CN107343338A - 用于依据环境光线的led亮度控制的led装置及方法 - Google Patents

用于依据环境光线的led亮度控制的led装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种包含至少一个LED的LED装置，该至少一个LED根据方波信号接收LED照明电压，其中所述LED的亮度依赖于借助切换至非发光状态作为光线传感器的LED测量的环境亮度。至少一个LED与第一和第二晶体管一起设置在桥接电路中，使得第一晶体管根据方波信号将LED照明电压施加至LED，而第二晶体管在LED的断开时间间隔将具有与LED照明电压相反的极性的电压施加至LED，其中方波信号的占空比依赖于当具有相反极性的电压施加至该LED时流经LED的光电流的强度。

Description

用于依据环境光线的LED亮度控制的LED装置及方法
技术领域
本发明总体涉及包含至少一个LED的LED装置，该LED根据方波信号接收LED照明电压，该照明电压即致使LED发光的电压，其中该LED的亮度依赖于借助在非发光状态连接作为光线传感器的LED测量的环境亮度；本发明还涉及用于至少一个LED的依据环境光线的亮度控制的方法，根据方波信号使得该LED发光。
背景技术
美国专利申请公开号US 2003/0189211A1公开了一种LED装置及LED运行方法，该装置及运行方法具有用于例如手机的便携电子设备的自动背景照明，该装置及运行方法在没有单独的光线传感器的情况下进行运行，因为连接至LED的微处理器可交替地使LED发光并使LED作为光线传感器运行。通过在两个运行模式之间快速切换，LED呈现为连续发光。背景照明的亮度可以自动适应测量的环境亮度。
脉冲宽度调制(PWM)通常被用于控制LED(发光二极管)的亮度，其中施加至LED的方波信号的占空比，即脉冲持续时间(pulse duration)和周期持续时间(periodduration)的比，是可变的。
PWM控制的发光二极管还用在机动车辆的自适应的座舱照明和/或其背景照明。通常借助例如光电二极管的单独的光线传感器测量环境亮度以相应地调整座舱照明等级或环境照明等级。
这样的单独的光线传感器、其安装及其布线与特定的额外支出相联系。光线传感器可以被LED的光线影响，并且其可以例如由灰尘遮挡。另外，光线测量方向可能不是最佳的。
美国专利申请公开号US 2003/0189211 A1公开的电路的确在没有单独的光线传感器的情况下运行，但是其假定具有微处理器。然而，该微处理器不应该距离LED非常远，因为由LED驱动的光电流是非常小的。相应的情况通常不会已经设置在例如座舱照明的情况中。
期望提供一种LED装置及控制方法，其使得依赖环境光线的亮度控制具有特别少的支出，其中它们不需要单独的光线传感器或微处理器。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种LED装置。该LED装置包括至少一个LED，该至少一个LED根据方波信号接收LED照明电压，其中LED的亮度依赖于环境亮度，借助切换至非发光状态作为光线传感器的LED测量该环境亮度。该LED装置还包括与至少一个LED一起设置在桥接电路中的第一和第二晶体管，以使得第一晶体管根据方波信号将LED照明电压施加至LED，而第二晶体管将具有与LED照明电压相反极性的电压在LED断开时间的间隔施加至LED。其中方波信号的占空比依赖于当具有相反极性的电压施加至其上时流过LED的光电流的强度。
根据本发明的另一方面，提供一种LED装置。该LED装置包括LED，与LED一起设置在桥接电路中的第一和第二晶体管，其中第一晶体管向LED施加具有方波信号的LED照明电压，该方波信号具有依赖于测量的光电流的占空比，而第二晶体管将具有与照明电压相反极性的电压在LED断开时间的间隔施加至LED，以测量光电流。
