CN104509208A - 复用超低功率led照明器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于与电影院相同的光学原理的照明器，在电影院中，在任何给定时刻仅呈现一个图像，但该图像表现为不断移动。根据本发明，与电视屏幕一样，每个LED以顺序方式对于一个时刻同时点亮。本发明的LED照明器包括电路中的电子元件的配置，其控制LED阵列的照明并且还包括能够被用于改进照明器的功耗、照明控制和LED照明器的照明质量的PIC微控制器、CMOS复用器和运算放大器。

Description

复用超低功率LED照明器

技术领域

根据本发明的照明器基于与电影院相同的光学原理，在电影院，在任何给定时刻仅呈现一个图像，但该图像表现为不断移动。在这种情况下，与电视屏幕一样，每个LED以顺序方式针对一个时刻同时点亮。

具体地讲，根据本发明的照明器针对6和15 V DC之间的功率供应被设计以取代700和1400流明之间的白炽照明器或荧光照明器，并且基于复用的原理，其中构成照明矩阵的LED中的仅一个LED以高速在不到一秒期间点亮，从而使得人眼感知到它们全部点亮。

背景技术

节能的努力已导致对新的照明方法的探索，诸如LED照明器的使用。LED照明器相对于传统照明装置(诸如，钨丝灯和荧光灯)具有优势，因为它们具有超过50000小时的使用寿命，它们不发射可感知的热量并且它们比传统照明装置消耗少高达90%的能量。

由LED照明器实现的节能正在使传统钨丝灯和荧光灯消失并且被这些照明器取代，LED照明器具有非常低的能耗。考虑到这种情况，尽管通过使用LED照明器获得了显著节约，但仍努力进一步使所述LED照明器的能耗最小化。在这种情况下，已进行各种尝试以创造关注节能的产品，该产品比已知产品高效并且同时使发光强度最大化。

在尝试找到所述产品时，已产生各种专利文件，包括专利FR 2631102，FR 2631102公开一种包括光源的灯，光源包括LED，LED被划分为由电池并行供电的区段，其特征在于插入在电池的一个极和光源区段之间的具有断电装置的电压增加电路。所述文件还包括插入在电池的另一个极和各区段之间的复用电路，该复用电路逐个地依次以循环方式连接到这个另一个极。这个文件中的二极管灯具有低能耗，并且循环照明方法以足够的速度发生以给予人眼连续照明的印象。

意图获得用在交通灯中的旋入式LED灯的另一文件是专利US5850126。所述专利要求保护一种灯，所述灯包括：一组互连LED元件；插头，被适配为旋入到AC电源线中；和电子脉冲激活单元，连接到插头以将交流转换成周期性直流电压脉冲并且将这些脉冲施加于所述一组LED元件以引起闪烁。这些脉冲具有产生视觉暂留的重复速率，由此光闪烁被视为稳定的光。施加于LED元件的电压脉冲具有比普通电流值大的量值，并且脉冲持续时间是几微秒，使产生的光的强度大于利用普通电流产生的光。在LED元件未被利用每个脉冲经过LED元件的高强度电流损坏的情况下发生前述情况。这个专利文件公开一种控制一组LED灯的电路，使LED等提供被感知为稳定照明的高强度脉冲照明，而同时减少功耗。这些特征包括与脉冲产生器结合的AC/DC调节器，但不包括用于本发明的电子元件的组件的与PIC处理器和CMOS复用器结合的振荡器。

为了补充现有技术的已有信息，必须包括文件US6329760，US6329760涉及一种用于操作灯的电路，该电路包括用于产生具有超过10 Hz的频率的第一系列脉冲的第一脉冲产生器和产生第二系列脉冲的第二脉冲产生器，并且该电路能够通过所述电路与电压源和灯的连接而由第一脉冲产生器接通或断开。脉冲序列优选地具有没有脉冲的时间段，所述没有脉冲的时间段至少与脉冲时间段一样长。如此，该电路以大约16 Hz的频率产生具有矩形电压波的一系列脉冲。发光二极管照明，从而使得它对于人眼而言表现为连续地照明，但二极管间歇地照明。循环开/关变化的效果和高自感应电压的产生之和引起与利用不变电流操作的LED灯相同的效果。本发明导致比原始少10%的功耗。

