ES2384636T3

ES2384636T3 - Aparato y método de control con resolución aumentada para uso con fuentes de luz modulada

Info

Publication number: ES2384636T3
Application number: ES05791339T
Authority: ES
Inventors: Ian Ashdown; Shane P. Robinson
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2012-07-10
Anticipated expiration: 2025-10-12
Also published as: EP1800401A4; EP1800401A2; US20070153026A1; HK1114958A1; CA2583357C; EP1800401B1; CA2583357A1; US7738002B2; WO2006039790A3; ATE552652T1; WO2006039790A2

Abstract

Aparato para controlar una luminaria (100; 200) que incluye uno o más elementos (130) emisores de luz enuno o más colores, suministrándose cada uno del uno o más elementos (130) emisores de luz con corrienteeléctrica para producir luz, comprendiendo dicho aparatoa) medios para ajustar la corriente eléctrica al uno o más elementos (130) emisores de luz usandomodulación por ancho de pulso o modulación por código de pulsos, teniendo cada una de dicha modulaciónpor ancho de pulso y modulación por código de pulsos un ciclo de pulso;b) medios para modular un ancho de pulso para cada ciclo de pulso, aumentando así la resolución decontrol del uno o más elementos (130) emisores de luz; caracterizado porque dicho aparato comprende unaparato de modulación por ancho de pulso extendido para transformar una señal de (N+M) bits en un flujode 2M palabras de ancho de N bits para un total de 2M ciclos de pulso, comprendiendo el aparato demodulación por ancho de pulso extendido:c) medios para recibir la señal de (N+M) bits;d) medios para dividir la señal de (N+M) bits en una parte de N bits y una parte de M bits;e) medios para interpretar la parte de N bits como un número codificado binario n;f) medios para interpretar la parte de M bits como un número codificado binario m;g) medios para codificar n+1 en forma de palabra de N bits binaria y alimentar la palabra para m ciclos depulso al flujo; yh) medios para codificar n en forma de palabra de N bits binaria para (2M - m) ciclos de pulso y alimentar lapalabra al flujo;formando así el flujo de 2M palabras de ancho de N bits para un total de 2M ciclos de pulso.

Description

Aparato y método de control con resolución aumentada para uso con fuentes de luz moduladas.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo de la iluminación y en particular a un método y un aparato para controlar la cantidad de luz emitida por una o más fuentes de luz controladas digitalmente.

Antecedentes

Los avances en el desarrollo y mejoras del flujo luminoso de los diodos emisores de luz (LED) tales como diodos emisores de luz orgánicos y de estado sólido han hecho que estos dispositivos sean adecuados para su uso en aplicaciones de iluminación general, incluyendo la iluminación arquitectónica, de entretenimiento y de autopistas, por ejemplo. Como tales, los diodos emisores de luz se están volviendo cada vez más competitivos con fuentes de luz tales como lámparas incandescentes, fluorescentes y de descarga de alta intensidad.

Los diodos emisores de luz ofrecen varias ventajas y se eligen generalmente por sus requisitos de resistencia, larga vida útil, alta eficacia, baja tensión, y la posibilidad de controlar el color e intensidad de la luz emitida independientemente. Proporcionan una mejora en comparación con los sistemas de iluminación fluorescentes, incandescentes y de lámparas delicadas de descarga de gas. Los diodos emisores de luz mejorablemente orgánicos y de estado sólido tienen la capacidad de crear las mismas impresiones de iluminación de otras tecnologías de iluminación y pueden superar enormemente los inconvenientes asociados a las mismas.

A diferencia de las fuentes de luz incandescentes clásicas, la intensidad y el color de la luz emitida por los LED pueden controlarse independientemente. Siempre que los parámetros, por ejemplo la temperatura de pastilla, que pueden afectar a la distribución espectral de la luz emitida por el dispositivo permanezcan constantes, la luz emitida total puede controlarse sin cambiar sustancialmente la impresión de colores. La emisión de luz en un LED sólo se produce cuando la corriente a través del dispositivo supera un determinado umbral y a partir de aquí la corriente puede aumentarse de manera segura hasta un valor máximo específico. El control de una salida de luz constante y estable requiere por tanto controlar de manera precisa la corriente continua a través de un LED. Sin embargo, determinadas aplicaciones sólo requieren controlar la salida de luz promedio con el tiempo. Por consiguiente, la rápida conmutación repetitiva entre ninguna emisión de luz y emisión completa de luz tal como, por ejemplo, por el uso de modulación por ancho de pulso (PWM) o modulación por código de pulsos puede ser suficiente para lograr un efecto de iluminación deseado.

Mientras que PWM es una técnica útil para atenuar LED, debe cumplir varios requisitos especiales con el fin de crear efectos de iluminación aparentes que se percibirán como agradables por los humanos. La necesidad de atenuación perceptivamente suave, particularmente con ecualización de ley del cuadrado para compensar la respuesta de brillo no lineal del sistema visual humano, generalmente requiere controlar la salida de luz con una resolución de 12 a 14 bits mientras que los circuitos de PWM de hardware principales convencionales sólo soportan una resolución de diez bits. Además, debido a la intensidad sometida a una modulación del 100%, la frecuencia de PWM normalmente debe ser mayor de aproximadamente 300 Hz con el fin de evitar un parpadeo perceptible de la luz producida. Además, puesto que los componentes de los LED pueden transportar y almacenar calor a diferentes tasas, las frecuencias de PWM mayores pueden reducir los efectos de esfuerzo provocados por la oscilación térmica del dispositivo y en los paquetes de LED típicos los efectos perjudiciales de las fluctuaciones de temperatura pueden volverse despreciables para frecuencias de PWM mayores de aproximadamente de 103 a104 Hz.

Se ha hecho referencia al control del brillo de los LED en varias patentes estadounidenses, por ejemplo la patente estadounidense n.º 3.787.752 que describe el control de intensidad para una pantalla de diodo emisor de luz. La invención describe cómo puede usarse una serie de pulsos de potencia para controlar eficazmente los LED que no coinciden en sus características de iluminación para corrientes eléctricas bajas pero coinciden para corrientes eléctricas cerca de sus condiciones operativas óptimas. Sin embargo, este documento no describe cómo los factores de trabajo de los pulsos de potencia pueden establecerse de manera reproducible y discreta y sólo se define como si se aplicara a pantallas.