根据本发明的又一方面，提供用于控制至少一个LED的亮度的方法。该方法包括如下步骤：提供与第一和第二晶体管一起设置在桥接电路中的至少一个LED；根据方波信号通过第一晶体管向LED施加LED照明电压以使LED发光；并且通过第二晶体管在LED断开时间的间隔向LED施加具有与LED照明电压相反极性的电压，以因此运行用于入射到非发光状态的LED的环境光的光线传感器。该方法还包括如下步骤：测量流经LED的光电流强度，以及根据测量的光电流强度来设置方波信号的占空比以因此根据环境亮度来控制至少一个LED的亮度。
在研究下面的说明书、权利要求及所附附图的基础上，本领域技术人员将理解并领会本发明的这些及其他方面、目的和特征。
附图说明
附图中：
图1是示为处于一个状态的用于LED的依据环境光的亮度控制的电路的示意图；
图2是示为处于另一状态的用于LED的依据环境光的亮度控制的电路的示意图；
图3是示为处于又一状态的用于LED的依据环境光的亮度控制的电路的示意图；
图4是完整电路的电路图；
图5是解释电路运行期间切换时序的正时图；
图6是进一步解释电路运行期间测量值计算的流程图。
具体实施方式
如图1-3所示，LED装置示为处于不同的状态，该LED装置具有与第一开关S2和第二开关S1以及的电阻器R1和R2一起设置在桥接电路中的LED D1。在这种情况下，LED D1的阳极通过电阻器R1连接至5V电压源的正极并且通过开关S1连接至电压源的负极。LED D1的阴极通过电阻器R2连接至电压源的正极并且通过开关S2连接至电压源的负极。
在该示例性实施例中，还设置有第三开关S3，在打开状态，该第三开关另外将LEDD1的阴极通过电阻器R3连接至电压源的正极，并且因此减小桥接电路的该分支中的有效电阻。电阻器R2和R3形成所谓的上拉电阻，当第二开关S1打开并且第一开关S2关闭时该上拉电阻在正的电源电压方向上或多或少地升高LED D1阴极的电压。
当然，开关S1-S3是电力开关。如图4所示，在示例性实施例中，开关S1-S3被设计为单一晶体管，其中第二开关S1可以由双极型晶体管形成而第一开关S2和第三开关S3均可以由场效应晶体管(FET)形成。
LED D1的阴极连接至运算放大器OP的单一输入端，该运算放大器感测施加至LEDD1的阴极的正的电压并且将其作为放大的亮度信号U(Lux)输出。
在图1所示的电路的发光状态下，开关S1关闭，而开关S2根据PWM方波信号快速地打开和关闭，借助该方波信号开关S2被激活，以使得电路状态在图1所示的发光状态和测量状态(图2和3)之间快速地反复变化，并且LED D1呈现为发出对应于方波信号的占空比的亮度，其中通过R1、D1和S2的+5V的电流流向地面，即，在LED D1的传输方向上。
在开关S2关闭并且LED D1不发光时，LED可以切换为光线传感器，其中如图2所示开关S1打开，因此具有与LED照明电压相反的极性的电压施加至LED D1。在该状态下，流经R2、D1和S1的非常小的+5V的电流流向地面，即在通过LED D1的阻断方向上。这一光电流的电流强度依赖于入射至LED D1的环境光的亮度，在图2和图3中该环境光被示为LED D1处的相反的光箭头。通常这样的光电流是几微安。
如果这样的光电流流过，具有与LED照明电压相反的极性的电压施加至LED D1。在电阻器R2处降低的电压降随环境亮度线性增加。该光线传感器电压被运算放大器OP缓冲并且作为亮度信号U(Lux)被输出。该亮度信号U(Lux)确定设置PWM方波信号的哪一个占空比，通常使得较强的环境亮度导致较强的LED亮度。
可以使用在图1和2中处于关闭的开关S3改变光线测量的测量范围和解析度，其中有效上拉电阻值可选地仅仅由电阻器R2或者由电阻器R2和R3的并联电路确定。如图3所示，如果除了开关S1开关S3也打开，光线测量比较不敏感并且选择比图2中所示的电路状态具有的测量范围更大的测量范围。
图4示出了除PWM控制部分以外的LED装置的完整电路，PWM控制部分在本领域中是公知的。开关S1实施为N通道场效应晶体管(N-FET)，开关S2实施为双极型晶体管，而S3实施为P通道场效应晶体管(P-FET)。LED D1的阳极的部分电压通过分压器R4、R5施加至双极型晶体管S2的基极，因此其与N-FET S1相反地打开并关闭其打开及关闭状态由PWM控制信号Cont1确定。
