FI115948B

FI115948B - Valaisimen värilämpötilan säätö

Info

Publication number: FI115948B
Application number: FI20030853A
Authority: FI
Inventors: Jari Tabell
Original assignee: Teknoware Oy
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2005-08-15
Also published as: US20040264186A1; EP1487243A1; DE602004015678D1; FI20030853A; FI20030853A0; US7352137B2; EP1487243B1

Description

115948

Valaisimen värilämpötilan säätö

Keksinnön ala Tämä keksintö liittyy valodiodeja valolähteenä hyödyntävän valaisimen värilämpötilan säätöön.

5 Tekniikan tason kuvaus

Ennestään tunnetaan ratkaisuja, joissa valkoisia valodiodeja käytetään valaisimen valolähteenä valkoisen valon tuottamiseksi. Koska yksittäisen valodiodin tuottama valotaso, eli valon voimakkuus, on suhteellisen alhainen käytetään yleensä yhdessä valaisimessa suurta määrää valodiodeja, jotta valo lotaso saataisiin riittävän suureksi.

Edellä mainittuun tunnettuun ratkaisuihin liittyy se epäkohta, että valkoisilla valodiodeilla on hyvin korkea värilämpötila (noin 6000K), jolloin niiden tuottaman valkoisen valon värisävy on monessa tilanteessa epämiellyttävää.

15 Se onko tietty valkoisen valon värisävy epämiellyttävää vai ei riip puu valaisimen värilämpötilan lisäksi myös mm. kohteesta josta valo heijastuu ja valotasosta, eli valon voimakkuudesta. Käytännössä on näin ollen mahdo- ·*·': tonta saada aikaan sellaisen värilämpötilan omaava valodiodi, jonka tuottaman • » : valkoisen valon värisävy soveltuisi kaikkiin tarvittaviin valaisukohteisiin ja olo- .v. 20 suhteisiin. Loisteputkien yhteydessä onkin päädytty ratkaisuun, jossa valmiste- .···, taan useita vaihtoehtoisia loisteputkia, joilla on keskenään eri värilämpötila, • | jotta jokaiseen käyttökohteeseen löytyisi loisteputki, joka tuottaa tarkoitukseen sopivan sävyistä valkoista valoa. Tällainen ratkaisu on kuitenkin sikäli kömpe-’···' lö, että se johtaa tilanteeseen, joissa joudutaan valmistamaan useita vaihtoeh- 25 toisia loisteputkia, jotta jokaiseen tarkoitukseen löytyisi sellainen, jonka tuotta-: ma valkoinen värisävy on sopiva.

• I

Keksinnön yhteenveto !;;; Tämän keksinnön tarkoitus on ratkaista edellä selostettu ongelma, ‘•y’ ja tarjota käyttöön ratkaisu, joka mahdollistaa valaisimen värilämpötilan säätä- : : : 30 misen sävyltään sopivan valkoisen valon aikaansaamiseksi kun valolähteinä : käytetään valodiodeja. Tämä päämäärä saavutetaan oheisen itsenäisen pa- 2 115948 tenttivaatimuksen 1 mukaisella menetelmällä ja oheisen itsenäisen patenttivaatimuksen 3 mukaisella valaisimella.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että valodiodeja valolähteinä käyttävissä valaisimissa on mahdollista hyödyntää eri väristen valodiodien 5 tuottaman valon sekoittamista halutun sävyisen valkoisen värin aikaansaamiseksi. Tämä tulee mahdolliseksi koska valodiodit sijaitsevat riittävän lähekkäin, jotta eri väristen valodiodien tuottama valo saadaan sekoittumaan riittävästi keskenään. Näin ollen lopputuloksena saadaan valkoista valoa, jonka sävy riippuu eri väristen valodiodien tuottaman valon keskinäisestä voimakkuudesta. 10 Valitsemalla eri väriä olevien valodiodien läpi kulkevat virrat keskenään sopivalla tavalla saadaan aikaan haluttu valkoisen valon sävy, eli valaisimen väri-lämpötila voidaan asettaa käyttäjän toiveiden mukaiseksi.