La patente estadounidense n.º 4.090.189 da a conocer otro circuito de control del brillo para pantallas LED. La invención describe un método de PWM para controlar LED a través de una gama relativamente amplia de niveles de brillo extendiendo también el funcionamiento estable a la región de brillo inferior. Esta descripción tampoco describe cómo los factores de trabajo de los pulsos de potencia pueden establecerse de manera reproducible y discreta para controlar el brillo de los LED a una resolución deseada.

La patente estadounidense n.º 6.833.691 da a conocer un sistema y un método para proporcionar una modulación por ancho de pulso digital. La invención describe un sistema de modulación por ancho de pulso para su uso en un circuito de suministro de potencia de conmutación que proporciona señales moduladas por ancho de pulso de alta resolución. El sistema está configurado para recibir una señal de control que comprende una palabra binaria de (m+n) bits y para proporcionar una señal modulada por ancho de pulso con un ciclo de trabajo promedio predeterminado que tiene una resolución de sustancialmente 2(m+n). El sistema de modulación por ancho de pulso incluye un circuito de sincronismo para proporcionar 2m señales de sincronismo, un circuito de oscilación, y un generador de señales. Al recibir la señal de control, el circuito de oscilación está configurado para proporcionar una señal de control modificada, que comprende una serie de hasta 2n palabras binarias de m bits. El generador de señales está configurado para recibir las señales de sincronismo y la señal de control modificada y para proporcionar la señal modulada por ancho de pulso que tiene un ciclo de trabajo que, cuando se promedia durante 2n ciclos de sincronismo, es aproximadamente igual al ciclo de trabajo promedio predeterminado. La señal modulada por ancho de pulso se usa por un circuito de suministro de potencia de conmutación para controlar al menos un dispositivo de conmutación de potencia. En particular, esta invención usa un circuito de generación de señales complicado con sumadores, retardos, multiplexores, memoria, y módulos de retención. Además, en su realización preferida, se mapean palabras de control de (m+n) bits en una secuencia de factores de trabajo de PWM de m bits de manera que se crean artefactos cuando la palabra de (m+n) bits toma su valor máximo de 2m+n-1.

El documento US 2002/0005861 A1 da a conocer un método para accionar un dispositivo de luz posterior de LED usando modulación por ancho de pulso con un temporizador adicional para gestionar el consumo de potencia, producción térmica, y nivel de iluminación del dispositivo con una resolución mejorada. En particular D1 da a conocer un dispositivo de luz posterior de LED que usa control de PWM en el que se usa un temporizador adicional con el fin de aumentar la resolución del control de PWM.

Por tanto, existe la necesidad de un aparato y un método de control mejorado y simplificado para su uso con fuentes de luz controladas digitalmente que sean robustos frente a señales ruidosas y que puedan mejorar eficazmente el nivel de resolución de control de fuentes de luz controladas digitalmente.

Esta información de los antecedentes se proporciona para revelar información considerada por el solicitante de posible relevancia para la presente invención. No se pretende reconocer necesariamente, ni debe interpretarse, que la información anterior constituye la técnica anterior con respecto a la presente invención.

Sumario de la invención

Un objeto de la presente invención es proporcionar un aparato y método de control para su uso con fuentes de luz controladas digitalmente. Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato para controlar una luminaria que incluye uno o más elementos emisores de luz en uno o más colores, suministrándose cada uno del uno o más elementos emisores de luz con corriente eléctrica para producir luz, comprendiendo dicho aparato: medios para ajustar la corriente eléctrica al uno o más elementos emisores de luz usando modulación por ancho de pulso o modulación por código de pulsos, teniendo cada una de dicha modulación por ancho de pulso y modulación por código de pulsos un ciclo de pulso, y medios para modular un ancho de pulso para cada ciclo de pulso, aumentando así la resolución de control del uno o más elementos emisores de luz; caracterizado porque dicho aparato comprende un aparato de modulación por ancho de pulso extendido para transformar una señal de (N+M) bits en un flujo de 2M palabras de ancho de N bits para un total de 2M ciclos de pulso, comprendiendo el aparato: medios para recibir la señal de (N+M) bits; medios para dividir la señal de (N+M) bits en una parte de N bits y una parte de M bits; medios para interpretar la parte de N bits como un número codificado binario n; medios para interpretar la parte de M bits como un número codificado binario m; medios para codificar (n+1) en forma de palabra de N bits binaria y alimentar la palabra para m ciclos de pulso al flujo; y medios para codificar n en forma de palabra de N bits binaria para (2M -m) ciclos de pulso y alimentar la palabra al flujo; formando así el flujo de 2M palabras de ancho de N bits para un total de 2M ciclos de pulso.

Según otro aspecto de la presente invención se proporciona un método para controlar una luminaria que incluye uno

: o más elementos emisores de luz en uno o más colores, suministrándose cada uno del uno o más elementos emisores de luz con corriente eléctrica para producir luz, comprendiendo dicho método las etapas de: ajustar la corriente eléctrica al uno o más elementos emisores de luz usando modulación por ancho de pulso o modulación por código de pulsos, teniendo cada una de dicha modulación por ancho de pulso y modulación por código de pulsos un ciclo de pulso; modular un ancho de pulso para cada ciclo de pulso, aumentando así la resolución de control del uno

: o más elementos emisores de luz; caracterizado porque dicho método comprende un método de modulación por ancho de pulso extendido para transformar una señal de (N+M) bits en un flujo de 2M palabras de ancho de N bits para un total de 2M ciclos de pulso, comprendiendo el método las etapas de: recibir la señal de (N+M) bits; dividir la señal de (N+M) bits en una parte de N bits y una parte de M bits; interpretar la parte de N bits como un número codificado binario n; interpretar la parte de M bits como un número codificado binario m; codificar (n+1) en forma de palabra de N bits binaria y alimentar la palabra para m ciclos de pulso al flujo; y codificar n en forma de palabra de N bits binaria para (2M -m) ciclos de pulso y alimentar la palabra al flujo; formando así el flujo de 2M palabras de ancho de N bits para un total de 2M ciclos de pulso.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 ilustra la relación entre frecuencia temporal y sensibilidad de contraste del sistema visual humano.

