CN108445661B - 用于控制滤光器组件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于可变透射率滤光器组件的控制系统，包括：控制器，该控制器通信地耦接到一对负载端子；以及存储器，该存储器通信地耦接到控制器并且具有在其上编码的可由控制器执行的语句和指令，以当耦接到该对负载端子时将在操作状态之间的滤光器组件转变。控制器可操作以实施如下中的任何一个或多个：允许滤光器组件通过将负载端子短接在一起而转变到黑暗状态，通过在负载端子两端施加脉冲宽度调制电压信号而将滤光器组件保持在保持模式中，以及通过施加具有相反极性的电压脉冲的电压信号给负载端子而将在操作状态之间的滤光器组件转变。

Description

用于控制滤光器组件的系统和方法
本申请是申请号为201380031888.9的中国专利申请“用于控制滤光器组件的系统和方法”(申请日为2013年4月18日)的分案申请。
技术领域
本公开涉及用于控制滤光器组件的系统和方法。
背景技术
可变透射率滤光器是可用于选择性地过滤电磁辐射的装置。鉴于这种能力，这些过滤器可以结合到房间窗户中以控制进入和逸出房间的电磁辐射的强度和频率中的一个或两个。在房间中人的舒适性和房间的能量效率可取决于窗户允许多少和什么类型的电磁辐射进入和离开房间。因此，研究和开发继续深入可用于控制可变透射率滤光器的方法和系统。
发明内容
根据一方面，提供了用于可变透射率滤光器组件的控制系统，该滤光器组件包括一对端子和在该对端子之间电耦接的滤光器。该控制系统包括：(a)控制器，该控制器通信地耦接到用于电耦接到滤光器组件的端子的一对负载端子；以及(b)存储器，该存储器通信地耦接到控制器并且具有在其上编码的可由控制器执行的语句和指令，以将在操作状态之间的滤光器组件转变，其中控制器允许滤光器组件通过将负载端子短接在一起而转变到黑暗状态，以及其中滤光器组件的透射率响应于入射滤光器的光而降低到最小透射率，并且响应于在滤光器组件的端子两端所施加的电压而增加到最大透射率。
根据另一方面，提供了用于可变透射率滤光器组件的控制系统，该滤光器组件包括一对端子和在该对端子之间电耦接的滤光器。该控制系统包括：(a)控制器，该控制器通信地耦接到用于电耦接到滤光器组件的端子的一对负载端子；以及(b)存储器，该存储器通信地耦接到控制器并且具有在其上编码的可由控制器执行的语句和指令，以将在操作状态之间的滤光器组件转变，其中控制器通过在负载端子两端施加脉冲宽度调制电压信号而在保持模式中保持滤光器组件，以及其中滤光器组件的透射率在保持模式中保持在一定的平均值和方差处。
根据另一方面，提供了用于可变透射率滤光器组件的控制系统，该滤光器组件包括一对端子和在该对端子之间电耦接的滤光器。该控制系统包括：(a)控制器，该控制器通信地耦接到用于电耦接到滤光器组件的端子的一对负载端子；以及(b)存储器，该存储器通信地耦接到控制器并且具有在其上编码的可由控制器执行的语句和指令，以将在操作状态之间的滤光器组件转变，其中控制器通过在负载端子两端施加包括多个脉冲的电压信号而将滤光器组件从第一操作状态转变到第二操作状态，其中脉冲中的至少一个脉冲包括一个极性的电压，并且脉冲中的至少另一个脉冲包括相反极性的电压。
根据另一方面，提供了一种滤光系统，包括：(a)可施加输入电压的至少一个输入电压端子；(b)滤光器组件，该滤光器组件包括一对端子和在该对端子之间电耦接的滤光器，其中滤光器组件的透射率响应于入射滤光器的光而降低到最小透射率，并且响应于在滤光器组件的端子两端施加的电压而增加到最大透射率；(c)滤光器组件的端子电耦接到的一对负载端子；以及(d)开关电路，用于切换在褪色状态和黑暗状态之间的滤光器组件，其中开关电路在负载端子两端施加输入电压的至少一部分以将组件切换到褪色状态，并且开关电路将负载端子短接在一起以将组件切换到黑暗状态。
根据另一方面，提供了一种滤光系统，包括：(a)可施加输入电压的至少一个输入电压端子；(b)滤光器组件，该滤光器组件包括一对端子和在该对端子之间电耦接的滤光器，其中滤光器组件的透射率响应于入射滤光器的光而降低到最小透射率，并且响应于在滤光器组件的端子两端施加的电压而增加到最大透射率；(c)滤光器组件的端子电耦接到的一对负载端子；以及(d)开关电路，该开关电路可切换地在负载端子两端以一个极性和相反极性施加输入电压的至少一部分。
根据另一方面，提供了用于控制可变透射率滤光器组件的方法，该滤光器组件包括一对端子和在该对端子之间电耦接的滤光器。该方法包括：(a)在滤光器组件的端子两端施加足以将滤光器组件转变到褪色状态的电压；以及(b)将滤光器组件的端子短接在一起，以允许滤光器组件转变到黑暗状态，其中滤光器组件的透射率响应于入射滤光器的光而降低到最小透射率，并且响应于在滤光器组件的端子两端施加的电压而增加到最大透射率。
根据另一方面，提供了用于控制可变透射率滤光器组件的方法，该滤光器组件包括一对端子和在该对端子之间电耦接的滤光器。该方法包括通过在端子两端施加脉冲宽度调制电压信号而在保持模式中保持滤光器组件，以及其中滤光器组件的透射率在保持模式中保持在一定的平均值和方差处。
根据另一方面，提供了用于控制可变透射率滤光器组件的方法，该滤光器组件包括一对端子和在该对端子之间电耦接的滤光器。该方法包括通过在端子两端施加包括多个脉冲的电压信号而将滤光器组件从第一操作状态转变到第二操作状态，其中脉冲中的至少一个脉冲包括一个极性的电压，并且脉冲中的至少另一个脉冲包括相反极性的电压。
根据另一方面，提供了用于可变透射率滤光器组件的控制系统，该滤光器组件包括一对端子和在该对端子之间电耦接的滤光器。该控制系统包括：(a)控制器；(b)通信地耦接到控制器的开关电路，该开关电路包括用于接收输入电压的一对输入电压端子，和用于电耦接到滤光器组件的端子的一对负载端子，其中控制器被配置成：在负载端子两端以正向极性施加输入电压的一部分，在负载端子两端以反向极性施加输入电压的一部分，将负载端子短接在一起，或响应于从控制器接收的控制信号，将电压从负载端子移除；(c)存储器，该存储器通信地耦接到控制器并且具有在其上编码的可由控制器执行的语句和指令，以根据滤光器组件的所需操作状态发送控制信号给开关电路。
