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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer Leuchte sowie eine Leuchte. Insbesondere betrifft die Erfindung eine LED-Leuchte mit einer Treiberschaltung.
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Hintergrund der Erfindung
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Treiberschaltungen zum Steuern der Lichtintensität und/oder Lichtfarbe von Leuchten sind bekannt. Diese werden insbesondere für LED-Beleuchtungen verwendet.
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So ist die Lichtintensität einer LED (Light Emitting Diode) im hohen Maße von deren Temperatur und deren Alter abhängig. Mit zunehmendem Alter verliert das Licht einer LED-Leuchte an Intensität. Weiter verschiebt sich abhängig vom Alter und der Temperatur der Farbort der LED.
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Es ist daher aus der Praxis bekannt, die LEDs mit einer Treiberschaltung zu betreiben, welche die Lichtintensität regelt, so dass Intensitätsschwankungen aufgrund von Temperaturunterschieden und aufgrund eines Alterungsprozesses kompensiert werden können.
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Dies spielt insbesondere bei sogenannten RGB-LED-Beleuchtungen eine große Rolle. Bei derartigen Beleuchtungen wird beispielsweise weißes Licht durch Mischen der Farbe Rot, Grün und Blau erzeugt. Bereits relativ geringe Intensitätsverschiebungen in den einzelnen Farbkanälen führen zu einer deutlich sichtbaren Änderung der Lichtfarbe, was insbesondere dann unerwünscht ist, wenn mehrere RGB-LED-Leuchten nebeneinander betrieben werden.
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Um jeden Kanal mit der gewünschten Intensität zu betreiben, ist es daher bekannt, eine derartige Leuchte mit mehreren Sensoren zu versehen, über welche für jede Lichtfarbe getrennt die Intensität gemessen wird.
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Diese Vorgehensweise ist relativ aufwendig. So müssen mehrere Sensoren verwendet werden. Weiter müssen die Farbempfindlichkeiten im Sensorsystem durch hohe Trennschärfe und/oder aufwendige Berechnungen genau aufeinander abgestimmt werden, um hinreichend genau zu regeln.
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Weiter kann die Regelung durch von Außen eindringendes Streulicht beeinträchtigt werden.
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Die europäische Patentschrift
EP 1 056 993 B1 sieht ein Verfahren vor, bei welchem die Lichtintensität pulsweitenmoduliert geregelt wird. Dabei sind Messpulse vorgesehen, in welchen nur das Licht eines Farbkanals angeschaltet ist, so dass über eine Fotodiode das Licht aller Farbkanäle gemessen werden kann.
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Auch dieses System ist regelungstechnisch relativ aufwendig und kann von Standardgeneratoren zur Pulsweitenmodulation nicht ausgeführt werden, da die Pulse in ihrer zeitlichen Abfolge so angepasst werden müssen, dass die Momentanintensitäten der einzelnen LEDs erfasst werden können.
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Weiter detektiert dieses System keine Veränderung des Farborts des jeweiligen Kanals und ist ebenfalls empfindlich gegenüber Streulicht.
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Das Dokumente
DE 10 2008 021 871 A1 liefert Hinweise auf die Ansteuerung von LEDs mit verschiedener Frequenz, wobei das Signal einer Fotodiode gefiltert wird, um Messsignale für verschiedene Lichtfarben zu bestimmen. Die Dokumente
US 2011 0 018 465 A1 und
DE 10 2008 061 777 A1 zeigen Vorrichtungen und Verfahren zur Helligkeits- und/oder Farbsteuerung von LED-Leuchten.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und effizientes Verfahren zum Regeln der Helligkeit und/oder Lichtfarbe einer Leuchte bereit zu stellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch ein Verfahren zum Ansteuern einer Leuchte sowie durch eine Leuchte nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer Leuchte.
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Unter einer Leuchte im Sinne der Erfindung wird im Allgemeinen jegliche lichterzeugende Vorrichtung verstanden.
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Die Erfindung kann insbesondere überall dort eingesetzt werden, wo Lichtquellen modulierbar sind. Dies ist insbesondere bei LED-Beleuchtungssystemen der Fall.
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So erstreckt sich beispielsweise in Flugzeugkabinen, Zügen, Gebäudegängen und Treppenhäusern eine LED-Beleuchtung über große Längen. Dabei werden lange Leuchtstreifen mit vielen LEDs verwendet. Bei farblich einstellbaren Systemen handelt es sich üblicherweise dabei um RGB-LEDs. Durch unterschiedliche Umgebungsbedingungen, Alterung und Produktionsschwankungen sind die LEDs der einzelnen Lichtfarben, aber auch die Gesamtintensität eines RGB-LED-Clusters bei gleichem Eingangssignal unterschiedlich, so dass eine ausgleichende Intensitätsregelung der Einzelfarben erforderlich ist.