La figura 2 ilustra un diagrama de bloques del aparato de control para un aparato de iluminación de uno o múltiples canales según una realización de la presente invención.

La figura 3 ilustra un diagrama de bloques de una luminaria que puede controlarse usando el aparato de control según la presente invención.

La figura 4 ilustra un diagrama de bloques de otra luminaria que puede controlarse usando el aparato de control según la presente invención.

La figura 5 ilustra un diagrama de circuito esquemático de una realización de la presente invención.

La figura 6 ilustra un diagrama de circuito esquemático de otra realización de la presente invención.

La figura 7 ilustra un diagrama de circuito esquemático de otra realización de la presente invención.

La figura 8 ilustra un diagrama de flujo para un programa principal de microcontrolador para controlar las fuentes de luz usando PWM, según una realización de la presente invención.

La figura 9 ilustra un diagrama de flujo para una subrutina para el programa principal tal como se ilustra en la figura

8.

La figura 10 ilustra un diagrama de flujo para otra subrutina para el programa principal tal como se ilustra en la figura

8.

La figura 11 ilustra un diagrama de flujo para otro programa principal de microcontrolador para controlar las fuentes de luz usando PCM, según una realización de la presente invención.

La figura 12 ilustra un diagrama de flujo para una subrutina para el programa principal tal como se ilustra en la figura

11.

La figura 13 ilustra un diagrama de flujo para otra subrutina para el programa principal tal como se ilustra en la figura

11.

Descripción detallada de la invención

Definiciones

El término “fuente de luz” se usa para definir uno o más dispositivos que pueden emitir radiación en cualquier región

: o combinación de región del espectro electromagnético, en los que la activación y desactivación de la fuente de luz puede controlarse digitalmente. Una fuente de luz puede incluir uno o más elementos emisores de luz, por ejemplo. Una fuente de luz también puede configurarse como una pluralidad de elementos emisores de luz que emiten uno o más colores de luz diferentes, por ejemplo una fuente de luz puede ser una recopilación de elementos emisores de luz roja, verde y azul.

El término “elemento emisor de luz” se usa para definir cualquier dispositivo que emite radiación en cualquier región

: o combinación de regiones del espectro electromagnético por ejemplo luz visible, infrarroja y/o ultravioleta, cuando se activa aplicando una diferencia de potencial a través del mismo o pasando una corriente eléctrica a través del mismo. Ejemplos de elementos emisores de luz incluyen diodos emisores de luz (LED) de alto flujo o recubiertos con fósforo, de polímero, a base de materiales orgánicos e inorgánicos semiconductores u otros dispositivos similares como se entenderá fácilmente.

Tal como se usa en el presente documento, el término “aproximadamente” se refiere a una variación +/-10% con respecto al valor nominal. Debe entenderse que una variación de este tipo siempre se incluye en cualquier valor dado proporcionado en el presente documento, bien se haga referencia o no de manera específica.

A menos que se defina de otro modo, todos los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado tal como se entienden habitualmente por un experto en la técnica a la que pertenece esta invención.

La presente invención proporciona un método y un aparato que puede modular los anchos de pulso a través de un periodo de 2M ciclos de pulso en los que cada ciclo de pulso puede tener su propio ancho de pulso o ciclo de trabajo respectivo. El tiempo resultante promedio o el ancho de pulso eficaz pueden controlarse por tanto con una resolución de 2N+M estados, en vez de una resolución de 2N estados tal como es habitual con los métodos convencionales. Proporcionando una resolución adicional, una luminaria que comprende elementos emisores de luz controlados por el aparato de control de la presente invención puede generar una atenuación suave percibida de la luz emitida por la misma.

Por ejemplo, un controlador de ancho de pulso de N bits requiere una palabra de control de N bits que proporciona una medida para un ancho de pulso deseado o un ciclo de trabajo respectivo. El ancho de pulso se codifica normalmente de manera lineal en la palabra de control de manera que cuando el número codificado en la palabra de control se incrementa por uno el ancho de pulso se extiende por una cantidad de tiempo sustancialmente constante independientemente del valor absoluto de la palabra de control. El ancho de pulso por ciclo de pulso de un controlador de ancho de pulso de N bits puede controlarse por tanto con una resolución de N bits. Una señal de control proporcionada por una palabra de control de (N+M) bits, por ejemplo, puede usarse para controlar cómo los anchos de pulso en una secuencia de ciclos de pulso pueden modularse. En una realización, la modulación puede lograrse usando, por ejemplo una palabra binaria de N bits n y una palabra binaria de M bits m para crear m ciclos de pulso de ancho de pulso n+1 y (2M -m) ciclos de pulso de ancho de pulso n. En este ejemplo, sin embargo, procesar n = 2N-1 puede requerir una excepción de este procedimiento, porque incrementar n = 2N-1 por uno ya no puede representarse como un número binario de N bits con esquemas de codificación binaria convencionales. Por ejemplo, la excepción para n = 2N-1 puede ser crear un flujo de 2M palabras de N bits binarias de constante n. Esto puede ser necesario porque, en caso contrario, la modulación de los anchos de pulso durante una secuencia de ciclos de pulso sin una excepción para n = 2N-1 puede crear m ciclos de pulso con un factor de trabajo mínimo seguidos por (2M -m) ciclos de pulso teniendo cada uno un factor de trabajo máximo, con el efecto de que el ancho de pulso promedio de tiempo eficaz podría variar enormemente entre sus valores máximo y mínimo dependiendo del número m. El ancho de pulso promedio por periodo de 2M ciclos de pulso asciende por tanto a un ancho de pulso promedio de tiempo eficaz que corresponde a n+m/2M, dando como resultado así la capacidad de controlar un ancho de pulso eficaz con una resolución de (N+M) bits.

Una ventaja particular de la presente invención es que la diferencia en el factor de trabajo de modulación por ancho de pulso entre m ciclos de pulso y los (2M -m) ciclos de pulso es 1 / N. Como se observa por ejemplo en IESNA Lighting Handbook, novena edición, págs. 3-21-3-22, la percepción de parpadeo visual de una fuente de luz o una superficie iluminada depende así tanto de la frecuencia temporal como del contraste. Mientras que una fuente de luz modulada por ancho de pulso con una modulación del 100 por cien tiene un valor de contraste de 0,01, una fuente de luz modulada por ancho de pulso extendido tiene una modulación de un (100 / 2N) por cien y un valor de contraste de (2N / 100). Por tanto, mientras que una fuente de luz con una frecuencia de PWM de por ejemplo 50 hercios presentará un parpadeo visual según la figura 1 (adaptado de IESNA Lighting Handbook, novena edición, figuras 3-34), la misma fuente de luz con una frecuencia de PWM extendido de 800 hercios y N = 4 no presentará ningún parpadeo visual, puesto que tiene un valor de contraste de 0,16.