如果PWM控制信号Cont 1处于低电压电平，N-FET S1处于阻断状态，而双极型晶体管S2处于传输状态，因此LED D1切换为光发射器。在该状态，P-FET S3根据P-TEF S3基极处的控制信号Cont 3处于阻断状态，此后将进一步描述。
如果PWM控制信号Cont 1处于高电压电平，N-FET S1处于传输状态并且同时双极型晶体管S2处于阻断状态。在切换状态的该结合中，LED D1切换为光线传感器，其中光电流根据Cont 3的电压电平是高还是低而流经晶体管R2或流经晶体管R2和R3。
图5示出了使用两个光线测量范围的光发射和光线测量之间切换的时序。PWM控制信号Cont 1是用于控制LED亮度的(相反的)PWM信号。
新的PWM循环在时间T1开始。LED D1开始不发光，而是作为光线传感器运行，尤其在具有更高的灵敏度的较低测量范围内，因为由PWM控制信号Cont 1导出的控制信号Cont3使P-FET S3处于阻断状态。
在时间T2，光电流测量已经稳定并且运算放大器OP输出较低测量范围的亮度信号U(Lux)。
在时间T3，LED D1切换至发光状态，其中开关S1打开而开关S2关闭。时间T3随PWM的占空比变化。根据一个实施例，对于光电流之前的稳定及光电流测量本身，仅需要接近5％的方波信号的周期持续时间，以使得在具体应用中，LED D1的打开时间可以在PWM循环的0-95％之间。
在时间T4，时间T1之后一个PWM周期，开始下一个PWM循环。LED D1不再发光，而是作为光线传感器运行，尤其在具有较低灵敏度的较高测量范围内，因为由PWM控制信号Cont1导出的控制信号Cont 3使P-FET处于传输状态。
在时间T5，光电流测量已经稳定，并且运算放大器OP输出较高测量范围的亮度信号U(Lux)。
在时间T6，LED D1切换回至发光状态，其中开关S1打开而开关S2关闭。
然后下一个双PWM循环紧随用于两个测量范围的这样的所述双PWM循环。
在图6的流程图中描述了当在两个测量范围之间切换时用于测量值计算的算法。可以使用处理器这样的模拟和/或数字电路执行该算法。其中使用的缩略词定义如下，其中V_low_Range和V_high_Range分别是由运算放大器OP在LED D1的阴极测量的电压。
V_low_Range 在较低测量范围内的测量电压变量
V_high_Range 在较高测量范围内的测量电压变量
临界值 当较低测量范围进入饱和时的测量电压
Usupply 电源电压
Low_Range_Factor在较低测量范围内从电压向勒克斯值(lux value)的转换因子
High_Range_Factor在较高测量范围内从电压向勒克斯值的转换因子
FilterFactor(滤波器因子)从0-1范围内的值，尤其是200Hz的PWM频率的0.2的值
NewLuxValue(新勒克斯值)两个PWM循环之后的未过滤的新的勒克斯值
FilterlLuxValue(滤波器1勒克斯值)第一过滤阶段之后的勒克斯值
LuxValue(勒克斯值)第二过滤阶段之后的勒克斯值。这也是算法的输出值，其还作为最后测量的勒克斯值合并回至过滤算法
随着环境亮度增加，在光电流测量期间在LED D1的阴极感测的电压变得更小。自特定临界值，LED D1不再能够驱动相应的较大的电流，并且电阻器R3切换至允许较高的上拉电流(pull-up current)。
具体地，在步骤S10检查V_LOW_RANGE是否小于临界值。如果否，在步骤S11，计算较低测量范围的NewLuxValue，或者在步骤S12，计算较高测量范围的NewLuxValue。在测量期间在上拉电阻器R2或在电阻器R2和R3的并联电路处的电压降与亮度勒克斯值成比例。为了获得测量的勒克斯值，已经计算了(Usupply-测量电压)*转换因子。
计算的NewLuxValue在步骤S13经历两个阶段的过滤。由于容限，基于在测量范围之间转换获得的两个值不会精确地对应。因此执行二阶低通过滤以避免LuxValue中的切换噪音。因此获得的输出值LuxValue确定设置0-95％之间的哪一个PWM占空比。