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LED-Beleuchtung, insbesondere RGB-LEDs, werden auch verwendet, um Licht in Lichtleiter (zum Beispiel Faserbündel) einzukoppeln. Bei seitlich emittierenden Lichtleitern kann dem Helligkeitsabfall durch einkoppeln von mehreren Seiten entgegengewirkt werden. Bei bekannten Regelungen ist bei gleichzeitiger Verwendung einer Intensitäts- und Farbregelung das Einkoppeln in der Regel noch von einer Seite des Faserstrangs möglich, da ansonsten das den Lichtleiter durchlaufende Licht, welches auch bei seitenemmittierenden Lichtleitern teilweise auf der anderen Seite des Faserstrangs ankommt, dort die Regelung stören würde.
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Auch beispielsweise bei Schaufenstern können sich durch äußere Einflüsse wie Sonnenstrahlen, Beschattung usw. die Lichtverhältnisse plötzlich ändern. Insbesondere bei der Innenraumbeleuchtung kann sich der Lichteinfall von außen durch unabhängig voneinander schaltbare Beleuchtungen plötzlich ändern.
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Um insbesondere für diese oder ähnliche Anwendungen eine verbesserte Regelung bereit zu stellen, liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, das Licht einer einzelnen Lichtquelle durch ein ausgewähltes, vorgegebenes Signal zum Ansteuern zu markieren.
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Unter einem Signal zum Ansteuern der Lichtquelle wird das Spannungssignal verstanden, mit welchem die Lichtquelle mit Strom versorgt wird.
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Erfindungsgemäß wird die Intensität des Lichts im Bereich der Leuchte gemessen.
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Aufgrund des vorgegebenen Signals, beispielsweise bei einer bestimmten Frequenz, insbesondere bei Verwendung einer Pulsweitenmodulation, kann gemäß der Erfindung der Anteil der Lichtquelle an der gemessenen Intensität, also der Gesamtintensität, bestimmt werden.
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Hierzu wird der Anteil der Lichtquelle anhand des vorgegeben Signals herausgefiltert. Der Anteil beziehungsweise Anteile an der gemessenen Gesamtintensität, welche nicht von der Lichtquelle sondern von anderen Lichtquellen stammen, werden aufgrund eines anderen Signals zumindest teilweise ausgeblendet. Im Unterschied zum Messen während eines Messpulses wird also die Signalform der Lichtquelle als Marker verwendet. Es kann kontinuierlich die Gesamtintensität gemessen werden. Anteile anderer Lichtquellen in Form eines anderen Kanals oder Umgebungslicht haben nicht (oder nur zufällig zu einem geringen Teil) die Signalform der zu messenden Lichtquelle. Es versteht sich dabei, dass eine vollständige Unterdrückung von Intensitätsanteilen anderer Lichtquelle in der Praxis zwar kaum möglich ist. Die Zuordnung des Intensitätsanteils der zu messenden Lichtquelle beziehungsweise des zu messenden Signals kann aber, beispielsweise über unterschiedliche Frequenzen bei Verwendung von Pulsweitenmodulation, derart genau sein, dass andere Kanäle einer Leuchte oder Streulicht das Messergebnis nicht nennenswert beeinträchtigen.
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Die Zuordnung erfolgt also anhand der zeitlichen Korrelation zwischen Signalform des vorgegebenen Signals, also des Signals mit welchem die Lichtquelle angesteuert wird, und des gemessenen Signals, innerhalb dessen das Signal der Lichtquelle enthalten ist. Dies kann im einfachsten Fall die Frequenz sein. Es versteht sich, dass aufgrund des zu durchlaufenden Signalweges zwischen vorgegebenem Signal, mit welchem die Lichtquelle angesteuert wird und dem gemessenen und gefilterten Signal eine Phasenverschiebung vorhanden sein kann.
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Um aus dem zugeordneten Signalanteil, welcher beispielsweise über einen Bandband herausgefiltert wird, in ein gut auswertbares Messsignal umzuwandeln, wird dieses Signal durch Integration über einen ausreichend langen Zeitraum in ein im Wesentlichen diskretes Signal umgewandelt. Dies kann beispielsweise über den Tiefpass eines Chopper- oder LockIn-Verstärkers erfolgen.
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Da nunmehr Umgebungseinflüsse sowie beispielsweise das Licht eines anderen Kanals ausgeblendet werden, kann eine gewünschte Lichtfarbe und/oder Helligkeit anhand des Anteils der Lichtquelle an der gemessenen Intensität eingestellt werden.
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Durch das als Marker verwendete Ansteuerungssignal kann unabhängig von den Umgebungsbedingungen zwischen eigenem Licht und Fremdlicht unterschieden werden.
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Es ist dabei insbesondere auch denkbar, dass erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung eines Farbfolgers zu verwenden, bei welcher die Lichtquelle durch das vorgegebene Signal zwischen eigenem Licht als Sender und Fremdlicht als Empfänger unterscheiden kann und so entsprechend reagieren kann.
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Vorzugsweise umfasst die Leuchte zumindest zwei Lichtquellen verschiedener Lichtfarbe, wobei sich das Signal, mit welchem die erste Lichtquelle angesteuert wird, von dem Signal, mit welchem die zweite Lichtquelle angesteuert wird, unterscheidet.