En una realización alternativa, el control del ancho de pulso eficaz puede incluir, por ejemplo, proporcionar en primer lugar n para (2M -m) pulsos y posteriormente n+1 para m pulsos u opcionalmente modular los anchos de pulso por ciclo de pulso en decrementos de uno. En estos casos, sin embargo, n=0 puede requerir una excepción del procedimiento normal. Además, el control del ancho de pulso eficaz puede incluir variar los anchos de pulso por ciclo de pulso por más de uno o controlar el ancho de pulso eficaz puede incluir variar aleatoriamente los anchos de pulso en el flujo de ciclos de pulso.

El método y el aparato según la presente invención permiten elegir la frecuencia de ciclo de pulso como parámetro independiente mientras que se modulan los anchos de pulso. La frecuencia de ciclo de pulso puede elegirse de manera que los elementos emisores de luz unidos, por ejemplo los LED, puedan hacerse funcionar de manera eficaz en condiciones de esfuerzo térmico despreciable y/o la frecuencia de modulación puede elegirse lo suficientemente alta para ayudar a reducir el parpadeo de luz perceptible. En una realización de la presente invención se selecciona la frecuencia de ciclo de pulso para que sea mayor que o igual a aproximadamente 20 kHz. En otra realización, se selecciona la frecuencia de ciclo de pulso para que sea de aproximadamente 30 kHz.

La figura 2 ilustra un diagrama de bloques de una realización de la presente invención para su uso con un aparato de iluminación de uno o múltiples canales. Un controlador 370 de interfaz proporciona funcionalidad para enviar una señal que comprende una señal binaria de (N+M) bits que comprende un número n, representado por los N bits más significativos, y un número m, representado por los M bits menos significativos de esta señal binaria de (N+M) bits. El controlador 370 de interfaz controla el modulador 372 de ancho de pulso extendido, en el que el modulador de ancho de pulso extendido genera una señal que comprende una señal de modulación por ancho de pulso de N bits y la envía a un controlador de modulación por ancho de pulso de uno o múltiples canales de N bits. Un reloj 373 proporciona al modulador 372 de ancho de pulso extendido una señal de sincronización que tiene una frecuencia predeterminada, donde el reloj 373 puede ser una parte separada o solidaria del modulador 372 de ancho de pulso extendido. De esta manera, el modulador de ancho de pulso puede procesar o generar múltiples señales independientes o dependientes para un controlador 374 de modulación por ancho de pulso de uno o múltiples canales que puede controlar múltiples canales de elementos emisores de luz tales como LED con una resolución eficaz de 2N+M.

El controlador 374 de modulación por ancho de pulso de uno o múltiples canales puede unirse a una luminaria 376 de elemento emisor de luz de uno o múltiples colores, donde una luminaria de múltiples colores puede comprender elementos emisores de luz que emiten en una o más gamas de luz seleccionadas del rojo, verde, azul, ámbar y blanco, por ejemplo. Los elementos emisores de luz asociados con una luminaria pueden clasificarse según su impresión de color prevista en canales de múltiples colores, en los que cada canal de color puede tener su propio controlador de modulación por ancho de pulso de un canal o puede conectarse de manera operativa a un canal predeterminado de un controlador de modulación por ancho de pulso de múltiples canales. El controlador de modulación por ancho de pulso de uno o múltiples canales puede conectarse a una luminaria de canales de uno o múltiples colores que puede tener una combinación de elementos emisores de luz roja, verde, azul, ámbar o cualquier otro color o clasificados de otro modo, por ejemplo.

Una luminaria que puede controlarse usando el método y el aparato según la presente invención se ilustra como un diagrama de bloques en la figura 3. La luminaria 100 comprende varios componentes que incluyen un suministro 110 de potencia, un convertidor 120 de potencia, un controlador 140, y una fuente 130 de luz. Cada componente comprende una entrada para recibir una señal de entrada, y una salida para proporcionar una señal de salida, sin embargo sólo las entradas y salidas seleccionadas de estos componentes se ilustran en la figura 3. En condiciones operativas el suministro 110 de potencia requiere una determinada forma de potencia eléctrica en su entrada y proporciona una forma P de potencia eléctrica en su salida. La salida del suministro 110 de potencia está conectada a la entrada del convertidor 120 de potencia, en la que el convertidor 120 de potencia transforma la potencia eléctrica P proporcionada en su entrada en una corriente de accionamiento eléctrico Ii que el convertidor 120 de potencia proporciona en su salida. Esta corriente de accionamiento eléctrico Ii se proporciona a la fuente 130 de luz para el funcionamiento de la misma. El controlador 140 está acoplado de manera operativa al convertidor 120 de potencia, donde el controlador 140 proporciona una señal de control de corriente de accionamiento Is al convertidor 120 de potencia. El controlador 140 comprende o está adaptado para una conexión al aparato de control según la presente invención, permitiendo así que el controlador 140 controle el convertidor 120 de potencia con un nivel de resolución de 2N+M estados. Además, el controlador 140 puede responder a la señal Id proporcionada en una entrada de interfaz (opcional) u otros medios de entrada por ejemplo. Por ejemplo, Id puede ser una secuencia de atenuación deseada por el usuario.

Se entenderá fácilmente que una fuente 130 de luz puede comprender una o más disposiciones de una pluralidad de elementos emisores de luz. Por ejemplo las disposiciones pueden ser LED rojos, LED verdes y LED azules o cualquier otro color como se entenderá fácilmente, por ejemplo LED blancos o LED ámbar. Un convertidor 120 de potencia puede comprender uno o más accionadores de corriente en el que por ejemplo un accionador de corriente puede estar configurado para proporcionar corriente de accionamiento eléctrico a una disposición seleccionada de elementos emisores de luz.

