DE10349553A1

DE10349553A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Helligkeitsregelung von zumindest einer LED

Info

Publication number: DE10349553A1
Application number: DE10349553A
Authority: DE
Inventors: Ortwin Dipl.-Ing. Lang; Jörn Bielich
Original assignee: Public Screen & Lightsystems A; Public Screen & Lightsystems AG
Current assignee: Digitallicht Ag 63579 Freigericht De
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: DE10349553B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung (10) zur Helligkeitsregelung von zumindest einer LED (12), wobei in die zumindest eine LED (12) ein Pulsstrom I¶PULS¶ mit Stromimpulsen bestimmter Pulsamplitude und Pulsdauer eingeprägt wird und wobei zur Helligkeitsregelung die Frequenz des Pulsstromes I¶PULS¶ variiert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, sowohl beliebig viele LEDs gleichmäßig und ruckfrei in ihrer Helligkeit zu regeln, als auch eine möglichst geringe "Grundhelligkeit" zu erzeugen, so dass ein für das menschliche Auge nicht sichtbarer Übergang von 0% auf die unterste Helligkeitsstufe verwirklicht wird. Zur Lösung wird vorgeschlagen, dass durch Variation der Pulsstromamplitude des Pulsstromes I¶PULS¶ ein Helligkeitsbereich vorgegeben wird und dass innerhalb des Helligkeitsbereichs durch Variation der Pulsstromdauer und/oder der Pulsstromfrequenz eine gewünschte Helligkeit eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Helligkeitsregelung von zumindest einer LED gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Anspruchs 8.
LEDs werden seit geraumer Zeit als Anzeige- und Kontrolllichter in elektrischen Geräten eingesetzt, so. z.B. in Schalttafeln, Bedienpulten, Radiogeräte, usw.. Seit Entwicklung der "ultrahellen" LEDs finden sie aber auch immer mehr Einsatz im Beleuchtungsbereich. Mit Erfindung der blauen LED lässt sich auch weißes Licht oder beliebige Mischfarben durch additive Farbmischung aus den Grundfarben rot, grün und blau erzeugen. Dieses Verfahren wird z.B. in LED-Videowänden oder für Beleuchtung mit Farbwechsel angewandt.
Eine Helligkeitsregelung der LEDs ist für eine dynamische Farbmischung unerlässlich, da durch unterschiedliche Intensitäten der Grundfarben die entsprechenden Mischfarben erzeugt werden. Aber auch bei einfarbigen Beleuchtungsanlagen ist eine Regelung der Helligkeit oft erforderlich, um die Helligkeit an die jeweilige Beleuchtungssituation anpassen zu können.
Es ist bekannt, dass LEDs über die Spannung (Volt) in ihrer Helligkeit geregelt werden können. Die Regelung über die Spannung ist für einzelne LEDs, z. B. über ein Potentiometer, sehr einfach. Sollen jedoch mehrere LEDs in der Helligkeit geregelt werden findet dieses Verfahren kaum Verwendung, da jede LED produktionstechnisch bedingt geringfügig unterschiedliche Durchlassspannungen aufweist und somit eine einheitliche Helligkeitsregelung mehrerer LEDs nur mit hohem technischen Aufwand möglich wäre.
Aus der DE 00 30 772 A1 und EP 0 660 648 A1 sind Verfahren und Schaltungsanordnungen bekannt, durch die LEDs über den Strom (Ampere) in ihrer Helligkeit geregelt werden können. Da LEDs nur in einem schmalen Bereich von wenigen Milliampere betrieben werden können, ist bei digitaler Ansteuerung nur eine relativ geringe Anzahl von Helligkeitsstufen erzeugbar. Die Folge sind für das menschliche Auge wahrnehmbare Sprünge von einer Helligkeitsstufe zur nächsten.
Aus DE 100 13 207 A1 und CA 2 324 423 sind Verfahren zur Helligkeitsregelung von LEDs durch "Pulsen" des Stromes bekannt. Hier gibt es die unterschiedlichsten Modulationsverfahren, wie z.B. die Pulsweitenmodulation (PWM) oder die Pulsfrequenzmodulation (PFM), um nur einige zu nennen. Das Prinzip ist bei allen Modulationsarten ähnlich: Es wird der Stromfluss zur LED durch einen mikroprozessorgesteuerten Ein/Aus-Schalter in Impulse zerlegt, wobei der Betriebsstrom auf einem bestimmten Wert konstant gehalten wird und die Helligkeit der LED durch die Veränderung der Ein- und Ausschaltdauer geregelt wird. Die Pulsfrequenz wird dabei so hoch gewählt, dass die LED für das menschliche Auge unterbrechungsfrei zu leuchten scheint. So lassen sich auch größere Anzahlen von LEDs gleichmäßig und in praktisch beliebig vielen Stufen in der Helligkeit regeln.
