的频率带内的正弦形波形。不同频率发生器51、52、53的频率f1、f2、f3是相互不同的。频率f1、f2、f3的适当值例如为57kHz、73kHz、127kHz。
该频率发生器51、52、53是可控的，使得它们生成或者不生成分别与作为控制信号接收的占空比信号SDC1、SDC2、SDC3相符的频率信号。例如，可能的是频率发生器连续地生成频率信号，并且该频率发生器在其输出端处设有开关，由占空比信号对所述开关进行控制，从而传递或者阻挡频率信号。还可能的是，利用占空比信号接通和断开频率发生器。无论如何，频率发生器51、52、53的输出信号SF1、SF2、SF3分别为开关信号，其为零或者具有相应频率f1、f2、f3的交变信号。以下，假设当相应的占空比信号SDC1、SDC2、SDC3分别为低水平时，频率发生器51、52、53的输出信号SF1、SF2、SF3分别为零，并且当相应的占空比信号SDC1、SDC2、SDC3分别为高水平时，输出信号SF1、SF2、SF3为具有相应频率f1、f2、f3的交变信号。
已经注意到，交变信号可以在负值与正值之间交变，但是还可能的是该交变信号在零与负或正值之间交变。
已经注意到，可以将频率发生器51、52、53分别与占空比发生器41、42、43集成，并且它们共同可以与计算器30集成。
该控制器21还包括第一加法器61，其分别接收频率发生器51、52、53的输出信号SF1、SF2、SF3。因此，该第一加法器61提供输出信号S61，输出信号S61分别包含频率发生器51、52、53的全部输出信号SF1、SF2、SF3的信号分量。
该控制器21还包括第二加法器62，其从第一加法器61接收输出信号S61，并且还接收恒定电压VDC，其可以与在电源输入端26处接收的电压相同，或者可以通过恒定电压源63由该电压获得。已经注意到，第二加法器62可以与第一加法器61集成。
第二加法器62的输出端与控制器21的输出端23相连。因此，该总线24传送总线信号SBUS，其为直流电压VDC与三个开关频率信号SF1、SF2、SF3的组合。这在图3中示出，其为表示作为时间函数的三个占空比信号SDC1、SDC2、SDC3、三个开关频率信号SF1、SF2、SF3和总线信号SBUS的曲线图。
在图3中，将第一占空比信号SDC1表示为从时间t11到时间t12为高，并且表示为从时间t12到时间t13为低，因此第一周期T1等于t13-t11。同样，将第二占空比信号SDC2表示为从时间t21到时间t22为高，并且表示为从时间t22到时间t23为低，因此第二周期T2等于t23-t21。同样，将第三占空比信号SDC3表示为从时间t31到时间t32为高，并且表示为从时间t32到时间t33为低，因此第三周期T3等于t33-t31。将该三个周期T1、T2、T3表示为相互相等的，但是这不是关键的。而且，为了清楚起见，将t21表示为迟于t12，并且将t31表示为迟于t22，而将t13表示为迟于t32，因此三个高区间不重叠；然而，这种重叠是非常有可能的。
已经注意到，在这个优选实施例中，该总线24在相同的线上传送电力以及控制信号，为了关闭信号回路，其为2线总线。可选的是，可能的是电力和控制信号分离，在这种情况下在相同的线上传送控制信号并且在不同的线上传送电力。在这种情况下，需要4线总线，或者如果控制信号和电力共用公共的返回线则需要3线总线。
图4是更详细地示意表示点10的结构图。该点10具有与总线24相连的输入端16，因此接收总线信号SBUS。该点还包括带通滤波器71、72、73，其分别具有与点输入端16相连的各个输入端。每个带通滤波器71、72、73设计成传递分别处于频率发生器51、52、53的频率f1、f2、f3附近的小频带内的信号分量，并且阻挡所述频带之外的信号分量，包括DC。因此，第一带通滤波器71输出对应于开关频率信号SF1的过滤信号SO1。同样，第二带通滤波器72输出对应于开关频率信号SF2的过滤信号SO2，并且第三带通滤波器73输出对应于开关频率信号SF3的过滤信号SO3。
该点10还包括信号探测器81、82、83，其分别从带通滤波器71、72、73接收过滤信号SO1、SO2、SO3。已经注意到，该信号探测器本身是已知的，例如实现为峰值探测器、采样和保持探测器等，因此此处省略了对信号探测器的详细说明。每个信号探测器81、82、83用于将其探测到的输入信号振幅与预定阈值水平(为了简化未示出)进行比较，并且如果其探测到的输入信号振幅低于所述阈值水平，则提供为低或零的输出信号S81、S82、S83，或者如果其探测到的输入信号振幅高于所述阈值水平，则提供为高的输出信号。因此，该输出信号S81、S82、S83分别对应于占空比信号SDC1、SDC2、SDC3。可选的是，还可能的是，如果其探测到的输入信号振幅低于所述阈值水平则该输出信号为高，并且如果其探测到的输入信号振幅高于所述阈值水平则该输出信号为低(换相器功能)。