En otra realización una luminaria que puede controlarse usando el método y el aparato según la presente invención puede comprender además un sistema de retroalimentación tal como se ilustra en la figura 4. La luminaria 200 comprende un suministro 110 de potencia, un convertidor 120 de potencia, un controlador 140, y una fuente 130 de luz. La luminaria 200 comprende adicionalmente cualquier combinación de un sistema 250 de sensor y un sistema 260 de sensor de corriente de accionamiento.

El sistema 250 de sensor puede detectar cualquier combinación de uno o más parámetros de entrada. Los parámetros pueden representar una o más de una parte del calor Q que resulta del funcionamiento de la luminaria o una parte de la densidad espectral £(A) de la luz emitida por la fuente 130 de luz. El sistema de sensor puede procesar los parámetros de entrada que pueden ser indicativos de la temperatura de varios componentes de la fuente de luz o la cantidad y composición espectral de la luz emitida por la fuente de luz, en el que la cantidad y composición espectral de la luz emitida por la fuente de luz puede proporcionarse en coordenadas de cromaticidad y brillo, por ejemplo. El sistema 250 de sensor puede proporcionar cualquier combinación de g(Q) o h(£(A))en una o más salidas que están conectadas de manera operativa a entradas de retroalimentación correspondientes del controlador 140.

El sistema 260 de sensor de corriente de accionamiento puede ser adicionalmente una parte del sistema de retroalimentación de la luminaria 200. El sistema 260 de sensor de corriente de accionamiento puede detectar la corriente de accionamiento Is y proporcionar una medida de su magnitud en su salida y esta señal puede transmitirse al controlador 140. El controlador 140 puede proporcionar Is al convertidor 120 de potencia representando una o más de las señales de entrada detectadas, que incluyen calor, cromaticidad, brillo y corriente de accionamiento además de cualquier señal de entrada denominada Id. La señal denominada Id puede representar cualquier combinación de medidas de la corriente de accionamiento deseada, el brillo deseado o la cromaticidad deseada de la luz emitida, por ejemplo. El controlador comprende o está adaptado para una conexión al aparato de control según la presente invención, permitiendo así que el controlador controle el convertidor 120 de potencia y por tanto la fuente 130 de luz con un nivel de resolución de 2N+M estados.

La figura 5 ilustra una vista esquemática de un circuito 301 electrónico que permite el método de modulación por ancho de pulso extendido según una realización de la presente invención. El circuito comprende un bus 310 de entrada de once líneas para recibir una señal de control de entrada paralela de once bits, una línea 313 de entrada de señal sync, una línea 315 de entrada de señal init, y un bus 319 de salida de ocho bits para proporcionar la señal de control de salida paralela a un controlador de PWM de ocho bits compatible, que no se muestra. El circuito incluye un subcircuito de tratamiento de excepción que comprende una puerta 320 NAND de ocho entradas y una puerta 322 AND de dos entradas. Ocho líneas del bus de entrada de once líneas para llevar los ocho bits más significativos de la señal de control de entrada están conectadas por consiguiente al primer puerto 331 de un sumador 330 de ocho bits. La línea 333 de entrada del segundo puerto del sumador de ocho bits que lleva el bit menos significativo está conectada a la salida 325 de la puerta 322 AND de dos entradas que también constituye la salida del subcircuito de tratamiento de excepción. Las siete líneas restantes del segundo puerto no se muestran y se establecen en cero aritmético. Dependiendo del dispositivo de sumador esto puede realizarse conectando estas líneas a una tensión alta aritmética o baja aritmética. Tres líneas del bus de entrada de once líneas para llevar los tres bits menos significativos de la señal de control de entrada están conectadas a las tres líneas 341 de entrada de señal de control de un contador 340 programable de tres bits. El contador programable de tres bits tiene además una entrada 343 de señal de reloj y una entrada 345 de señal reset conectadas a las líneas respectivas del circuito tal como se ilustra en la figura 5 para recibir las señales respectivas en condiciones operativas. Un contador 350 de división entre ocho incrementa su contador al recibir un cambio predeterminado en la señal sync en su entrada 351 clk. El contador se reinicializa a cero al recibir un init o al incrementar el contador a más de siete. La salida 353 de señal out del contador de división entre ocho está conectada a la entrada 345 de señal reset del contador programable de tres bits. Cuando el contador 350 de división entre ocho se reinicializa a cero, una salida de señal out en su línea de señal out reinicializa el contador 340 programable de tres bits a través de su entrada de señal de reinicialización. El contador 340 programable de tres bits incrementa su contador tras la detección de un cambio de estado predeterminado en la señal sync y compara el valor de contador con el número codificado en la señal de control de entrada de tres bits. Cuando el valor de contador supera el número codificado, su salida 347 cambia de un uno lógico a un cero lógico y la salida de la puerta 322 AND de dos entradas unida será cero.

Para la realización ilustrada en la figura 5, en condiciones operativas el subcircuito de tratamiento de excepción impide que el circuito de modulación por ancho de pulso extendido incremente un número binario ya máximo codificado en los ocho bits más significativos de la señal de control de entrada. Esto se logra poniendo el bit menos significativo del segundo puerto de la señal de entrada de sumador a cero, es decir, combinando por AND la salida de la puerta NAND de ocho entradas y la salida del contador programable de tres bits cuando los ocho bits más significativos representan el número 28 -1 (generalmente 2N -1).

Se entenderá fácilmente por un experto en la técnica que el número total de bits, el número de los bits más significativos y el número de bits menos significativos de la señal de control de entrada pueden ser diferentes de los especificados anteriormente. Por ejemplo, el circuito anterior puede adaptarse para unir un controlador de PWM de diez bits usando una señal de control de entrada que tiene diez bits más significativos y un número predeterminado de bits menos significativos necesarios para lograr una resolución de PWM eficaz deseada.

Además, tal como será obvio para un experto en la técnica, el circuito para una modulación por ancho de pulso extendido también puede incluir elementos de memoria intermedia de señal de entrada o salida tales como elementos de retención, registros y multiplexores. El circuito puede modificarse por ejemplo para recibir señales de entrada o proporcionar señales de salida en sistemas distintos a los sistemas de bus paralelos.