Da bei der Pulsung des Stromes eine Verminderung der Helligkeit der LED durch längere Pausen zwischen jedem Einschaltimpuls erzeugt wird, ist zwangsläufig irgendwann der Punkt erreicht, an dem die Pulsung für das menschliche Auge sichtbar wird. Die LED fängt an zu flackern. Die unterste Helligkeitsstufe ist also ein Kompromiss aus möglichst geringer Helligkeit und gerade noch flackerfreiem Betrieb der LED. Diese unterste Helligkeitsstufe wird in Fachkreisen als "Grundhelligkeit" oder "Resthelligkeit" bezeichnet und wird in vielen Anwendungsbereichen, z.B. im künstlerischen oder architektonischen Bereich, als störend empfunden, da der Übergang von 0% Helligkeit zur untersten Helligkeitsstufe deutlich sichtbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, sowohl beliebig viele LEDs gleichmäßig und ruckfrei in ihrer Helligkeit zu regeln, als auch eine möglichst geringe "Grundhelligkeit" zu erzeugen, so dass ein für das menschliche Auge nicht sichtbarer Übergang von 0% auf die unterste Helligkeitsstufe verwirklicht wird.
Diese Aufgabe wird u. a. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass eine Ansteuerung der zumindest einen LED über eine Pulsmodulation in Verbindung mit einer variablen Stromregulierung erfolgt. Zur Veranschaulichung wird das Verfahren mit der Gangschaltung und dem Gaspedal beim Automobil verglichen. Die Steuerung über den Strom mit der geringen Anzahl an Schaltstufen ist hier gleichzusetzen mit den Gängen eines Getriebes und die hochauflösende Pulsung des Stromes mit dem fein dosierbaren Gaspedal eines Motors.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass die Amplitude zum Erreichen eines höheren/niedrigen Helligkeitsbereichs vorzugsweise in Stufen von I_N/2 ≤ I_PULS ≤ I_N/100 vorzugsweise I_N/30 erhöht/erniedrigt wird, wobei innerhalb einer Helligkeitsstufe eine Feinregelung der Helligkeit über Variationen der Pulsstromdauer und/oder Pulsstromfrequenz erfolgt.
So kann im unteren Helligkeitsbereich ein geringer Strom vorgegeben werden, welcher von vornherein eine geringe Helligkeit der LED bewirkt. Diese geringe Helligkeit wird über die Pulsung des Stromes bis an die Helligkeitsstufe null herunter geregelt, so dass für das menschliche Auge kein Übergang zwischen 0% und Einsetzen der Helligkeit sichtbar ist. Die LED ist hierbei flackerfrei. Die Flackerfreiheit wird erreicht, indem die Pulsstromdauer und/oder die Pulsstromfrequenz auf einen Minimalwert eingestellt werden. Soll die Helligkeit der LED bis auf 100% angehoben werden, wird im Verlauf der Helligkeitssteigerung ebenfalls der Strom stufenweise erhöht, wobei bei jeder Stromschaltstufe die Pulsung entsprechend wieder zurück genommen wird, um einen gleichmäßigen und ruckfreien Verlauf zu erzeugen. Die Zuordnung des eingegebenen Helligkeitswertes zum entspre chenden Verhältnis der jeweiligen Schaltstufen von Strom und Pulsung ist in einer Korrekturtabelle hinterlegt, auf welche der Steuerprozessor zugreift.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass eine Umschaltung auf eine nächsthöhere Pulsstromamplitude I_PULS erfolgt, wenn die Pulsstromperiode im Bereich der zweifachen Pulsstromdauer liegt und dass eine Umschaltung auf eine niedrige Pulsstromamplitude I_PULS erfolgt, wenn die Pulsstromdauer einen Minimalwert unterschreitet, bei dem noch ein flackerfreier Betrieb der LED möglich ist.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass die Steuerungseinheit frei adressierbar ist und über einen Datenbus angesteuert werden kann. So können eine Vielzahl von LED Einheiten über eine gemeinsame Datenleitung unterschiedlich oder synchron angesteuert werden.
