CN102577622B - 智能照明设备 - Google Patents

Abstract

公开了使用LED灯中的组件来以非常低的成本执行众多期望照明功能的智能照明设备。产生光的LED可被周期性瞬间关闭，例如，达人眼不能感知的持续时间，以便灯能光学地接收命令。光学传送的命令可被发送至灯，例如使用远程控制设备。该照明设备可使用当前被关闭的LED以接收数据并随后相应配置光或测量光。此种光可为针对光电传感器功能的环境光，或来自照明设备中的其他LED以调整颜色混合的光。

Description

智能照明设备

相关申请

本申请要求以下一同待决的临时申请的优先权：临时申请S/N.61/224,904、命名为“INTELLIGENT ILLUMINATION DEVICE”(智能照明设备)，其于2009年7月12日提交并因此通过援引整体结合于此。

发明技术领域

本发明涉及照明设备，并且更具体地涉及控制照明设备。

背景技术

常规照明过去曾使用白炽灯和荧光灯，但近来随着蓝色LED的发明，已经开始使用LED光。LED光的初始成本可能是高的，但随时间流逝，功率节省可实质上减少照明的总体成本。功率高效的LED光的高初始成本部分是因创建从功率源至LED的恒定电流必需的特殊电子器件所引起的。然而，具有此特殊电子器件，以非常小的附加成本实现诸如远程控制、调光、光感测、定时以及光的颜色调整之类的特征是可能的。针对常规照明的此类特征由单独的电子单元执行，这些电子单元使灯通电或断电，这增加了成本和复杂性。今天大多数LED灯包含串联和/或并联连接在一起的多个LED，且由开关电源驱动。在AC电网连接的灯中，电源从电网电压85-240V转换为用于LED的电流，而电池供电的灯中的电源从电池电压转换为用于LED的电流。此类电路由诸如针对电网连接的OnSemi和Supertex以及针对电池供电的Maxim之类的公司提供。

较低效率的LED灯简单通过串联电阻器将LED连接至电源。尽管较便宜，但电阻器耗散大量功率，且当连接至AC电源时，灯具有较差的功率因素。功率因素较差是因为LED仅在AC波形的峰值期间导通。

灯中的LED可为任何颜色或颜色的任何组合，包括白色。白色LED通常由以某种类型的黄色磷光体覆盖的蓝色LED制成。来自LED的大部分蓝光被磷光体吸收且以对应于绿色、黄色和一些红色的较低频率重新发射。该办法的一些优势包括低成本和更自然的连续光谱。一些不利包括因在磷光体中的损失导致的低效率、来自LED的带点蓝色、以及因磷光体降级导致的可靠性降低。诸如Cree照明和Nichia的公司在市场上销售此类高亮度LED。

一个特定的Cree产品的光谱显示450nm左右的尖峰，其是由LED产生的蓝光，以及550至600nm左右的宽峰，其是来自磷光体的黄色。在500nm和700nm，输出功率仅为峰值功率的20％。相反，日光的光谱恰从500nm之下至700nm之上是几乎平坦的。

为了克服光谱的红色端处的能量缺乏，Cree照明制造出包括红色LED串以及覆盖磷光体的蓝色LED串的总括两种颜色的LED灯。当将RGB源产生的光谱、Cree白色LED加红色LED解决方案的光谱与来自白炽灯的标准输出比较时，RGB的光谱以及白光加红光的光谱都既不良好匹配白炽灯光谱，也不良好匹配日光光谱，尽管白光加红光产生兼顾许多应用的良好成本/性能。

从彩色光谱的角度而言理想的LED灯应包含工作在不同功率电平的许多不同颜色的LED以产生或白炽灯或日光的粗略近似。红色、黄色、绿色和蓝色的组合可能是最小数量的颜色。尽管该办法应具有良好光谱以及更具能量效率和可靠，但每种颜色中的相对功率电平的控制在当今实践中是困难且昂贵的。

即使建立颜色随处理变化、温度、老化等进行控制的三色(RGB)LED光也存在挑战。一些技术包括通过三个滤光光电二极管对RGB驱动器电路的反馈。每个光电二极管被调至每个LED的颜色，并被连接至IC上的信号检测和信号处理功能。信号处理器随后相应控制红色、绿色和蓝色驱动电流。此类颜色滤波器光电二极管由Hamamatsu提供，这是相对昂贵的且消耗或许另外专用于产生光而非接收光的电路板空间。

国内半导体提供针对LCD显示器背光的RGB LED驱动器。它们的LP5520能校准LED光输出中的初始变化并随后随温度调整。然而，其并不能补偿老化。因为一些LED的输出功率随时间上升而一些LED的输出功率随时间下降，补偿的唯一有效手段是通过每个灯组件的实际光功率测量。

