DE202021106922U1

DE202021106922U1 - Ein System für eine kostengünstige LED-Lampe mit breiter CCT- und Beleuchtungsstärkeregelung unter Verwendung von Zweikomponenten-Farbmischung

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Publication number: DE202021106922U1
Application number: DE202021106922.8U
Authority: DE
Original assignee: Institute Of Engineering & Man; Institute of Engineering & Management
Current assignee: Institute Of Engineering & Man; Institute of Engineering & Management
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-01-07
Anticipated expiration: 2031-12-21

Abstract

System für eine kostengünstige LED-Lampe mit breitem CCT-Bereich und steuerbarer Beleuchtungsstärke unter Verwendung von Zweikomponenten-Farbmischung, wobei das System Folgendes umfasst:
eine CIC-Einheit (CCT- und Beleuchtungsstärkesteuerung) zum Erzeugen von Pulsweitenmodulatorsignalen (PWM-Signalen), die durch die Sollwerte CCT und Beleuchtungsstärke bestimmt werden, wobei die CIC-Einheit eine ATmega32A-MCU, eine gemeinsame JHD162A-LCD-Anzeige, einen Demultiplexer (DEMUX), ein NAND-Gatter mit zwei Eingängen und zwei lineare 10-K-Potentiometer umfasst und wobei der Demultiplexer unter Verwendung eines CD4011-Komplementärmetalloxid-Halbleiter (CMOS)-Vierers implementiert ist;
eine Vielzahl von Pegelumwandlungs-GATE-Treibern, um sicherzustellen, dass die drei in Serie dimmenden Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) des Typs P55NF06 ordnungsgemäß ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Pegelumwandlungs-GATE-Treiber Transistor-Transistor-Logik (TTL) zu 12-V-Pegelumwandler-Cum-Metalloxid-Halbleiter-Gate-Treiber sind, und wobei der Pegelumwandlungs-GATE-Treiber unter Verwendung eines LM386-Niederspannungs- und Low-Cost-Audio-Leistungsverstärkers implementiert ist;
eine rot-blau-weiße LED-Kette zum Mischen von weißem Licht mit einer blauen oder roten LED-Quelle; und
eine Steuereinheit zur Implementierung eines einfachen Steueralgorithmus zur Manipulation von Tastverhältnissen des PWM-Signals zur Ansteuerung von zwei verschiedenen LED-Ketten in Übereinstimmung mit der eingestellten Beleuchtungsstärke und CCT

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System für eine kostengünstige LED-Lampe mit breitem CCT-Bereich und steuerbarer Beleuchtungsstärke unter Verwendung von Zweikomponenten-Farbmischung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Für allgemeine Beleuchtungszwecke sind LEDs (Licht emittierende Dioden) heutzutage die bevorzugte Lichtquelle, da sie viele Vorteile bieten, wie z. B. eine hohe Lichtausbeute, Umweltfreundlichkeit, sehr geringe Ultraviolett-Emissionen und eine längere Betriebsdauer. Die dynamischen LED-Systeme können für viele Anwendungen eingesetzt werden, z. B. für Stimmungsbeleuchtung, tageslichtangepasste Beleuchtung, Straßenbeleuchtung, photobiologische Forschung am Menschen, Museumsbeleuchtung usw. Viele Studien haben gezeigt, dass eine angemessene Lichtexposition (in Bezug auf Quantität und Qualität) das menschliche Gehirn beeinflussen kann, z.B. bei der Regulierung zirkadianer und zirkannaler Rhythmen, wobei das Licht die Ausschüttung von Hormonen beeinflussen kann, die für diese Rhythmen verantwortlich sind. In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach LED-Lampen, die unabhängig von der Beleuchtungsstärke und der korrelierten Farbtemperatur (CCT) für verschiedene Anwendungen einstellbar sind, rapide gestiegen.
Um verschiedene Farbkombinationen des weißen Lichts zu erreichen, werden viele monochromatische Rot-Blau-Grün (RGB)- oder Rot-Blau-Grün-Amber (RGBA)-LEDs gemischt, wobei die RGB- und RGBA-LED-Systeme viele Nachteile haben, wie z. B. einen schlechten Farbwiedergabeindex (CRI), Farbverschiebungen aufgrund von Alterung, komplexe Elektronik und Algorithmen und insgesamt höhere Kosten für das System. In vielen früheren Studien wurden auch CW- (kaltweiß) und WW- (warmweiß) LEDs für unterschiedliche CCT-Schemata verwendet, aber all dies führte zu einem engen CCT-Bereich und zu keiner unabhängigen Intensitätssteuerung. Es besteht ein Bedarf an einer Verbesserung der CCT- und Beleuchtungsstärkesteuerbaren LED-Systeme. Daher wird ein System für eine kostengünstige LED-Lampe mit breitem CCT- und Beleuchtungsstärkeregler benötigt, dass eine Zweikomponenten-Farbmischung verwendet.