Keksinnön mukaisen ratkaisun merkittävin etu on se, että samoja valolähteitä, eli valodiodeja käyttämällä, voidaan saada aikaan tapauskohtai-15 sesti sopivan sävyistä valkoista valoa. Näin vältytään tarpeelta valmistaa useita värilämpötiloiltaan erilaisia valkoisia valodiodeja. Lisäksi määrätyssä kohteessa voidaan muuttaa valkoisen värin sävyä tilanteen mukaan juuri kyseisiin olosuhteisiin sopivaksi ilman, että tämä edellyttää valolähteiden, eli valodiodien, vaihtamista. Keksintö soveltuu hyödynnettäväksi esimerkiksi kulkuneuvois-20 sa, kuten busseissa, joissa sitä voidaan soveltaa esimerkiksi kohdevalaisimien • · j ^ tai valolinjojen yhteydessä sisätilojen valaisemiseksi sopivan sävyisellä valkoi- ;V sella valolla.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja valaisimen edulliset suori- ' · · ·' tusmuodot ilmenevät oheisista epäitsenäisistä patenttivaatimuksista 2 ja 4 - 6.

«· · • · ·

• I

25 Kuvioiden lyhyt kuvaus I i i

Keksintöä selostetaan seuraavassa esimerkinomaisesti lähemmin : .·. viittaamalla oheisiin kuvioihin, joista: ’*’·,* kuvio 1 havainnollistaa keksinnön ensimmäistä edullista suoritus- muotoa, ..!: * 30 kuvio 2 havainnollistaa keksinnön toista edullista suoritusmuotoa, kuvio 3 on kuvion 1 suoritusmuotoon liittyvän esimerkkilaskelman .···. graafinen esitys, ja • > 3 115948 kuvio 4 on kuvion 2 suoritusmuotoon liittyvän esimerkkilaskelman graafinen esitys.

Edullisten suoritusmuotojen kuvaus

Keksinnön menetelmän mukaisesti tuotetaan valoa eri väriä olevilla 5 valodiodeilla. Valodiodeilla valon tuottaminen tarkoittaa samaa kuin diodien ohjaaminen johtavaan tilaan tai virran johtaminen näiden läpi. Keksinnön mukaisesti edelleen säädetään eri väriä olevien valodiodien läpi kulkevaa virtaa toivotun värilämpötilan saavuttamiseksi valaisimelle. Valodiodien värilämpötila säädetään halutunlaiseksi ohjaamalla valodiodien läpi kulkevia virtoja, joilla 10 haluttu värilämpötila saavutetaan. Se miten värilämpötila asetetaan voi vaihdella. Eräs vaihtoehto on värilämpötilan säätämiseksi voidaan toteuttaa siten, että valodiodien kanssa sarjaan on kytketty transistorit, joiden kantaohjauksella voidaan asetella valodiodien läpi kulkevaa virtaa. Tätä säätöratkaisua ja sen etuja sekä ominaisuuksia on selitetty alla viitaten kuvioihin 1 ja 2.

15 Kuvio 1 havainnollistaa keksinnön ensimmäistä edullista suoritus muotoa. Kuviossa 1 nähdään valaisin, jossa valo tuotetaan keskenään eri väriä olevilla valodiodeilla R, G ja B.

Kuviossa 1 on esimerkinomaisesti oletettu, että valodiodien värit :*·*: ovat punainen, vihreä ja sininen. Tämä yhdistelmä on sikäli edullinen, että tällä 20 väriyhdistelmällä voidaan käytännössä tuottaa kaikki tarvittavat valkoisen valon • · · · sävyt. Vaihtoehtoisesti voidaan ajatella, että valodiodeja olisi esimerkiksi vain .···. kaksi, jolloin kyseeseen voisi tulla esimerkiksi valkoinen ja punainen tai vaihto- • » ;T.’t ehtoisesti valkoinen ja sininen. Tällöin kuitenkin aikaansaatavien valkoisen va- ‘; lon sävyt ovat selvästi rajoitetumpia.