En una realización, puede usarse un incrementador en lugar del sumador de ocho bits identificado en el circuito anterior. El incrementador puede tener un puerto de entrada de señal de control, por ejemplo un único puerto de entrada de ocho bits, e incrementa el número representado por una señal aplicada al puerto de entrada de señal de control por uno, tras la detección de un cambio de estado predeterminado en una señal de activación aplicada a un puerto de señal de activación que se produciría en condiciones operativas.

La figura 6 ilustra una vista esquemática del circuito 300 electrónico que permite el método de modulación por ancho de pulso extendido según otra realización de la presente invención, en el que se ha eliminado el contador de división entre ocho tal como se observa en la figura 5. Esta realización usa menos componentes y puede usarse si un cambio de estado repentino en la señal de control de entrada siempre sucede de forma síncrona cuando el contador de tres bits se reinicializa a cero, por ejemplo o si un cambio de estado en la señal de control de entrada sucede de manera asíncrona y no se requiere la acción de reinicializar instantáneamente el contador 390 programable de tres bits. Teniendo en cuenta las frecuencias o la duración del ciclo de pulso para propósitos generales de iluminación el cambio de estado asíncrono generalmente no necesita ningún tratamiento de excepción, puesto que el cambio de estado en la señal de control de entrada normalmente se produce en una escala de tiempo de múltiplos en vez de fracciones de ocho ciclos de pulso (generalmente 2M ciclos de pulso). El circuito 300 puede producir, debido a cambios de estado en la señal de control de entrada distintos de al comienzo de un periodo de ocho ciclos de pulso (generalmente un periodo de 2M ciclos de pulso), factores de trabajo de ancho de pulso promedio que se desvían del factor de trabajo especificado y codificado en la señal de control de entrada de once bits (generalmente (N+M) bits) en no más de un equivalente de un único cambio de bit menos significativo en la señal de control de entrada.

La figura 7 ilustra una vista esquemática de otra realización de un circuito 400 electrónico que permite el método de modulación por ancho de pulso extendido, en el que se ha eliminado el subcircuito de tratamiento de excepción tal como se ilustra en la figura 5. En esta realización, cuando los ocho bits más significativos (generalmente N bits más significativos) se establecen a una lógica alta, el sumador o incrementador de ocho bits “se desborda” es decir, reinicializa sus señales de salida a cero. Dependiendo del número m codificado en los tres bits menos significativos (generalmente M bits menos significativos) de la señal de control de entrada, este circuito establece todas las señales de salida a cero lógico durante un periodo de m cambios predeterminados en la señal sync (ciclos de pulso) y establece las señales de salida a uno lógico para ocho menos m ciclos de pulso posteriores (generalmente (2M m) ciclos de pulso) siempre que las señales de control de entrada no cambien durante el periodo total de ocho ciclos de pulso (generalmente 2M ciclos de pulso). El circuito ilustrado en la figura 7 puede usarse, por ejemplo, cuando no se requiere suprimir tal condición de desbordamiento, o cuando los ocho bits más significativos (generalmente N bits más significativos) de la señal de control de entrada nunca toman de manera concurrente sus valores de lógica alta (aritméticos).

En otra realización, el controlador de PWM extendido puede implementarse en firmware tal como se muestra en las figuras 8 a 10 para su uso con, por ejemplo, un microcontrolador Philips LPC2132.

La figura 8 ilustra una función 500 main_PWM de microcontrolador según una realización de la presente invención. Esta función especifica la función PNM_TimerISR como rutina de servicio de interrupción de temporizador de periodo de PWM, inicializa un desplazamiento de variable estática a cero, asigna dos bloques de memoria de acceso aleatorio denominados DataBank0 y DataBank1, en los que cada bloque comprende N palabras de M bits, y marca DataBank0 como activo. La función entra entonces en un lazo continuo en el que sondea un dispositivo externo, tal como una interfaz remota, para obtener datos de PWM disponibles. Alternativamente, los datos también pueden generarse dentro de un programa 500 main_PWM. Cuando los datos de PWM que comprenden una palabra de N+M bits están disponibles, el programa main_PNM llama a la función UpdatePWMData.

La figura 9 ilustra la función 600 UpdatePWMData según una realización de la presente invención, en la que esta función en primer lugar determina qué banco de datos está activo, luego selecciona el banco de datos inactivo para escribir cualquier dato posterior. Luego pone el contador de lazo i a cero y establece msb como los N bits más significativos y lsb como los M bits menos significativos de la señal N+M antes de realizar N lazos, donde dentro de cada lazo se establece la i-ésima ubicación de memoria del banco de datos seleccionado a msb+1 si i es menor que lsb, si no establece la i-ésima ubicación de memoria a msb. Una vez finalizado, marca el banco de datos activo como inactivo y el banco de datos inactivo como activo antes de volver a la función de llamada main_PWM.

La figura 10 ilustra la rutina de servicio de interrupción de temporizador de periodo de PWM PWM_TimerISR 700 según una realización de la presente invención, en la que esta rutina determina en primer lugar determina qué banco de datos está activo, y luego selecciona el banco de datos activo para leer datos del mismo. Luego lee elemento de orden de desplazamiento del banco de datos activo, establece el registro de hardware de temporizador de periodo de PWM a este valor, e incrementa el desplazamiento de variable estática. Si el desplazamiento es entonces igual a N, se reinicializa a cero. Luego se retira la etiqueta de interrupción de temporizador y se produce una salida de la función de interrupción PWM_timerISR.

En una realización, la presente invención puede aplicarse a modulación por código de pulsos (PCM) en vez de PWM. Refiriéndose específicamente a la figura 2, el controlador 374 de PWM puede sustituirse por un controlador de PCM. Puede implementarse una realización basada en PCM con un microcontrolador de propósito general controlado por firmware, por ejemplo, un microcontrolador Philips LPC2132. Esta implementación está ilustrada en las figuras 11 a 13.

La figura 11 ilustra una función 800 main_PCM de microcontrolador según una realización de la presente invención. Esta función especifica la función PCM_TimerISR como rutina de servicio de interrupción de temporizador periódica, inicializa las variables estáticas de Recuento y Desplazamiento a cero, Máscara a 1, y Retardo de temporizador a T (donde T es normalmente un microsegundo), asigna dos bloques de memoria de acceso aleatorio denominados DataBank0 y DataBank1, en los que cada bloque comprende N palabras de M bits, y marca DataBank0 como activo. La función entra entonces en un lazo continuo en el que sondea un dispositivo externo, tal como una interfaz remota, para obtener datos de PCM disponibles. Alternativamente, los datos también pueden generarse dentro de la función main_1 (no ilustrada). Cuando los datos de PCM que comprenden una palabra de N+M bits están disponibles, la función main_1 llama a la función UpdatePCMData.

