FI124042B

FI124042B - Valaisinmatriisien, erityisesti LED-matriisien ohjausjärjestelmä

Info

Publication number: FI124042B
Application number: FI20125981A
Authority: FI
Inventors: Heikki Seppae
Original assignee: Teknologian Tutkimuskeskus Vtt
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-02-14
Also published as: WO2014044909A2; FI20125981A; WO2014044909A3

Description

Valaisinmatriisien, erityisesti LED-matriisien ohjausjärjestelmä

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä tehon 5 syöttämiseksi valaisinmatriiseille.

Keksinnön kohteena on myös valaisinmatriisien ohjausjärjestelmä.

Ledien käyttö valaistuksessa on lisääntymässä voimakkaasti, koska niillä saavutetaan hyvä 10 hyötysuhde.

Ongelmana tunnetussa tekniikassa on se, että valoteholtaan suureen lamppuun joudutaan laittamaan useita LED-rivejä, koska yhteen riviin voidaan laittaa ainoastaan 40 V/ 3 V kappaletta LED:ejä. Jänniterajoitus aiheutuu siitä, että 40 V pidetään turvallisena jännitteenä. 15 Rivejä ei voi kytkeä rinnakkain, koska LED:in ominaiskäyrä on hyvin epälineaarinen ja jänniteohjaus johtaa epämääräiseen tehoon kussakin LED-rivissä.

Tunnettu ratkaisu on siis se, että normaalilla sähköisellä kelalla toimiva hakkuri kehittää > 40 V jännitteen ja tätä jännitettä hyödyntäen jokaista LED-riviä (eri värejä tai yhtä väriä) 2 0 ohjataan erillisillä hakkureilla.

Niinpä käytännön tunnetuissa ratkaisuissa joudutaan niittämään joka rivin virta ja ohjaamaan jokaista riviä varten tehtyä hakkuria. Tämä johtaa siihen, että N-rivinen lamppu edellyttää ™ yhtä N+l hakkuria ja värisäädettävä LED järjestelmä 3N+1 hakkuria.

™ 25 O)

Keksinnön tarkoituksena on ratkaista edellä kuvatut tunnetun tekniikan ongelmat ja tätä ^ tarkoitusta varten aikaansaada aivan uudentyyppinen menetelmä ja järjestelmä tehonsyöttöä

X

o- varten.

oo σ> c\j 30 Menetelmä perustuu siihen, että normaalilla hakkurilla, joko käyttämällä mekaanista tai sähköistä energiavarastoa generoidaan pulssinieveysmodulaatiolla useita eri taajuuksia. Kukin taajuus ohjataan suodattimen läpi (joko mekaaninen tai sähköinen) haluttuun led-rivistöön.

2

Led:irivistön (tai kaikkien rivistöjen yhteinen virta) läpi tulevan virran amplitudi ja vaihe mitataan ja vaihetietoa käytetään jokaisen taajuuden lukitsemiseen kyseessä olevaan resonanssipiirin taajuuteen. Amplitudia käytetään LED-rivin valotehon ohjaukseen.

5 Mekaanisten resonanssien käytön yhteydessä käytetään joko piezokidettä johon on liitetty lisävärähtelijä impedanssitason ja taajuuden säätämiseen. Toinen vaihtoehto on käyttää kestomagneettiin perustuvaa mekaanista värähtelijää joka on jo lähtökohtaisesti impedanssitasoltaan sopiva. Varsinkin magneettisesti ohjattua värähtelijää voidaan käyttää myös LED: ien jäähdyttämiseen. Tässä tapauksessa automaattisesti suurempi teho johtaa 10 voimakkaampaan tuuletukseen.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

15 Keksinnön mukaiselle järjestelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 10 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

2 0 Keksinnön mukainen menetelmä mahdollistaa LED -valaisimien ja myös muiden valaisinten ohjaamisen hyvällä hyötysuhteella, pienikokoisella ja edullisella elektroniikalla.

Keksintö mahdollistaa a) päähakkurin koon pienentämisen (jos käytetään mekaanista "kelaa") ^ ja b) LED rivejä ohjaavat hakkurit voidaan korvata resonanssipiirillä (mekaaninen tai cm ^ 2 5 sähköinen). Menetelmä mahdollistaa myös usean erillisen lampun tai lamppurivin ohjauksen ° siten, että ainoastaan päähakkurin virta mitataan.

CM

X

o- Keksintöä tarkastellaan seuraavassa esimerkkien avulla ja oheisiin piirustuksiin viitaten, co CT) K 30 Kuvio 1 kaaviollisesti yhtä keksinnön mukaista valaisinta tehonsyöttölaitteineen.