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Insbesondere können die Lichtquellen mit einer unterschiedlichen Frequenz angesteuert werden.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf eine Leuchte mit Lichtquellen in drei Farben, insbesondere einer RGB-LED.
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Die Verwendung des Verfahrens ist aber auch bei einer einzelnen Lichtquelle etwa nur zur Helligkeitssteuerung denkbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet zumindest einen Modulator für jeweils eine Lichtquelle oder eine Gruppe von Lichtquellen, der ein moduliertes Signal erzeugt. Unter einem Modulator wird jede Vorrichtung verstanden, mittels der das Signal mit einem Marker versehen wird, mittels dessen das abgestrahlte Licht der Lichtquelle zugeordnet werden kann.
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Das modulierte Signal weist einen Marker auf, der unabhängig von der Intensität ist oder der mit der Intensität in einer festen Beziehung steht.
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Das modulierte Signal kann dem Spannungs- oder Stromverlauf entsprechen, mit welchem die Lichtquelle angesteuert wird. So weist auch das abgestrahlte Licht die entsprechende Modulation auf, zum Beispiel dieselbe Frequenz bei einer Pulsweitenmodulation.
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Das Signal des Modulators wird gleichzeitig als Referenzsignal an eine Auswerteschaltung weitergeleitet.
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Hierzu kann beispielsweise eine Elektronik verwendet werden, welche als Lock-In-Verstärker ausgebildet ist. Das Modulationssignal ist derart schnell und kann so variiert werden, dass durch die Trägheit des Auges ein variabel einstellbarer, aber im Wesentlichen gleichbleibender Helligkeitseindruck entsteht.
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Ein Parameter der Modulation, insbesondere ein von der Pulsweite unabhängiger Parameter, wird verwendet, um das Signal für die spätere Weiterverarbeitung der Messwerte zu markieren.
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Die Lichtquelle, insbesondere die LED-Lichtquelle, wird über einen Treiber betrieben, welcher das Modulationssignal auf den Lichtstrom überträgt. Der Lichtstrom ist dabei abhängig von der Modulation und der Effizienz, welche ihrerseits von Temperatur, Alter und sonstigen Randbedingungen abhängt.
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Ein Teil des Lichtstroms eines Kanals, sowie möglicherweise des Lichtstroms weiterer Kanäle und Streulicht aus der Umgebung fällt auf einen lichtempfindlichen Sensor, insbesondere eine Fotodiode, welche aus dem Licht ein elektrisches Messsignal generiert.
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Dieses Messsignal wird mit dem Referenzsignal in einer Auswerteschaltung zusammengeführt.
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Die Auswerteschaltung umfasst insbesondere eine Filterstufe. Während im Messsignal der Anteil, welcher dem durch das Referenzsignal bereitgestellten Marker entspricht, im Wesentlichen unverändert bleibt oder verstärkt wird, werden andere Signalteile unterdrückt bzw. bleiben unverändert. Das so geänderte Signal wird durch einen Wandler in ein für eine Regelschleife geeignetes Feedbacksignal umgewandelt. Mit diesem Feedbacksignal wird über einen Regler die Intensität der Lichtquelle entsprechend einer Sollvorgabe nachgeführt. Insbesondere kann es sich dabei um eine Pulsweitenmodulation einer LED-Lichtquelle handeln.
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Als Modulator kann beispielsweise ein analoger Funktionsgenerator, welcher aus Operationsverstärkern, Widerständen, Induktivitäten und/oder Kapazitäten aufgebaut ist, verwendet werden.
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Auch ein digitaler Generator, beispielsweise zur Pulsweitenmodulation, kann als Modulator verwendet werden. Ein derartiger Generator ist beispielsweise aus Timern, Zählern, Komparatoren und Gattern aufgebaut. Bei Verwendung eines derartigen Generators kann in jedem Kanal eine unterschiedliche Modulationsfrequenz zugeordnet werden, das heilt, jeder Lichtfarbe ist eine andere Modulationsfrequenz zugeordnet, wobei die Intensität über die Breite der Pulse geregelt wird.
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Auch ein programmierbarer Modulator kann verwendet werden, bei dem das Modulationssignal berechnet wird oder als Tabelle abgelegt ist und die Werte über einen Digital-Analog-Konverter ausgegeben werden.
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Es kann also ein beliebiger Marker verwendet werden, solange dieser entweder unabhängig von der Intensität ist oder mit der Intensität in einer festen bekannten Beziehung steht. Notwendig ist allerdings, dass das modulierte Signal über die Lichtquelle und Fotodiode laufen kann. Ein Signalanteil beispielsweise unterhalb einer Schwellspannung wäre somit nicht als Marker geeignet.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, kann die Modulation, mit der auch die Intensität geregelt wird, als Pulsweitenmodulation ausgeführt werden. Die Intensität wird dabei über das Tastverhältnis festgelegt, wobei die einzelnen Kanäle nicht mit demselben Takt geregelt werden.