在上述方面的任一方面中，开关电路可以是从由H桥、单刀双掷开关和双刀双掷开关组成的组中选择的至少一个构件。控制系统可进一步包括作为由开关、时钟、定时器、HVAC系统、建筑物控制系统和汽车控制系统组成的组中的至少一个构件的检测器。
本发明内容不必描述所有方面的全部范围。在阅读具体实施例的以下描述时，其它方面、特征和优点对于本领域中的普通技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1是用于滤光器组件的控制系统的框图。
根据一个实施例，图2(a)示出矩形脉冲电压信号，而图2(b)示出当滤光器组件的端子随后开路(实线)以及短路(虚线)时，响应于图2(a)的矩形脉冲电压信号的滤光器组件的光透射率。
根据另一个实施例，图3(a)示出用于将滤光器组件设置在保持模式中的脉冲波形调制信号，而图3(b)示出当处于保持模式中时的滤光器组件的透射率。
图4是根据另一个实施例用于滤光器组件的控制系统的框图。
根据另外的实施例，图5(a)至(c)和图6(a)至(c)示出当由非反馈(图5(a)和图6(a))、自适应(图5(b)和图6(b))和闭环(5(c)和图6(c))控制系统控制时的滤光器组件的透射率。
图7和图8是示出非反馈控制系统的实施例的框图。
图9是示出自适应控制系统的实施例的框图。
图10是示出闭环控制系统的实施例的框图。
图11是根据本发明实施例的图7的非反馈控制系统的电路示意图。
图12是根据本发明另一个实施例的包括以单刀双掷(SPDT)开关形式的开关电路的滤光系统的框图。
图13是根据本发明另一个实施例的包括以双刀双掷(DPDT)开关形式的开关电路的滤光系统的框图。
图14是根据本发明另一个实施例包括以单刀单掷(SPST)开关形式的开关电路的滤光系统的框图。
图15是根据本发明另一个实施例包括以H桥形式的开关电路的滤光系统的框图。
图16是根据本发明另一个实施例包括耦接到电压调节器的开关电路的滤光的框图。
图17是根据本发明另一个实施例示出响应于i)恒定电压输入和具有ii)0.5秒，iii)2秒，iv)10秒和v)30秒的极性反转周期的电压输入信号的滤光器组件的光透射率的曲线。
具体实施方式
滤光器组件包括在一对端子之间电耦接的滤光器。滤光器可使用几种不同类型技术中的任何一种来制造。例如，滤光器可以使用光致变色、电致变色、混合的光致变色/电致变色、液晶或悬浮颗粒技术来制造。光致变色滤光器在暴露于阳光或UV时趋于自动变暗，并且在没有阳光或UV的情况下变亮。然而电致变色、液晶和悬浮颗粒技术趋于响应于电力而在黑暗和明亮操作状态(或透射状态)之间交替。当在电耦接到电致变色材料不同侧的一对端子两端施加电压差时，滤光器例如趋于变暗，并且当电压差的极性反转时趋于变亮。
在此所讨论的在实施例中使用的滤光器组件是基于混合的光致变色/电致变色技术，其响应于阳光、UV或电磁辐射(以下称为“光”)而反过来变暗，或响应于在滤光器组件的端子两端所施加的非零电压(以下称为“电压”)而变亮或变成透明(以下称为“褪色”)。混合的光致变色/电致变色滤光器包括具有在着色(黑暗)和未着色(褪色)状态之间可逆地相互转变的一个或多个发色团的切换材料；切换材料可进一步包括溶剂部分、(多种)聚合物、盐或其它成分，以当暴露于光或电压时支持在着色和未着色状态之间发色团的相互转变。发色团的一些示例可包括俘精酸酐、二芳基乙烯或二噻吩基环戊烯(dithienylcyclopentene)。然而，在替代实施例(未示出)中，同样可利用包括具有与混合的光致变色/电致变色材料类似行为的交替切换材料的其它类型的滤光器。
现在参考图1，示出可与滤光器组件46(以下称为“组件46”)一起使用的控制系统10。组件46包括在两个透明导电电极之间夹持的可切换光致变色/电致变色材料。透明导电电极的示例包括氧化铟锡(ITO)涂覆的PET和玻璃，以及氟锡氧化物(FTO)涂覆的玻璃和其它透明导电基板。控制系统10用于通过组件46来控制透光度，并包括电源12和当闭合时在组件46两端电耦接电源12的手动控制的单刀单掷(SPST)开关14。当开关14打开并且光已被照射在组件46上一段时间时，组件46是黑暗的并且因此处于“黑暗状态”。当开关14随后闭合并且电源12在组件46两端施加电压时，组件46褪色并转变到“褪色状态”。当再次打开开关14并且组件46暴露于光时，组件46转变返回到黑暗状态。
当使用图1的控制系统10时遇到的一个问题是当处于褪色状态时在组件46的端子上电荷的积累。残余电荷导致在端子之间逗留的电场，当开关14随后打开时该逗留电场抑制组件46到黑暗状态的转变。图1的控制系统10遇到的另一个问题在于，它具有组件46的运作状态(例如黑暗、褪色等)的有限控制，因为它没有考虑诸如环境光水平或组件46的当前透射率的实时信息。例如，在褪色和黑暗状态之间的组件46的转变可以根据诸如入射组件46的光的波长和强度的若干外在因素而改变。在开关材料热响应时，温度可能同样会影响状态转变。此外，图1的控制系统10设计成将组件46保持在褪色或黑暗状态；其没有设计成将组件46保持在与褪色和黑暗状态之间的透射率对应的中间状态处。最后，图1的控制系统10仅在组件46两端以正向极性施加电源12的电压；在某些情况下，它可能有助于以相反极性施加电压以帮助消散残余电荷。
一般控制系统基础设施