Cree的白色加红色LED灯包括6个白色LED以及30个红色LED的一个并行/串行组合的两个链，总共30个LED。其还包括如美国公开专利申请号2008-0309255中所述的光电检测器和温度传感器以保持颜色。波长选择性光电检测器监视较短发射波长(绿色且更短)并作为响应调整红色LED的亮度。同样，用温度感测元件监视温度，温度感测元件用于调整至红色LED的驱动电流以补偿随温度增加的亮度降级。既不测量红色LED产生的光功率，也不测量波长长于绿色的白色LED产生的光功率。红色LED亮度随寿命的任何变化不被补偿。用于驱动和控制不同颜色的LED并具有良好颜色区别且无用于附加光电检测器和温度传感器的成本和电路板空间的成本高效解决方案将是有益的。

传统的调光开关使用仅允许电网AC电压在部分循环期间被施加到白炽灯的双向三极管开关电路。例如，当设置为半功率时，对于正弦电压的第一个90度，传递给灯的电压信号为零，对于第二个90度跳至峰值振幅并跟随正弦降至零，对于下一个90度停留在零，以及最后跳至负峰值电压并跟随正弦返回至零。该办法是对消费者使电阻性白炽灯变暗的便宜且有效的方式。

尽管双向三极管开关调光器减少灯泡中的功率消耗，但它并不能减少公共事业公司必须产生的功率。电力公司产生与电压同相的电流。随着电压增加，电流增加。如果发电厂上的整个负载由用双向三极管开关调暗50％的光构成，则正循环和负循环的第一半期间产生的电流将不会去往灯泡，但它将会去往别处。无论光是全亮或变暗，公共事业必须生成相同量的功率且必须处理电网上的潜在危险瞬态。

可通过减少驱动电流或通过使用脉冲宽度调制(PWM)减少电流被施加的时间来减少来自LED的光。电流以快于眼睛能看见的速率开启和关闭，其中占空比与期望的光输出成比例。因为LED产生的光的波长随驱动电流变化，故PWM调光有时是较佳的。当用LED灯替代白炽灯时，现有的双向三极管开关调光器仍调整去往灯的电源。为了启用PWM调光，LED灯电路系统必须过滤电源、检测电源的占空比以及相应调整PWM占空比，这增加了成本和复杂性。

光电传感器通常被用于测量房间中的环境光或室外光照并作为响应调整灯的亮度。室外的灯可分别在黄昏和黎明被开启和关闭，或者室内的灯可被调暗由此来自窗口的光加来自灯的光保持恒定。对于现有技术，此类光电传感器需要被置于远离灯以便来自灯的光不干扰光电传感器。通常，光电传感器是独立的电子设备，其需要被安装。具有内置的不受来自灯的光输出影响并且不要求任何布线变化的光电传感器的灯将是有益的。进一步，能提供该功能性且不需要光电传感器的灯将更为有益。

开启和关闭灯的定时器通常插入墙上插座且基于一天中的时间将电力连接至附连的灯或断开。此类设备通常较大。安装的灯插座在没有显著布线变化的情形不能被变为定时器。具有不要求附加成本或任何布线变化的内置定时器功能的替代灯泡将是有益的。

新家中或新商业建筑中的电线和照明开关消耗建设成本的显著部分。另外，具有调光器的灯开关比简单的拨动开关昂贵得多，因此更少频率地被使用。可被例如类似TV遥控之类的设备远程控制的灯可能显著减少布线成本并提供附加特征，这将是有益的。

发展中世界正跨背跳跃发达世界的技术。例如，太阳能供电的家庭在整个发展中世界(即，肯尼亚、印度等)是广泛分布的。照明传统上由柴火提供且近来由煤油提供，这是十分低效的。太阳能电池板、汽车电池和LED灯的组合提供好的多的解决方案。日间，太阳能电池板为电池充电而在夜间，LED灯消耗电力。再充电系统的有效性决定该系统的有效性。任何太阳能效率改善都是很有意义的。LED是光敏的且能在暴露于光线时产生功率。利用该能量将是有益的。

本文在各个实施例中描述的本发明提供对上述问题的解决方案。

概要

在某些示例性实施例中，改进的照明设备使用LED灯中的组件以非常低的成本执行上述功能的一些或全部。产生光的LED可被周期性瞬间关闭，例如，达人眼不能感知的持续时间，以便灯能光学地接收命令。光学传送的命令可被发送至灯，例如使用远程控制设备。该照明设备可使用当前被关闭的LED以接收数据并随后相应配置光或测量光。此种光可为针对光电传感器功能的环境光，或来自照明设备中的其他LED以调整颜色混合的光。

在某些示例性实施例中，照明设备使用LED来产生光并提供至不可能以常规照明实现功率节省特征的控制器的双向通信。该照明设备例如可用来自远程控制器的光被编程以开启或关闭、以调整亮度或颜色、以及响应于环境光或定时器计数值的变化而开启或关闭。在正常工作期间产生照明的LED被周期性地用于在人眼不能检测的短间隔期间接收来自控制器的调制光。响应于来自远程控制器的命令，照明设备能产生以数据调制的光。另外，当远程控制器被关闭且被暴露于日光时，控制器中的LED可提供细流充电电流以维持全电池功率。