Eine präzise Farb- oder Beleuchtungsstärkesteuerung von phosphorbeschichteten weißen LED oder RGB-Farbmisch-LED-Systemen ist immer noch eine Herausforderung für die Industrie, da die Lichtstärke und die Farbkoordinaten der LED eine Funktion ihrer jeweiligen Sperrschichttemperatur sind, wobei die Sperrschichttemperaturen mit der Selbsterhitzung der LED und der Veränderung der Umgebungstemperatur variieren. Um die Lichtstärke und die Farbausgabe der LED zu stabilisieren, sollte eine geeignete, die Sperrschichttemperatur kompensierende Steuerstrategie implementiert werden, und es wurden bereits verschiedene Erfindungen offenbart, die auf der Rückführung der LED-Sperrschichttemperatur, der Rückführung der Farbkoordinaten, der Rückführung des Lichtstroms und einer Kombination dieser Techniken basieren. Die Verwendung eines externen Sensors für die Rückmeldung der Farbkoordinaten und des Lichtstroms erhöht die Komplexität und die Implementierungskosten des Systems aufgrund einiger Anforderungen des komplexen Farbsensors und der damit verbundenen Hardware und Software. Die Platzierung des Sensors und die regelmäßige Kalibrierung des Sensors ist ein sehr wichtiges Thema und kann bei Low-End-Anwendungen nicht akzeptiert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System für eine kostengünstige LED-Lampe mit breitem CCT-Bereich und steuerbarer Beleuchtungsstärke unter Verwendung von Zweikomponenten-Farbmischung. Die vorgeschlagene Lampe verwendet eine Zweikomponenten-Farbmischung. In der vorgeschlagenen Lampe wird eine Breitband-LED-Quelle mit einer Schmalband-LED-Quelle gemischt, wobei eine phosphorbeschichtete weiße LED (PC-LED) zum Mischen mit einer blau/cyanfarbenen LED oder einer rot/amberfarbenen LED-Quelle verwendet wird, um einen CCT-Wert zu erhalten, der höher oder niedriger ist als der der phosphorkonvertierten weißen LED CCT. In dem vorgeschlagenen Schema wird die PC-LED mit einer schmalbandigen LED-Quelle gemischt, um im Vergleich zur CW-WW-LED-Mischung einen breiten CCT-Bereich zu erreichen, um einen hohen Farbwiedergabeindex (CRI) zu erzielen und aus dem Grund, dass die PC-LED im Vergleich zur monochromatischen LED eine geringere Farbabweichung aufweist, wobei das auf der PC-LED basierende System aufgrund der Langzeitalterung weniger Farbabweichungen erzeugt. Beide Lichtquellen werden von linearen Pulsweitenmodulatoren (PWM) gespeist. Es werden mathematische Formeln oder Algorithmen für die Auswahl der Begleitlichtquelle und für die Bestimmung des Tastverhältnisses der PWM abgeleitet, um die gewünschte CCT und die Beleuchtungsstärke der Arbeitsebene zu erhalten, wobei der Algorithmus durch eine Hardware-Implementierung experimentell validiert wird. Das Proof-of-Concept-System, das mit der zu diesem Zweck entwickelten Kombination aus Hardware und Software aufgebaut ist, bietet einen CCT-Bereich von 2500 K bis 12,500 K und einen Beleuchtungsstärkebereich von 1 lx bis 100 lx in einem Abstand von 1 m, wobei die gewünschte CCT und Beleuchtungsstärke individuell mit zwei POT für eine einfache Benutzerschnittstelle eingestellt werden können. Die Benutzeroberfläche des vorgeschlagenen Systems ist sehr einfach und leicht zu bedienen. In dem vorgeschlagenen System werden die CCT- und Beleuchtungsstärke-Sollwerte dem System auf einfache Weise durch zwei analoge Spannungen über die Potentiometer POT1 bzw. POT2 zugeführt, wobei die beiden Spannungen unter Verwendung einer internen Referenzspannung von 2.56 V der MCU an die beiden 10-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) weitergeleitet werden. Eine Skalierung der resultierenden Zahlen erfolgt auf eine CCT im Bereich von 2500 K bis 12,500 K, mit einer Auflösung von 100 K und auf eine Beleuchtungsstärke im Bereich von 0 lx bis 100 lx, mit einer Auflösung von 1 lx. Für die Anzeige dieser Daten wird die übliche Flüssigkristallanzeige (LCD) verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass das System, obwohl es sich um einen offenen Regelkreis handelt, in Bezug auf den CCT-Sollwert und die Beleuchtungsstärke genau ist. Auf der Grundlage der beiden ausgewählten LED-Farbkoordinaten kann eine Abweichung vom idealen Schwarzkörperstrahler festgestellt werden. Das vorgeschlagene System kann in vielen Bereichen eingesetzt werden, z. B. in der Straßenbeleuchtung, der tageslichtangepassten Beleuchtung, der Stimmungsbeleuchtung, der photobiologischen Forschung am Menschen und der Museumsbeleuchtung usw.