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Die unterschiedlichen Taktfrequenzen stellen nunmehr den Marker zur Unterscheidung der verschiedenen Lichtquellen dar.
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Das beste Signal-Rausch-Verhältnis besteht, wie ersichtlich ist, beim Tastverhältnis von etwa 50%. Bei höheren oder niedrigeren Tastverhältnissen wird die Kanaltrennung kontinuierlich schlechter. In den Extremfällen 0% und 100% ist keine Kanaltrennung mehr möglich. Damit der Intensitätsverlust durch das altern usw. ausgeglichen werden kann, darf der normale Betriebszustand die Reserven der LED nicht voll ausnutzen. Wenn die LED mit dem maximal zulässigen Strom betrieben wird, erhält man automatisch einen günstigen Fall: z. B. legt man fest, dass 60% Tastverhältnis 100% der Betriebshelligkeit entsprechen. Man hat dann 40% Regelreserve. Wenn diese Regelreserve ausgeschöpft ist, wird die LED bereits dauerhaft mit dem zulässigen Strom betrieben (kann also nicht mehr gesteigert werden). Dadurch hat es keinen Einfluss, dass das Verfahren bei 100% Tastverhältnis nicht mehr funktioniert. Da in diesen Fällen ohnehin keine Regelreserve mehr zur Verfügung steht, sind diese zudem nur von geringer Relevanz. Meistens werden LED's mit einer Tastverhältnis von deutlich unter 100% betrieben.
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Alternativ kann beispielsweise eine Modulation verwendet werden, bei welcher die Intensität über die Amplitude des Signals eingestellt wird. Notwendig ist ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Modulation und empfangenem Signal, damit nicht beispielsweise Dimmen der Lichtquelle als Alterung interpretiert wird. Es kann beispielsweise ein periodisches Signal, wie ein Sinus-, Dreieck- oder Trapezsignal verwendet werden, wobei als Marker ebenfalls die Frequenz verwendet werden kann.
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Insbesondere wenn viele Kanäle unterschieden werden müssen, ist aber auch denkbar, einen periodisch wiederkehrenden Signalcode, beispielsweise in Form eines Digitalcodes, zu verwenden, mit welchem eine nahezu unbegrenzte Auswahl von Kanälen unterschieden werden kann.
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Auch eine stochastische Modulation ist denkbar. Das Grundprinzip einer stochastischen Modulation ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
US 2008/0111503 A1 beschrieben. Hier wird eine stochastische Modulation, bei der über einen Zufallsgenerator eine scheinbar zufällige Modulation bereit gestellt wird, verwendet. Dies erfolgt zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen. In Weiterbildung dieser Regelung ist nunmehr denkbar, durch die Wahl unterschiedlicher Seed-Werte für den Zufallszahlengenerator jedes Kanals unterschiedliche Pseudo-Zufallszahlenfolgen zu erzeugen, welche als Marker für die Lichtquelle dienen.
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Der Treiber für die Lichtquelle kann beispielsweise als Transistor, Linearregler, DC/DC-Wandler und unter Umständen auch als Röhre ausgebildet sein. Der Treiber sollte selbst keine Störungen in die Modulation des Signals einbringen, sondern dieses möglichst unverändert weiterleiten.
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Als Lichtquelle ist die Erfindung vor allem für LEDs, insbesondere für RGB-LEDs vorgesehen. Aber auch andere Lichtquellen wie phosphorkonvertierte LEDs oder Laser können mit der Erfindung gesteuert werden. Es ist unter Umständen auch denkbar Entladungslampen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben.
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Als Sensor, mit welchem die Intensität in der Nähe der Leuchte gemessen wird, kann beispielsweise eine Fotodiode oder ein Fotowiderstand verwendet werden.
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Bei einer Weiterbildung wird eine Kombination aus Fotodiode und Farbfilter verwendet. Durch den Farbfilter kann nicht nur eine Intensitätsänderung, sondern auch eine Farbortverschiebung erkannt werden.
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Denkbar ist auch eine Regelung, bei der Fotodioden mit Farbfiltern verwendet werden, mit der erfindungsgemäßen Markierung eines Kanals zu kombinieren. Hierzu wird das Signal für mehrere Lichtquellen, insbesondere jeweils einer Farbe, gleich moduliert. So können beispielsweise bei Verwendung von RGB-LEDs alle Kanäle mit demselben Marker moduliert werden, wobei in diesem Fall der Marker nur der Markierung einer bestimmten RGB-LED dient.
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Weiter kann das Verfahren beim Kalibrieren von Beleuchtungseinrichtungen Verwendung finden, wobei beim Kalibieren die Information, von welchen Lichtquellen Licht auf einen oder mehrere Messpunkte fällt, Verwendung findet. Durch die Erfindung wird ermöglicht, auch das Licht mehrerer gleichfarbiger Lichtquellen an einem Messort zu unterscheiden.
