Stand
der Technik
Die
Technik der Farbmischung aus mehreren Lichtquellen unterschiedlichen
Spektrums wurde bereits im Mittelalter (Sir Isaac Newton) beschrieben
(im Englischen auch als "Metameric" bekannt).
Konventionelle
Systeme zur Synthese von Farblicht aus mehreren Lichtquellen (wie
z.B. bei Effekt-Beleuchtungen mit LEDs oder DLP-Video-Beamern) verwenden
oft die Pulsweitenmodulation (PWM), bei der mit einer fest vorgegebenen
Frequenz für
jeden der Kanäle
in einem festen Zeitraster einen Vergleich durchführen und
in dessen Abhängigkeit
der jeweilige Kanal an- oder ausgeschaltet wird. Die gesamte Wiederholrate
ist dabei ein N-faches dieses festen Zeitrasters. Damit das menschliche
Auge die Lichtquellen als "Farbe" und nicht als einzelnes
Flimmern wahrnimmt, muß die
Wiederholrate deutlich größer als
60 Hz sein. Die Lichtquelle selbst muss sehr viel schneller als
in 1/60 Sekunde schalten können.
LEDs beispielsweise haben Schaltzeiten von wenigen Mikrosekunden.
Ein
alternatives System, ist die Puls-Amplituden-Modulation ("PAM"), ([Ref. 3]) bei
der ein aufwendiger elektronischer Regelkreis speziell auf die verwendeten
Lichtquellen angepasst ist und Pulse mit berechneter Amplitude erzeugt.
Das Verfahren ist aber sehr aufwendig und lediglich vom Ergebnis
her hier relevant, indem es ebenso zum Erzeugen von farbigem Licht
mittels LEDs eingesetzt werden kann Aufgrund dieser Einschränkungen
wird es hier nicht weiter berücksichtigt.
Mängel
[1] zeigt die Struktur eines
klassischen PWM – RGB-Signals,
welches im Bereich 0–100% variiert
werden kann. Man sieht, daß die
Kanäle
alle zum selben Zeitpunkt angeschaltet werden, danach entweder gleichzeitig
oder nacheinander wieder abgeschaltet werden. Dies ist auch gleich
die offensichtliche Schwachstelle des Systems, denn es treten während des
Betriebs kurzzeitig hohe Pulsbelastungen (Lastwechsel-Sprünge) auf,
während
in den Pausen kein Strom fließt.
Der Entwurf einer für
PWM geeignete Stromversorgung stellt daher hohe Anforderungen (vgl.
z.B. [Ref 2], Spezial-ICs für
Impulsfeste Stromversorgungen). Auch Störsignale in Form von Elektromagnetischer
Abstrahlung über
Kabel-Längen
treten daher leicht auf. Hinweis: Um LEDs für Beleuchtungszwecke einzusetzen
liegen die geschalteten Leistungen im Bereich 1–1000 Watt, was durchaus zu
sehr hohen Strömen
führen
kann, insbesondere wenn die Verbraucher, wie etwa LEDs mit niederer
Spannung betrieben werden. So treten beispielsweise bei 1000 Watt
geschalteter Leistung bei 12 Volt Ströme im Bereich > 80 Ampere auf. Insofern
ist die Elektromagnetische Verträglichkeit
und das Minimieren der auftretenden Störme und Pulse ein sehr wichtiger
Aspekt.
Aufgrund
des Ohmschen Gesetzes U = R·I und
der Leistung P = U·I
ergibt sich P = R·I2. In Stromversorgungen werden auch üblicherweise
Kondensatoren verwendet, die durch wohlbekannte Ersatz-Schaltbild
eines idealen Kondesators in Serie mit einem Widerstand beschrieben
werden können. Kondensatoren
werden aber genau dazu verwendet, Lastsprünge mithilfe ihrer Kapazität aufzufangen, d.h.
während
eines Lastsprunges wird kurzzeitig ein pulsartiger, höherer Strom
durch den Kondensator fliessen, bis die Elektronik der Versorgung
nachgeregelt hat. Da der Strom in die Leistung mit dem Quadrat in
die Gleichung zur Leistung eingeht, ist ein hoher Impulssprung sehr
viel höher
belastend als mehrere Einzelne kleine Sprünge. Es ist daher von besonderer
Relevanz, Lastsprünge
klein zu halten oder besser noch möglichst zur vermeiden. Zur
Beurteilung der Belastung der Stromversorgung kann als qualitativer,
einheitsloser Wert die Summe der Quadrate der Impulsänderungen über eine
Periode verwendet werden, im Folgenden mit "LQ" bezeichnet.