La figura 12 ilustra la función 900 de encaminamiento UpdatePCMData según una realización de la presente invención, en la que esta función determina en primer lugar qué banco de datos está activo, luego selecciona el banco de datos inactivo para escribir cualquier dato posterior. Luego pone el contador de lazo i a cero y establece msb como los N bits más significativos y lsb como los M bits menos significativos de la señal N+M antes de realizar N lazos, donde dentro de cada lazo se establece la i-ésima ubicación de memoria del banco de datos seleccionado a msb+1 si i es menor que lsb, si no establece la i-ésima ubicación de memoria a msb. Una vez finalizado, marca el banco de datos activo como inactivo y el banco de datos inactivo como activo antes de volver a la función de llamada main_1.

La figura 13 ilustra la rutina de servicio de interrupción de temporizador periódica PCM_TimerISR 1000 según una realización de la presente invención, en la que esta rutina determina en primer lugar qué banco de datos está activo, y luego selecciona el banco de datos activo para leer datos del mismo. Luego lee el elemento de orden de desplazamiento del banco de datos activo y realiza un AND lógico con la variable de máscara estática para determinar el bit de orden de recuento del elemento. Si el bit es cero, el canal de LED se deshabilita; en caso contrario, se habilita. Si el recuento es menor que M, entonces el recuento de variable estático se incrementa, la máscara de variable estática se multiplica por dos para llevar a cabo una desviación lógica hacia la izquierda del bit binario, y el retardo de variable estática, que representa el retardo de temporizador, se multiplica por dos. En caso contrario, el recuento se reinicializa a cero, la máscara se reinicializa a uno, el retardo se reinicializa a T, y el desplazamiento de variable estática se incrementa. Cuando el desplazamiento es igual a N, se reinicializa a cero. Finalmente, se retira la etiqueta de interrupción de temporizador y se produce una salida de la función de interrupción PCM_TimerISR.

En una realización de la presente invención, los anchos de pulso pueden definirse en coordenadas de control (n,m, N,M). Será obvio para un experto en la técnica que todos los anchos de pulso de este tipo pueden transformarse en un dominio de tiempo al aplicar meramente una transformación de coordenadas sencilla. Por ejemplo, un ancho de pulso pw cuya duración se especifica por un número n de control de PWM específico puede tener una duración de tiempo de, por ejemplo, pw = (2N-1)-1 * n * PW, donde PW es el periodo del ciclo de pulso. Alternativamente, la transformación también puede definirse por 2-N * (n * PW); la elección específica depende únicamente de escoger el origen de cero para n.

En una realización de la presente invención, el método de control puede implementarse en un aparato o un sistema que tiene uno o más canales de salida para controlar conjunta o separadamente cada canal o bien simultáneamente

o bien de manera multiplexada en el tiempo, en el que cada canal puede usarse para accionar un determinado color de elementos emisores de luz, por ejemplo.

Ahora se describirá la invención con referencia a ejemplos específicos. Se entenderá que los siguientes ejemplos están destinados a describir realizaciones de la invención y no están destinados a limitar la invención de ninguna manera.

Ejemplos

Se conoce que la modulación por ancho de pulso de elementos emisores de luz por ejemplo LED, para luminarias de estado sólido deben tener una frecuencia de PWM de al menos aproximadamente 300 Hz para evitar la percepción de parpadeo visual y una resolución de factor de servicio de PWM de al menos 12 bits, y preferiblemente una frecuencia de PWM de al menos aproximadamente 10 kHz para aliviar los efectos perjudiciales del esfuerzo térmico en las pastillas de LED. Los siguientes ejemplos ilustran la aplicación de la presente invención al control y funcionamiento de luminarias de estado sólido. Tal como puede entenderse fácilmente, por ejemplo un controlador puede controlar múltiples LED de luz blanca recubiertos con fósforo, mientras que una pluralidad de LED rojos, verdes, azules, y opcionalmente ámbar o LED blancos, verdes, y azules por ejemplo pueden controlarse por múltiples controladores, con preferiblemente un controlador para cada color de LED.

Ejemplo 1: Luminaria de estado sólido con control de modulación por código de pulsos extendido

Según una realización de la presente invención una luminaria de iluminación de estado sólido puede configurarse tal como se ilustra en la figura 4, en la que la modulación por ancho de pulso extendido tal como se definió anteriormente se implementa en firmware en el controlador 140, por ejemplo un microcontrolador comercial, usando el método de modulación por código de pulsos extendido tal como se ilustra en las figuras 11 a 13. Se implementan una o más calibraciones en el controlador que resultan de los datos recopilados que reflejan uno o más de cromaticidad, flujo luminoso, temperatura de los LED y corriente de accionamiento, permitiendo así un control de retroalimentación de la luminaria de estado sólido.

Ejemplo 2: Luminaria de estado sólido con control de modulación por ancho de pulso extendido

Según una realización de la presente invención una luminaria de iluminación de estado sólido puede configurarse tal como se ilustra en la figura 4, en la que la modulación por ancho de pulso extendido según se definió anteriormente se implementa en firmware en el controlador 140, por ejemplo un microcontrolador comercial, usando el método de modulación por ancho de pulso extendido tal como se ilustra en las figuras 8 a 10. El controlador puede comprender uno o una pluralidad de módulos convertidores de analógico a digital de 10 bits integrados, en los que también pueden implementarse otras funciones, tal como por ejemplo monitorización de sensores y control de retroalimentación.

Ejemplo 3: Luminaria de estado sólido con control de modulación por código de pulsos extendido

En referencia a la figura 4, el método de modulación por ancho de pulso extendido dado a conocer en el presente documento puede implementarse en el controlador 140 usando la modulación por ancho de pulso extendido según se da a conocer en las figuras 11 a 13 implementada en hardware usando por ejemplo una disposición de puertas programables en campo (FPGA) con preferiblemente un núcleo de microcontrolador. Pueden implementarse otras funciones dentro de la luminaria incluyendo por ejemplo monitorización de sensores y control de retroalimentación.