参考图4，示出了用于可变透射率组件46的控制系统40的一个实施例。控制系统40包括：控制器48，该控制器48电耦接到电源42；存储器49，该存储器49通信地耦接到控制器48，并具有可由控制器48执行的编码语句和指令；开关电路44，该开关电路44经由控制输入51由控制器控制，并且同样通过输入电压端子43耦接到电源42；以及检测器47，该检测器47通信地耦接到控制器48。检测器47可包括例如检测环境照明条件的光传感器或检测用户输入的开关，但在其它实施例中可以包括其它类型的传感器、开关、定时器或输入装置。例如，检测器47可包括上拉开关、下拉开关、差动开关、欧姆表或电流表。
如在图4中所示，控制器48包括用于处理在存储器49上的编码语句和指令的处理器48b，和用于从检测器47接收检测器输出信号50，并且将信号50向处理器48b通信，并且同样用于根据通过处理器48b的处理语句和指令经由控制输入51来控制开关电路44的输入/输出模块48a(以下称为“I/O模块”)。开关电路44同样包括负载端子45，该负载端子45可以响应于来自I/O模块48a的控制输入51，在组件46的端子两端施加电压(例如，来自作为源的电源42)。开关电路44可包括例如能够在负载端子45两端施加正向和反向电压以及将负载端子45开路并且短路的H桥。
如将在下面进一步详细讨论的，控制系统40可用于控制和转变在各种操作状态之间的组件46，包括：通过将其端子短接在一起来将组件46转变到黑暗状态，使用检测器47来监测和控制组件46的运作状态，通过施加脉冲宽度调制信号将组件46设置在保持模式中，并且通过施加包括交流电压极性的电压信号而将组件46转变到褪色状态。
虽然本公开将组件46的运作状态引用为简单的“黑暗”、“褪色”或“中间”，但是在特定状态中的组件46的光透射率或透明度可能同样根据具体的实施例而变化。例如，在一个实施例中“黑暗”状态可以指5％的透射率，而在另一个实施例中“黑暗”状态可以指在0％至15％的范围中的任何透射率。在另一个示例中，当在一个实施例中处于“褪色”状态并且在另一个实施例中仅相对透明时，组件46可以是光学透光的。
图4的控制系统40可操作以在负载端子45两端施加在输入电压端子43处接收的电源电压的一部分，以将组件46转变到褪色状态，并且同样能够基于从检测器47接收的反馈，通过将负载端子45开路或短路而将组件46转变到黑暗状态。检测器47检测任何感觉输入41，并且响应产生发送给控制器48的I/O模块48a的检测器输出信号50。感觉输入41可例如包括按钮按下、环境(光度)变化、组件46的电阻或透射测量、定时器信号或时钟信号。在一个实施例中，其中检测器47是开关或按钮，感觉输入41可以是用户翻转开关或按压按钮以指示用户想要组件46转变到一定的状态(例如黑暗或褪色状态)。在一个实施例中，其中检测器47是光传感器，感觉输入41可以是用户想要组件46从褪色状态自动转变到黑暗状态以阻止光透射的足够高的光度读数。在一个实施例中，其中检测器47是定时器或时钟，感觉输入可以是触发事件，诸如指示预定周期已经流逝的定时器，或指示用于将组件46转变的时间已经达到的时钟。此外，感觉输入41可以包括通过控制HVAC系统和建筑物光和温度的建筑物自动化系统所提供的触发事件。
通过I/O模块48a，处理器48b接收并且处理检测器输出信号50，并且经由控制输入51控制开关电路44以将组件46设置到所需的状态。例如，在一个实施例中，其中检测器47是光传感器并且检测器输出信号50是光度读数，处理器48b可比较光度读数与最大光度阈值，其中如果超过，则意味光度读数太高，并且组件46应当被转变到黑暗状态(“变暗”)。因此，通过I/O模块48a，处理器48b配置开关电路44以将负载端子45开路或短路以将组件46变暗。
在另一个实施例中，如果处理器48b通过检测器输出信号50确定组件46应处于褪色状态中，则通过I/O模块48a的使用，处理器48b配置开关电路44以使得足以将过滤器转变到褪色状态(“阈值电压”)的从输入电压端子43接收的电压的至少一部分施加在其负载端子45两端以从而将组件46褪色。例如，在一个实施例中，其中检测器47是光传感器并且检测器输出信号50是光度读数，处理器48b可比较光度读数与最小光度阈值；如果光度读数低于最小光度阈值，则光线不足，并且处理器48b将组件46转变到褪色状态。将组件46褪色或转变的阈值电压幅度根据使用的特定切换材料而改变，并且可同样受外在因素影响。在特定实施例中，阈值电压处于0.6伏-2.5伏的范围中，但在其它实施例中同样可以处于从0.1V至10V的范围。
在其它实施例(未示出)中，处理器48b可施加包括多个不同电压电平的电压信号，以将组件46转变到褪色状态。例如，该信号可以包括在第一电压电平处的第一脉冲，接着在第二电压电平处的第二脉冲；第一电压电平可以高于第二电压电平以更迅速地对组件46的电极充电并且建立所需的电场，并且与单独施加第二脉冲相比，缩短了组件46的褪色时间。
在一些情况下，可能希望实现从褪色状态到黑暗状态的相对较长的转变时间。在该情况下，控制器48可改为将负载端子45开路(即电解耦)，以使得在组件46端子上的积累电荷可以自然消散，允许环境光照射在组件46上以使它自动变暗。例如，当处理器48b使用检测器输出信号50确定组件46应处于黑暗状态中时，通过I/O模块48a，处理器48b可将负载端子45开路，以使得它可以通过暴露于环境光而自动地变暗。然而，如果需要到黑暗状态的相对较快的转变时间，则处理器48b可改为通过I/O模块48a将负载端子45短路，以帮助消散在组件46的端子之间积累的任何残余电荷差。