Gleichzeitig
ist die PWM aufgrund der starren Wiederholrate in ihrer Auflösung fixiert.
Angenommen das Zeitraster wäre
1% der Wiederholrate, so wären
bei 3 Kanälen
lediglich 100·100·100 =
1 Million Farb-Kombinationen möglich.
Es ist wissenschaftlich nachgewiesen, daß das Auge unter bestimmten
Situationen sehr viel mehr Nuancen unterscheinden kann. Aus diesem
Grund bieten z.B. Anbieter von PWM-System bis zu 64 Farb-Millionen Kombinationen
an (geschützt
durch [Ref 4],PWM-Zeitraster mit 4096 Schritten und 3 Kanälen). Hieraus
geht hervor, daß für eine hohe PWM-Auflösung auch
mit sehr hohen Frequenzen gearbeitet werden muss. Die Empfindlichkeit
des menschlichen Auges ist aber sehr nichtlinear, d.h. wenn etwa
ein RGB-Modulator z.B. mit 1%-Schritten von Rot-1% auf Rot-2% wechselt,
fällt dies
sofort auf, dagegen ist der Sprung von z.B. Rot-95% auf Rot-96%
nicht mehr wahrnehmbar. Insofern kann selbst bei sehr hoher PWM-Auflösung nur
ein Bruchteil der möglichen
Kombinationen sinnvoll verwendet werden.
Detailbeschreibung
des verbesserten Verfahrens
Dieses
neue Verfahren beschreibt ein System um elektrische Energie optimiert
und in kleinen Einheiten auf verschiedene Verbraucher zu verteilen, wobei
das Ergebnis dieser Verbraucher als Gesamtheit zu sehen ist. Im
Speziellen wurde das System dazu entwickelt um schnelle (elektrische)
Lichtquellen zur Synthese von Farblicht (für Beleuchtungszwecke) zu verwenden.
Als
schnelle Lichtquellen können
z.B. LEDs eingesetzt werden, aber auch andere Arten von Lichtquellen,
die signifikant schneller schalten können, als es das menschliche
Auge wahrnehmen kann (z.B. Kerr-Zellen oder andere Halbleiter-Lichtquellen).
Das
System arbeitet so, daß jede
der einzelnen Lichtquellen für
eine kurze Zeitdauer einen konstanten Lichtfluß abgibt. Speziell, wenn man
3 Lichtquellen mit den drei Primärfarben
Rot (etwa 605–635 nm),
Grün (etwa
530–570
nm) und Blau (etwa 455–900
nm) verwendet, kann man mit diesem System einen Großteil des
wahrnehmbaren Farbspektrums abdecken. Im Folgenden werden die Begriffe "LED" für die verwendbaren Lichtquellen
und "Rot", "Grün" "Blau" (RGB)
stellvertretend für
jede andere Lichtquellen-Art, Kombination und Anzahl verwendet.
Das
hier gezeigte System kann die beiden wichtigsten Nachteile der PWM
(hohe Arbeitsfrequenz für
gute Auflösung)
und generell hohhe Impulsbelastung umgehen, indem ein fraktales
Modulationssystem verwendet wird. Das System nennt sich "Vektor-Fraktal-Modulation" oder auch "VFM". Bei der VFM werden
die unterschiedlichen Impulse der einzelnen Kanäle der Reihe nach ausgegeben.
D.h. der Impuls eines Kanales löst
den vorhergegangen nahtlos ab. Bei Impulsübergängen erfolgt also keinerlei
Belastung der Stromversorgung! Auch in dem verwendeten Kabel, welches
zur Gesamtheit des Lichterzeugenden Elementse führt, wird dann sinngemäß nur von
einer Ader auf die nächste
Ader geschaltet, so daß dadurch
praktisch keine Abstrahlungen zu erwarten sind (Siehe [2]).
Es
ist wichtig anzumerken, daß die
auftretenden Lastsprünge
bei der VFM immer auf maximal eine Stufe beschränkt sind (im Gegensatz zur
PWM mit bis zu N Stufen bei N Kanälen) und außerdem generell die Anzahl
und Intensität
der auftretenden Lastsprünge
gegenüber
der PWM wesentlich geringer sind, wie etwa in ([3.]) unterer Teil im Bild), wo der qualitative
LQ-Wert (Siehe [005]) des selben Signals bei der VFM um 90% geringer
ist als bei PWM.