Es obvio que las realizaciones anteriores de la invención son a modo de ejemplo y que pueden variarse de muchas maneras. Tales variaciones presentes o futuras no deben considerarse como un alejamiento del alcance de la invención, y se pretende que todas estas modificaciones, como será obvio en la técnica, se incluyan dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Aparato para controlar una luminaria (100; 200) que incluye uno o más elementos (130) emisores de luz en uno o más colores, suministrándose cada uno del uno o más elementos (130) emisores de luz con corriente eléctrica para producir luz, comprendiendo dicho aparato

a) medios para ajustar la corriente eléctrica al uno o más elementos (130) emisores de luz usando modulación por ancho de pulso o modulación por código de pulsos, teniendo cada una de dicha modulación por ancho de pulso y modulación por código de pulsos un ciclo de pulso;

b) medios para modular un ancho de pulso para cada ciclo de pulso, aumentando así la resolución de control del uno o más elementos (130) emisores de luz; caracterizado porque dicho aparato comprende un aparato de modulación por ancho de pulso extendido para transformar una señal de (N+M) bits en un flujo de 2M palabras de ancho de N bits para un total de 2M ciclos de pulso, comprendiendo el aparato de modulación por ancho de pulso extendido:

c) medios para recibir la señal de (N+M) bits;

d) medios para dividir la señal de (N+M) bits en una parte de N bits y una parte de M bits;

e) medios para interpretar la parte de N bits como un número codificado binario n;

f) medios para interpretar la parte de M bits como un número codificado binario m;

g) medios para codificar n+1 en forma de palabra de N bits binaria y alimentar la palabra para m ciclos de pulso al flujo; y

h) medios para codificar n en forma de palabra de N bits binaria para (2M -m) ciclos de pulso y alimentar la palabra al flujo;

formando así el flujo de 2M palabras de ancho de N bits para un total de 2M ciclos de pulso.
2.

Aparato según la reivindicación 1, en el que dichos medios para modular el ancho de pulso comprenden un sumador (330) de N bits acoplado de manera operativa a un controlador (140), proporcionando dicho sumador (330) de N bits al controlador (140) señales de control para controlar la corriente eléctrica al uno o más elementos (130) emisores de luz, comprendiendo además los medios para modular un contador (340; 390) programable de M bits acoplado al sumador (330) de N bits, proporcionando así dichos medios para modular el ancho de pulso una resolución de control de 2N+M estados.
3.

Aparato según la reivindicación 1, en el que dichos medios para modular el ancho de pulso comprenden un incrementador (330) acoplado de manera operativa a un controlador, proporcionando dicho incrementador al controlador señales de control para controlar la corriente eléctrica al uno o más elementos (130) emisores de luz, comprendiendo además los medios para modular el ancho de pulso un contador (340; 390) programable de M bits acoplado al incrementador (330).
4.

Aparato según la reivindicación 2, en el que dichos medios para modular el ancho de pulso comprenden además un circuito de tratamiento de excepción conectado de manera operativa al contador (340, 390) programable de M bits y el sumador (330) de N bits.
5.

Aparato según la reivindicación 4, en el que dichos medios para modular el ancho de pulso comprenden además un contador (350) de división entre N conectado de manera operativa al contador (340; 390) programable de M bits, sirviendo dicho contador (350) de división entre N para reinicializar el contador (340; 390) programable de M bits.
6.

Aparato según la reivindicación 1, en el que dicho aparato funciona a una frecuencia de ciclo superior o igual a aproximadamente 20 kHz.
7.

Aparato según la reivindicación 6, funcionando dicho aparato a una frecuencia de ciclo de aproximadamente 30 kHz.
8.

Aparato según la reivindicación 1, en el que cada uno del uno o más colores se seleccionan del grupo que comprende rojo, verde, azul, ámbar y blanco.
9.

Aparato según la reivindicación 2 ó 3, que comprende además un sistema (260) de sensor acoplado de manera operativa al controlador (140), estando configurado el sistema (260) de sensor para recopilar uno o más parámetros de entrada, siendo dicho uno o más parámetros de entrada la temperatura de componentes o cantidad y composición espectral de la luz, en el que el uno o más parámetros de entrada

están configurados como entradas de retroalimentación por el controlador (140) para controlar la corriente eléctrica al uno o más elementos (130) emisores de luz.
10.

Aparato según la reivindicación 1, en el que el flujo comprende anchos de pulso que varían aleatoriamente.
11.

Aparato según la reivindicación 1, en el que el flujo comprende anchos de pulso variados por ciclo.
12.

Método para controlar una luminaria (100; 200) que incluye uno o más elementos (130) emisores de luz en uno o más colores, suministrándose cada uno del uno o más elementos (130) emisores de luz con corriente eléctrica para producir luz, comprendiendo dicho método las etapas de

a) ajustar la corriente eléctrica al uno o más elementos (130) emisores de luz usando modulación por ancho de pulso o modulación por código de pulsos, teniendo cada una de dicha modulación por ancho de pulso y modulación por código de pulsos un ciclo de pulso;

b) modular un ancho de pulso para cada ciclo de pulso, aumentando así la resolución de control del uno o más elementos (130) emisores de luz; caracterizado porque dicho método comprende un método de modulación por ancho de pulso extendido para transformar una señal de (N+M) bits en un flujo de 2M palabras de ancho de N bits para un total de 2M ciclos de pulso, comprendiendo el método las etapas de:

c) recibir la señal de (N+M) bits; d) dividir la señal de (N+M) bits en una parte de N bits y una parte de M bits; e) interpretar la parte de N bits como un número codificado binario n; f) interpretar la parte de M bits como un número codificado binario m; g) codificar n+1 en forma de palabra de N bits binaria y alimentar la palabra para m ciclos de pulso al flujo; y h) codificar n en forma de palabra de N bits binaria para (2M -m) ciclos de pulso y alimentar la palabra al

flujo formando así el flujo de 2M palabras de ancho de N bits para un total de 2M ciclos de pulso.
13.

Método según la reivindicación 12, en el que el flujo comprende anchos de pulso que varían aleatoriamente.
14.

Método según la reivindicación 12, en el que el flujo comprende anchos de pulso variados por ciclo.