Die vorliegende Offenlegung zielt auch darauf ab, ein System für eine kostengünstige LED-Lampe mit breitem CCT-Bereich und steuerbarer Beleuchtungsstärke bereitzustellen, das Zweikomponenten-Farbmischung verwendet. Das System umfasst: eine CIC-Einheit (CCT- und Beleuchtungsstärkesteuerung) zum Erzeugen von Pulsweitenmodulatorsignalen (PWM-Signalen), die durch die Sollwerte CCT und Beleuchtungsstärke bestimmt werden, wobei die CIC-Einheit eine ATmega32A-MCU (Mikrocontrollereinheit) enthält, eine gemeinsame JHD162A-LCD-Anzeige (Flüssigkristallanzeige), einen Demultiplexer (DEMUX), ein NAND-Gatter mit zwei Eingängen und zwei lineare 10-K-POTs, und wobei der Demultiplexer unter Verwendung eines CD4011-Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (CMOS)-Quadrats implementiert ist; eine Vielzahl von Pegelumwandlungs-GATE-Treibern, um sicherzustellen, dass die drei in Serie dimmenden Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) des Typs P55NF06 ordnungsgemäß ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Pegelumwandlungs-GATE-Treiber Transistor-Transistor-Logik (TTL) zu 12-V-Pegelumwandler-Cum-Metalloxid-Halbleiter-Gate-Treiber sind, und wobei der Pegelumwandlungs-GATE-Treiber unter Verwendung eines LM386-Niederspannungs- und Low-Cost-Audio-Leistungsverstärkers implementiert ist; eine rot-blau-weiße LED-Ketteneinheit für die Mischung von weißem Licht mit einer blauen oder roten LED-Quelle; und eine Steuereinheit zur Implementierung eines einfachen Steueralgorithmus zur Manipulation von Tastverhältnissen des PWM-Signals zur Ansteuerung von zwei verschiedenen LED-Ketten in Übereinstimmung mit der Sollwert-Beleuchtungsstärke und der CCT.
Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein System für eine kostengünstige LED-Lampe mit breitem CCT-Bereich und steuerbarer Beleuchtungsstärke unter Verwendung von Zweikomponenten-Farbmischung bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine phosphorkonvertierte weiße LED-Quelle mit einer Quelle zu mischen, die eine blaue/cyanfarbene LED und eine rote/amberfarbene LED bildet, um einen breiten Bereich von CCT zu erhalten.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist es, die CCT- und Beleuchtungsstärke-Sollwerte über zwei analoge Spannungen von den Potentiometern POT1 und POT2 in das System einzuspeisen, wobei die beiden Spannungen durch Verwendung einer internen Referenzspannung von 2,56 V der MCU an zwei 10-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) geliefert werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Implementierung eines einfachen Steueralgorithmus zur Manipulation der Tastverhältnisse für die Ansteuerung von zwei verschiedenen LED-Ketten im Pulsweitenmodulationsmodus (PWM).
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist der Aufbau eines Proof-of-Concept-Systems unter Verwendung von Hardware und einfacher Software, die für diesen Zweck entwickelt wurde.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein kostengünstiges CCT- und Beleuchtungsstärkesteuerbares LED-System bereitzustellen.
Zur weiteren Verdeutlichung der Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gegeben, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert werden.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems für eine kostengünstige LED-Lampe mit breitem CCT-Bereich und steuerbarer Beleuchtungsstärke unter Verwendung von Zweikomponenten-Farbmischung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 zeigt das Blockdiagramm des vorgeschlagenen CCT- und Beleuchtungsstärkeregelbaren LED-Beleuchtungssystems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt die spektrale Leistungsverteilung bei verschiedenen CCT-Werten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 zeigt die Iso-CCT-Linie, den Planck'schen Ort und die Blending-Linie, die in der CIE-Farbtafel 1931 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt sind; und
5 zeigt einen kostengünstigen MOSFET-Treiber mit einem Audio-Leistungsverstärker gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Figuren nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:
Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und nicht als einschränkend angesehen werden.
Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems für eine kostengünstige, in einem weiten Bereich CCT- und Beleuchtungsstärke-steuerbare LED-Lampe unter Verwendung von Zweikomponenten-Farbmischung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das System 100 umfasst eine CIC-Einheit (CCT- und Beleuchtungsstärkesteuerung) 102 zum Erzeugen von Pulsweitenmodulatorsignalen (PWM-Signalen), die durch die Sollwerte CCT und Beleuchtungsstärke bestimmt werden, wobei die CIC-Einheit eine ATmega32A-MCU, eine gemeinsame JHD162A-LCD-Anzeige, einen Demultiplexer (DEMUX), ein NAND-Gatter mit zwei Eingängen und zwei lineare 10-K-Potentiometer umfasst und wobei der Demultiplexer unter Verwendung eines CD4011-Complementary-Metal-Oxide-Halbleiter-Vierers (CMOS) implementiert ist.
In einer Ausführungsform wird eine Vielzahl von Pegelumwandlungs-GATE-Treibern 104 verwendet, um sicherzustellen, dass die drei in Serie dimmenden Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) des Typs P55NF06 ordnungsgemäß ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Pegelumwandlungs-GATE-Treiber Transistor-Transistor-Logik (TTL) zu 12-V-Pegelumwandler-Cum-Metalloxid-Halbleiter-Gate-Treiber sind, und wobei der Pegelumwandlungs-GATE-Treiber unter Verwendung eines LM386-Niederspannungs- und kostengünstigen Audio-Leistungsverstärkers implementiert ist.
In einer Ausführungsform wird eine rot-blau-weiße LED-Kette 106 für die Mischung von weißem Licht mit einer blauen oder roten LED-Quelle verwendet.
In einer Ausführungsform wird eine Steuereinheit 108 verwendet, um einen einfachen Steueralgorithmus zur Manipulation der Arbeitszyklen des PWM-Signals für die Ansteuerung von zwei verschiedenen LED-Strings in Übereinstimmung mit der eingestellten Beleuchtungsstärke und der Farbtemperatur zu implementieren.
In einer Ausführungsform versorgt ein Schaltnetzteil (110) die blauen, roten und weißen LED-Ketten (106a, 106b und 106c) und auch die MOSFET-Treiber-ICs mit Strom, wobei die MCU, das LCD und der DEMUX mit +5 V versorgt werden, die mit einem LM7805-Linearregler aus einer 12-V-Versorgung gewonnen werden.
In einer Ausführungsform umfasst das System außerdem drei strombegrenzende Serienwiderstände (210a, 210b, 210c) zur Steuerung der Amplitude der rechteckigen Stromimpulse in jeder LED-Kette.
In einer Ausführungsform wird der Demultiplexer (DEMUX) zum Ansteuern der roten oder blauen LED-Kette unter Verwendung eines einzelnen PWM-Kanals verwendet, der vom Zustand der Leitung BLE_SEL abhängt, wobei, wenn BLU_SEL hoch ist, das PWM-Signal auf A1 zum Ansteuern der blauen LED-Kette und das PWM-Signal auf A0 zum Ansteuern der roten LED-Kette gelenkt wird, wobei das PWM-Signal an dem OCR1B-Stift der MCU erzeugt wird, und wobei das PWM-Signal, das für die weiße LED bestimmt ist und an dem OCIA-Stift erzeugt wird, durch das Ersatz-NAND-Gatter in dem als Inverter konfigurierten Gehäuse mit dem Treiber verbunden wird.
In einer Ausführungsform wird eine PWM-Dimmfrequenz von 244 Hz verwendet.
In einer Ausführungsform werden die CCT- und Beleuchtungsstärke-Sollwerte dem System unter Verwendung von zwei analogen Spannungen von den Potentiometern POT1 (202) bzw. POT2 (204) zugeführt, wobei die beiden Spannungen den beiden 10-Bit-Analog-Digital-Wandlern (ADCs) unter Verwendung einer internen Referenzspannung von 2.56 V der Mikrocontrollereinheit (MCU) zugeführt werden, und wobei eine Skalierung der sich ergebenden Zahl auf eine CCT im Bereich von 2500 K bis 12500 K mit einer Auflösung von 100 K und auf eine Beleuchtungsstärke im Bereich von 0 lx bis 100 lx mit einer Auflösung von 1 Ix durchgeführt wird, wonach diese Daten auf der gemeinsamen Flüssigkristallanzeige (LCD) angezeigt werden.
In einer Ausführungsform ist der einfache Steueralgorithmus in der Sprache C geschrieben und eine Atmel Studio 6.2 Plattform wird verwendet, um die Quelldatei in Hex-Code zu kompilieren.