Vorteilhaft ist auch die Möglichkeit Programmabläufe direkt in der Steuerungseinheit zu hinterlegen, so dass z.B. Lichtspiele unabhängig von einem zentralen Steuergerät ablaufen können.
Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Helligkeitsregelung von zumindest einer LED, umfassend einen Stromregler zur Versorgung der LED mit einem Pulsstrom IPULS sowie einen Pulsgenerator und eine Prozessoreinheit dadurch gelöst, dass der Stromregler als steuerbarer Stromregler zur Variation der Pulsstromamplituden zur Einstellung verschiedener Helligkeitsstufen ausgebildet ist und dass der Pulsgenerator zur Einstellung der Pulsstromdauer und/oder Pulsstromfrequenz innerhalb einer durch die Pulsstromamplitude vorgegebenen Helligkeitsstufe ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Prozessoreinheit eine Speichereinheit auf, in der eine Zuordnungs- bzw. Korrekturtabelle hinterlegt ist, in der entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie gewünschten Helligkeitswerten entsprechende Werte für die Pulsstromamplitude, die Pulsstromdauer und/oder die Pulsstromfrequenz definiert sind. Ferner ist vorgesehen, dass die Prozessoreinheit über einen Controller mit einem Datennetz verbunden ist. Ausgehend von dem Controller, der als Mastercontroller ausgebildet ist, kann ein digitales synchrones Suchnetz ausgehen, in dem weitere Ansteuereinheiten zur Ansteu erung mehrere LED-Reihen angeschlossen sind, wobei jeder Reihe eine Farbe, wie beispielsweise rot, grün oder blau zugeordnet ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus dem der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Helligkeitssteuerung zumindest einer LED,
2 ein schematisches Blockschaltbild eines Schaltungsanordnung zur Helligkeitssteuerung zumindest einer LED mit synchronem Subnet,
3a)–d) Signalverläufe zur Ansteuerung der Prozessoreinheit mit D/A-Wandler gemäß 1 und 2 und
4 ein Schaltungsaufbau zur Ansteuerung von RGB-LED-Streifen.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 10 zur Helligkeitssteuerung mindestens einer LED 12, die im vorliegenden Fall aus einer Reihenschaltung einer Vielzahl von LEDs (LED-Streifen) gebildet wird.
Die Schaltungsanordnung umfasst einen Stromregler 14 sowie einen Pulsgenerator 16, die von einer Prozessoreinheit 18 angesteuert werden. Die Prozessoreinheit umfasst einen D/A-Wandler 20 sowie eine Speichereinheit 22 und ist über einen Controller 24 mit einem Datennetz 26 verbunden, welches von einer Zentraleinheit 28 gesteuert wird. Zur Energieversorgung der Schaltungseinheit 10 sowie der LEDs 12 ist eine Energieversorgungseinheit 30 vorgesehen.
Mit der dargestellten Schaltungsanordnung 10 wird die Möglichkeit eröffnet, die LEDs 12 mit einem variablen Pulsstrom I_PULS zu speisen, der sowohl in seiner Pulsamplitude, seiner Pulsdauer und der Pulsfrequenz steuerbar ist. Die Regelung der Pulsamplitude erfolgt durch den Stromregler 14 vorzugsweise in Stufen, wobei die Pulsdauer und/oder Pulsfrequenz innerhalb einer Stufe über den Pulsgenerator 16 gesteuert werden.
2 zeigt den Aufbau eines Lichtnetzwerks 32, wobei von dem als Master-Controller ausgebildeten Controller 24 ein digitales synchronisches Subnet 34 ausgeht, an dem sodann eine Vielzahl von weiteren Schaltungsanordnungen 10.R, 10.B sowie 10.B zur Ansteuerung von LED-Streifen unterschiedlicher Farben angeschlossen werden können.
Dabei entspricht der Aufbau der Schaltungsanordnung 10.B im Wesentlichen der in 1 beschriebenen Schaltungsanordnung 10.