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Die Sensoren können auch als Array ausgebildet sein. Insbesondere können Sensoren über eine Fläche verteilt sein, um die Verteilung des Lichtes mehrerer Lichtquellen in einem Beleuchtungsfeld zu bestimmen.
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Die Auswerteschaltung enthält vorzugsweise eine Filterstufe, in welcher Signalanteile, welche nicht von dem markierten Kanal stammen, herausgefiltert werden.
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Hierfür kann beispielsweise ein analoger Multiplizierer, insbesondere ein analoger Lock-In-Verstärker, verwendet werden. Auch die Verwendung eines digitalen Multiplizierers ist denkbar.
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Weiter kann ein analoger Gleichrichter verwendet werden, bei dem die Polarität in Abhängigkeit von dem Verstärkungslevel invertiert wird, beispielsweise ein Operationsverstärker mit schaltbarer Verstärkung +1/–1. Zur Steuerung der Verstärkung sollte dabei nicht die Polarität des Messsignals, sondern die des Referenzsignals verwendet werden.
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Weiter kann ein fester Bandfilter verwendet werden, bei welchem die Modulationsfrequenz als bekannt vorausgesetzt wird.
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Insbesondere in diesem Fall kann auf das Weiterleiten eines Referenzsignals an die Auswerteschaltung verzichtet werden, was aber je nach Anwendung fehleranfällig ist.
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Weiter kann ein Multiplizierer mit regeneriertem Referenzsignal verwendet werden, welcher vom Prinzip her wie die oben aufgeführten Multiplizierer funktioniert. Da die Modulation des Referenzsignals bekannt ist, kann sie auch regeneriert werden. Dies ermöglicht, dass Sender in Form der Lichtquelle und Empfänger in Form eines Sensors weit auseinander liegen, da nur ein einfaches Signal zur Synchronisation übertragen werden muss.
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Weiter kann auch ein Multiplizierer mit Phasenverschieber verwendet werden. So kann es zwischen Referenzsignal und Messsignal aufgrund der unterschiedlichen Wege, welche die Signale nehmen, zu einer Phasenverschiebung kommen.
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Um dies zu kompensieren, ist im Referenzzweig eine Verzögerungsleitung eingefügt, die als Phasenverschieber die Phasenverschiebung kompensiert. Dieses Element kann als analoge Komponente, wie beispielsweise als Spule, als digitale Komponente, wie beispielsweise ein Schieberegister, oder rein softwarebasiert, wie beispielsweise in Form eines Pufferspeichers, ausgebildet sein.
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Weiter ist bei einer Ausführungsform der Erfindung auch denkbar, Multiplizierer mit in 90° verschobenen Phasen zu verwenden. Ist nun mit einer Phasenverschiebung zwischen Mess- und Referenzsignal zu rechnen, deren Wert unbekannt ist, so wird der Multiplizierer doppelt ausgeführt. Ein erster Multiplizierer verrechnet das Messsignal mit dem Referenzsignal und ein weiterer Multiplizierer mit dem verschobenen Messsignal. Aus beiden Werten wird eine komplexe Zahl gebildet, deren Betrag zur Regelung der Intensität verwendet werden kann.
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Um in der Auswerteschaltung Anteile, welche nicht auf den gewünschten Kanal betreffen, zu entfernen, wird ein Demodulator verwendet. Unter einem Demodulator wird jede Vorrichtung verstanden, über die sich das modulierte Signal zuordnen lässt. Im Fall der Verwendung unterschiedlicher Frequenzen als Marker kann dies ein Bandpassfilter sein, dessen Durchlassfrequenzbereich auf die Frequenz des zu messenden Kanals abgestimmt ist.
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Das Signal beispielweise des Bandpassfilters kann im Anschluss einen Tiefpass durchlaufen, um das Signal, welches nunmehr im Wesentlichen nur noch den Signalanteil der zu messenden Lichtquelle umfasst, in ein quasi konstantes Signal umzuwandeln, welches die aktuelle Effizienz der zu messenden Lichtquelle ausdrückt.
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Als Tiefpass beispielsweise ein herkömmlicher Tiefpass, umfassend Kondensatoren und Spulen, verwendet werden.
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Weiter kann ein aktiver Tiefpass, welcher beispielsweise einen Operationsverstärker umfasst, verwendet werden.
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Der Tiefpass kann mit einem Analog-Digital-Konverter, insbesondere einem integrierenden Analog-Digital-Konverter, kombiniert werden. Die Integrationszeit bestimmt dabei die Trennfrequenz des Tiefpasses.
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Schließlich kann der Tiefpass durch ein Programm bereit gestellt werden, beispielsweise durch Bilden eines gleitenden Durchschnitts.
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Die Intensität des jeweiligen Leuchtmittels kann über einen Regler geregelt werden.
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Dies kann beispielsweise analog mit Operationsverstärkern, Transistoren oder Ähnlichem erfolgen, was sich insbesondere dann anbietet, wenn die anderen Komponenten der erfindungsgemäßen Regelung auch in Analogtechnik ausgeführt sind.
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Anderenfalls wird vorzugsweise eine Digitalregelung verwendet.