δ

CM

Kuvio 2 esittää graafisesti keksinnössä käytettävää tehonsyötön aaltomuotoa.

3

Kuvio 3 esittää graafisesti keksinnön mukaista aaltomuotoa, joka on suodatettu hakkurin ulostulo.

5 Kuviossa 4a on esitetty piezokiteen sijaiskytkentä.

Kuviossa 4b on esitetty magneettisesti ohjatun värähtelijän sijaiskytkentä.

Valaistusta ohjataan yleensä erillisillä kytkimillä ja LED-valaisimissa jokaista LEDiä kohti on 10 hakkuri, joka mittaa virtaa ja säätää jännitettä tarpeen mukaan. Tässä keksinnössä tuodaan esille menetelmä, missä jokaista lamppua tai lamppuriviä ohjataan yhdellä hakkurilla taajuusmultipleksausta hyödyntäen.

Kuviossa 1 on esitetty yleisellä tasolla valon ohjaukseen tarkoitettu menetelmä. Kytkimestä 5 15 koostuva hakkuri generoi pulssin leveysmodulaatioon perustuen kuvion 2 mukaisen signaalin. Hakkuriin liittyvä kela (yleensä myös lisäkapasitanssi maata vasten) suodattaa signaalin siten, että lopullinen verhokäyrä on oleellisesti kuvion 3 mukainen.

Tyypillisesti hakkurin 5 anto on tasajännitettä, mutta tässä keksinnössä "tasajännite" 2 0 vaihtelee siten, että se sisältää N eri taajuista signaalia. Suodatuksen jälkeen signaali on kuvion 3 mukainen. Kuviossa 3 kolme normeerattua taajuutta ovat: 1, 1.4, 1.7. Taajuuksien välit on valittu suureksi ainoastaan sen takia, että muutamasta jaksosta nähdään signaalin muoto. Käytännössä taajuuden erot ovat pienemmät. Koska hakkurin 5 jäljessä oleva ^ energiavarastoa 4 kuormitetaan myös kapasitiivisesti, tulee tämä ottaa huomioon cnj , 2 5 mitoituksessa, o cp ^ Kuvion 3 mukainen signaali kytketään kuvion 1 resonanssipiirien 2 kautta valaisimen 20 x o- muodostaville LED:eille 1 Jotka on muodostettu useiksi sarjaan kytketyiksi LED-riveiksi 21. 1

Jokainen rivikohtainen resonanssipiiri 2 "valitsee" signaalista vain omaa resonanssitaajuutta O) o] 30 vastaavan taajuuden. Eri sinien amplitudit määräävät sen kuinka paljon kullekin LED - ° rivistölle 21 ajetaan tehoa. Koska LED:in ominaiskäyrä on hyvin epälineaarinen (jännite sen yli on lähes vakio) tehon säätö täytyy tapahtua virran avulla. Koska jokaisen rivistön virta on 4 eri taajuudella, riittää että mitataan vain kokonaisvirta ja erottamalla eri taajuuskomponentit esimerkiksi vaihelukitun silmukan avulla, saadaan selville jokaisen LED -rivistön virrat erikseen. Mittaus voidaan suorittaa suoraan hakkuriin 5 liittyvän kelan virrasta induktiolla, laittamalla johtimeen magnetometrin 3 (MEMS tai jokin muu) tai tietysti myös erillisen 5 vastuksen avulla. Vastus on tosin epäedullinen vaihtoehto, koska se kuluttaa tehoa. Magnetometri 3 on hyödyllinen, koska se mittaa sekä tasavirtakomponentin että kaikki vaihtovirtakomponentit. Voidaan tietysti mitata jokaisen rivin virran erikseen kuten nykyään tehdään, mutta se kasvattaa laitteen hintaa turhaa. Myös tämä vaihtoehto on kuvattu kuviossa 1. Virta tehdään halutuksi säätämällä eri jännitteiden amplitudeja erikseen ohjaamalla 10 vaihemoduloitua signaalia (katso kuvio 2).

Koska resonanssipiirin 2 taajuus voi poiketa nimellisestä merkittävästi, joudutaan hakkurilla 5 tuotetut taajuudet sovittamaan adaptiivisesti siten, että ne vastaavat resonanssipiirien 2 taajuuksia. Tämä voidaan tehdä helposti mittaamalla virtojen vaiheet suhteessa jännitteiden 15 vaiheisiin ja säätämällä jännitteiden taajuudet vastaavasti. Kaiken kaikkiaan mittaus tapahtuu yksinkertaisesti mittaamalla vaiheherkällä ilmaisimella sekä virtojen amplitudit että vaiheet ja säätämällä jännitteiden amplitudit tehon säätöä varten ja vaiheet taajuuksien sovittamiseksi resonanssipiireihin.