在某些方面，本发明提供一种智能照明设备的系统且在某些情况下，提供一种远程控制器。通常连接至AC电网电源的该照明设备能经由光接收来自远程控制器的命令，该远程控制器通常是电池供电的。远程控制器随后对灯进行编程用于定时器或光敏操作。例如，在黄昏，灯可被开启随后关闭、光在功率接通时到来并在固定时间后离去、光可以在固定时间到来和离去、或者光可在黄昏到来而在黎明离去。也可启用或禁用调光，或基于环境光自动调整调光。

在被开启时，照明设备周期性关闭LED以确定是否正发送任何命令或测量环境光。远程控制与这些瞬间“关灯”周期同步并在用户指示的情况下发送命令。这些命令可为开/关、调光、定时器、光电池、颜色等。当灯被遥控关闭时，AC功率仍是活动的。该设备进入低功率模式。当遥控将灯开启，入射光可为LED供电并使灯开启。也可通过移除AC功率关灯以及通过开启AC功率来开启灯。某些序列中的循环功率可将灯复位至默认状态。

在某些实施例中，照明设备在光输出被瞬间关闭的间隔期间使用光敏LED(即，红色LED)来检测收到的数据或DC光。对于多色光，照明设备可使用最长波长LED(即，红色LED)的链来检测其他颜色的输出功率。具有最长波长LED的两个链，每个链可测量另一个链的输出功率，由此使得反馈环能控制每种颜色的输出功率和混合的颜色混合。

一旦照明设备(即，“灯”)被安装在可被或不可被连接至调光开关的现有插座中，照明设备可由远程控制器调光。远程控制器在短的“关”时段期间发送命令以递增或递减输出光级。调光功能可通过以较佳锁定至开关调节器频率的开关频率脉冲宽度调制LED驱动电路或简单通过调整LED驱动电流来执行。

若启用光电感测，则在短的光关闭时段期间最长波长的LED链可被用于测量环境光。为了这样做，可以光电模式配置LED，并产生与入射光成比例的电压。若电压高于通过命令规定的级别，则作为响应，灯可关闭。若电压降落至低于该规定级别，则灯可开启。此种机制使得光能在夜间开启而在日间关闭。结合定时器，灯可在黄昏开启而在规定的时间量后关闭。

当启用定时器时，灯可在每天的不同时间开启和关闭，或在被开启后的规定时间量之后关闭。灯可由远程控制、通过开关施加的功率、或通过光电传感器功能开启。在电网连接应用中，定时器被同步至针对精确频率基准的AC频率。

当由电池供电时，光敏LED链可提供细流电流以对电池再充电。30个红色LED的链(例如，在CREE灯中)可产生近1mW的功率，该功率可对应用(诸如，不常使用的应急灯)中充电的电池保持再充电。对于诸如发展中世界常见的太阳能供电的关网格系统的应用，灯的充电能力可扩增太阳能电池板的能力。

附图描述

通过参照附图，能更好地理解本发明，而且使本发明的许多目标、特征和优点对本领域技术人员是显然的。

图1是照明设备和远程控制器的示例性系统图。

图2是由示例性照明设备执行的功能的示例性列表。

图3是照明设备和远程控制器之间的数据通信的示例性定时图。

图4是用于在照明设备和远程控制器之间传递数据的比特定时和编码方案的示例性定时图。

图5是示例性照明设备的框图。

在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项。虽然本发明容许多种修改和替代形式，但其具体实施例将通过附图中的示例示出且将在本文中详细描述。然而，应当理解的是，本发明的附图和详细说明不旨在将本发明限制为所公开的特定形式，反之，其意图是覆盖落在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等价物以及替代物。

具体描述

现在转向附图，图1是包含照明设备11和远程控制器12的智能照明设备系统10的一个示例。远程控制器12较佳地像闪光灯或TV远程控制一样由电池供电且被用于以调制光编程照明设备11。当照明设备11较佳地由电插座(例如，爱迪生基地插座)的AC电网供电时，照明设备11可由远程控制器12控制。当启用照明设备11以产生光时(即，“开启”或“产生光”)，照明设备11简短且周期性地停止发光以检测来自远程控制器12的命令或检测来自环境的环境光，或校准多色照明设备11中的颜色。当照明设备11由AC电网供电但不被启用以产生光(即，“关闭”)时，照明设备进入低功率状态。来自远程控制器12的命令在该状态下仍能由照明设备11检测。照明设备11通过瞬间产生以数据调制的光来响应远程控制器12。为了重设照明设备11至默认状态，至照明设备11的功率以特定序列循环。

图1只是许多可能的智能照明设备系统的一个示例。例如，照明设备11可由电池供电或远程控制器12可由AC电网供电。在另一示例中，若照明设备在其被设计或生产时被编程，则不需要远程控制器12。预编程设备的示例包括预先配置的夜灯，以及或许在开启一小时(或其他延迟)后自动关闭的灯。在此情形中，可减少照明设备的功能性。