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Die Erfindung kann insbesondere auch verwendet werden, um mehreren Lichtquellen einer Farbe eine unterschiedliche Markierung zuzuweisen. So ist es beispielsweise auch denkbar, über eine einzige Fotodiode die verschiedenen Kanäle mehrerer RGB-LEDs zu messen.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Leuchte, welche insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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Die Leuchte umfasst zumindest ein Modulator zum Ansteuern der Lichtquelle mit einem modulierten Signal sowie Mittel zum Messen einer Intensität des Lichts im Bereich der Leuchte. Unter „im Bereich der Leuchte” wird jede Position verstanden, auf die Licht der Leuchte, welches gemessen werden kann, fällt. Diese Stelle kann somit auch an einem von der Leuchte entfernten Ort liegen, wenn beispielsweise über Lichtleiter das Licht über eine größere Strecke übertragen wird.
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Weiter umfasst die Leute eine Auswerteschaltung. Die Auswerteschaltung ist vorzugsweise mit dem Modulator verbunden und derart ausgebildet, dass sie anhand des modulierten Signals den Teil des Anteils der Leuchte an der gemessenen Intensität misst.
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Hierzu nutzt die Auswerteschaltung eine Signalcharakteristik, wie beispielsweise die Frequenz eines modulierten Signals, als Marker.
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Weiter umfasst die Leuchte Mittel zum Einstellen einer gewünschten Lichtfarbe und/oder Helligkeit anhand des Anteils der Lichtquelle an der gemessenen Intensität.
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Insbesondere wird also über einen Regler eine Lichtquelle in der Intensität gesteuert. Durch die Verwendung eines Markers kann jedes Leuchtmittel bzw. auch in Gruppen zusammengefasste Leuchtmittel individuell hinsichtlich der Intensität gemessen werden.
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Die Erfindung eignet sich dabei, wie bereits vorstehend erwähnt, auch um für Beleuchtungsaufgaben, bei denen Licht an zwei Enden, beispielsweise einer seitenimitierten Faser eingekoppelt wird, da das die Faser durchlaufende Licht aufgrund seiner individuellen Markierung die Farbort- und/oder Intensitätsregelung der anderen Seite nicht beeinträchtigt.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen 1 bis 6 näher erläutert werden.
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1 zeigt eine Prinzipskizze einer Leuchte 1, anhand welcher das Grundprinzip der Erfindung erläutert werden soll.
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Die Leuchte 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle 2 in Form einer RGB-LED.
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Über einen Modulator 3 wird für jeden Kanal der RGB-LED, also für jede Lichtfarbe, ein Signal generiert, mit welchem die RGB-LED angesteuert wird. Die Intensität jedes Kanals kann dabei beispielsweise über Pulsweitenmodulation geregelt werden.
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Über eine Fotodiode 5 wird die Intensität des von der Lichtquelle 2 abgestrahlten Lichts gemessen. Es versteht sich, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Fotodiode 5 das Licht aller drei Kanäle erfasst. Zudem erfasst die Fotodiode 5 auch Streulicht, welches von Außen in die Leuchte eindringt.
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Der Modulator 3 sendet in diesem Ausführungsbeispiel für jeden Kanal ein Ansteuerungssignal mit einer unterschiedlichen Frequenz, das heißt, die Kanäle für die verschiedenen Farben werden im Rahmen der Pulsweitenmodulation mit unterschiedlicher Frequenz angesteuert.
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Gleichzeitig wird dieses Frequenzsignal auch an die Auswerteschaltung 6 weitergegeben.
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Da die Auswerteschaltung 6 das Frequenzsignal nunmehr kennt und da im Rahmen der Pulsweitenmodulation das Frequenzsignal auch von der Fotodiode 5 gemessen wird, kann die Auswerteschaltung 6 Signalanteile, welche nicht die Modulationsfrequenz des jeweiligen Kanals haben, ausblenden. So kann die Auswerteschaltung die Intensität des jeweiligen Kanals bestimmen.
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Auf dieser Basis steuert nunmehr die Auswerteschaltung den Modulator 3 an und korrigiert die Intensität der jeweiligen Kanäle auf einen gewünschten Wert, um die gewünschte Lichtfarbe (z. B. weißes Licht) oder die gewünschte Lichtintensität einzustellen. Es versteht sich, dass hierbei nicht die Frequenz des jeweiligen Kanals geändert wird, sondern dass der Modulator beispielsweise die Pulsbreite erhöht, um die Intensität eines Kanals zu erhöhen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung (nicht dargestellt) ist auch denkbar, dass das Signal des Modulators nicht an die Auswerteschaltung weitergegeben wird, sondern dass der Modulator mit festen Frequenzen für jeden Kanal arbeitet, wobei diese Frequenzen der Auswerteschaltung bekannt sind.
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Es versteht sich, dass statt einer unterschiedlichen Frequenz als Marker für den jeweiligen Kanal auch ein anderes Signalcharakteristikum als Marker verwendet werden kann.
