JP2005524960A - Led調光コントローラ - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国仮出願第60/379,079号、2002年5月9日出願の”Systems and Methods for Controlling LED Based Lighting”、および米国仮出願第60/391,627号、2002年6月26日出願の”Switched Current Sink”の優先権を主張するものである。
本発明は一般に、AC電力回路のデバイスへ電力を供給するための方法および装置を目的としている。より特に、本発明は、主として照明目的のための発光ダイオード(LED)ベースデバイス(LED based device)に対し、電力を供給するための方法および装置に関する。
種々の発光用途(lighting application)(例えば、家庭用、商業用、産業用など)において、1つまたは2つ以上の従来の光源(例えば、白熱電球、蛍光照明器具など)が生成する光の量を調節することが望ましい場合がある。多くの場合、これは、一般に「調光器(dimmer)」と呼ばれ、光源に供給する電力を調節する、ユーザーが操作するデバイスにより達成される。多くの型の従来の調光器が知られており、ある種のユーザーインターフェイス(例えば、ノブを回す、スライダーを動かすなど;これらは、光レベルの調節が望まれる領域近くの壁に取り付けられることが多い)を介して、ユーザーが1つまたは2つ以上の光源の光の出力を調節することを可能にする。ある調光器のユーザーインターフェイスは、1つまたは2つ以上の光源のスイッチを瞬時にオンもしくはオフにしたり、また、スイッチをオンにした場合にその光の出力を徐々に変化させたりする、スイッチ/調節機構を装備することができる。
本発明は一般に、AC電源のデバイスへ電力を供給するための方法および装置を目的としている。より特に、本発明の種々の実施態様による方法および装置は、標準線間電圧または標準線間電圧以外の信号のどちらかを提供するAC電力回路での、LEDベース光源の使用を容易にする。
本発明の他の実施態様は、少なくとも1個のLED、および、該少なくとも1個のLEDに結合され、交流(AC)調光回路からの電力関連信号を受信するよう構成され、該電力関連信号に基づき前記少なくとも1個のLEDに電力を供給する、少なくとも1個のコントローラを含む、照明装置を目的としている。
本発明の他の実施態様は、本質的に白色光を生成するよう適合された少なくとも1個のLED、および、該少なくとも1個のLEDに結合され、交流(AC)調光回路からの電力関連信号を受信するよう構成され、該電力関連信号に基づき前記少なくとも1個のLEDに電力を供給する、少なくとも1個のコントローラを含む、照明装置を目的としている。AC調光回路は、ユーザーインターフェイスにより制御されて電力関連信号を変化させる。コントローラは、本質的に白色光の少なくとも1個のパラメータを、ユーザーインターフェイスの動作に応答して可変制御し、白熱光源の生成特性を近似するよう、構成される。
本発明の他の実施態様は、AC調光回路を設けるステップ、LED発光システムをAC調光回路に接続するステップ、AC調光回路を活性化することによりLED発光システムから光を生成するステップ、そしてAC調光回路を調節することにより、LED発光システムが生成した光を調節するステップを含む、照明を提供する方法を目的としている。
以下の図は、本発明のある図示的な実施態様を示し、これらの図中、同一の参照番号は同一の要素を示す。これら図示された実施態様は、本発明の図示であり、どのような方法であれ限定するものではないことが理解される。
図1は、従来のAC調光デバイスの例示的な動作を示す。
図2は、AC線間電圧からLEDベース光源へ電力を供給するための従来の実装である。
図3は、本発明の1態様による、LEDベース光源を含む発光ユニットである。
図4は、本発明の1態様による、図3の発光ユニットの種々の構成要素を示す回路図である。
図5は、本発明の他の態様による、LEDベース光源を含む発光ユニットである。
図6は、本発明の1態様による、図5の発光ユニットの種々の構成要素を示す回路図である。
図7は、本発明の他の態様による、LEDベース光源を含むプロセッサベース発光ユニットのブロック図である。
図8は、図7の発光ユニットのための電力回路の種々の構成要素を示す回路図である。
図9は、本発明の1態様による、LEDベース光源のための駆動回路に用いられた従来の電流シンクを示す回路図である。
図10は、本発明の1態様による、改善された電流シンクを示す回路図である。
図11は、本発明の他の態様による、改善された電流シンクを示す回路図である。
1.概要
発光ダイオード(LED)ベース照明源は、一般の、タスクの、アクセントの、またはその他の発光が所望される場合の用途において、より普及が進んでいる。LEDの効率、高強度、低コスト、および高レベルの制御性は、LEDベース光源を従来の非LEDベース光源の代替品とする推進力となっている。