In einer Ausführungsform wird ein Modell zur Schätzung der Spitzenbeleuchtungsstärke (EM) und der Farbkoordinaten (x, y) erstellt, wobei die Lichtparameter EM, x, y für jede LED als Funktion ihrer jeweiligen Senken-Temperatur geschätzt werden, und wobei die RBW-LEDs auf einem Kühlkörper montiert sind, in dem drei Temperatursensoren an Sternleiterplatten jeder der RBW-LED-Ketten angebracht sind, wobei der Ausgang jedes Temperatursensors um einen Faktor 3.7 verstärkt wird, der dann mit drei Kanälen des ADC der MCU verbunden wird.
In einer Ausführungsform werden mehrere experimentelle Studien zur Bewertung der Leistung des vorgeschlagenen Systems in einem fensterlosen und schwarz gestrichenen Labor durchgeführt, wobei ein Konica-Minolta CL200A Chroma-Meter verwendet wird, das auf der Arbeitsebene 1 Meter unterhalb der zusammengesetzten LED-Quelle zur Messung der CCT und der Beleuchtungsstärke platziert wird.
2 zeigt das Blockdiagramm des vorgeschlagenen CCT- und Beleuchtungsstärkesteuerbaren LED-Beleuchtungssystems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Aus dem Blockdiagramm geht hervor, dass die Überblendung der Beleuchtung der Haupt-LED mit der der Begleit-LED mit Hilfe einer PWM-Dimmtechnik realisiert wird. Das Blockdiagramm umfasst: eine CCT- und Beleuchtungsstärke-Steuereinheit (102), pegelwandelnde GATE-Treiber (104) und ein handelsübliches SMPS (110). Eine CICU (102) wird zur Erzeugung von PWM-Signalen in Übereinstimmung mit dem CCT- und Beleuchtungsstärke-Sollwert verwendet, wobei die CICU (102) eine ATmega32A-MCU, ein gewöhnliches JHD162A-LCD-Display (206), einen Demultiplexer (208), der unter Verwendung eines CD4011 (CMOS)-Quadrats implementiert ist, ein Zweipunkt-NAND-Gatter und zwei lineare 10K-POTs (POT1 und POT2) umfasst. Die CCT- und Beleuchtungsstärke-Sollwerte werden dem System über zwei analoge Spannungen von den Potentiometern POT1 (202) bzw. POT2 (204) zugeführt, wobei die beiden Spannungen den beiden 10-Bit-Analog-Digital-Wandlern (ADCs) unter Verwendung einer internen Referenzspannung von 2.56 V der Mikrocontrollereinheit (MCU) zugeführt werden. Die Skalierung der resultierenden Zahl erfolgt auf eine CCT im Bereich von 2500 K bis 12500 K, mit einer Auflösung von 100 K und auf eine Beleuchtungsstärke im Bereich von 0 lx bis 100 lx, mit einer Auflösung von 1 lx. Diese Daten werden auf der üblichen Flüssigkristallanzeige (LCD) angezeigt. Die PWM-Dimmfrequenz wird bei 244 Hz gehalten, um sichtbares Flackern zu vermeiden. Der DEMUX (208) wird verwendet, um die rote LED-Kette (106b) oder die blaue LED-Kette (106a) in der rot-blau-weißen LED-Ketteneinheit (106) über einen einzigen PWM-Kanal anzusteuern, der vom Zustand der Auswahlleitung BLU_SEL abhängt, wobei, wenn die BLU_SEL hoch ist, das PWM-Signal auf A1 gelenkt wird, um die blaue LED-Kette anzusteuern, und wenn die BLU SEL niedrig ist, das PWM-Signal auf A0 gelenkt wird, um die rote LED-Kette anzusteuern, wobei das PWM-Signal am OCRIB-Stift der MCU erzeugt wird. Das am Stift OCIA erzeugte PWM-Ausgangssignal, das für die weiße LED-Kette (106c) in der rot-blau-weißen LED-Ketteneinheit (106) bestimmt ist, wird über das Ersatz-NAND-Gatter in dem als Inverter konfigurierten Gehäuse mit dem Treiber verbunden. Der Transistor-Transistor-Logik (TTL)-zu-12-V-Pegelwandler-Gate-Treiber (104) wird verwendet, um ein ordnungsgemäßes Ein- und Ausschalten der drei in Reihe geschalteten dimmenden P55NF06-Typen (MOSFETs) zu gewährleisten, wobei der Pegelwandler (104) unter Verwendung eines LM386-Audio-Leistungsverstärkers mit niedriger Spannung implementiert ist. Ein 12-V-2-A-SMPS (110) mit 230 V und 50 Hz Eingangsspannung wird für die Stromversorgung der LED-Strings und MOSFET-Treiber-ICs verwendet. Die MCU, die LCD-Anzeige (206) und der Demultiplexer (208) benötigen eine Spannung von +5 V, die von der 12-V-Versorgung geliefert wird. Die Amplitude des in jeder LED-Kette gepulsten Rechteckstroms wird mit den drei strombegrenzenden Vorwiderständen gesteuert, die im Blockdiagramm als RCL dargestellt sind.