这个专利文件公开一种控制一组LED灯以使它们提供被感知为稳定照明的高强度脉冲照明而同时减少功耗的电路。具体地讲， US6329760提及两个不同脉冲产生器。然而，所述出版物未提及使用具有PIC微控制器的振荡器。

除了前述文件之外，现有技术还探索了公开的专利申请US 2005195600 A1，该专利申请涉及一种用于环境照明的照明器，该照明器包含：微控制器，在不使用复用矩阵的情况下使用脉冲调制改变脉冲时间段以改变LED的发光强度；和射频接收器，接收通过照明器的遥控来发送的信号。

尽管已经在LED照明器中的节能方面取得进展，但现有技术揭示明显需要这样一种LED照明器：其提供直接的并且不变的能耗，包括复用照明的性质以减少LED矩阵的消耗单元所需的电功率，并且使复用照明系统中的每单位照明强度最大化。

因此，现有技术所需的LED照明器必须包括电路的电子元件的布局，其控制LED矩阵的照明并且作为整体还包括改进照明器的功耗、对照明的控制和LED照明器的照明质量的PIC微控制器、CMOS复用器、运算放大器。

附图说明

图1是根据本发明的照明器的部件的图。

图2是根据本发明的照明器的实施例的电路图。

图3是由微控制器的控制器运行的程序的步骤的顺序的流程图。

具体实施方式

根据本发明的照明器是具有个体单元功率控制的复用LED矩阵。这个照明器被设计为不使每个LED保持同时照明，而是将它们逐个地点亮几毫秒，控制施加的功率以便使其发光度最大化，利用类似于使用的LED单元和控制电路的能量消耗获得相同的光质。本发明的另一特征在于：照明器的操作能够被控制以显示不同显示图案。

由于其功耗和功率供应特征，根据本发明的照明器理想地用于交流发电源，诸如风涡轮机、光伏面板和压电发电机。然而，它能够被用在具有合适的电压适配器的任何局部电网络中。

图1示出根据本发明的照明器的部件的方框图，所述照明器包括电压调节器(5)，电压调节器(5)将需要的电压供应给微控制器(1)。微控制器(1)被用于复用照明并且控制该过程。根据本发明的照明器还包括运算放大器或频率-电压转换器(FVC)(8)，运算放大器或FVC (8)增加CMOS十进制计数器(7)和CMOS NOT门阵列(9)的电压，CMOS十进制计数器(7)和CMOS NOT门阵列(9)被用于控制LED矩阵(3)的功率。

以下是根据本发明的照明器的电操作的描述。

微控制器(1)包含步骤序列程序，如图3中所示。使用这个程序，微控制器(1)控制CMOS (7)和CMOS NOT门阵列(9)，CMOS (7)和CMOS NOT门阵列(9)被用于控制LED矩阵(3)。

当照明器接通时，Vss以电网电压为微控制器(1)和FVC (8)供电，其可在6和15 V DC之间，这触发微控制器(1)的程序的所述步骤序列。

FVC (8)的输出是5 V，激活CMOS (7)和CMOS NOT门阵列(9)。在程序序列的十个完整周期之后，在(I)处的频率按照每个周期增加10%达到FVC (8)所需的最大值，以使得它通过(V)为CMOS (7)和(9)提供接近于Vss的值，从而使得照明达到其最大水平。

以下是微控制器的程序的操作的描述。

在PIC (1)的程序的开始，配置与微控制器(1)到FVC (8)的输出(I)、PIC (1)到CMOS十进制计数器(7)的输出(II)、微控制器(1)到CMOS(9)的输出管脚(IV)和作为控制输入的微控制器(1)的管脚(VI)对应的输出和输入。

Cnt1和Cnt2匹配与微控制器(1)的输出管脚的数量对应的值，并且然后延迟函数被调用（该延迟函数具有由值Cnt1定义的等待时间），并且复用周期开始。

图3示出如何在微控制器的程序的步骤序列期间管理变量Cnt1和Cnt2。Cnt1的值是整个过程的延迟的乘数，并且Cnt2是处理矩阵(3)的输出变化的恒定计数器。当Cnt2等于10(序列中的初始值)时，有效输出是从微控制器(1)到CMOS (9)的(IV)中的第一输出管脚，并且每个减量单位对应于下一个输出管脚(IV)，直至Cnt2等于1，这意味着有效输出是最后输出管脚(IV)。去往FVC (8)的输出(I)与最后输出管脚(IV)相同。然而，不同管脚被用于防止过载的风险。