图2(a)和(b)是示出当将组件46转变到黑暗状态时在将负载端子45开路和将负载端子45短路之间的差异的实施例。图2(a)示出包括用于将组件46初始偏置到褪色状态的矩形脉冲电压信号20的输入波形，而图2(b)示出组件46对矩形脉冲电压信号20并且当组件46开路并且短路紧随的脉冲电压信号20时的透射率响应。在该示例中，存在足够强的在组件46上照射的光，以在没有施加电压的情况下将组件46转变到黑暗状态。因此，组件46从t＝0分钟到t＝5分钟处于黑暗状态中。从t＝5分钟到t＝10分钟，当在组件46的端子两端施加电压信号20时，组件46朝完全褪色状态(在该实施例中其是约65％的光透射率)转变。在t＝10分钟时，矩形脉冲电压信号20结束。从t＝10分钟向前，当开关电路44的负载端子45是开路时实线24示出组件46的透射率，而当开关电路44的负载端子45被短路时，虚线22示出组件46的透射率。如由实线24所示，当负载端子45开路时，透射率逐渐减小直到在约20分钟时达到黑暗状态(在该实施例中约15％的光透射率)。然而，如由虚线22所示，当负载端子45被短接在一起时，残余积累的电荷更快速地消散，允许组件46更快地转变到黑暗状态。在本示例中当其端子短路时组件46在约15分钟时达到黑暗状态，并且用于从褪色状态到黑暗状态转变的所需时间减少了约5分钟(Δt)。
虽然图2(a)和(b)示出了根据特定实施例的组件46的透射率响应，但是在其它实施例中响应可能根据使用的切换材料和其它外部或物理因素而改变。例如，在组件46上照射的更大环境光强度可能需要更高幅度的电压脉冲，以便将组件转变到褪色状态。同样，组件46的响应可以随其寿命或基于组件46多久被切换而改变。例如，在组件的连续周期内积聚的电荷可能导致变黑过程(和转变时间)变得越来越慢。在一些实施例中，在几个周期之后，在没有将其端子短路一段时间的情况下，可能难以或不可能将组件46转变到黑暗状态，以允许在组件46中的电荷消散。
此外，虽然在所示实施例中组件46包括混合的光致变色/电致变色切换材料，但是当在包括诸如SPD和电致变色的其它切换材料的组件46两端耦接时，控制器48可同样将负载端子45短路。在例如SPD的情况下，可以施加电压以将组件46的粒子对齐，从而允许光通过(褪色状态)；当移除电压时，该粒子假定散射入射光(黑暗状态)的随机图案。在这种情况下，将负载端子45短路可同样帮助消散在电极上积累的电荷以加快到黑暗状态的转变。
在一个示例中，其中切换材料是电致变色的，组件46通常通过在端子45两端施加第一极性的电压而被驱动到其黑暗状态。它通过在端子45两端施加反向极性或将电压从端子45简单地移除很长一段时间而被驱动回褪色状态。通过允许电极端子上的积累电荷迅速消散而无需施加反向电压，将端子45短路能够帮助加快一些基于电致变色的组件46的褪色时间，这因此同样减少了功率消耗。
极性切换
在某些实施例中，控制系统40可用于当将组件46褪色(即从黑暗过渡到褪色状态)时切换或交替在组件46两端施加的电压极性一次或多次。极性切换可帮助减少从黑暗状态到褪色状态转变所需的褪色时间。例如图17示出与当极性在0.5s、2s、10s和30s的切换间隔(即在组件阳极和阴极两端的电压在每个给定的间隔周期性反转)切换时相比，当施加恒定电压(没有极性切换)时的组件46的透射率响应。对于持续时间x秒的切换间隔，所施加的电压每隔x秒在正和负极性之间切换。在该示例中，组件46展示当处于黑暗状态时约5-6％的光度透射率(LTA)。当施加连续电压时(没有极性切换)，褪色到60％LTA的转变时间约是140s。当使用在30s、10s或0.5s的切换间隔时的极性切换施加电压时，实现60％LTA的转变时间减少到约100s。最后，当使用在2s的切换间隔时的极性切换施加电压时，实现60％LTA的时间进一步减少到约50s。因此，可以看出的是，在某些实施例中极性切换的使用可有利地减少组件46的褪色时间。
虽然上述实施例描述了几乎瞬时的极性切换(例如切换极性，而无需在组件46两端施加中间电压)，其它实施例可包括不施加电压(开路)、短路，或在极性切换之间的低中间电压。例如，在从正向电压到反向电压的转变之间的组件46两端施加开路持续短的时间段(例如0.1秒至5秒)。这将具有减缓褪色时间的效果，但是可能增加某些切换材料的电气耐久性。在其它实施例中，在极性切换之间的持续时间随着整个褪色周期而变化。例如，在极性切换期间在开路中所花费的时间周期比在褪色周期开始时(例如1秒)更短，以增强在光透射中的初始变化，并且然后在褪色周期结束时增加到更长的周期(例如3秒)。
替代控制系统实施例
现在参考图7，示出了控制系统40的实施例。如在图7中所示，电源42包括两个DC电源35a和35b，和电池或其它能量存储装置35c。电源42同样包括电池充电器42d和电压调节器(42a、42b、42c)，以便提供在开关电路44的输入电压端子43两端的调节功率，并且提供给控制器48。在该实施例中检测器47是开关，并且开关电路44是H桥，该H桥可从输入电压端子43在负载端子45两端以正向或反向极性施加电压，或将负载端子45短路或开路。与电压调节器42c一起的电源35a允许电源42连接到多个源，诸如建筑120VAC，汽车12VDC，和计算机电子装置5VDC。取决于可耦接到负载端子45的组件46(未示出)的尺寸，可以移除电源35a和电压调节器42c，并且仅通过可能是太阳能电池的电源35b对控制系统40供电。这将允许控制系统40和组件46操作而无需外部布线。
在电源42(未示出)的其它实施例中，电源35a和检测器47不需要连接到接地(例如，参见图11)。此外，电源35a和35b可以直接连接到电压调节器42a和42b。如果用于开关电路44和控制器48的电压需求相似，则调节器42a和42b可以由单个电压调节器代替以对控制器48供电，并且供应电力给组件46。在另一个实施例中(未示出)，第三电压调节器与调节器42b平行定位，并设定为比42b更高的电压。与下文用于在给定的透射率处保持组件46所随后施加的调节器42b一起，第三电压调节器可初步接通以将组件46迅速褪色。通过利用双电压结构，褪色时间可以减少而不必牺牲组件46的耐久性或寿命。