'···' 25 Eri värisävyjen aikaansaamiseksi, eli valaisimen värilämpötilan sää tämiseksi käyttäjän toiveiden mukaiseksi, kuuluu kuviossa 1 esitettyyn järjeste- i.i : lyyn säädin 1, jonka välittämä ohjausjännite Vc mahdollistaa valaisimen väri- lämpötilan säätämisen. Kuten kuviosta 1 ja 2 ilmenee, ohjausjännite Vc johde-taan jänniteseuraajaksi kytkettyjen transistorien TR, TG, TB kannoille vastus-.···, 30 ten R1, R2, R3 kautta. Kukin transistoreista TR, TG, TB on kytketty eriväristen valodiodien kanssa sarjaan siten, että punaisten valodiodien R läpi kulkevan v · virran IdR suuruutta ohjataan transistorilla TR, vihreiden valodiodien G virran :· IdG s uuruutta t ransistorilla T G j a s inisten v alodiodien B v irran I dB s uuruutta vastaavasti transistorilla TB. Säätimen vastusten R1, R2, R3 ja näiden kanssa 4 115948 sarjaan kytkettyjen vastusten R1 R2’ R3’ tuottama jännitteenäkö muodostaa transistoreille TR, TG, TB kantajännitteet VbR, VbG, VbB, joiden suuruus riippuu ohjausjännitteestä ja mainittujen vastusten R1, RT; R2, R2’; R3, R3 suuruuksista.

5 Sarjaan kytkettyjen vastusten R1, RT; R2, R2’; R3, R3 muodosta man jännitteenjaon perusteella on mahdollista toteuttaa keksinnön mukainen värisävyn säätö. Mainittu jännitteenjako mitoitetaan siten, että ohjausjännite Vc vaikuttaa transistorien kantajännitteisiin siten, että ohjausjännitteen muutos aikaansaa erisuuruiset kantajännitteet kullekin transistorille, jolloin transistorien 10 läpi kulkevien virtojen suhde muuttuu ja siten myös valodiodien yhdistelmällä tuotettavan valon väri muuttuu. Vastusjakojen suhteilla voidaan siis toteuttaa valaistuksen lämpötilan säätökäyrä, jota pitkin valaistus muuttuu säätöjännitet-tä muutettaessa.

Kuvion 1 kytkennän ja keksinnön toimintaa selostetaan seuraavas-15 sa yksinkertaistetun esimerkin avulla. Kuvion 1 suoritusmuodossa valodiodiket-juja R, G, B syötetään syöttöjännitteellä Vs.

Seuraava laskelma on tehty olettaen, että: ; 20 -kaikkien muiden vastusten arvot paitsi R1, R2 ja R3 ovat 1 kQ; : -valodiodiketjujen yhteinen syöttöjännite Vs on vakio 13 V; -kussakin valodiodiketjussa (R, G, B) olevien valodiodien yli jäävä .···. jännite VD on 3,0 V; :v, -transistorien kanta-emitterijännite Vbe on 0,6 V; 25 R1=5kQ; R2 = 3kQ; R3 = 1 kQ;

* * » I

Näillä alkuarvoilla saadaan transistorien kantajännitteiksi Vb ohjausjännitteen •: · 30 Vc funktiona: tili • »

VbR = Vc x 1k / (1k + R1) = Vc x 0,17 ; VbG =Vcx1k/(1k + R2) = Vcx 0,25 V : VbB = Vc x 1 k / (1 k + R3) = Vc x 0,5 35 5 115948

Kantajännitteet saavat tällöin seuraavia arvoja eri säätöjännitten Vc arvoilla:

VbR VbG VbB

Vc=0V: OV OV OV

5 Vc=5V: 0,85V 1.25V 2,5 V

Vc=10V: 1,7V 2,5V 5,0V

Kunkin valodiodiketjun virta Id voidaan siten lausua kyseisen valo-diodiketjun transistorin kantajännitteen Vb funktiona muodossa: 10

Id = URe / Re = (Vs - VD - Vb - Vbe) / Re = (13V - 3V - Vb - 0,6V) / 1k = (9,4V-Vb) / 1k 15 missä Re on transistorin emitterin ja valodiodiketjun välissä oleva vastus ja URe on jännitepudotus tämän vastuksen yli.