根据一个实施例，至少一个LED与第一和第二晶体管并且如果需要的话与电阻器一起设置在桥接电路中。其中，第一晶体管根据方波信号将LED照明电压施加至LED，以使得LED以脉冲宽度调制的方式发光。第二晶体管将具有与LED照明电压相反极性的电压在LED断开时间的时间间隔施加至LED。相反电压表示光线传感器电压，该光线传感器电压使得LED用作对由其接收的环境光线的光线传感器。方波信号的占空比依赖于当具有相反极性的电压施加至其上时流过LED的光电流的强度。该LED装置可以在相对少的有源部件的而无微处理器情况下实施的并且因此具有少的支出。
在特定实施例中，在两个晶体管的切换状态的第一组合下，如果需要通过电阻器，将LED的阴极连接至电压源的正极而其阳极连接至电压源的负极，并且在两个晶体管的切换状态的第二组合下，如果需要通过电阻器，将LED的阴极连接至电压源的负极而阳极连接至电压源的正极。
在一些实施例中，电压和电流源提供接近5V的电压。该电压值连同桥接电路中适合大小的电阻器使得LED能够借助单一电压源为照明操作以及光线传感器操作提供各自的优选电压和最大的电流强度，而不会损坏电压源，并且5V的电压还与运算放大器的电源电压一致，更好地用于测量光电流强度。
在一些实施例中，LED装置包含第三晶体管及可选的其他晶体管，根据其位置该晶体管在电流路径中设置不同的电阻，当具有相反极性的电压施加于该电阻器上时该电流流经LED。因此可以改变光线测量的测量范围和解析度。
在示例性实施例中，第一晶体管是双极型晶体管并且/或者第二及可选的第三和其他晶体管是场效应晶体管(FET)。
在一个实施例中，该装置包含多个LED，其中至少两个LED设置在桥接电路中。可以根据方波信号使多个LED发光，根据测量的流经该至少两个LED的光电流的电流强度来设置该方波信号的占空比。如果借助多个LED的多个独立测量值并入平均值，在一个LED失灵的情况下获得冗余。如果必要，还可以舍弃任何不真实的测量值。
在一个实施例中，LED的断开时间间隔是构成方波信号的周期持续时间的近5％的固定的时间间隔，在该断开时间中具有与LED照明电压相反的极性的电压施加到LED。
在一个实施例中，作为光线传感器运行的LED的测量范围在方波电压周期间切换和/或如果需要进行切换，也就是说当较低的测量范围进入饱和时。
在一个实施例中，借助低通滤波器，尤其借助二阶低通滤波器过滤在定期测量范围切换期间获得的环境亮度的测量信号。
由于其亮度依据环境光线调节，根据本发明的LED装置尤其适用于车辆(尤其是机动车辆)的座舱照明。在这种情况下，使用其测量环境亮度的多个LED可以设置在不同位置上，以便使座舱区域的主要内部亮度获得良好的平均值，借助一个或多个照明LED自身从最佳方向测量该内部亮度并且还独立于其固有的光。座舱亮度控制器根据其中主要的环境亮度控制仪表板上的多个仪表的亮度或背景亮度。
应该理解的是，在不脱离本发明的构思的情况下可以对前述结构做出变型及修改，并且还可以理解的是，这些构思旨在由下面的权利要求覆盖，除非这些权利要求通过他们的语言另有说明。

Claims (20)

1.一种LED装置，包含：
至少一个LED，所述至少一个LED根据方波信号接收LED照明电压，其中所述LED的亮度依赖于环境亮度，借助切换至非发光状态作为光线传感器的所述LED测量所述环境亮度；以及
第一和第二晶体管，所述第一和第二晶体管与所述至少一个LED一起设置在桥接电路中，以使得所述第一晶体管根据所述方波信号将所述LED照明电压施加至所述LED，并且所述第二晶体管在所述LED的断开时间间隔将具有与所述LED照明电压相反的极性的电压施加至所述LED，其中所述方波信号的占空比依赖于当所述具有相反极性的电压施加至所述LED上时流经所述LED的光电流的强度。
2.根据权利要求1所述的LED装置，其中，在所述两个晶体管的切换状态的第一组合中，所述LED的阴极连接至电压源的正极并且阳极连接至所述电压源的负极，并且，在所述两个晶体管的切换状态的第二组合中，所述LED的所述阴极连接至所述电压源的所述负极并且所述阳极连接至所述电压源的所述正极。
3.根据权利要求2所述的LED装置，其中，所述电压源提供约5V的电压。
4.根据权利要求1所述的LED装置，其中，所述装置包含用于感测所述光电流的电路，尤其是运算放大器。