复用周期

复用周期被无限地运行，直至照明器断电。在前十个周期中，在延迟函数中存在时间的减量的一致变化，以使得有时间来稳定微控制器(1)的内部振荡器。周期开始于使输出(II)为高，并且将第一输出管脚(IV)的输出的状态与在输入(VI)读取的数据匹配，然后它等待由延迟定义的时间，减小Cnt2并且返回到(II)和第一输出管脚(IV)，然后它返回到首次调用延迟函数的点。在返回到比较Cnt2的判定点时，Cnt2的值将已经具有一个单位的减量，由此，有效输出不再是微控制器(1)的第一输出管脚(IV)而是下一个管脚(IV)，以此类推，直至达到微控制器的最后管脚(IV)。

Cnt1的减小

在最后复用周期中，当Cnt2 = 0并且有效输出是最后输出管脚(IV)时，判定点Cnt2 > 0将程序的指针发送到第二判定点Cnt1 > 1。对于程序的前九个周期而言这将会是成立的，但从第九周期开始，这将会总是不成立的，将程序的指针移至Cnt2的重新加载，并且因此重新开始复用周期。

以下是根据本发明的照明器的实施例的描述

如图2中所示，根据本发明的照明器的一个实施例由被微控制器(1)控制的五个集成电路形成。所述微控制器(1)被用于复用照明并且接收外部信号。该照明器还包括电压调节器(5)，电压调节器(5)被用于连续地供应微控制器(1)所需的电压。提供的电压是5 V。

在所述实施例中，CMOS十进制计数器(7)和CMOS (9)是集成CMOS电路(4)和(6)(以下分别称为CI-CMOS (A)和(B))，一旦照明操作已开始并且一旦微控制器(1)已稳定，所述CI-CMOS (A)和(B)就控制矩阵(3)的LED的功率。CI-CMOS (B)被用于向LED矩阵(3)的行供电，并且CI-CMOS (A)被用于控制LED矩阵(3)的列。

如图2中所示，在根据本发明的照明器的所述实施例中，FVC (8)被配置为频率-电压转换器(2)，频率-电压转换器(2)被用于增加集成CI-CMOS电路(A)和(B)的电压，一旦照明操作已开始并且一旦微控制器(1)已稳定，集成CI-CMOS电路(A)和(B)就控制矩阵(3)的LED的功率。

以下是本发明的所述实施例的电操作的描述。

微控制器(1)包含步骤序列程序，如图3中所示。使用所述程序，微控制器(1)控制CI-CMOS (A) (4)和CI-CMOS (B) (6)，CI-CMOS (A) (4)和CI-CMOS (B) (6)继而控制LED矩阵(3)的列并且向LED矩阵(3)的行供电。

参照图2，当照明器接通时，Vss以电网电压为微控制器(1)和FVC (2)两者供电，其可在6和15 V DC之间，这触发微控制器(1)的程序的步骤序列。

FVC (2)的电压输出是5 V，用于操作CI-CMOS (A)和(B)(分别为(4)和(6))。在程序序列的十个完整周期之后，在(a)处的频率按照每个周期增加10%达到FVC (2)所需的最大值，以使得它为CI-CMOS (A)和(B)(分别为(4)和(6))提供接近于Vss的值，从而使得照明达到其最大水平。

Control In线和Control Out线被用于根据外部命令控制照明器的不同显示图案，在Control In未连接到外部命令R1时，它将会使(c)保持为高并且发光显示将会是永久的。

以下是对本发明的所述实施例中的微控制器的程序的操作的描述

当微控制器的程序的步骤序列开始时，参见图2，如输入管脚(c)一样，配置输出管脚(a)、(b)和(d)至(m)。Cnt1和Cnt2切换到10；调用延迟函数，该延迟函数的等待时间由Cnt1的值定义，并且复用周期开始。