Tällöin eri säätöjännitearvoilla Vc saadaan valodiodiketjujen virroiksi

20 IdR IdG IdB

• t

: Vc=0V: 9,4mA 9,4mA 9,4mA

jyj Vc=5V: 8,55mA 8,15mA 6,9mA

Vc=10V: 7,7mA 6,9mA 4,4mA

25 Yllä esitetyllä esimerkkimitoituksella pienenee säätöjännitettä Vc nostettaessa sinisen LED-ketjun B virta eniten, jolloin keksinnön valaisimella tuotettavan valon sävy muuttuu enemmän punaiseen suuntaan. Tällöin kuvion : : : 1 suoritusmuotoon yhdistettynä värilämpötila alenee kokonaisvalovirran alen- : . tuessa. Kuvion 1 suoritusmuodolla saadaan siis aikaan valaisin, jonka him- - . 30 mentämisen yhteydessä värilämpötilaa alennetaan tuotetun valon miellyttä- .···. vyyden lisäämiseksi. Kuviossa 3 on esitetty kuvion suoritusmuodon 1 mukai nen virtojen muutos käyttäen yllä esitettyä esimerkkilaskelmaa. Kuviosta huo-*·* ’ mataan selkeästi, että ohjausjännitteen kasvaessa suhteessa eniten pienenee i sinisen B valodiodiketjun läpi kulkeva virta IdB. Lisäksi samalla kokonaisvirta 35 pienenee, eli tuotettavan valon määrä laskee.

6 115948

Kuviossa 2 on esitetty suoritusmuoto, jossa on lisätty kuvion 1 suoritusmuotoon verrattuna vakiovirtaregulaattori 2. Tämä vakiovirtaregulaatto-ri saa aikaan sen, että kaikkien valodiodiketjujen yhteenlaskettu virta ei pienene, vaan pysyy saman suuruisena säätöjännitteen Vc muuttamisesta riippu-5 matta. Kuviossa 4 on esitetty yllä esitettyyn laskelmaan ja kuvion 2 suoritusmuotoon perustuva kuvaaja, jolloin laskelmassa syöttöjännite Vs on korvattu vakiovirtaregulaattorin 2 jälkeisellä jännitteellä Vs2. Kuvaajasta ilmenee selkeästi säätöjännitteen vaikutus punaisen R valodiodiketjun virran osuuden kasvamisena ja vastaavasti sinisen B valodiodiketjun virran pienenemisenä. Tä-10 män vakiovirtaregulaattorilla toteutetun suoritusmuodon avulla voidaan siis toteuttaa värilämpötilan muuttaminen muuttamatta kokonaisvalovirran suuruutta. Siten keksinnön mukaisella valaisimella tuotettavan valaistuksen taso pysyy oleellisesti muuttumattomana.

Kuvioiden 1 ja 2 suoritusmuodoissa esitetyn säätimen 1 vastuksilla 15 R1, RT; R2, R2'; R3, R3' toteutetut jännitteenjakajat on mitoitettu siten, että toivottu muutos eri väristen valodiodiketjujen virroissa saadaan aikaiseksi. Näiden vastusten mitoituksella voidaan siis vaikuttaa siihen, kuinka paljon kutakin väriä muutetaan suhteessa muihin väreihin.