3 zeigt die spektrale Leistungsverteilung bei verschiedenen CCT-Werten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung. Die Figur zeigt die spektrale Leistungsverteilung (SPD) des vorgeschlagenen Systems bei verschiedenen CCT-Werten. Die SPD sind bei 4000, 5000, 6000 und 7000 K dargestellt. Der im CCT-Bereich von 6000-7000 K gemessene CRI liegt im Bereich von 88.3-90.1. Der hohe CRI-Wert im roten Bereich ist darauf zurückzuführen, dass die Spitzenwerte in diesem Bereich bei 6000-7000 K geringer sind. Ein Konica-minolta CL200A Chroma-Meter wird zur Messung der photometrischen Größen verwendet.
4 zeigt die Iso-CCT-Linie, den Planck'schen Ort und die Blending-Linie in der CIE-Farbtafel 1931 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Figur zeigt die Farbwertkoordinaten der beiden Lichtquellen und des Abblendlichtes. Die Überblendlinie ist die Linie, die die beiden Punkte der weißen LED und der roten oder blauen LED verbindet. Die Iso-CCT-Linie PQ1 entspricht der CCT 10000K und die Iso-CCT-Linie PQ2 entspricht der CCT 2500K, wobei diese CCT-Linien den CCT-Wert über den Blending-Linien zeigen.
5 zeigt einen kostengünstigen MOSFET-Treiber mit einem Audio-Leistungsverstärker gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das ordnungsgemäße Aus- und Einschalten von drei in Reihe geschalteten dimmenden Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) des Typs P55NF06 wird durch den Transistor-Transistor-Logik (TTL)-zu-12-V-Pegelwandler mit Metalloxid-Halbleiter (MOS)-Gate-Treiber gewährleistet. Für die Implementierung des Pegelwandlers und Treibers wird ein LM386 Niederspannungs-Audioverstärker verwendet, dessen Kosten im Vergleich zu anderen handelsüblichen MOSFET-Treiber-ICs sehr niedrig sind. Um die Anzahl der externen Bauteile auf ein Minimum zu reduzieren, ist die Verstärkung des Verstärkers intern auf 20 eingestellt. Ein niedriger Drain-Anschluss von Q1 (MOSFET) aufgrund eines hohen MCU-Signals zeigt an, dass die LED-Kette während des hohen MCU-Signals eingeschaltet ist. Die Werte der Ein- und Ausschaltverzögerungen des Treibers sind sehr klein im Vergleich zur Zeitspanne von 4,1 ms des PWM-Signals, wobei die Werte der Verzögerung 1900 ns bzw. 400 ns für die Ein- und Ausschaltverzögerungen betragen.
In einer Ausführungsform wird ein Modell zur Schätzung des Lichtstroms und der Farbkoordinaten jeder LED als Funktion ihrer jeweiligen Kühlkörpertemperatur entwickelt, wobei die Kosten für die Implementierung des vorgeschlagenen Systems im Vergleich zum bestehenden System sehr niedrig sind, da in dieser Offenlegung die Anzahl der Antriebskanäle reduziert wird und die Farbsensoren nicht für die Implementierung des vorgeschlagenen Algorithmus verwendet werden, was auch dazu führt, dass die Komplexität des vorgeschlagenen Systems gering ist und es ein sehr zuverlässiges System ist.
In einer Ausführungsform sind drei Temperatursensoren an den Sternleiterplatten (PCBs) jedes roten, blauen und weißen LED-Strangs angebracht, wobei eine Verstärkung des Ausgangstemperatursensors um den Faktor 3.7 erfolgt, der dann mit drei Kanälen des On-Chip-ADC der MCU verbunden ist, und wobei die Temperatur des Kühlkörpers T_s jedes LED-Strangs eine monoton ansteigende Funktion der Sperrschichttemperatur T_j für einen gegebenen LED-Strom ist, wobei T_j nicht geschätzt wird und T_s für den auswertenden Modellparameter verwendet wird.
In einer Ausführungsform ist der Steueralgorithmus in C geschrieben, und zum Kompilieren der Quelldatei in einen Hex-Code wird eine Atmel Studio 6.2-Plattform verwendet. Die menschliche Schnittstelle des vorgeschlagenen Systems ist sehr einfach gehalten, wobei die CCT- und Beleuchtungsstärke-Sollwerte dem System auf sehr bequeme Weise über zwei analoge Spannungen von den Potentiometern POT1 und POT2 zugeführt werden, die über die Schnittstellen-Referenzspannung von 2.56 V der MCU an die beiden 10-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADCs) geleitet werden.