2 0 Resonanssipiirit

Resonanssipiiri 2 voidaan realisoida kelan ja kondensaattorin sarjakytkennällä normaalin tapaan.

(M

δ 2 5 Kytkennällä saadaan kohtuullisesti tilanne, missä vain alle 2 % tehosta hukataan. Ongelmana O) on enemmänkin koko, koska pienihäviöinen muuntaja kohtuullisen pienellä taajuudella ^ edellyttää suurikokoista kelaa.

X

IX

CL

oö Yleisesti ottaen mekaaninen resonanssi pystyy varastoimaan energiaa enemmän kuin σ> o] 30 vastaavan kokoinen sähköinen kela. Tämä tarkoittaa sitä, että resonanssipiiri kannattaa ° realisoida mekaanisella resonanssipiirillä. Voimme käyttää joko piezomuuttajalla toimivaa värähtelijää tai magneettista virralla ohjattua resonanssipiiriä. Mekaanisen resonanssipiirin 5 etuna on pienen koon lisäksi korkea hy vyysluku. Lisäksi voidaan integroida mekaanisen värähtelijän lähelle LED:ejä, jolloin voimme käyttää liikettä myös LED:ien tuulettamiseen. Tietysti käytämme tällöin tehoa tuuletukseen Jolloin värähtelijän hyvyysluku heikkenee.

Tämä on kuitenkin edullisempi tapa verrattuna siihen, että valaisimeen laitettaisiin tuuletin tai 5 kooltaan suuri metallinen jäähdytinripa.

Kuviossa 4a on esitetty piezokiteen sijaiskytkentä. Piezon rinnankapasitanssin 12 ansioista rakenne synnyttää sekä mekaanisen resonanssin määräävän sarjaresonanssin, että myös rinnanresonanssin, joka riippuu sekä mekaanisesta resonanssista että hajakapasitanssista.

10 Värähtelijää käytetään kuitenkin edullisesti sarjaresonanssissa, joten hajakapasitanssilla ei ole merkitystä. Se kuitenkin näkyy kapasitiivisena kuorma, joten se pitää huomioida koko järjestelmän suunnittelussa. Tyypillisellä kiteellä efektiivinen sarjavastus 13 on kohtuullisen suuri, joten hyötysuhde jää huonoksi. Tietysti tekemällä ohut ja leveä kide saadaan sarjavastusta 13 pienemmäksi. On kuitenkin edullista kytkeä kiteen päälle mekaaninen 15 resonanssi siten, että efektiivistä sarjavastusta saadaan pienemmäksi. Tässä tilanteessa resonanssitaajuus määräytyy ylimääräisestä resonanssipiiristä ja piezoaktuaattori toimii ainoastaan laitteena, joka muuntaa jännitteen liikkeeksi. Kuviossa 4a viitenumerolla 10 on kuvattu sijaiskytkennässä kelaa ja viitenumerolla 11 sarjakapasitanssia.

2 0 Jos käytämme resonanssipiirissä magneettisesti ohjattua värähtelijää, voimme kuvata sitä kuvan 4b mukaisella sijaiskytkennällä. Magneettinen resonanssipiiri perustuu kestomagneetin 15 ja käämin 14 läpi kulkevan virran aiheuttamaan voimaan. Tässä ratkaisussa voidaan valita liikkuuko käämi 14 (vertaa kovaääninen) vai magneetti 15. Jos kytkentäkerroin on suuri, piiri ^ edustaa maata vasten olevaa rinnanresonanssipiiriä. Teho kytkeytyy hyvin LED:eihin yhdellä cvj ^ 2 5 taajuudella, mutta se pyrkii "oikosulkemaan" muille LED:eille tarkoitettuja virtoja. Onkin ° edullista laittaa kelan jälkeen sarjaan kondensaattori, jolloin mekaaninen resonanssipiiri toimii ^ efektiivisenä kelana ja synnyttää kondensaattorin kanssa sarjaresonanssipiirin. Tässä x o- tapauksessa muut taajuudet näkevät tämän resonanssipiirin avoimena.

oö O) o] 30 Mekaanista resonanssipiiriä voidaan käyttää myös hakkurissa häviöiden vähentämisessä.

° Tässä yhteydessä on edullista tehdä siihen yhteyteen myös muuntaja. Tämä tarkoittaa piezon tapauksessa sitä, että piezokappale muodostaa yhden rakenteen mekaanisen värähtelyn 6 kannalta, mutta siihen liitetään välielektrodi ulostulotehon poimimista varten. Magneettisessa värähtelijässä järjestelmään laitetaan kaksi käämiä ja kierroslukumäärät valitaan siten että haluttu muuntosuhde saavutetaan.