已经注意到，信号探测器81、82、83可以分别与带通滤波器71、72、73集成。
该点10还包括可控LED驱动器91、92、93，它们分别从信号探测器81、82、83接收作为控制信号的输出信号S81、S82、S83。已经注意到，该可控LED驱动器本身是已知的，因此此处省略了对LED驱动器的详细说明。每个LED驱动器91、92、93用于驱动相应的LED 11、12、13。每个LED驱动器91、92、93响应于其相应的控制信号S81、S82、S83，与相应控制信号S81、S82、S83的状态相符地将其相应的LED 11、12、13接通(生成灯电流)或者断开(没有灯电流)。在优选实施例中，当总线24上的相应开关频率信号SF1、SF2、SF3具有足够高的振幅时LED关闭，并且当总线24上的相应开关频率信号SF1、SF2、SF3为零时LED接通。可选的是，还可能的是，当总线24上的相应开关频率信号SF1、SF2、SF3具有足够高的振幅时LED接通，并且当总线24上的相应开关频率信号SF1、SF2、SF3为零时LED关闭。
已经注意到，灯电流可以是直流电流或者交流电流。
为了给LED驱动器91、92、93供电，该点10还包括低通滤波器74，其具有与点输入端16相连的输入端。该低通滤波器74设计成传送频率接近零的信号分量，并且阻挡具有更高频率的信号成分，特别是在频率发生器51、52、53的频率f2、f3、f3范围中的频率。因此，该低通滤波器74输出由恒定电压源63生成的直流电压VDC。已经注意到，如果是3线或者4线总线，则该低通滤波器74的输入端与点10的不同输入端(未示出)耦合，其与总线的适当的线相连。
图5是表示作为时间的函数的总线信号SBUS、三个过滤信号SO1、SO2和SO3、三个探测器输出信号S81、S82、S83和三个LED 11、12、13的状态的曲线图。
应当清楚，以上说明适用于每个点，因此所有点10的全部第一LED 11响应于相互相同的频率信号，并且以相互相同的占空比进行驱动，所有点10的全部第二LED 12响应于相互相同的频率信号，并且以相互相同的占空比进行驱动，并且所有点10的全部第三LED13响应于相互相同的频率信号，并且以相互相同的占空比进行驱动。
本领域技术人员应当清楚，本发明不限于上述示例性实施例，但是在权利要求限定的本发明保护范围内的各种变化和修改也是可能的。
例如，该照明系统不必用于颜色控制。
而且，尽管本发明允许应用2线总线，但是本申请的控制系统不必局限于以2线总线实现。
而且，每个灯驱动器可以包括用于生成灯电流的开关模式电源。这种开关模式电源以某个开关频率工作。优选的是，这种开关模式电源的工作频率与总线24上的命令信号中使用的任何频率不一致。
以上已经参照表示根据本发明的设备的功能块的结构图描述了本发明。应当理解，这些功能块中的一个或多个可以在硬件中实现，其中由单独的硬件部件来完成该功能块的功能，但是还可能的是以软件实现这些功能块中的一个或多个，从而由计算机程序的一个或多个程序行或者由诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器等之类的可编程设备来完成这样的功能块的功能。

Claims (13)

1.一种照明系统(1)，包括多个光源组件(10)和公共控制器(21)；
其中每个光源组件(10)包括多个可单独控制的光源(11，12，13)，以生成相互不同颜色的光；
其中该控制器用于生成针对各自光源的多个开关频率信号(SF1，SF2，SF3)，该不同频率信号(SF1，SF2，SF3)具有在较小频带内的相互不同的频率(f1，f2，f3)；
其中在每个光源组件中，每个光源响应于所述开关频率信号(SF1，SF2，SF3)中对应的一个开关频率信号；
其中该控制器(21)具有用于接收表示由光源组件(10)生成的光(14)的期望色点的设定点信号(SSP)的输入端(22)；
其中根据该接收到的设定点信号(SSP)将该控制器(21)设计成生成多个针对各自光源(11，12，13)的开关频率信号(SF1，SF2，SF3)；
其中该控制器(21)还包括：
-计算器(30)，用于根据接收到的设定点信号(SSP)计算各个光源(11，12，13)的占空比(Δ1，Δ2，Δ3)；
-多个占空比发生器(41，42，43)，每个占空比发生器(41，42，43)响应于从计算器(30)接收的各个占空比(Δ1，Δ2，Δ3)，以生成交变地具有第一值和第二值的占空比信号(SDC1，SDC2，SDC3)；