図2に示す配置において、適用されたAC信号が線間電圧としてではなく、調光回路によって適用された場合の1つの問題点は、適用された信号が、この回路がそれに基づいて設計されている線間電圧の周波数から大きく異なる周波数成分を含む可能性があることである。例えば、図1に示すような、デューティサイクル制御の(すなわち、位相角変調された)AC信号309を供給する調光回路を考える;電圧周期の一部の「切り取り(chopping off)」による突然の信号エクスカーション(excursion)の効力により、この種類の信号は通常の線間電圧に比べて非常に高い周波数成分を含む。もしかかる位相角変調されたAC信号が図2の配置に適用されると、キャパシタ800は、これらの高い周波数成分に関連する過剰なエネルギーが信号機を通ることを許容し、多くの場合光源に致命的な損傷を引き起こす。
上述のように、種々の実施態様により、AC調光回路を介して操作されるLEDベース光源は、マイクロプロセッサベース回路有りまたは無しで実装することができる。この節では、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラの支援のない調光回路により供給されるAC信号を適切に調節するよう構成された回路を含む発光ユニットの、幾つかの例が示される。その後の節では、幾つかのプロセッサベースの例が議論される。
本発明の他の実施態様により、AC調光回路を介して操作するのに好適なLEDベース発光ユニットを、プロセッサベースコントローラを用いて実装することができる。以下に、プロセッサを含むLEDベース発光ユニットの1実施態様を、かかる発光ユニットがいかにして、AC調光回路を介して操作するよう特に構成することができるかについての考察を含めて示す。例えば、かかるプロセッサベース発光ユニットは、マイクロプロセッサに加え、マイクロプロセッサに関連した1つまたは2つ以上の他の構成要素を含むことができ、および/またはそれからの信号を受信することができ、それにより従来のAC調光器のユーザーによる調節に少なくとも部分的に基づいて、生成される光の制御を容易にすることができる。本発明による発光ユニットに一旦プロセッサベース制御スキームが実装されると、生成光の制御に対して実質的に無限数の構成が可能である。
図7を再び参照して、発光ユニット200Bの駆動回路109は、多数の方法により実装することができ、その1つは、1つまたは2つ以上の光源104A、104Bおよび104Cにそれぞれ対応する1個または2個以上の電流ドライバ(current driver)を用いる。特に、1つの実施態様により、駆動回路109は、各異なる色の光源が電圧/電流変換器と関連するよう構成され、ここで該電圧/電流変換器は、プロセッサ102からの電圧制御信号(例えば、デジタルPWM信号)を受信し、対応する電流を供給して光源を作動する。かかる駆動回路は、AC調光回路を介して動作するよう特に構成された発光ユニットの実現形態に限定はされない;より一般的に、発光ユニット200Bに類似し、様々な種類の電源(例えば、AC線間電圧、AC調光回路、DC電源)と共に用いるよう構成された発光ユニットは、1個または2個以上の電圧/電流変換器を含む駆動回路を使用することができる。
Claims (63)
- 少なくとも1個のLED;および
前記少なくとも1個のLEDに結合され、標準AC線間電圧とは異なる信号を提供する交流(AC)電源からの電力関連信号を受信するよう構成され、さらに、前記少なくとも1個のLEDに対し、前記電力関連信号に基づいて電力を供給するよう構成された、少なくとも1個のコントローラ;
を含む、照明装置。 - AC電源が、(AC)調光回路である、請求項1に記載の装置。
- AC調光回路がユーザーインターフェイスにより制御されて電力関連信号を変化させ、ここで少なくとも1個のコントローラが、少なくとも1個のLEDに対して、ユーザーインターフェイスの主要な動作範囲において本質的に不変の電力を供給するよう構成された、請求項2に記載の装置。
- ユーザーインターフェイスの動作が、電力関連信号のデューティサイクルを変化させ、ここで少なくとも1個のコントローラが、少なくとも1個のLEDに対して、電力関連信号のデューティサイクルの変動にも関わらず、ユーザーインターフェイスの主要な動作範囲において本質的に不変の電力を供給するよう構成された、請求項3に記載の装置。
- 少なくとも1個のコントローラが、
電力関連信号を受信し、整流した電力関連信号を供給するための整流器;
前記整流した電力関連信号をフィルターするためのローパスフィルタ;および
前記整流しフィルターされた電力関連信号に基づき、本質的に不変の電力を供給するためのDC変換器;
を含む、請求項3に記載の装置。 - 機械的および電気的に従来の白熱光ソケットに適合することにより、装置をAC調光回路に結合するよう構成されたスクリュー式電源コネクタ、
をさらに含む、請求項3に記載の装置。 - スクリュー式電源コネクタに結合し、少なくとも1個のLEDおよび少なくとも1個のコントローラを包含する、構造的に白熱光電球に似せて構成されたハウジング、
をさらに含む、請求項6に記載の装置。 - 少なくとも1個のLEDが、複数個の異なる色のLEDを含む、請求項7に記載の装置。