Kuvioissa 1 ja 2 on havainnollisuuden vuoksi esitetty jokaisesta 20 väristä R, G, B vain muutama valodiodi. Käytännössä kun valaisin toteutetaan • valodiodien avulla on diodien kokonaismäärä, ja siten myös samaa väriä kes- * * * * ;y; kenään olevien diodien lukumäärä huomattavasti suurempi, jotta valodiodeilla .·· ·, saataisiin aikaan riittävä valotaso. Kyseisiä valodiodeja ohjataan tällöin yhtei- sen säätimen avulla. Keksintöä sovellettaessa käytännössä, voidaan esimer-25 kiksi samalle piirilevylle latoa kymmeniä valodiodeja, jotka koteloidaan yhteen " ’ ’ kohdevalaisimeen, jonka valokeila välittyy ympäristöön esimerkiksi linssin kaut ta. Vaihtoehtoisesti keksintöä voidaan soveltaa esimerkiksi ajoneuvoissa, ku-; : ten busseissa, hyödynnettävissä pitkissä valolinjoissa, jolloin yksittäiseen valo- :: linjaan voi kuulua jopa satoja valodiodeja.

30 On ymmärrettävä, että edellä oleva selitys ja siihen liittyvät kuviot , , on ainoastaan tarkoitettu havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Alan ; ammattimiehelle tulevat olemaan ilmeisiä erilaiset keksinnön variaatiot ja ’ muunnelmat ilman että poiketaan oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn :. i keksinnön suojapiiristä.

35

Claims

115948

1. Menetelmä valaisimen värilämpötilan säätämiseksi, jolloin valaisin on toteutettu eri väriä olevilla valodiodeilla, jolloin menetelmä käsittää vai- 5 heet, joissa tuotetaan valoa eri väriä olevilla valodiodeilla (R, G, B), ja säädetään eri väriä olevien valodiodien läpi kulkevaa virtaa (IdR, IdG, IdB), tunnettu siitä, että valodiodien läpi kulkevan virran säätäminen käsittää vaiheet, joissa 10 tuotetaan säätöjännite (Vc) valodiodien säätämiseksi, tuotetaan säätöjännitteestä erilliset kantajännitteet kullekin valo-diodien eri värille, ja ohjataan kantajännitteillä kutakin eri valodiodien väriä ohjaamalla kyseisen värin valodiodien läpi kulkevaa virtaa toivotun värilämpötilan saavut-15 tamiseksi valaisimelle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheen, jossa säädetään lisäksi eri väristen valodiodien virtojen summaa oleellisesti vakioksi.

3. Valaisin, joka käsittää valodiodeista (R, G, B) muodostettuja va-20 lonlähteitä ja säätimen (1) valonlähteiden tuottaman valaistuksen säätämisek- > » · ; si, jolloin valaisimen valodiodit (R, G, B) käsittävät ainakin kahta eri väriä olevia ‘-y valodiodeja ja säädin (1) on sovitettu säätämään eri väristen valodiodien tuot- : tämän valon voimakkuutta valaisimen värilämpötilan säätämiseksi, tunnet- tu siitä, että säädin käsittää välineet kunkin värin valodiodien (R, G, B) läpi j \'· 25 kulkevan virran (IdR, IdG, IdB) säätämiseksi vasteellisena säätöjännitteelle (Vc), jotka säätimen välineet käsittävät transistorit (TR, TG, TB), jotka on kytketty kunkin värin valodiodien kanssa sarjaan, sekä resistanssikytkennän (R1, : RT; R2, R2'; R3, R3'), joka määrittelee kullekin transistorille kantajännitteen . * * ·. vasteellisena säätöjännitteelle (Vc).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen valaisin, tunnettu siitä, että valaisin käsittää lisäksi vakiovirtaregulaattorin (2) valodiodien tuottaman valo- * · I tason pitämiseksi oleellisesti vakiona valaisimen värilämpötilan säädön yhtey- dessä. : 5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen valaisin, tunnettu siitä, 35 että mainittu säädin (1) on järjestetty säätämään valaisimen värilämpötilaa vasteellisena valotason säädölle siten, että säädin säätää värilämpötilan alhai- 115948 semmaksi, kun valotasoa säädetään alhaisemmaksi, ja värilämpötilan korkeammaksi, kun valotasoa säädetään korkeammaksi.

6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 3 - 5 mukainen valaisin, tunnettu siitä, että valaisimeen kuuluu punaisia, vihreitä ja sinisiä valo-5 diodeja (R, G, B). • · · • a · I I • r » t * · 115948