-多个频率发生器(51，52，53)，每个频率发生器(51，52，53)响应于从各个占空比发生器(41，42，43)接收的各个占空比信号(SDC1，SDC2，SDC3)，以与各个占空比信号(SDC1，SDC2，SDC3)相符地生成所述开关频率信号(SF1，SF2，SF3)；
其中每个光源组件(10)包括：
-多个带通滤波器(71，72，73)，每个带通滤波器(71，72，73)被耦合以从组件输入端(16)接收总线信号(SBUS)，并且具有与所述较小频带中对应的一个频带相匹配的带通特性；
-多个可控制的灯驱动器(91，92，93)，其中每个灯驱动器(91，92，93)响应于各个带通滤波器(71，72，73)的经滤波的输出信号(SO1，SO2，SO3)设定其工作状态。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中每个开关频率信号(SF1，SF2，SF3)在信号为零的第一状态与信号具有在所述较小频带内的第二状态之间切换，只要各个开关频率信号处于所述状态之一，该光源就接通，并且只要各个开关频率信号处于相反状态，该光源就关闭。
3.根据权利要求2所述的照明系统，只要各个开关频率信号处于其第一状态，该光源就接通，并且只要各个开关频率信号处于其第二状态(f1，f2，f3)，该光源就断开。
4.根据权利要求1所述的照明系统，其中该公共控制器(21)是用于控制光源组件(10)的操作的公共控制系统(20)的一部分，该控制系统(20)包括控制总线(24)，该公共控制器(21)的输出端(23)与控制总线(24)耦合；
其中每个光源组件(10)具有与控制总线(24)耦合的控制输入端(16)；
每个开关频率信号(SF1，SF2，SF3)在信号为零的第一状态与信号为具有在较小频带内的频率的交变信号的第二状态之间切换，该不同频率信号(SF1，SF2，SF3)具有相互不同的频率(f1，f2，f3)，并且其中该控制器(21)设计成在其输出端(23)提供作为总线信号(SBUS)的所述开关频率信号(SF1，SF2，SF3)之和；
其中，在每个光源组件(10)中，每个光源(11，12，13)响应于所述开关频率信号(SF1，SF2，SF3)中对应的一个频率信号，只要各个开关频率信号处于所述状态之一，该光源接通，并且只要各个开关频率信号为相反状态，则该光源断开。
5.根据权利要求4所述的照明系统，其中该控制总线(24)为两线控制总线。
6.根据权利要求4所述的照明系统，其中该控制总线(24)还传送该光源组件(10)的电力。
7.根据权利要求4所述的照明系统，其中占空比信号(SDC1，SDC2，SDC3)的占空比对应于从计算器(30)接收的各个占空比(Δ1，Δ2，Δ3)。
8.根据权利要求7所述的照明系统，其中只要各个占空比信号(SDC1，SDC2，SDC3)具有第一值，则频率发生器(51，52，53)输出具有在较小频带内的频率的交变信号，并且其中只要各个占空比信号(SDC1，SDC2，SDC3)具有第二值，则频率发生器(51，52，53)输出零信号。
9.根据权利要求7所述的照明系统，其中该控制器(21)包括用于将来自频率发生器(51，52，53)的开关频率信号(SF1，SF2，SF3)相加的第一加法器(61)，其中提供作为总线信号(SBUS)的该第一加法器(61)的输出信号(S61)。
10.根据权利要求9所述的照明系统，其中该控制器(21)包括用于将DC功率信号(VDC)与来自频率发生器(51，52，53)的开关频率信号(SF1，SF2，SF3)相加的第二加法器(62)，其中提供作为总线信号(SBUS)的第二加法器(62)的输出信号。
11.根据权利要求4所述的照明系统，其中每个灯驱动器与所述光源(11，12，13)中对应的一个光源相关联，每个灯驱动器能够以两种工作状态工作，其中该灯驱动器在其处于第一工作状态时生成灯电流，并且在其以第二工作状态工作时不生成灯电流。
12.根据权利要求11所述的照明系统，其中该灯驱动器在各个带通滤波器(71，72，73)的经滤波的输出信号(SO1，SO2，SO3)低于预定阈值水平时以其第一工作状态工作，而该灯驱动器在各个带通滤波器(71，72，73)的经滤波的输出信号(SO1，SO2，SO3)高于预定阈值水平时以其第二工作状态工作。
13.根据权利要求11所述的照明系统，其中每个光源组件(10)还包括低通滤波器(74)，耦合其输入端以从组件输入端(16)接收总线信号(SBUS)，该低通滤波器(74)为灯驱动器(91，92，93)提供供电源信号(VDC)。
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