5.根据权利要求1所述的LED装置，其中，所述装置至少包含第三晶体管，根据所述第三晶体管的位置，所述第三晶体管在电流路径中设置不同的电阻，其中当所述具有相反极性的电压施加至所述LED上时电流通过所述电流路径流经所述LED。
6.根据权利要求1所述的LED装置，其中，所述第一晶体管是双极型晶体管和/或所述第二和第三晶体管是场效应晶体管。
7.根据权利要求1所述的LED装置，其中，所述装置包含多个LED，其中的至少两个LED各自设置在所述桥接电路中。
8.一种LED装置，包含：
LED；以及
第一和第二晶体管，所述第一和第二晶体管与所述LED一起设置在桥接电路中，其中所述第一晶体管通过方波信号将照明电压施加至所述LED，所述方波信号具有依赖于测量的光电流的占空比，并且所述第二晶体管在所述LED的断开时间间隔将具有与所述照明电压相反的极性的电压施加至所述LED以测量所述光电流。
9.根据权利要求8所述的LED装置，其中，在所述两个晶体管的切换状态的第一组合中，所述LED的阴极连接至电压源的正极并且阳极连接至所述电压源的负极，并且，在所述两个晶体管的切换状态的第二组合中，所述LED的所述阴极连接至所述电压源的所述负极并且所述阳极连接至所述电压源的所述正极。
10.根据权利要求9所述的LED装置，其中，所述电压源提供约5V的电压。
11.根据权利要求8所述的LED装置，其中，所述装置包含用于感测所述光电流的电路，尤其是运算放大器。
12.根据权利要求8所述的LED装置，其中，所述装置至少包含第三晶体管，根据所述第三晶体管的位置，所述第三晶体管在电流路径中设置不同的电阻，其中当所述具有相反极性的电压施加至所述LED上时电流通过所述电流路径流经所述LED。
13.根据权利要求8所述的LED装置，其中，所述第一晶体管是双极型晶体管和/或所述第二和第三晶体管是场效应晶体管。
14.根据权利要求8所述的LED装置，其中，所述装置包含多个LED，其中的至少两个LED各自设置在所述桥接电路中。
15.一种用于控制至少一个LED的亮度的方法，包含：
提供至少一个LED，所述至少一个LED与第一晶体管和第二晶体管一起设置在桥接电路中；
通过所述第一晶体管根据方波信号向所述LED施加LED照明电压以使所述LED发光；
通过所述第二晶体管在所述LED的断开时间间隔将具有与所述LED照明电压相反的极性的电压施加至所述LED，以使所述LED作为用于对入射到非发光状态的所述LED的环境光线的光线传感器运行；
测量流经所述LED的光电流的强度；以及
根据所述测量的光电流强度来设置所述方波信号的占空比，以根据环境亮度来控制所述至少一个LED的亮度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，根据方波信号使得多个LED发光，根据流经至少两个所述LED的光电流的测量的电流强度的平均值来设置所述方波信号的所述占空比。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述LED的所述断开时间间隔是构成所述方波信号的周期持续时间的约5％的固定的时间间隔，在所述断开时间间隔中，所述具有与LED照明电压相反的极性的电压被施加至所述LED。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，作为所述光线传感器运行的每个所述LED的测量范围在方波电压周期之间切换或者至少在所述测量范围进入饱和时切换。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，借助低通滤波器，尤其借助二阶低通滤波器，来过滤在周期的测量范围切换期间获得的环境亮度的测量信号。
20.一种如权利要求15所述的用于作为车辆座舱照明部件的LED装置或方法，所述LED装置或方法用于依据环境光线调整其亮度，所述车辆尤其是机动车辆。
CN201710279854.1A 2016-04-29 2017-04-25 用于依据环境光线的led亮度控制的led装置及方法 Active CN107343338B (zh)

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