Über das Netzwerk 26 werden Steuerdaten asynchron in den Master-Controller 24 übertragen, in dem sodann eine Zuordnung der Steuerdaten nach Adresse und Farbe zu den einzelnen Ansteuereinheiten 10.R, 10.G, 10.B erfolgt. Die Steuerdaten, welche sowohl Pulsdaten wie beispielsweise Pulsdauer und Pulsfrequenz als auch Stromdaten wie beispielsweise Pulsamplitude enthalten, werden in der Speichereinheit 22 gespeichert. Ferner ist in der Speichereinheit 22 eine Zuordnungstabelle hinterlegt, die eine Zuordnung zwischen den Steuerdaten und gewünschten Helligkeitswerten enthält, wie diese beispielsweise der in 2b) dargestellten Funktion 36 entspricht. Ausgehend von den gewünschten Helligkeitswerten werden sodann der Pulsgenerator 16, der D/A-Wandler 20 sowie der Stromregler 14 angesteuert, wobei gemäß der Erfindung vorgesehen ist, dass der die LEDs 12 durchfließende Pulsstrom I_PLUS sowohl in seiner Pulsamplitude als auch in der Pulsdauer bzw. Pulsfrequenz gesteuert wird, um eine Helligkeitsregelung der LEDs zu erreichen.
Dabei wird in einem unteren Helligkeitsbereich eine geringe Stromamplitude durch den Stromregler 14 vorgegeben, so dass von vornherein eine geringe Helligkeit der LED eingestellt wird. Eine weitere Reduzierung kann sodann durch Variation der Pulsdauer und/oder der Pulsfrequenz so eingestellt werden, dass die Helligkeit der LED 12 bis auf Null herun tergeregelt wird, wobei für das menschliche Auge kein Übergang zwischen 0 % Helligkeit und einsetzender Helligkeit sichtbar ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt eine flackerfreie Helligkeitsregelung der LED ohne sichtbare Abstufungen über den gesamten Dimmbereich.
Sollte eine höhere Helligkeit gewünscht werden, erfolgt diese, indem die Stromamplitude vorzugsweise stufenweise erhöht wird, wobei bei jeder Stromschaltstufe die durch den Pulsgenerator 16 vorgegebene Pulsdauer bzw. Pulsfrequenz zurückgenommen wird, um einen gleichmäßigen und ruckfreien Verlauf zu erzeugen.
3a) bis d) zeigt rein beispielhaft Pulsströme I_PULS. Bei dem in 3a) dargestellten Pulsstrom wird weder die Pulsamplitude noch die Pulsdauer eingestellt.
3b) zeigt eine Helligkeitsregelung durch Variation der Pausendauer, d. h. der Pulsfrequenz, wobei die Pulsamplitude, d. h. die Stromhöhe fest auf einem konstanten Wert gehalten und fest eingeprägt wird.
3 zeigt eine Variante des Stromes I_PLUS, wobei eine Helligkeitsregelung durch Variation der Pulsdauer bei gleicher Pulsfrequenz und konstanter Pulsamplitude erfolgt.
Schließlich zeigt 3d) den Pulsstrom I_PLUS gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Helligkeitsregelung sowohl durch Variation der Pulsamplitude, d. h. der Stromhöhe als auch durch Variation der Pulsdauer und/oder der Pausendauer, d. h. der Pulsfrequenz erfolgt.
2c) zeigt eine Kennlinie 38, der die Amplitude des Pulsstroms I_PLUS über die Ansteuerspannung U_Steuer zu entnehmen ist. Die Kennlinie zeigt, dass unterhalb einer Grenzspannung U_GRENZ die Ansteuereinheit 10 in einem Analogbetrieb arbeitet, in dem die Stromamplitude entsprechend den vorgegebenen Stromdaten linear oder in Stufen von 0 bis beispielsweise 20 mA einstellbar ist.
Im einem Spannungsbereich oberhalb der Grenzspannung U_GRENZ arbeitet die Schaltungsanordnung 10 in einem Schalterbetrieb, was bedeutet, dass bei maximaler Stromamplitude die Steuerung der Helligkeit über Variation der Pulsdauer bzw. Pulsfrequenz erfolgt.
Die in 2 dargestellte Netzstruktur zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass die Prozessoreinheiten 18 der jeweiligen Ansteuereinheiten 10 frei adressierbar und über den Controller 24 und die Netzwerke 34 bzw. 26 ansteuerbar sind. So können eine Vielzahl von LED-Einheiten über eine gemeinsame Datenleitung wie beispielsweise das digitale synchrone Subnet 34 unterschiedlich oder synchron angesteuert werden. Auch können in den Ansteuereinheiten 10.R, 10.G, 10.B Programmabläufe hinterlegt werden, so dass zum Beispiel Lichtspiele unabhängig von der zentralen Steuereinheit 28 ablaufen können.