如上所述，图3示出如何在微控制器的程序的步骤序列期间管理两个变量Cnt1和Cnt2。Cnt1的值是整个过程的延迟的乘数，并且Cnt2是处理矩阵(3)的输出变化的永久计数器。当Cnt2等于10时，有效输出将会是(d)，并且每个减量单位对应于下一个输出。因此，当Cnt2 = 9时，有效输出将会是(e)，当Cnt2 = 8时，有效输出将会是(f)，当Cnt2 = 7时，有效输出将会是(g)，当Cnt2 = 6时，有效输出将会是(h)，当Cnt2 = 5时，有效输出将会是(i)，当Cnt2 = 4时，有效输出将会是(j)，当Cnt2 = 3时，有效输出将会是(k)，当Cnt2 = 2时，有效输出将会是(l)，并且当Cnt2 = 1时，有效输出将会是(m)。去往FVC (2)的输出(a)与输出(m)相同。然而，不同管脚被用于防止过载的风险。

本发明的所述实施例中的复用周期

复用周期被无限地运行，直至照明器断电。在前十个周期中，在延迟函数中存在时间的减量的一致变化，以使得有时间稳定微控制器(1)的内部振荡器。周期开始于使输出(b)为高，并且将输出(d)的状态与在输入(c)读取的数据相匹配，然后它等待由延迟定义的时间，减小Cnt2并且在返回到首次调用延迟函数的点之前将(b)和(d)切换回为低。在返回到比较Cnt2的判定点时，Cnt2的值将已经具有一个单位的减量，由此，有效输出不再是(d)而是(e)，以此类推，直至达到(m)。

本发明的所述实施例中的Cnt1的减小

在最后复用周期中，当Cnt2 = 0并且有效输出是(m)时，判定点Cnt2 > 0将程序的步骤发送到第二判定点Cnt1 > 1。对于程序的前九个周期而言这将会是成立的，但从第九周期开始，这将会总是不成立的，将程序的步骤移至Cnt2的重新加载，并且因此重新开始复用周期。

根据本发明的照明器的微控制器的物理元件和控制步骤序列程序的这种配置以2 W的最大功耗提供700和1400流明之间的照明，这代表与已有LED照明器的功耗相比在60%和90%之间的节约并且代表与荧光照明器相比高达98%的节约。

这个照明器能够取代市场上的任何照明器，因为复用矩阵每个LED单元能够以任何形式和方向分布。另外，这个特征使其能够转变为房间照明系统，其中该矩阵不分布在照明器上而是分布在区域上方以便照明特定区域而非照明特定光谱。

因此它能够被用于取代灯泡、灯管、小聚光灯、落地灯、卤素灯、二向色灯等。

以下为例子。

例子1：

将根据本发明的复用LED照明器(JCDLLM08)与50 W二向色灯进行比较，并且在这种情况下，二向色灯在一米的距离处提供650流明的光通量。使用具有20个LED的矩阵并且消耗0.82 W的功率的根据本发明的LED照明器(JCDLLM08)在一米的距离处提供546流明的光通量。以下的表阐明比较结果。

表1：

照明器	功耗	光通量	发光效率	节约W百分比	发光效率的提高
						二向色	50 W	650 Lux	13流明/W
JCDLLM08	0.82 W	546 Lux	665.8流明/W	98.36%	98.04%

例子2：

将根据本发明的复用LED照明器(JCDLLM08)与18 W荧光节能灯泡进行比较，并且该节能灯泡在一米的距离处提供750流明的光通量。使用具有100个LED的矩阵并且消耗1.42 W的功率的根据本发明的照明器(JCDLLM08)在一米的距离处提供600流明的光通量。以下的表阐明比较结果。

表2：

照明器	功耗	光通量	发光效率	节约W百分比	发光效率的提高
						节能灯泡	15 W	750 Lux	50流明/W
JCDLLM08	1.42 W	600 Lux	423流明/W	89.43%	88.18%

结果的讨论：表1和2中的数据示出根据本发明的照明器不仅提供显著的节能，还提供发光效率的提高。

Claims (6)