In einer Ausführungsform werden die LEDs so angeordnet, dass die räumliche Gleichmäßigkeit der Farbe auf der Arbeitsebene gleichmäßig bleibt, wobei die LEDs mit einem minimalen Abstand zueinander angeordnet werden. Die LEDs sind auf einer geeigneten Kopfsenke montiert, um die Änderung der photometrischen oder elektrischen Parameter der LEDs aufgrund einer Temperaturerhöhung zu kontrollieren. Der Aufbau umfasst zwei Quellen, wobei Quelle S₁ eine PC, CW, 10-W-LED mit integrierter Perle und Quelle S₂ eine Reihe von entweder 1-W-LEDs in Rot oder 1-W-LEDs in Blau ist, wobei beide in drei Reihen geschaltet sind und wobei die Quelle S₂ von der durch den CCT-Sollwert bestimmten Überblendlinie abhängt.
In einer Ausführungsform werden die Leistungs-LEDs so auf einer Aluminiumspüle platziert, dass die Quelle S₁ in der Mitte eines Teilkreises mit einem Durchmesser von 55 mm und die drei roten und blauen LEDs abwechselnd an den Eckpunkten eines regelmäßigen Sechsecks platziert werden, das den Teilkreis einschließt.
In einer Ausführungsform wird ein Modell zur Schätzung der Lichtparameter für die Spitzenbeleuchtungsstärke und die Farbkoordinaten erstellt, wobei die Lichtparameter EM, x und y sind und das Modell aus einer einmaligen Offline-Messung gewonnen wird. In diesem Modell sind die RBW-LEDs auf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert, wobei eine sternförmige Leiterplatte (PCB) jeder RBW-LED-Kette mit drei Temperatursensoren (LM35) verbunden ist. Das Ausgangssignal des Temperatursensors wird um den Faktor 3.7 verstärkt und dann an drei Kanäle des On-Chip-ADC der MCU angeschlossen. Es wird ein Experiment durchgeführt, bei dem die Werte von EM, x und y bei zwei verschiedenen Tastverhältnissen D = 0.1 und 0.8 für jede LED aufgezeichnet werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass bei einer blauen Quelle der Wert der Spitzenbeleuchtungsstärke 6-8 % der Spitzenbeleuchtungsstärke und der Wert der Spitzenbeleuchtungsstärke der roten Quelle etwa 25-30 % der Spitzenbeleuchtungsstärke betragen muss, um einen Auflösungsverlust der CCT zu vermeiden.
In einer Ausführungsform wird die Leistung des vorgeschlagenen Systems durch experimentelle Studien bewertet, die in einem fensterlosen, schwarz gestrichenen Labor durchgeführt werden, wobei die Ablesungen der optischen Größen mit einem Konica-Minolta CL200A Chroma-Meter vorgenommen werden und wobei das Messgerät 1 Meter unterhalb der zusammengesetzten LED-Quelle auf der Arbeitsebene zur Messung der CCT und der Beleuchtungsstärke platziert wird.
Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse kann beispielsweise geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Auch können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder eine Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.
Bezugszeichenliste

100: Ein System für eine kostengünstige LED-Lampe mit breiter CCT und Beleuchtungsstärkeregelung unter Verwendung von Zweikomponenten-Farbmischung
102: CIC-Einheit
104: Pegelumsetzende Gate-Treiber
106: Rot-blau-weiße LED-Ketteneinheit
106a: Blauer LED-Strang
106b: Roter LED-Strang
106c: Weißer LED-Strang
108: Steuereinheit
110: SMPS
202: Analoge Spannung vom Potentiometer POT1
204: Analoge Spannung vom Potentiometer POT2
206: LCD-Anzeige
208: Demultiplexer (DEMUX)
210a: Strombegrenzungs-Vorwiderstand
210b: Strombegrenzungsvorwiderstand
210c: Strombegrenzungsvorwiderstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CL 200 A [0033, 0035, 0044]

Claims