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2 zeigt, schematisch dargestellt, einen beispielhaften Frequenz/Signalstärkeverlauf. Auf der x-Achse ist die Frequenz, auf der y-Achse ist die Intensität schematisch wiedergegeben.
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Der Signalverlauf zeigt den Zustand vor der Auswerteschaltung. Angedeutet ist das typisch auftretende 1/f Rauschen, sowie die Peaks der 3 als Marker verwendeten Modulationsfrequenzen. Die „Hauben” stellen die 3 Bandpassfilter dar, die jeweils eine der Markerfrequenzen selektieren und dadurch alle anderen Störanteile (die anderen Kanäle und das Störlicht) unterdrücken.
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Über den Demodulator werden beispielsweise über einen Bandpassfilter Frequenzanteile anderer Kanäle und durch Streulicht verursachte Signale entfernt. Über einen anschließenden Tiefpass wird dann im Prinzip das Modulationssignal ausgefiltert bzw. das Signal geglättet, so dass das Messsignal übrig bleibt.
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Der hier dargestellte beispielhafte Signalverlauf zeigt eine Trennung der Signalanteile in Rot 7, Grün 8 und Blau 9.
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Es versteht sich, dass vorstehende Ausführungen idealisiert das Prinzip erklären und dass in der Praxis selbstverständlich in der Regel keine vollständige Ausblendung fremder Signalanteile möglich sein wird.
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3 zeigt beispielhaft das Prinzip einer Schaltung 10 für eine erfindungsgemäße Leuchte, in dieser Darstellung für einen Kanal.
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Die Lichtquelle 2 in Form einer LED wird über einen Treiber 11, welcher mit einer Stromquelle verbunden ist, mit Spannung versorgt.
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Der Treiber 11 seinerseits wird von einem Modulator 3 angesteuert, welcher das Signal für die Lichtquelle 2 liefert. Der Treiber 11 dient somit im Wesentlichen als Verstärker des Modulationssignals, welches vom Modulator 3 geliefert wird.
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Über eine Fotodiode 5 wird die Intensität des von der Lichtquelle 2 abgestrahlten Lichts gemessen. In diesem Messsignal können noch Anteile von Streulicht oder von anderen Kanälen (nicht dargestellt) vorhanden sein. Das gemessene Signal wird über einen Vorverstärker an eine Auswerteschaltung weitergeleitet.
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Die Auswerteschaltung umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Demodulator 12 und einen Tiefpass 14. Der Demodulator 12 ist seinerseits mit dem Modulator 3 verbunden, erhält also das jeweilige Modulationssignal des jeweiligen Lichtkanals.
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Da das Modulationssignal den Treiber 11 durchläuft, kann dieses Referenzsignal sowohl vor als auch nach dem Treiber abgegriffen werden.
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Aufgrund des unterschiedlichen Signalweges möglicherweise entstehende Phasenverschiebungen können über einen Phasenverschieber 13 korrigiert werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel dient die Frequenz einer Pulsweitenmodulation als Marker.
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Der Demodulator 12 filtert über einen Bandpassfilter Signalanteile der Fotodiode 5 entsprechend der Frequenz des Modulators 3. Über den folgenden optionalen Tiefpass kann das Signal geglättet werden, so dass ein Messsignal anliegt, welches sich besser verarbeiten lässt.
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Nach dem Tiefpass liegt somit ein Messsignal an, welches mit der Intensität der Lichtquelle 2 korrespondiert. Dieses Signal wird an einen Regler 16 weitergeleitet, der mit einer Schaltung zur Soll/Ist-Anpassung 15 verbunden ist. Liegt nun das Signal unterhalb einer gewünschten Intensität, erhöht die Schaltung zur Soll/Ist-Anpassung 15 über den Modulator 3 die Breite der Pulse.
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Es versteht sich, dass diese Schaltung nur ein Beispiel darstellt und dass die gezeigten Bauteile wie beispielsweise Verstärker auch durch andere Bauteile ersetzt werden können oder dass teils auf diese verzichtet werden kann. Insbesondere können wesentliche Komponenten dieser Schaltung auch rein softwarebasiert in einem digitalen Signalprozessor abgebildet werden. Dies betrifft insbesondere den Aufbau der Auswerteschaltung, welche hier einen Demodulator und einen Tiefpass umfasst. So kann die Auswerteschaltung auch rein digital aufgebaut werden, wobei auf einen Tiefpass verzichtet werden kann, insbesondere wenn der Tiefpass der üblicherweise Teil von Analog-Digital-Convertern ist, in seinen Parametern zu den Anforderungen der restlichen Auswerteelektronik passt.
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4 zeigt das bereits in 3 dargestellte Prinzip, wobei hier eine Schaltung für drei Kanäle dargestellt ist.
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Die Schaltung lässt sich in drei Schaltungsgruppen 10a, 10b, 10c einteilen, wobei der Aufbau und Signalverlauf jeder Schaltungsgruppe im Wesentlichen der in 3 dargestellten Schaltung entspricht.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind drei Lichtquellen, 2a, 2b, 2c vorgesehen, welche eine RGB-LED bilden.