在另一示例中，来自远程控制器12的光可在编程时用光为没电的照明设备11供电。例如，消费者可能购买包括该远程控制器的灯泡替代品。消费者随后可能将该灯泡保持对着遥控并将其配置为在开启35分钟后关闭，随后取出经编程的灯泡并将其拧入某处的插座中。如果不是该自供电的变例，灯泡将需要被拧入供能的插座以便对其编程，这或许是可能的，但仍然可能缺少便利性。

在又一示例中，远程控制器电池可在不使用时由日光或环境光充电。此外，多个照明设备11可彼此通信。例如，各个政府近来已经提出了某些建筑物必须具有基于是否有人在场而自动开启和关闭的智能灯的命令。一些大的照明公司提供包含具有运动探测器和900MHz RF收发机的灯的系统。当室内的一个灯检测到运动时，它告知其余的灯开启。该办法的两个主要问题在于：(1)灯是昂贵的，且(2)RF信号穿越墙至其他没有人的房间。本文描述的诸设备可经由符合下述条件的光彼此通信：(1)不要求RF电路系统的费用，以及(2)不穿越墙。此外，类似调光或颜色控制之类的功能可能受益于灯彼此通信。例如，用户可能对一个灯进行编程，且该灯随后重新配置其他的灯。在两个灯不断彼此通信的情况下，附加的应用可能是安全性。若入侵者在它们之间穿越并瞬间阻挡光，则这些灯检测该情形并以某种至中央安全系统的菊花链的方式将信息广播给建筑物内的其他灯。

表2是对启用远程控制器12以开启和关闭照明设备11、调整输出功率、以及将颜色变为三种不同设置中的一种的照明设备11的命令14的示例列表。此外，照明设备11可被配置为响应于日时计数器到达特定计数或环境光降至某一水平之下自动开启，以及在定时器从照明设备11被开启时起到达特定计数或环境光上升至高于某一水平后自动关闭。在此示例中，始终自动测量颜色混合并调整至特定设置。命令14的示例设定可使用4个比特来产生十六进制码13。

较佳地，十六进制码13之前有同步模式，之后为奇偶校验以产生8比特传递序列。此外，设定时间的命令必须跟有实际时间。既然一天有1440分钟，则1分钟的分辨率时间要求11比特，这可在该命令后以两个连续传递被发送。

表2只是命令14和十六进制码13的许多可能集合的一个示例。例如，在多色光中，每个单独分量可被调光或颜色校正可被启用或禁用。作为另一示例，日时计数器可同样计数每周的日子。照明设备11可能具有这些功能的子集或可能具有诸如选通或连续颜色变化等各种其他功能。此外，可读取照明设备11的状态和寄存器内容。并且，十六进制码13至命令14的指派可完全不同，且取决于命令14的数量可包含或多或少的比特。

图3是照明设备11正产生光时用于照明设备11和远程控制器12之间传达命令14的示例定时图。来自照明设备11的脉冲宽度调制光PWM20周期性地被间隙21中断，在间隙21时没有光产生。该示例中的间隙周期22是1秒。间隙时间23等于电网周期的一半或在60Hz下即为8.33毫秒。远程控制器12与来自照明设备11的PWM20光中的间隙21同步，并能在间隙21期间发送命令CMD24。当从远程控制器12发送并由照明设备11适当接收CMD24时，照明设备11在CMD24之后立即提供响应RSP25。远程控制器12可较佳地被狭窄聚焦(与闪光灯很类似)以协助用户将远程命令引导至具有多个照明设备的房间中的特定照明设备。用户可看到光束并将其直接射到一个灯上。这将来自遥控的光聚焦到照明设备上并将来自照明设备的光聚焦到遥控的检测器上。

在此示例中，来自照明设备11的光以电网频率的16倍或针对60Hz AC的960Hz进行脉冲宽度调制以启用调光而不必改变LED波长。在全亮度处，关闭时间非常短或不存在，而在较低亮度水平，开启时间短。脉冲的频率保持固定。为了防止远程控制器12丢失与照明设备11的同步，间隙21之前来自照明设备11的最后一个脉冲较佳地不被减少至远程控制器12能检测的最小宽度之下。

在另一示例中，1秒间隙时间22可在照明设备11和远程控制器12传达第一个CMD24之后被缩短至例如200毫秒，以使得相继的命令可被更快速传达。这对于调光是重要的，因为低功率和高功率之间存在许多功率电平级别。一旦远程控制器12停止发送命令，间隙周期22变宽返回至1秒间隔。

当照明设备11不产生光时，远程控制器12不检测间隙21且能在任何时间发送命令CMD24。图3示出的协议保持相同，除了照明设备11在处理前后不输出PWM20光。

当不发送命令CMD24或当照明设备11不产生光时，在间隙21期间，照明设备11可测量环境光。当光电传感器功能被启用时，从在发送命令CMD24时收到的光中减去环境光电平并用于确定何时开启或关闭照明设备11。更为具体地，当照明设备正接收命令时，背景光或环境光在跨LED(或光电二极管)的光学感生电压中产生DC偏移。该DC偏移可通过在没有发送命令时在间隙21期间测量光学感生电压并在接收命令时将其从所感生电压中减去来消除。或者，照明设备中的接收机可高通滤波所感生电压以移除DC偏移。因为数据率较低，故接收机可使用数字滤波器进行DC阻断(和均衡)。若DC偏移在接收命令前已知，则数字滤波器的初始状态可被相应设定，并减少建立时间。当启用光电传感器功能性时，当照明设备产生光时在间隙21期间测量环境光，并在不产生光时始终测量环境光。