System für eine kostengünstige LED-Lampe mit breitem CCT-Bereich und steuerbarer Beleuchtungsstärke unter Verwendung von Zweikomponenten-Farbmischung, wobei das System Folgendes umfasst: eine CIC-Einheit (CCT- und Beleuchtungsstärkesteuerung) zum Erzeugen von Pulsweitenmodulatorsignalen (PWM-Signalen), die durch die Sollwerte CCT und Beleuchtungsstärke bestimmt werden, wobei die CIC-Einheit eine ATmega32A-MCU, eine gemeinsame JHD162A-LCD-Anzeige, einen Demultiplexer (DEMUX), ein NAND-Gatter mit zwei Eingängen und zwei lineare 10-K-Potentiometer umfasst und wobei der Demultiplexer unter Verwendung eines CD4011-Komplementärmetalloxid-Halbleiter (CMOS)-Vierers implementiert ist; eine Vielzahl von Pegelumwandlungs-GATE-Treibern, um sicherzustellen, dass die drei in Serie dimmenden Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) des Typs P55NF06 ordnungsgemäß ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Pegelumwandlungs-GATE-Treiber Transistor-Transistor-Logik (TTL) zu 12-V-Pegelumwandler-Cum-Metalloxid-Halbleiter-Gate-Treiber sind, und wobei der Pegelumwandlungs-GATE-Treiber unter Verwendung eines LM386-Niederspannungs- und Low-Cost-Audio-Leistungsverstärkers implementiert ist; eine rot-blau-weiße LED-Kette zum Mischen von weißem Licht mit einer blauen oder roten LED-Quelle; und eine Steuereinheit zur Implementierung eines einfachen Steueralgorithmus zur Manipulation von Tastverhältnissen des PWM-Signals zur Ansteuerung von zwei verschiedenen LED-Ketten in Übereinstimmung mit der eingestellten Beleuchtungsstärke und CCT
System nach Anspruch 1, wobei das System ferner drei strombegrenzende Serienwiderstände zur Steuerung der Amplitude der rechteckigen Stromimpulse in jeder LED-Kette umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Demultiplexer (DEMUX) zum Ansteuern der roten oder blauen LED-Kette unter Verwendung eines einzelnen PWM-Kanals verwendet wird, der vom Zustand der Leitung BLE_SEL abhängt, wobei, wenn BLU_SEL hoch ist, das PWM-Signal auf A1 zum Ansteuern der blauen LED-Kette gelenkt wird, wobei, wenn BLU SEL niedrig ist, das PWM-Signal auf A0 zum Ansteuern der roten LED-Kette gelenkt wird, das PWM-Signal auf A0 gelenkt wird, um die rote LED-Kette anzusteuern, wobei das PWM-Signal an dem OCR1B-Stift der MCU erzeugt wird, und wobei das PWM-Signal, das für die weiße LED bestimmt ist und an dem OCIA-Stift erzeugt wird, durch das Ersatz-NAND-Gatter in dem Gehäuse, das als ein Inverter konfiguriert ist, mit dem Treiber verbunden wird.
Das System nach Anspruch 1, wobei eine PWM-Dimmfrequenz von 244 Hz verwendet wird.
System nach Anspruch 1, wobei die CCT- und Beleuchtungsstärke-Sollwerte dem System unter Verwendung von zwei Analogspannungen von den Potentiometern POT1 bzw. POT2 bereitgestellt werden, wobei die beiden Spannungen den beiden 10-Bit-Analog-Digital-Wandlern (ADCs) unter Verwendung einer internen Referenzspannung von 2. 56 V der Mikrocontroller-Einheit (MCU) zugeführt werden, und wobei eine Skalierung der sich ergebenden Zahl auf eine CCT im Bereich von 2500 K bis 12500 K mit einer Auflösung von 100 K und auf eine Beleuchtungsstärke im Bereich von 0 lx bis 100 lx mit einer Auflösung von 1 lx durchgeführt wird, wonach diese Daten auf der gemeinsamen Flüssigkristallanzeige (LCD) angezeigt werden.
System nach Anspruch 1, wobei der einfache Steueralgorithmus in der Sprache C geschrieben ist und eine Atmel Studio 6.2-Plattform zum Kompilieren der Quelldatei in Hex-Code verwendet wird.
System nach Anspruch 1, bei dem ein Modell zur Schätzung der Spitzenbeleuchtungsstärke und der Farbkoordinaten erstellt wird, bei dem die Leuchtparameter EM, x, y für jede LED als Funktion ihrer jeweiligen Senken-Temperatur geschätzt werden, und bei dem die RBW-LEDs auf einem Kühlkörper montiert sind, in dem drei Temperatursensoren an Sternleiterplatten jeder der RBW-LED-Ketten angebracht sind, wobei der Ausgang jedes Temperatursensors um einen Faktor 3,7 verstärkt wird, der dann mit drei Kanälen des ADC der MCU verbunden wird.
System nach Anspruch 1, wobei mehrere experimentelle Studien zur Bewertung der Leistung des vorgeschlagenen Systems in einem fensterlosen und schwarz gestrichenen Labor unter Verwendung eines Konica-Minolta CL200A Chroma-Meters durchgeführt werden, das auf der Arbeitsebene 1 Meter unterhalb der zusammengesetzten LED-Quelle zur Messung der CCT und der Beleuchtungsstärke angebracht ist.