4 zeigt ein Anwendungsbeispiel eines Vernetzungsaufbaus von RGB-LED-Streifen. Das Netzwerk besteht aus der als Zweidraht-Netzwerk ausgebildeten Datenleitung 26, die mit der Steuereinheit 28 verbunden ist. Die Zweidraht-Netzwerkleitung 26 ist über den Master-Controller 24 mit den einzelnen Ansteuerschaltungen 10.R., 10.G, 10.B verbunden. Ausgehend von dem Master-Controller 24 verläuft sodann das digitale synchrone Subnet 34 zu weiteren Ansteuerschaltungen 10.R, 10.G, 10.B, wobei die Ansteuerschaltung 10.R zur Kommunikation mit dem synchronen Subnet einen Slave-Controller 24 aufweist, der die über das synchrone Subnet 34 übertragene Daten an die Prozessoreinheiten 18 der einzelnen Ansteuereinheiten 10.R, 10.G, 10.B weiterleitet.

Claims

Verfahren zur Helligkeitsregelung von zumindest einer LED (12), wobei in die zumindest eine LED (12) ein Pulsstrom I_PLUS mit Stromimpulsen bestimmter Pulsamplitude und Pulsdauer eingeprägt wird und wobei zur Helligkeitsregelung die Frequenz des Pulsstromes I_PULS variiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der Pulsstromamplitude des Pulsstromes I_PULS ein Helligkeitsbereich vorgegeben wird und dass innerhalb des Helligkeitsbereichs durch Variation der Pulsstromdauer und/oder der Pulsstromfrequenz eine gewünschte Helligkeit eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsstromamplitude zum Erreichen eines höheren/niedrigeren Helligkeitsbereichs vorzugsweise in Stufen von I_N/2 ≤ I_PULS ≤ I_N/100, vorzugsweise I_N/30 erhöht/erniedrigt wird, wobei innerhalb einer Helligkeitsstufe eine Feinregelung der Helligkeit über Variation der Pulsstromdauer und/oder Pulsstromfrequenz erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung auf eine nächsthöhere Pulsstromamplitude I_PULS erfolgt, wenn die Pulsstromperiode im Bereich der 2-fachen Pulsstromdauer liegt und dass eine Umschaltung auf eine niedrige Pulsstromamplitude I_PULS erfolgt, wenn die Pulsstromdauer einen Minimalwert unterschreitet, bei dem noch ein flackerfreier Betrieb der LED möglich ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Veränderung der Pulsstromamplitude zum Erreichen einer höheren/niedrigeren Helligkeitsstufe eine automatische Anpassung der Pulsstromdauer und/oder Pulsstromfrequenz erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Korrekturtabelle Pulsstromamplitudenwerte, Pulsstromdauerwerte und/oder Pulsstromfrequenzwerte zu vorgegebenen Helligkeitswerten hinterlegt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (10) zur Ansteuerung der zumindest einen LED (12) oder eines aus einer Reihenschaltung von LED bestehenden LED-Streifens adressiert und über ein Datennetz (24, 26) angesteuert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (12) programmgesteuert angesteuert werden.
Schaltungsanordnung (10) zur Helligkeitsregelung von zumindest einer LED (12), umfassend einen Stromregler (14) zur Versorgung der LED (12) mit einem Pulsstrom I_PLUS sowie einen Pulsgenerator (16) und eine Prozessoreinheit (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Stromregler (14) als steuerbarer Stromregler zur Variation der Pulsstromamplitude zur Einstellung verschiedener Helligkeitsstufen ausgebildet ist und dass der Pulsgenerator (16) zur Einstellung der Pulsstromdauer und/oder Pulsstromfrequenz innerhalb einer durch die Pulsstromamplitude vorgegebenen Helligkeitsstufe ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoreinheit (18) eine Speichereinheit (22) aufweist, in der eine Zuordnungs- bzw. Korrekturtabelle hinterlegt ist, in der entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie (36) gewünschten Helligkeitswerten entsprechende Werte für die Pulsstromamplitude, die Pulsstromdauer und/oder die Pulsstromfrequenz definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoreinheit (18) über einen Controller (24) mit einem Datennetz (26, 34) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Controller (24), der als Mastercontroller ausgebildet ist, ein digitales synchrones Subnet (34) ausgeht, an dem weitere Ansteuereinheiten (10) zu Ansteuerung mehrerer LED-Reihen (12) angeschlossen sind, wobei jeder Reihe eine Farbe wie beispielsweise rot, grün oder blau zugeordnet ist.