图11示出根据实施例的图7的控制系统40的电路图。采用Microchip TechnologyTM的MCP73871微芯片实现的充电器接收电源，电压调节器42a采用ON SemiconductorTM的NCP1529开关调节器实现以对开关电路44供电，并且另一个电压调节器42b采用用于对控制器48供电的Micrel Inc.TM的MIC5365线性调节器电路实现；如在图11中所示，这些装置被电耦接在一起以形成电源42。在其它实施例中，电压调节器42a可以是提供所需输入和输出电压范围的任何电压调节器。例如，如果需要更宽的输出范围，则Fremont Micro DevicesTM的FT441AA电压调节器可交替用于提供0.6V-5.5V的输出范围。在这个实施例中开关电路44包括由两个电耦接的Alpha and Omega SemiconductorTM的AO6604MOSFET电路实现的H桥，而控制器48包括将处理器48b、存储器49和I/O模块48a结合到一个一体封装中的TexasInstrumentsTM的MSP430G2252微控制器。在控制器48上标记“12”的未使用输入引脚可耦接到用于接收检测器输出信号50的检测器47(未示出)，而组件46可耦接到开关电路44的负载端子45。在该实施例中，馈送电源42的电源可以包括一系列的DC电压；例如，DC电压可处于从约5伏(例如来自USB源)至高达12伏(例如来自汽车电气系统)的范围。然而，其它实施例可以接受不同范围的电压。此外，在其它实施例中，电源可以是调节电源以使得任何的充电器或电压调节器42a、42b可以相应地从电源42省略。
现在参考图8，示出了控制系统40的实施例，其中开关电路44是H桥，并且检测器47是开关。电源42包括一对DC电源42a、42b，其每一个提供电压给H桥和控制器中的一个。H桥开关电路44允许在负载端子45两端以正向或反向极性来施加电压，并且同样允许负载端子45根据组件46的所需控制而开路或短路。在其它实施例中，如果组件46的阈值电压与控制器48的操作电压可比较，则DC电源42a和42b可以由单个电压调节器代替。
现在参考图9，示出了与图8的控制系统40有点类似的控制系统40的实施例。然而，实施例不同在于，因为基于在组件46上照射的入射光水平或通过组件46发送的光，设定图9的控制系统40用于组件46的自适应控制。在该结构中，检测器包括光检测器90和开关61的组合。鉴于使用光检测器输出信号50的环境照明条件，控制系统40的自适应结构有利地允许控制器48更精确地控制组件46。例如，通过适当地编程在存储器49上的指令，控制器48被配置成如果光检测器90指示环境光超过某个阈值(例如环境太亮)则自动控制开关电路44以将负载端子45短路或开路，或如果环境光不超过阈值(例如环境过暗)则以其它方式使开关电路44在负载端子45两端施加电压。开关61可以由用户使用以指示控制器48是否需要褪色状态，在该情况下在负载端子45两端施加电压，或者是否需要黑暗状态，在该情况下端子45短接在一起或开路。在替代实施例中，开关61可以执行其它功能(例如：指示处理器48无视检测器输出信号50，而是只基于内部定时器或查找表在明亮和黑暗状态之间转变)。此外，当在负载端子45两端施加电压时，开关电路44可以施加正向或反向电压。如上述讨论并且在图17中所示，施加反向电压给组件46可同样改善在不同状态之间的转变时间，或改善组件46的寿命。这是因为反向电压可以潜在地防止沉积物堆积产生在单个电极上，其将以其它方式防止仅施加正向电压而发生。
图10示出与在图9中示出的控制系统40类似的控制系统40的实施例，但是改为在闭环结构而不是自适应结构中的设定。如与提供组件46的透射率的推断或估计的自适应结构相对的，闭环结构允许组件46透射率的直接测量。以这种方式，闭环结构通过组件46更准确地控制并且调节光的透射。通过检测组件46何时已经转变成褪色、黑暗或所需的中间状态，控制系统40可迅速移除或者施加电压给组件46，以便保持所需的透射率，同时降低功率消耗。
如在图10中所示，检测器47包括检测组件46的实际透射率的光透射计101。光透射计101可以包括照明元件A，和测量通过组件46由照明元件A透射的光的光检测器B。检测器输出信号50因此包括从光透射计101发送给控制器48的差分测量。以这种方式并且如下面进一步详细讨论的，通过I/O模块48a，处理器48b可基于组件46的实际透射率(或状态)而控制开关电路44。在另一个实施例中(未示出)，光透射计101包括在组件46相对侧上的两个光检测器。在组件46上照射的入射环境光由两个检测器接收，并且与总入射光相比，基于穿过组件46的入射光量，提供了差分测量。以这种方式，组件46的透射率可根据围绕组件46的环境照明条件来调节。
使用脉冲宽度调制的“保持模式”操作
由于组件46的电容行为，脉冲宽度调制信号可在组件46的端子两端施加以将其透射率保持在与在完全褪色和黑暗状态之间运作状态对应的一定平均值和方差处。脉冲宽度调制信号可以包括多个电压脉冲，其中每个脉冲的幅度、宽度和极性被调节以实现或保持所需的运作状态。脉冲宽度调制同样降低了在给定的周期内组件46对于电力的总暴露，这可以防止在切换材料的退化并且提高其寿命。最后，当与通过施加恒定电压来保持特定运作状态相比时，脉冲宽度调制同样降低了功率消耗。
图3(b)根据实施例示出响应于图3(a)的电压脉冲串30的组件46的透射率。在图3(b)中，组件46的褪色状态被定义为在下透射率阈值33(例如第一阈值)和上透射率阈值34(例如第二阈值)之间的透射率范围，选择该透射率范围以使得用户将不会察觉在该范围内透射率的任何显著差异。如在图3(a)中所示，将该脉冲串30施加到最初处于黑暗状态的组件46。在该示例中，在t＝2分钟时，脉冲串30从0V切换到2V，并且透过率32相应地增加直到在t＝8分钟时达到上透射率阈值34。从t＝8分钟到t＝12分钟，脉冲串30被切换到0V，并且因此透射率32在该周期期间逐渐降低，直到在t＝12分钟时它达到下透射率阈值33。脉冲串30然后在t＝12分钟时切换回到2V，并且透射率32相应地增加，直到在t＝16分钟时它达到上透射率阈值34。该模式然后在曲线图上时间的其余部分内重复。因此可以看出从t＝8分钟开始并且向前，控制器48在“保持模式”中保持组件46，其中其透射率保持在与褪色状态对应的平均值(在上阈值34和下阈值33之间)和非零方差处。然而在其它实施例中，控制器48可在“保持模式”中保持组件46，其中其透射率保持在与中间状态(即在完全褪色和黑暗运作状态之间)对应的平均值和方差处。假定足够的方差，“保持模式”操作降低了功率消耗并且可以延长组件46的寿命，同时对于用户其显示，组件46被保持在与所需运作状态对应的一定透射率处。在其它实施例中，控制器48可以产生不同的周期性、占空比和幅度的电压脉冲串，并且可同样施加诸如正弦曲线等的非方波信号。脉冲串30的占空比可以根据切换材料的所需响应来选择。以这种方式，组件46的透射率可以保持在所需的运作状态，同时降低功率消耗并且防止组件46的退化。