5 Koska diodit eivät ole täysin samanlaisia ja niistä joku voi hajota, LED-rivistö voi tasasuunnata signaalia. Tasasuuntautuminen ei sinällään haittaa, koska se ainoastaan biasoi diodit eri toimintapisteeseen. Tässä ratkaisussa yhden diodin hajoaminen ei sammuta lamppua kokonaan. Itsebiasoinnin ja vaihtosähkön takia jällellä olevat diodit tuotavat valotehoa.

10 Yhteenveto Tässä keksinnössä on tuotu esiin menetelmä, missä lamppuja ja erityisesti LED-lamppuja voidaan ohjata yhdellä hakkurilla taajuusmultipleksausta hyödyntäen. Menettely johtaa myös siihen, että kaikkien lamppujen virrat (tehot) voidaan mitata yhdellä virtamittarilla. Lisäksi 15 tässä hakemuksessa on kuvattu mekaanisen resonanssin hyödyntämisen taajuussuodattimien tekemiseksi. Keksinnön mukainen menetelmä on selvästi nykyisiä ratkaisuja edullisempi ja kooltaan pienempi. Hyötysuhde on vähintään samaa luokkaa kuin nykyisillä ratkaisuilla, mutta koska useita hakkureita ei tarvita on ehkä mahdollista parantaa myös laitteen hyötysuhdetta, varsinkin jos käytetään mekaanista resonanssipiiriä myös hakkurin 2 0 energiavarastona.

Käytännössä keksinnössä siis kullekin LED-riville toimitetaan pätkittyä DC-tehoa kaistanpäästösuodatinten kautta siten, että kukin valaisinrivi saa taajuuspektrinsä koko tehon ^ spektristä.

™ 25 σ> 1 Keksintö soveltuu valaistukseen yleensä. Koska LED on uusi kasvava valaistustekniikka, se ^ kannattaa ottaa ensin käyttöön. Yksi sovellutus on myös LED:eillä valaistut näytöt, x

IX

CL

cö Tässä hakemuksessa valaisimella 20 tarkoitetaan sekä perinteistä valaisinta, jossa elementit σ> oj 30 ovat toistensa läheisyydessä kuin myös suurempaa valaisinkokonaisuutta, jossa valaisimen eri ° osat voivat sijaita esimerkiksi rakennuksen eri huoneissa.

Claims

1. Menetelmä sellaisen valaisimen tehon syöttöä varten, jossa valaisin (20) muodostuu useista valaisinelementeistä (1) koostuvista riveistä (21), jossa menetelmässä 5 tehoa syötetään valaisimelle (20) rivikohtaisesti (21), tunnettu siitä, että 10. kullekin valaisinriville (21) syötetään tehoa ennalta määrätyllä taajuuskaistalla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tehoa ohjataan kullekin riville kaistanpäästösuodattimen (2) läpi.

3. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 15 suodattimena (2) käytetään sähköistä suodatinta.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suodattimena (2) käytetään piezosähköistä suodatinta.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suodattimena (2) käytetään mekaanista suodatinta. 2 0

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että syötettävä teho tuotetaan pulssinleveysmodulaatiolla.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että co valaisinelementit (1) ovat LED:ejä.

° 8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että i ° 2 5 valaisimeen syötetty kokonaisvirta mitataan (3). i

^ 9. Järjestelmä sellaisen valaisimen tehon syöttöä varten, jossa valaisin (20) muodostuu useista valaisinelementeistä (1) koostuvista riveistä (21), joka järjestelmä käsittää välineet CL 00 - tehon syöttämiseksi valaisimelle (20) rivikohtaisesti (21), c\j δ 30 c\j tunnettu siitä, että - järjestelmä käsittää välineet tehon syöttämiseksi ennalta määrätyllä taajuuskaistalla kullekin valaisinriville (21).

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että teho ohjataan kullekin riville kaistanpäästösuodattimen (2) läpi.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen jätjcstclmä, tunnettu siitä, että suodattimena (2) käytetään sähköistä suodatinta.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen jätjcstclmä, tunnettu siitä, että 10 suodattimena (2) käytetään piezosähköistä suodatinta.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen jätjcstclmä, tunnettu siitä, että suodattimena (2) käytetään mekaanista suodatinta.

14. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen jätjcstclmä, tunnettu siitä, että syötettävä teho tuotetaan pulssinleveysmodulaatiolla.

15. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen jäijestelmä, tunnettu siitä, että valaisinelementit (1) ovat LED:ejä.

16. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen jäijestelmä, tunnettu siitä, että valaisimeen syötetty kokonaisvirta mitataan (3). co δ c\j i o X CC CL CO O) m CM δ CM