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Das Licht dieser drei Kanäle fällt auf eine einzelne Fotodiode 5, deren Signal über einen Vorverstärker an die Schaltungen 10a, 10b, 10c weitergeleitet wird.
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Jede der Schaltungsgruppen ist dabei für einen Kanal zuständig, so dient beispielsweise die Schaltungsgruppe 10a der Regelung des Rotkanals.
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Über das in 3 dargestellte Prinzip, bei welchem die Modulationsfrequenz des Signals für den roten Kanal als Marker verwendet wird, blendet die einen Demodulator und Tiefpass umfassende Auswertschaltung andere Signalanteile, insbesondere des blauen und grünen Kanals aus, so dass das Signal für den Kanal „Rot” eigenständig geregelt werden kann.
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Neben der Tatsache, dass nur eine Fotodiode verwendet werden muss, ist ein weiterer besonderer Vorteil dieser Schaltung, dass auch Streulichtanteile keinen Messfehler verursachen.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltung mit drei Kanälen.
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Für die Lichtquellen 2a, 2b, 2c, ist eine Fotodiode 5 vorgesehen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel verfügt aber nicht jeder Kanal über eine eigene dem Kanal zugeordnete Auswerteschaltung, sondern dass Messsignal der Fotodiode 5 wird über einen Schalter 17 sequenziell an eine Auswerteschaltung weitergeleitet.
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Die Auswerteschaltung umfasst in diesem Beispiel zwei Demodulatoren, 12a, 12b. Während das Messsignal direkt dem Demodulator 12b zugeführt wird, wird es dem Demodulator 12a um 90° verschoben zugeführt, hierfür ist ein Phasenverschieber 18 vorgesehen.
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Nach Durchlaufen der Demodulatoren 12a, 12b durchlaufen die Signale jeweils einen Tiefpass und bilden einen Betrag in Form einer komplexen Zahl. Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass der Betrag der komplexen Zahl ein Maß für die Intensität des jeweiligen Kanals bildet, ohne von einer möglichen Phasenverschiebung aufgrund unterschiedlicher Signalwerte beeinträchtigt zu werden.
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Dieses Messsignal wird einem Regler 16 zugeführt, welcher über die Schalter 19 und 20 mit den Schaltungen zu Soll/Ist-Anpassung jedes Kanals sequenziell verbunden wird.
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Die für jeden Kanal vorgesehene Schaltung zur Soll/Ist-Anpassung erhält somit in regelmäßigen Abständen ein Korrektursignal.
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Diese Ausführungsform eignet sich vor allem für Anwendungen in welchen nur eine langsame Korrektur vorgenommen werden muss, beispielsweise um Alterungseffekte oder Temperaturschwankungen zu kompensieren.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltung, bei der ebenfalls drei Lichtquellen 2a, 2b, 2c in Form einer RGB-LED vorhanden sind.
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Im Unterschied in dem zu 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist hier nicht eine sondern es sind drei Fotodioden 5a, 5b, 5c vorgesehen, welche das Licht jeweils für einen Kanal messen.
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Dabei können die Fotodioden 5a, 5b, 5c mit einem Farbfilter versehen sein oder auf die jeweilige Lichtfarbe optimiert sein.
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Über einen Schalter 21 werden die Signale sequenziell an eine Auswerteschaltung weitergeleitet. Die weitere Signalverarbeitung entspricht der in 5 dargestellten Signalverarbeitung und braucht daher nicht näher erläutert werden.
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Diese Ausführungsform eignet sich beispielsweise für Anwendungen mit dynamischer Helligkeitssteuerung, beispielsweise in Schaufenstern. Dabei ist insbesondere auch denkbar, dass gemessene Streulicht bei der Regelung mit zu berücksichtigen (nicht dargestellt).
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Weiter ist denkbar, zu bestimmen, welches Licht welcher Leuchte ortsspezifisch zur Beleuchtung beiträgt.
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Hierzu ist insbesondere vorgesehen, bei mehreren Leuchten die jeweiligen Kanäle einer Farbe mit unterschiedlichen Markern zu kennzeichnen. So kann auch das Licht eines Kanals unterschiedlichen Leuchten zugeordnet werden.
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Durch die Erfindung wurde eine einfache Regelung insbesondere von LED-Beleuchtungen mit erhöhter Regelungsgenauigkeit erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leuchte
- 2
- Lichtquelle
- 3
- Modulator
- 4
- Fotodiode
- 5
- Auswerteschaltung
- 6
- Kanal rot
- 7
- Kanal grün
- 8
- Kanal blau
- 9
- Kanalschaltung
- 10
- Treiber
- 11
- Demodulator
- 12
- Phasenverschieber
- 13
- Tiefpass
- 14
- Schaltung Soll/Ist-Anpassung
- 15
- Regler
- 16
- Schalter
- 17
- Phasenverschieber
- 18
- Schalter
- 19
- Schalter
- 20
- Schalter