在另一个实施例(未示出)中，另外的电压调节器可结合到系统40中以当需要不同幅度的脉冲时提供不同的电压电平。例如，脉冲串的初始脉冲可以包括用于将组件46从黑暗状态转变到明亮状态的第一相对较高的电压电平(例如2V)，并且随后的脉冲可以设定为第二相对较低的电压电平(如1.5V)，以其后保持组件46在所需的褪色状态。
图5和图6是示出通过施加脉冲宽度调制信号以保持组件46的透射率处于与所需运作状态对应的一定平均值和方差处，而在“保持模式”中操作的图8、图9和图10中的控制系统40的每个控制系统的曲线图。具体地，图5(a)和图6(a)使用图8的“非反馈”(或开环)结构控制系统40示出保持模式操作，而无需任何的入射光检测器90或者光透射计101。图5(b)示出使用包括入射光检测器90的图9的自适应结构控制系统40的保持模式操作。图5(c)和6(c)示出使用包括光透射计101的图10的闭环结构控制系统40的保持模式操作。在这些结构中每个结构下的保持模式操作的更多细节在下面提供。
非反馈结构
图5(a)是示出当使用图8的非反馈结构施加预定脉冲串30时组件46的预期和实际的透射率响应53、54的曲线图。在该示例中，脉冲串30的第一脉冲比连续脉冲更宽，以便在周期性对组件46施加脉冲之前将组件46偏置到平均透射率(并因此确保其达到褪色状态)。一旦组件46已达到平均透射率，则对于图3(b)如上所述，控制器48施加连续脉冲以将组件46保持在与所需运作状态对应的平均透射率和方差处。图8的非反馈结构控制系统40可用于以减小的部件和组件成本来提供简单、可靠和有效的解决方案，因为它排除了任何光传感器或透射计的实施、初始化/校准。
然而，虽然更便宜并且更简单实施，但是非反馈结构可能不考虑在组件46的响应特性中意料不到的变化。例如对环境照明条件的变化，或随着其寿命的推移在组件46的切换材料性能的变化可以改变对脉冲串30的其响应特性；这例如通过以虚线绘制的实际透射率响应54示出。如图所示，先前足以将组件46偏置到与褪色状态(如由53所示)对应的平均透射率的偏置周期(即第一脉冲宽度)现在由于意料不到的变化而不能充分地将组件46偏置(如在54中所示)。因此，当意料不到的变化影响组件46时，非反馈结构控制系统40可能无法将组件46保持在与所需操作状态对应的一定平均透射率和方差处。
同样，图6(a)是示出当使用非反馈结构的控制系统40来施加脉冲串30时的组件46的透射率响应特性的另一个实施例。如同图5(a)，在由控制器48周期性施加脉冲以在褪色状态中保持组件46之前，脉冲串30的第一脉冲包括通常足以将组件46的透射率偏置到与褪色状态对应的平均值的预定宽度。然而如果存在意料不到的环境变化(诸如在组件46上照射的环境光强度的增加)，脉冲串30的第一脉冲可能不能充分地将组件46偏置，以使得组件46的透射率达不到进入褪色状态的平均值。因此，与组件46的实际透射率相关的任何反馈缺失可以防止控制器48将偏置组件46适当地偏置，并且防止适当地保持组件46的透射率处于所需的操作状态。
自适应和闭环结构
如上所述，在组件46上照射的光的预期强度的增加可以防止控制器48将组件46的透射率适当地偏置，并且防止其转变到褪色状态。这是因为光趋于将组件46自动变暗，其由控制器48抵消将组件46褪色的电压施加。为了克服这个问题，自适应结构控制系统40包括入射光传感器90，以测量环境照明条件并且进而调节施加到组件46的脉冲宽度调制信号，以便将组件46适当地偏置并且保持其透射率处于所需运作状态内。例如，当控制器48从入射光传感器90接收光度读数时，它可将该读数与在存储器49中的查找表比较。鉴于测量的光度读数，查找表将提供合适的脉冲宽度调制信号以更紧密地实现组件46的所需操作状态。因此，在查找表中的每个脉冲宽度调制信号的偏置次数、电压电平、占空比和周期性可以具体地建模以对于给定的环境照明条件实现组件46的所需运作状态。控制器48然后可以使用该信息来调节脉冲串30，以更紧密地实现组件46的所需操作状态。
如在图5(b)中所示，与在图5(a)中的非反馈结构相比，在脉冲串30中的第一脉冲的偏置时间已被延长2个单位，以便补偿抑制组件46的褪色能力的增加的环境光。如在图5(b)中所示，实际和预期的透射率响应54、53比图5(a)中的那些透射率响应更紧密地彼此映射。因此，图9的自适应结构控制系统40可用于更紧密地实现组件46的所需操作状态。
图5(c)示出当在图9的闭环结构控制系统40中控制时的组件46的透射率。与非反馈和自适应结构相反，闭环结构系统40直接测量组件46的透射率以考虑影响其性能的意料不到的变化，并因此实时修改脉冲串30以更准确地将组件46偏置并且保持在所需的运作状态。这在图5(c)中反映为当使用闭环结构控制系统40时基本上重叠的实际和预期的透射率响应54、53。此外，一旦偏置则闭环结构可将组件46立即保持在所需的褪色状态。这通过防止不必要的电压施加而降低了功率消耗，如例如由在图5(a)和5(b)中的时间间隔ΔE所示，示出了当分别使用非反馈和自适应控制系统40时的过度边际偏置次数。