Am
Ende der Impulsfolge kann eine Pause variabler Länge folgen. Durch diese Pause
steht ein weiterer Freiheitsgrad zur Verfügung, der aber erfreulicherweise
nur in dem Bereich zum Tragen kommt, in dem die Lichtquelle nur
mit einem kleinen Teil ihrere Energie arbeitet, also genau in dem
Bereich, in dem das Auge sehr sensibel reagiert (vgl. [Ref 3, [0037]).
Es ist lediglich wichtig, daß die
Gesamtheit des erzeugten Signals eine Wiederholrate aufweist, die über der
oben erwähnten
Schwelle von etwa 60 Hz liegt. Umgerechnet auf das obige Beispiel des
100% PWM-Modulators, bei dem der kleinste Schritt 1% beträgt, wäre z.B.
ein VFM-Modulator in der Lage, seinen Pausenwert von 99% auf 98%
herunterzusetzen, d.h. effektiv würde dies etwa 1.01% beim kleinsten
Schritt einem PWM-Modulator entsprechen., d.h. eine etwa 100-fache
Steigerung der Auflösung
im unteren Bereich der VFM gegenüber PWM.
Um diese Auflösung
im unteren Bereich zu erzielen, müsste der PWM-Modulatur in 0.01%-Schritten
arbeiten! (Siehe [4]).
Wenn
aufgrund der Wiederholrate das serielle Signal der Kanäle länger ist
als das zur Verfügung stehende
Intervall, führt
die Logik des VFM eine fraktale Faltung durch, d.h. der überstehende
Teil des Signals ragt in das nächste
Signal hinein, betrachtet man lediglich eine Periode eines VFM-Signals,
könnte
man es auch als fraktalen Rest der betrachteten Periode sehen. (Siehe
[3]).
Die
VFM unterscheid also zwei Zustände: Den "Nicht-Fraktalen Zustand", bei dem noch eine Pause
enthalten ist, die dann auch in ihrer Länge variiert werden kann und
dem "Fraktalen Zustand", bei dem keine Pause
mehr enthalten ist.
Der
Name VFM rührt
aus der Tatsache, daß ein
Vektor gebildet werden kann mit N + 1 Komponenten (N = Anzahl der
Kanäle,
N > 1) zuzüglich des Pausenwertes.
Aufgrund des oben beschriebenen Faltungs-Systems, trägt es außerdem die
Komponenten "Fraktal" im Namen.
Zur
Verifizierung des Systems wurde es in einer Beispielapplikation
auf einem Industrie-Standard-Mikroprozessor der 8051-Serie, mit
einer Zykluszeit von 550 nsec und 3 Kanälen (RGB) implementiert ([5]). Diese CPU verfügt über eine
serielle Schnittstelle und kann daher Befehle darüber empfangen.
Der Anwender kann die gewünschten Farbwerte
in der Standard-24-Bit-Notation (RGB-Tripple, wie auch auf PCs üblicherweise
verwendet) angeben (beispielsweise RGB = (10,17,20)). Die Mikropozessor-interne
Software errechnet sich daraus den am nächsten liegenden VFM-Vektor
(mit 4 Komponenten), wobei wahlweise noch über eine nichtlineare Korrektur
der untere Wertebereich nichtlinear gestreckt werden kann ([4]). Der 8051-Mikroprozessor,
also ein 8-Bit Prozessor mit geringer Leistung, war ohne Probleme
in der Lage, jeden der Farbwerte mit einer Wiederholrate von 120
Hz in Echtzeit auszugeben, wobei sein zur Verfügung stehender Farbraum natürlich deutlich
größer ist,
als der mit 24-Bit RGB-Trippeln angebbare Farbraum, also mindestens
16 Millionen verschiedene Farben.
Erreichte Vorteile mit
VFM
Die
VFM ist ein überlegenes,
alternatives System zu PWM [Ref 1] und PAM [Ref 3]
Gegenüber PWM
benötigt
die VFM eine viel weniger aufwendige Stromversorgung. Die Pulslast ist
signifikant reduziert. Dadurch sinken die Herstellungskosten, Ressoucen
werden geschont, Baugrößen können sinken.