1.一种复用超低功率LED照明器，其特征在于，它包括：

-LED矩阵(3)；

-微控制器(1)，负责复用整个过程的周期和控制；

-电压调节器(5)，提供所述微控制器(1)需要的电压；

-CMOS十进制计数器(7)和CMOS NOT门阵列(9)，控制LED矩阵(3)的功率；

-频率电压转换器(FVC) (8)，控制CMOS (9)和(7)的功率供应；

其特征在于，当Vss接通时，所述照明器以6和15 V DC之间的电网电压为电压调节器(5)和FVC (8)供电，调节器继而恒定地以5 V DC为微控制器(1)供电并且触发微控制器(1)的程序的步骤序列，微控制器(1)通过频率变化来控制从FVC (8)输出的电压，并且FVC (8)以受控方式增加通过CMOS (9)和(7)供应给LED矩阵(3)的电压；

其特征在于，微控制器(1)通过程序步骤来控制复用周期，复用周期被无限地运行直至照明器断电，所述程序步骤包括：

i.以如下过程开始：配置与微控制器(1)到FVC (8)的输出(I)、微控制器(1)到CMOS十进制计数器(7)的输出(II)、微控制器(1)到CMOS NOT (9)的输出管脚(IV)对应的输出和输入，并且配置到微控制器(1)的输入(VI)并且加载计数器Cnt1和Cnt2，

ii.开始复用周期；

其特征在于，复用周期包括下面的步骤：

　　A.首次调用延迟函数，延迟函数具有由Cnt1的值定义的时间；

　　B.将时钟脉冲发送给CMOS (7)；

　　C.顺序地激活微控制器(1)到CMOS (9)的输出(IV)；

　　D.将有效输出(IV)的状态与从微控制器(1)的输入(VI)读取的值相匹配；

　　E.第二次调用延迟函数，该延迟函数具有由Cnt1的值定义的时间；

　　F.返回到第一延迟函数调用的步骤A；

iii.将Cnt1的值与1进行比较，如果它大于或等于1，则减小Cnt1并且返回到步骤(II)，并且如果Cnt1小于1，则直接返回到步骤(II)，重新开始复用周期。

2.如权利要求1所述的照明器，其特征在于，由电压调节器(5)向微控制器(1)提供的电压是5 V。

3.如权利要求1或2所述的照明器，其特征在于，所述十进制计数器(7)是CI-CMOS (A)十进制除法器(4)，并且CMOS NOT门阵列(9)对应于CI-CMOS (B)逻辑NOT门(6)。

4.如前面权利要求中任一项所述的照明器，其特征在于，所述微控制器(1)具有与管脚(d)至(m)对应的前往CI-CMOS (B)的10个输出管脚。

5.如前面权利要求中任一项所述的照明器，其特征在于，所述FVC (8)被设置为频率到电压转换器(2) (FVC) (2)。

6.如前面权利要求中任一项所述的照明器，其特征在于，所述微控制器(1)的程序的所述步骤包括：

i.开始与微控制器(1)的管脚(a)、(b)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)、(m)和(c)对应的输出和输入的配置；

ii.使Cnt1等于10；

iii.使Cnt2等于10；

iv.将Cnt2的值与0进行比较并且开始复用周期，复用周期被运行直至照明器断电；

其特征在于，所述复用周期包括下面的步骤：

　　A.首次调用延迟函数，该延迟函数具有由Cnt1的值定义的时间；

　　B.使微控制器(1)的输出(b)等于1；

　　C.激活与微控制器(1)的管脚(d)至(m)之一对应的输出，当Cnt2等于10时，有效输出是(d)；

　　D.将有效输出的状态与从微控制器的输入(c)读取的值相匹配；

　　E.第二次调用延迟函数，该延迟函数具有由Cnt1的值定义的时间；

　　F.将Cnt2减小，每个减量单位使得有效输出在微控制器(1)成为照明功率调节器(9)的下一个输出管脚；

　　G.使微控制器(1)的输出(b)和有效输出等于0；

　　H.返回到第一延迟函数调用的步骤A；

v.将Cnt1的值与1进行比较，如果它大于或等于1，则减小Cnt1并且返回到复用周期的开始，并且如果Cnt1小于1，则直接返回到复用周期。