另外，在多色照明设备11中，可在间隙21期间或在照明设备11不产生光时测量每个单独颜色的强度。例如，当照明设备11开启时，照明设备11可在产生期望的光之前简要测量每个颜色的强度。随后例如随照明设备变热可周期性地在间隙21期间测量诸颜色分量。

图3只是许多可能的定时图的一个示例。间隙周期22和间隙时间23可取决于应用有很大不同。响应RSP25可在不同时间被发送或根本不被发送。命令CMD24甚至可在PWM的关断时间期间被发送，且响应RSP25可能是PWM占空比中的变例。为了提供附加的误差保护，命令CMD24可在生效前被重复一次或多次。可实现许多不同的定时图和通信协议。对于由来自远程控制器12的光供电而非电池或AC电网供电的照明设备11而言，协议可包括显著的照明持续时间以便在电容器上存储足够电荷，例如以供电照明设备11并传达数据。

图4是解说照明设备11正产生光时在照明设备11和远程控制器12之间的比特级通信的示例定时图。通信始于照明设备11停止PWM20输出。照明设备同步IDSYNC30脉冲是照明设备11在间隙21之前产生的最后一个PWM脉冲。IDSYNC30的宽度大于远程控制器12可检测的最小脉冲宽度。诸如短系列脉冲的其他同步序列也可在每个间隙21之前产生。来自远程控制器12的CMD24包括双向编码的3个“1”的同步模式SYNC31、十六进制码13、以及偶数奇偶校验比特P32。在这个示例中，命令14为“关灯”。若照明设备11正确接收CMD24，则响应RSP25包括构成CMD24的相同的双向编码的SYNC31、十六进制码13、以及奇偶校验P32。

当照明设备11不产生光时，图4示出的协议保持相同，除了照明设备11在处理前后不输出PWM20光(也无IDSYNC30)。

图4只是许多可能的比特定时图的一个示例。代替双向编码，协议可能使用诸如4b5b、8b10b或NRZ等许多熟知的编码方案中的任一种。SYNC31可具有各种长度和完全不包括任何东西的序列。十六进制码13可具有或多或少的比特，而奇偶校验P32可为偶数或奇数，多于1比特，或根本没有。CRC码可被用于差错检测。对于由来自远程控制器12的光供电的照明设备11而言，协议可以有很大不同。特别是，可能必须从照明设备11向远程控制器12一次1比特地传送数据，其中远程控制器12例如在从照明设备11发送的比特之间发光以对照明设备11上的电容器进行再充电。这样做的有用收发机技术在由David J.Knapp于2009年1月27日提交的题为“Fault Tolerant Network Utilizing Bi-Directional Point-to-PointCommunications Links Between Nodes”(利用节点间的双向点对点通信链路的容错网络)的美国专利申请No.12/360,467、由David J.Knapp于2008年9月5日提交的题为“Optical Communication Device，Method and System”(光通信设备、方法和系统)的美国临时申请No.61/094,595以及由DavidJ.Knapp于2009年9月1日提交的题为“Optical Communication Device，Method and System”(光通信设备、方法和系统)的美国专利申请No.12/584,143中描述，其每一个通过引用完整结合于此。

图5是针对包括EMI滤波器和整流器41、AC-DC变换器、分压器、集成电路IC54以及LED链53的示例性照明设备11的示例框图。EMI滤波器和整流器41产生AC电网VAC40的全波整流版本，并将电网上的瞬间扰动最小化以避免影响经整流功率，以及将照明设备11中的开关噪声最小化以避免影响电网。分压器包括电阻器R42和R43并产生信号S57，信号S57是IC54的经整流电网信号的降压版本。AC-DC变换器包括电感器44和45(本文也称为电感器L44和L45)、电容器46和47(也称为“电容器C46和C47”，)、二极管48(也称为“二极管D48”)、N沟道开关晶体管49(也称为“开关N49”)以及集成电路54(IC54)上的功率控制器62。本示例示出LED链53包括LED50、LED51和LED52，其中LED52和LED53之间的虚线指示LED链53可包括许多LED。该架构对于单色光或由具有磷光体涂层的蓝色LED产生的白光是典型的。多色照明设备通常对每个颜色具有单独的LED链。

IC54包括存储器和控件60、PLL和定时61、功率控件62、接收机63以及输出驱动器64。存储器和控件60包括用于存储诸如启用定时器或光电传感器等的配置信息的非易失存储器，以及用于诸如调光等的设置的易失(或非易失)存储器。存储器和控件60还包括管理数据与远程控制器12的传递、产生脉冲宽度调制(PWM)LED驱动信号S59、以及实现控制IC54和照明设备11的总体功能的定时器和状态机的逻辑。