Gegenüber PAM
kann auf eine komplizierte elektronische Regelung verzichtet werden,
auch benötigt
die VFM gegenüber
PAM keine speziell auf die Lichtquellen angepasste Regelung, so
daß Steuergerät und Lichtquelle
voneinander unabhängig
gewählt
werden können.
Die
durch VFM hervorgerufenen elektromagnetischen Abstrahlungen sind
gegenüber
PWM signifikant niedriger.
Im
unteren Helligkeitsbereich kann die VFM signifikant höher auflösen als
PWM
Die
VFM kann sehr leicht in festverdrahteter oder programmierbarer Logik
oder auch per Software implementiert werden. Es können Industrie-Standard-Komponenten
verwendet werden, spezielle ICs (vgl. [Ref 4]) werden nicht benötigt.
Referenzen
- [Ref 1] EP
1016062 B1 , bzw. DE
69807092 C0 : In diesem Dokument beschreibt der Autor ein
System um Farblicht mittels PWM zu erzeugen.
- [Ref 2] 1276A2G: Zur Problematik von Stromversorgungen mit hoher
Pulslast hat z.B. Texas-Instruments spezielle Treiber-ICs entwickelt,
insbesondere auch für
PWM RGB-LED-Steuerungen. Quellenangaben nach Datenblättern/Auskunft
von Texas-Instruments, bei Recherche nicht gefunden. Stichwort "TurboTrans(TM) Technology".
- [Ref 3] US 20030057888 :
In diesem Dokument beschreibt der Autor ein alternatives System
zur [Ref 1], wobei hier Pulse-Amplituden-Modulation ("PAM") verwendet wird.
- [Ref 4] US 6016038 , US 61 50774 Hiermit wird
auch der in [006] erwähnte
IC mit der 12-bit-PWM beschrieben. Das Patent stammt aus dem gleichen Hause
wie [Ref 1]
Bilder-Verzeichnis
[1]: Traditionelle Pulsweiten-Modulation PWM,
Stand der Technik:
Beschreibung: Die traditionelle Methode:
Ein PWM, hier mit 3 Kanälen.
Man sieht die hohen Impulsflanken. Die Wiederholrate sollte < 1/60 Sekunde sein. Die
Summe der quadrierten Impulsänderungen
pro Periode ist hier LQ = 18 = (32 + (3 – 2)2 + (2 – 1)2. Dies kann man als äquivalentes Maß für die Belastung
der Komponenten, Kabel, etc.. sehen.
[2]: Das gleiche Signal mit
VFM (im Nicht-Fraktalen Modus):
Beschreibung: Ein nach der
VFM Methode moduliertes Signal. Man sieht die Impulsbelastung pro
Periode ist gering, da die Übergänge der
Farben aneinanderhängen.
Der erzeugte Farbwert ist identisch zu [1]. Die Summe der quadrierten impulsänderngen
ist aber lediglich LQ = 2 (= 12+12) gegenüber [1], also eine Reduktion um
fast 90% (!!!). Im Nicht-Fraktalen Modus kann außerdem die Pausenlänge modifiziert
werden, siehe [4].
[3]: Ein VFM-Signal im Fraktalen
Modus
Beschreibung: Ein nach der VFM Methode moduliertes Signal
im Fraktalen Modus. Dabei ist die Wiederholrate auf dem Minimalwert,
aber immer noch < 1/60 Sekunde,
um ein möglichst
langes Signal in einer Periode unterzubringen. Der "überstehende" Teil kann als "vorne" eingefügt betrachtet werden, wenn
man nur eine einzelne Periode betrachtet. Auch hier ist die Impulsbelastung
immer noch sehr gering.
[4]: Ein VFM-Signal im Nicht-Fraktalen Modus
Beschreibung:
Ein nach der VFM Methode moduliertes Signal im Fraktalen Modus,
wobei zwei unterschiedliche Perioden eines sehr schwachen Rot-Signals
gezeigt werden. Wie im Text beschrieben, gibt hier die Variation
der Pausenlänge
einen zusätzlichen
Freiheitsgrad, der exakt da von Nutzen ist, wo das menschliche Auge
am empfindlichsten reagiert.
[5]: Aufbau eines Systems,
welches die VFM verwendet:
Beschreibung: Die Beispiel-Implementierung
verwendet 3 Kanäle
und 3 Standard-Hochleistungs-LEDs mit jeweils etwa 1 Watt in den
Farben Rot, Grün,
Blau.