图6(b)是示出当由闭环结构控制系统40控制时组件46对脉冲串30的透射率响应64的另一个示例。通过实时直接测量组件46的透射率，闭环控制系统40可以相应地调节施加到组件46的脉冲宽度调制信号(例如脉冲串30)，并进而准确保持其透射率处于与所需的运作状态对应的平均值和方差处。如在图6(b)中所示，在周期性施加脉冲施加以保持其处于褪色状态之前，脉冲串30的第一脉冲具有将组件46正确偏置以进入褪色状态的足够宽度。
图6(c)是示出当使用在闭环和自适应结构中的保持模式以保持组件46处于一定平均透射率处的方差的示例。范围A表示使用图10的闭环结构关于平均透射率的总方差，而范围B表示使用图9的自适应结构的方差。如在该示例中所示，闭环控制系统40具有关于所需平均透射率的减小方差，导致组件46透射率的更大精确度和控制。
在其它实施例(未示出)中，闭环结构控制系统40可包括光透射计101和入射光检测器90两者。通过另外利用该入射光检测器90的感觉输入，控制器48可监测发射到组件46上的入射光，以便基于入射光选择性控制组件46，或可能控制环境光的发射(例如，通过百叶窗或建筑物的光)以提供能量节约。当使用自适应结构时可以表征窗户和定时变量，但对于闭环结构没有必要。
滤光系统
参考图12至图16，与上述的H桥相比，示出包括各种类型开关电路44的滤光系统120的实施例。如在图12至图16中所示，滤光系统120包括具有一对输入电压端子43和一对负载端子45的开关电路44，并且滤光器组件46耦接在负载端子45两端。电源42耦接到输入电压端子43以提供输入电压。
参考图12的实施例，开关电路44包括在输入电压端子43和负载端子45之间耦接的单刀双掷(SPDT)开关，以便在褪色和黑暗状态之间切换。SPDT开关可以手动控制。然而，在其它实施例中开关电路44可包括其它类型的开关，并且例如可以包括双刀双掷(DPDT)开关(图13)、多个单刀单掷开关(图14)，或H桥(图15)。这些各种类型的开关可以手动控制。图12的系统120能够将组件46的端子短接在一起并且短路到电源42的公共端；图13的系统120能够将组件46的端子独立于电源42而彼此短路；图14的系统120能够将组件46的端子短路到电源42的公共端，同时独立地控制是否在组件46两端施加任何输入电压；以及图15的系统120允许组件46端子的正向电压、反向电压、开路或短路结构。
参考图16，它是这样的实施例，其中电源42包括耦接到AC或DC电源的电压调节器124，并且输入电压端子43和开关电路44的负载端子共享耦接到电压调节器124的参考输出的公共电极端子。
可同样将滤光系统120配置成提供脉冲串作为通过开关电路44的操作而在该对负载端子45两端所施加的输入电压的一部分。在替代实施例中，滤光系统120可用于与上述系统40类似的自适应和闭环结构。同样，在进一步的替代实施例中，施加到负载端子45的脉冲串或输入电压的周期、占空比和幅度可以根据来自检测器47、开关61或任何其它感觉输入的读数来调节。
在前述实施例中，控制器48经由开关电路44通信地耦接到组件46。然而，在替代实施例(未示出)中，控制器48可以直接耦接到组件46而无需开关电路44，其中控制器的48个输出引脚可以用作组件46的负载端子45。在这些实施例中，控制器48可调节在其输出引脚上的电压电平以驱动组件46到褪色状态中，以将组件46的端子开路或短接在一起来促进转变到黑暗状态，以在保持模式中保持组件46，以施加交替极性的电压信号来驱动组件到褪色状态，并且根据需要以其它方式控制组件46。如在本公开中所使用的，术语“耦接”和“通信”是指在两个元件之间的关系以使得它们可通信地耦接。
为了方便起见，将以上示例性实施例描述为各种互连的功能块或不同的软件模块。然而这不是必须的，并且可能存在其中这些功能块或模块被等效地聚集成具有模糊界限的单个逻辑器件、程序或操作的情况。在任何情况下，功能块或软件模块可以由它们本身或结合在硬件或软件中的其它操作来实现。
可以设想，在本说明书中讨论的任何方面或实施例的任何部分可以实施，或与在本说明书中讨论的任何其它方面或实施例的任何部分结合。
虽然已在上文描述特定实施例，但是应该理解的是，其它实施例也是可能的并且旨在被包括在本文中。对本领域中任何技术人员清楚的是，对未示出的前述实施例的修改和调整是可能的。该描述应被理解为说明本发明，但不应被视为将所附的权利要求限制于此。应当关于本发明的精神解释权利要求的范围，并且假定与描述一致的作为一个整体的最广泛解释。

Claims (20)

1.一种控制系统，用于可变透射率滤光器组件，所述滤光器组件包括一对端子和在所述对端子之间电耦接的滤光器，所述控制系统包括：
(a)控制器，所述控制器通信地耦接到用于电耦接到所述滤光器组件的端子的一对负载端子；
(b)存储器，所述存储器通信地耦接到所述控制器并且具有在其上编码的可由所述控制器执行的语句和指令，以在操作状态之间转变所述滤光器组件，其中所述控制器允许所述滤光器组件通过将所述负载端子短接在一起而在较短的转变时间内转变到第一操作状态或使所述负载端子电解耦而在较长的转变时间内转变到第一操作状态，以及其中所述滤光器组件的透射率响应于入射所述滤光器的光而降低到最小透射率，并且响应于在所述滤光器组件的端子两端施加的电压而增加到最大透射率，
(c)开关电路，所述开关电路在所述控制器和所述对负载端子之间通信耦接，所述开关电路被配置成响应于从所述控制器接收的控制输入信号，为较短的转变时间而将所述负载端子短接在一起或为较长的转变时间而使所述负载端子电解耦，其中所述开关电路在所述负载端子两端以一个极性和相反极性可切换地施加输入电压的至少一部分；以及