PLL和定时61包括照明设备被上电时产生相位锁定至S57的高频时钟的锁相环。包括R42和R43的分压器提供经整流电网电压的低压版本S57，该低压版本不会超过IC54的额定电压并被PLL锁定。IC54上的所有其他电路与PLL和定时61输出(未示出)同步。

PLL和定时61允许照明设备11通过锁定至电网频率来维持日时定时器功能性的精确时基。类似地，间隙周期22和间隙时间23可精确地与VAC20定时对准。此种定时可使多个照明设备11用光进行彼此之间的直接同步和通信。例如，多个照明设备(即“ID”)能通过首先就在产生光之前寻找间隙(例如间隙21)彼此同步。若发现合适间隙，照明设备与其同步。若没有发现间隙，则没有什么可同步且该照明设备实际上变为其他照明设备在开启时锁定的定时主机。此种照明设备较佳地也应能检测同步是否丢失以及能重新锁定。还应注意，照明设备和系统以及可见光通信系统和方法的附加实施例在由David J.Knapp于2010年1月19日提交的题为“Illumination Devices and Related Systems and Methods”(照明设备和相关系统及方法)的美国临时专利申请No.61/336,242以及由David J.Knapp于2010年3月2日提交的题为“Systems and Methods for Visible LightCommunication”(用于可见光通信的系统和方法)的美国临时专利申请No.61/339,273中描述，其每一个通过引用完整结合于此。还应注意，显示相关系统和方法、显示校准系统和方法以及LED校准系统和方法在由DavidJ.Knapp于2009年8月5日提交的题为“Display and Optical Pointer Systemsand Related Methods”(显示和光学指示器系统及相关方法)的美国临时专利申请No.61/273,518、由David J.Knapp于2009年8月5日提交的题为“Display Calibration Systems and Related Methods”(显示校准系统和相关方法)的美国临时专利申请No.61/273,536、由David J.Knapp于2009年9月30日提交的题为“LED Calibration Systems and Related Methods”(LED校准系统和相关方法)的美国临时专利申请No.61/277,871以及由David J.Knapp于2009年11月12日提交的题为“LED Calibration Systems andRelated Methods”(LED校准系统和相关方法)的美国临时专利申请No.61/281,046中描述，其每一个通过引用完整结合于此。

当VAC40被关闭时，电容器C47能将功率保留在IC54达一段时间。若VAC40在该时间内被关闭和开启，则IC54可保持上电。为了重设照明设备11至默认状态，VAC40可被关闭和开启数次达规定时间量。例如，重设序列可为3个短的“关闭”和“开启”区间，随后是3个较长的“关闭”和“开启”区间，以及最后为3个更短的“关闭”和“开启”区间。PLL和定时61监视信号S57、信号IC54以在信号S57停在较低时进入低功率状态，并测量短VAC40关闭和开启时段之间的时间。当PLL和定时61检测到正确的VAC40关闭和开启序列，IC54被重设至默认状态。

功率控件62以及外部组件电感器L44和L45、电容器C46和C47、二极管D48和开关N49以及来自输出驱动器64的电流感测反馈实现AC-DC变换器功能。该配置是以熟知的单端主电感器变换器(SEPIC)实现的。开关N49通过功率控件62以诸如1MHz的相对高的频率被开启和关闭，其中占空比变化以产生通过LED链53的期望电流。当开关N49关闭时，来自L44和L45的电流被牵拉通过开关49且电容器C46上存储的电荷向LED链53提供电流。当开关N49打开时，通过电感器L44和L45的电流流经二极管D48并至LED链53和C47。

功率控件62将来自输出驱动器64的电压反馈信号Vfb65和内部基准电压比较以产生调整耦合至开关N49的控制信号S58的占空比的误差信号。信号Vfb65由流经输出驱动器64中的小电阻器(未示出)的LED链53电流产生。当LED链53被关闭时，Vfb65变为V+55的经分压降压版本，这在接收数据时和在PWM调光关断时间期间发生。控制环调整反馈分压器以使V+55维持在与LED链53开启时相同的电压上。

当输出驱动器64开启或关闭至LED链53的电流时，在功率控件62能调整至信号S58的新占空比之前可能发生较大的电压瞬变。当LED链53电流被关闭时，V+55将走高直至S58的占空比降低，且当LED链53的电流被开启时，V+55将走低直至S58的占空比增加。为了将此瞬变最小化，功率控件62在将发生此变化之前从存储器和控件60接收信息并在一需要此变化时就调整S58的占空比。恰在输出控制器64将LED链53的电流关闭前，功率控件62测量S58的占空比并存储结果。在下次LED链53的电流被关闭时该占空比被立即恢复以防止V+55冲至很高。同样，在LED电流被开启时测量S58的占空比，且存储该结果，并随后恢复该占空比以防止V+55冲至较低。

输出驱动器64用接地的开关(未示出)将LED链53的电流开启或关闭。当开关打开时，电流通过LED链53和开关从V+55流至大地，当开关关闭时，没有电流流过。当开关打开时，与开关串联的小电阻器产生Vfb65。当开关打开时，控制环将来自V+55的可变分压器的输出与Vfb65进行比较并调整分压器直至输出等于Vfb65。当LED链53的电流关闭时，V+55分压器环也关闭且分压器保持固定。当LED链53的电流关闭时，V+55的该分压版本通过Vfb65被转发至功率控件62。当LED链53的电流被输出驱动器64关闭时，接收机63能接收来自远程控制器12的数据。来自远程控制器12的调制光被像在太阳能电池板中一样以光电模式工作的LED链53转换为电压信号S59。接收机63高通滤波S59以阻挡来自环境光的DC分量并消除光电LED链53的低带宽。此带宽通常支持高达每秒1k比特(1kbps)，但通过合适的均衡滤波器，数据率可增加10倍或更多。为了支持图3和4中的协议，需要2kbps。接收机63包括A/D变换器和数字滤波器以均衡信号S59。不需要定时恢复，因为数据从与IC54被锁定到的AC电网频率同步的远程控制器12发送。数字滤波器的输出在恰当时间被简单采样。

当照明设备11不产生光时，远程控制器12检测到不存在间隙21。因为远程控制器12不与来自照明设备11的间隙21同步，且因为远程控制器12是电池供电的，那么来自远程控制器12的数据与照明设备11中的定时异步。假设远程控制器12具有精确振荡器，诸如石英晶体，远程控制器12和照明设备参照时钟通常将在彼此的百万分之几百的范围内。照明设备11重设以高频锁定在第三SYNC31脉冲的下降沿上的定时器并使用该定时器来采样收到数据并产生已发送数据。两个参照时钟之间在一个传递周期的16毫秒上的偏移是不显著的。

照明设备11在间隙21期间且也在照明设备11不产生光时通过用接收机63中的A/D变换器测量信号S59的平均电压来测量环境光。A/D变换器应被构筑成具有小的DC误差，诸如熟知的斩波稳定架构以测量非常小的光级。

图5只是许多可能的照明设备11框图的一个示例。例如，多色光的照明设备11的架构可包括针对每个分量颜色的LED链53和输出驱动器64。示例颜色组合可包括红色、绿色和蓝色，或红色、黄色、绿色和蓝色，或红色和白色。在间隙21期间且也在照明设备11不产生光时，较低光频率的LED可测量彼此的光强度以及较高光频率LED的光强度。例如，在红色和白色照明设备中，例如在间隙21期间，白色LED链可能产生光且红色LED链可能被连接至接收机且可测量光功率。若红色LED被组织在具有分离的输出驱动器的两个分离链中，则在例如间隙期间一个红色LED链可测量另一个红色LED链的光功率。通过测量来自每个LED链的光功率，照明设备可调整去往不同LED链的电流以维持例如随LED变化、温度变化和LED寿命的特定色彩点。可分享单个接收机63并在不同时间将其连接至不同的LED链，或可实现多个接收机63。

可由远程控制器12在配置期间供电的照明设备的另一个示例照明设备11框图可包括第二非常小的功率接收机。该第二接收机可由接收调制光的LED链供电并可将配置信息存储在非易失存储器中。由光感生的跨LED链的平均电压通常显著低于从相同LED链产生光所需的电压。感生电压可被跨电容器C47存储，且LED链53的较小段可被连接至输出驱动器64以向远程控制器12发射响应。在不供电时配置照明设备11的通信协议可能不同于图3以使得电容器C47可在每个发射的光脉冲后被再充电。这样做的有用技术在前述的美国申请No.12/360,467和前述的美国临时申请No.61/094,595中描述。

对由电池而非AC电网供电的照明设备11的框图将具有电池以及潜在的不同类型的开关电源，诸如熟知的降压、升压、降压-升压、或反激。在可再充电的电池的情况下，入射至LED上的环境光或日光可产生用于对电池进行再充电的功率。此种照明设备11的框图可具有管理电池充电器的第二功率控件62。由AC电网供电的照明设备也可具有各种不同的AC-DC变换器的任一种，诸如升压-降压或反激。此种照明设备也可具有使照明设备在电力用光时维持日时计数器的备用可再充电电池。照明设备11的定时也可例如基于本地晶体振荡器而非电网频率。

作为再一示例，例如，使用硅光电二极管而非LED接收数据的照明设备的框图将具有连接至光电二极管而非LED链53的接收机63。此类架构对于仅使用涂覆磷光体的白色LED的照明设备尤其有用，此种LED在光电模式中不能很好地工作。硅光电二极管可接收来自远程控制器12的命令24、测量环境光、以及测量从LED链发射的光。