(d)检测器，所述检测器通信地耦接到所述控制器，以及其中在所述存储器上编码的语句和指令可由所述控制器执行以在从所述检测器接收检测器输出信号时为较短的转变时间而将所述负载端子短接在一起或为较长的转变时间而使所述负载端子电解耦。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述检测器包括开关、时钟、定时器、HVAC系统、建筑物控制系统和汽车控制系统中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中在所述存储器上编码的语句和指令可进一步由所述控制器执行以实施如下方法，包括：比较所述检测器输出信号与阈值；以及当所述检测器输出信号满足所述阈值时，将所述负载端子短接在一起。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其中所述检测器是光传感器，所述检测器输出信号是光度值，并且所述阈值是最大光度阈值。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述开关电路包括H桥、单刀双掷开关和双刀双掷开关中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的控制系统，进一步包括在所述对端子之间耦接的电压调节器，用于从电源接收电压，并且提供调节的电压作为由所述开关电路接收的输入电压。
7.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述第一操作状态是黑暗状态。
8.根据权利要求1所述的控制系统，进一步包括在所述对负载端子之间耦接的滤光器组件，其中所述滤光器是混合的光致变色/电致变色滤光器。
9.根据权利要求1所述的控制系统，其中在所述存储器上编码的语句和指令可由所述控制器执行以响应于所述检测器输出信号而向所述开关电路发送控制信号，以执行以下任一或多个：在负载端子两端以一个极性施加输入电压信号的一部分，在负载端子两端以反向极性施加输入电压的一部分。
10.一种方法，用于控制可变透射率滤光器组件，所述滤光器组件包括一对端子和在所述对端子之间电耦接的滤光器，所述方法包括：
(a)在所述滤光器组件的端子两端施加足以将所述滤光器组件转变到褪色状态的电压，其中以一个极性和相反极性施加所述电压；以及
(b)响应于从检测器接收检测器输出信号，将所述滤光器组件的端子短接在一起，以允许所述滤光器组件在较短的转变时间内转变到第一操作状态，或使所述滤光器组件的端子电解耦，以允许所述滤光器组件在较长的转变时间内转变到第一操作状态，其中所述滤光器组件的透射率响应于入射所述滤光器的光而降低到最小透射率，并且响应于在所述滤光器组件的端子两端施加的电压而增加到最大透射率。
11.一种控制系统，用于可变透射率滤光器组件，所述滤光器组件包括一对端子和在所述对端子之间电耦接的滤光器，所述控制系统包括：
(a)控制器，所述控制器通信地耦接到用于电耦接到所述滤光器组件的端子的一对负载端子；
(b)存储器，所述存储器通信地耦接到所述控制器并且具有在其上编码的可由所述控制器执行的语句和指令，以在操作状态之间转变所述滤光器组件，其中所述控制器允许所述滤光器组件通过将所述负载端子短接在一起而在较短的转变时间内转变到第一操作状态或使所述负载端子电解耦而在较长的转变时间内转变到第一操作状态，以及其中所述滤光器组件的透射率响应于入射所述滤光器的光而降低到最小透射率，并且响应于在所述滤光器组件的端子两端施加的电压而增加到最大透射率；
(c)开关电路，所述开关电路在所述控制器和所述对负载端子之间通信耦接，所述开关电路被配置成响应于从所述控制器接收的控制输入信号，为较短的转变时间而将所述负载端子短接在一起或为较长的转变时间而使所述负载端子电解耦，其中所述开关电路包括H桥、单刀双掷开关和双刀双掷开关中的至少一个，并且在所述滤光器组件的透射率从所述最小透射率转变到所述最大透射率的同时，所述开关电路在所述负载端子两端以一个极性和相反极性可切换地施加输入电压的至少一部分。
12.根据权利要求11所述的控制系统，进一步包括通信地耦接到所述控制器的检测器，并且其中在所述存储器上编码的语句和指令可由所述控制器执行以在从所述检测器接收检测器输出信号时将所述负载端子短接到一起。
13.根据权利要求12所述的控制系统，其中所述检测器包括开关、时钟、定时器、HVAC系统、建筑物控制系统和汽车控制系统中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的控制系统，其中在所述存储器上编码的语句和指令可进一步由所述控制器执行以实施如下方法，包括：比较所述检测器输出信号与阈值；以及当所述检测器输出信号满足所述阈值时，将所述负载端子短接在一起。
15.根据权利要求14所述的控制系统，其中所述检测器是光传感器，所述检测器输出信号包括光度值，并且所述阈值时最大光度阈值。
16.根据权利要求11所述的控制系统，其中所述输入电压信号包括多个脉冲，并且其中所述脉冲中的至少一个脉冲包括一个极性的电压，并且所述脉冲中的至少另一个脉冲包括相反极性的电压。
17.根据权利要求11所述的控制系统，进一步包括在所述对端子之间耦接的电压调节器，用于从电源接收电压，并且提供调节的电压作为由所述开关电路接收的输入电压信号。
18.根据权利要求11所述的控制系统，进一步包括在所述对负载端子之间耦接的滤光器组件，其中所述滤光器是混合的光致变色/电致变色滤光器。
19.根据权利要求11所述的控制系统，进一步包括通信地耦接到所述控制器的检测器，其中在所述存储器上编码的语句和指令可由所述控制器执行以进一步：从所述检测器接收检测器输出信号，以及响应于所述检测器输出信号而向所述开关电路发送控制信号以执行以下中的任一或多个：在负载端子两端以一个极性施加输入电压信号的一部分；在负载端子两端以反向极性施加输入电压的一部分。
20.根据权利要求11所述的控制系统，其中所述第一操作状态是黑暗状态。
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