多个照明设备也可彼此通信。在此示例中，照明设备11可执行协议以与其他照明设备同步并仲裁传输带宽。当被开启时，照明设备11可监视环境光、搜索具有合适间隙周期22和间隙时间23的间隙21、以及若发现间隙21则与之同步。若所有照明设备被连接至AC电网，则非常精确的同步是可能的。照明设备可根据许多熟知的仲裁协议的任何一种来仲裁带宽。例如，若两个照明设备在相同时间发送，则照明设备两者检测到该冲突并在尝试再次通信前等待随机的时间量。作为另一种可能性，CMD24可包括优先级代码，该优先级代码指示在冲突情况下哪个照明设备停止发送。

作为本文使用的，假定照明设备产生一般光，通常具有人类可感知的本质，但可能是红外或其它波长。能产生光(即，“开启”)的照明设备可被构想为设为“开启状态”(即，将其照明状态设为开启状态)，即使如上所述，可能存在非常短的时间段，在这些时间段期间(诸如间隙期间、以及PWM信号的关闭时间)光源被瞬间“关闭”且没有实际发出光。照明设备的开启状态和关闭状态在以上描述的上下文中应该是清楚的，且不与实际光源开启和关闭状态混淆。

照明设备可通过若干事件的任一事件(诸如应用/移除至照明设备的功率，诸如通过对插入照明设备的光插座供能)、通过定时器事件、通过环境光控制以及通过远程命令被设定为开启状态或关闭状态。

示例性的框图在本文中描绘。然而，也可提供照明设备的其他框划分。如本文所使用，照明设备属性可表示照明设备的可操作状态或配置参数。诸示例包括针对照明设备内的一种或多种光源的照明状态、定时器设置、延迟设置、颜色设置、光感测模式设置、调光器设置、每日时间等。

虽然本发明可接受各种修改和替代形式，但其特定实施例已通过示例方式示出并描述。然而应该理解，在此所涉及的附图和详细描述并不旨在将本发明限制为所公开的特定形式。

Claims (15)

1.一种照明设备，包括：

光源，被配置为在所述照明设备被设定为开启状态时提供照明；以及

光控制电路，被配置为响应于源自所述照明设备外部的入射光控制所述光源，其中当所述照明设备被设定为开启状态时，所述光控制电路被配置为周期性且瞬间关闭所述光源，以产生所述照明中的周期性间隙，其中所述光源被配置成在所述周期性间隙期间检测所述入射光，并且其中所述周期性间隙与AC电压源的频率同步。

2.如权利要求1所述的所述照明设备，其特征在于：

所述光控制电路响应于由所述入射光传递的光调制命令。

3.如权利要求1所述的所述照明设备，其特征在于：

所述光控制电路在所述光源被关闭的所述周期性间隙期间响应于所述入射光。

4.如权利要求1所述的所述照明设备，其特征在于：

所述光控制电路包括接收机框，所述接收机框被配置为解调源自所述照明设备外部的所述入射光以检测由所述入射光传递的光调制命令；以及

所述接收机框在所述光源被关闭的所述周期性间隙期间响应于所述入射光。

5.如权利要求1所述的照明设备，其特征在于，除在所述周期性间隙期间之外，所述光控制电路被配置为在所述照明设备被设定为开启状态时脉冲宽度调制所述光源。

6.如权利要求5所述的照明设备，其特征在于，响应于收到的数据命令，所述光控制电路能改变所述光源的所述脉冲宽度调制以实现调光能力。

7.如权利要求1所述的照明设备，其特征在于，还包括：

电源框，可操作地由所述AC电压源供电，所述电源框被配置为向所述光控制电路和所述光源提供功率。

8.如权利要求1所述的照明设备，其特征在于，所述光控制电路被配置为控制所述光源与外部设备通信。

9.一种用于操作由AC电压源供电的照明设备的方法，其中当所述照明设备被设定为开启状态时，所述方法包括：

在第一时间接通光源以提供照明；

在第二时间周期性且瞬间关闭所述光源，以产生所述照明中的周期性间隙，其中所述周期性间隙与所述AC电压源的频率同步；

在所述周期性间隙期间检测源自所述照明设备外部的入射光；以及

响应于所述入射光控制所述照明设备。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括：

解调所述入射光以解码由所述入射光传递的光调制数据命令；以及

响应于从所述入射光解码的数据命令改变所述照明设备的属性。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述属性包括所述照明设备内的一个或多个光源的颜色调整设置。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于：

源自所述照明设备外部的所述入射光包括环境光；以及

所述控制步骤包括响应于检测到的环境光的量调整所述照明设备的亮度。

13.一种照明设备，包括：

第一LED和第二LED，被配置为在所述照明设备被设定为开启状态时提供照明，其中所述第一LED被配置为光检测器，用以在所述第一LED不提供照明时检测从所述第二LED发出的光；以及

光控制电路，被配置成周期性且瞬间关闭所述第一LED以产生所述照明中的周期性间隙，其中所述周期性间隙与向所述照明设备供电的AC电压源的频率同步。

14.如权利要求13所述的照明设备，其特征在于，所述光控制电路被配置成调整由所述照明设备产生的光的颜色。

15.如权利要求14所述的照明设备，其特征在于，调整由所述第一LED或所述第二LED或两者产生的光以便调整所述颜色。