- AC調光回路がユーザーインターフェイスにより制御されて電力関連信号を変化させ、ここで少なくとも1個のコントローラが、少なくとも1個のLEDが生成する光の少なくとも1個のパラメータを、ユーザーインターフェイスの動作に応答して可変制御するよう構成された、請求項2に記載の装置。
- ユーザーインターフェイスの動作が、電力関連信号のデューティサイクルを変化させ、ここで少なくとも1個のコントローラが、光の少なくとも1個のパラメータを、電力関連信号のデューティサイクルに少なくとも基づき可変制御するよう構成された、請求項9に記載の装置。
- 少なくとも1個のコントローラがユーザーインターフェイスの動作に応答して可変制御する光の、少なくとも1個のパラメータが、光の強度、光の色、光の色温度、および光の時間的特性のうちの少なくとも1つを含む、請求項9に記載の装置。
- 少なくとも1個のコントローラが、少なくとも1個のLEDが生成する光の少なくとも2個の異なるパラメータを、ユーザーインターフェイスの動作に応答して可変制御するよう構成された、請求項9に記載の装置。
- 少なくとも1個のコントローラが、光の少なくとも強度および色を同時に、ユーザーインターフェイスの動作に応答して可変制御するよう構成された、請求項12に記載の装置。
- 少なくとも1個のLEDが、本質的に白色光を生成するよう構成され、ここで少なくとも1個のコントローラが、該白色光の少なくとも強度および色温度を同時に、ユーザーインターフェイスの動作に応答して可変制御するよう構成された、請求項12に記載の装置。
- 少なくとも1個のコントローラが、本質的に白色光の少なくとも強度および色温度を、ユーザーインターフェイスの動作に応答して可変制御するよう構成されており、それによって白熱光源の発光特性を近似する、請求項14に記載の装置。
- 少なくとも1個のコントローラが、本質的に白色光の色温度を、最小強度における約2000°Kから最大強度における3200°Kまでの範囲にわたって可変制御するよう構成された、請求項15に記載の装置。
- 機械的および電気的に従来の白熱光ソケットに適合することにより、装置がAC調光回路に結合するよう構成された、スクリュー式電源コネクタ、
をさらに含む、請求項15に記載の装置。 - スクリュー式電源コネクタに結合し、少なくとも1個のLEDおよび少なくとも1個のコントローラを包含し、構造的に白熱光電球に似せて構成されたハウジング、
をさらに含む、請求項17に記載の装置。 - 少なくとも1個のLEDが、複数個の異なる色のLEDを含む、請求項15に記載の装置。
- 少なくとも1個のコントローラが、
少なくとも1個の光のパラメータを、変化する電力関連信号に基づき可変制御するための調節回路;および
少なくとも1個のLEDに対し、変化する電力関連信号に基づき、少なくとも電力を供給するための電力回路;
を含む、請求項9に記載の装置。 - 電力回路が、
電力関連信号を受信し、整流した電力関連信号を供給するための整流器;
該整流した電力関連信号をフィルターするためのローパスフィルタ;および
該整流しフィルターした電力関連信号に基づき、少なくとも1個のLEDに電力を供給するためのDC変換器;
を含む、請求項20に記載の装置。 - 調節回路が、DC変換器に結合され、整流しフィルターした電力関連信号に基づき、少なくとも1個のLEDを可変制御するよう構成された、請求項21に記載の装置。
- 調節回路が少なくとも1個のプロセッサを含み、該プロセッサは、電力関連信号、整流した電力関連信号、および整流しフィルターした電力関連信号のうち少なくとも1つを監視するよう構成され、それによって少なくとも1個のLEDを可変制御する、請求項23に記載の装置。
- 電力回路が、変化する電力関連信号に基づき、少なくとも1個のLEDに少なくとも電力を、および少なくとも1個のプロセッサに電力を供給するよう構成された、請求項23に記載の装置。
- 少なくとも1個のプロセッサが、変化する電力関連信号をサンプルし、変化する電力関連信号の変化する特性の少なくとも1つを決定するよう構成された、請求項23に記載の装置。
- ユーザーインターフェイスの動作が電力関連信号のデューティサイクルを変化させ、少なくとも1個のプロセッサが、光の少なくとも1個のパラメータを、少なくとも電力関連信号の変化するデューティサイクルに基づき可変制御するよう構成された、請求項23に記載の装置。
- 少なくとも1個のLEDが、複数個の異なる色のLEDを含む、請求項26に記載の装置。
- 複数個の異なる色のLEDが、
第1スペクトルを有する少なくとも第1放射線を出力するよう適合された、少なくとも1個の第1LED;
第1スペクトルとは異なる第2スペクトルを有する第2放射線を出力するよう適合された、少なくとも1個の第2LED;および
少なくとも第1放射線の第1強度および第2放射線の第2強度を、ユーザーインターフェイスの動作に応答して独立して制御するよう構成された、少なくとも1個のプロセッサ;
を含む、請求項27に記載の装置。 - 少なくとも1個のプロセッサが、パルス幅変調(PWM)技法を実装するようプログラムされ、少なくとも第1放射線の第1強度および第2放射線の第2強度を制御する、請求項28に記載の装置。
- 少なくとも1個のプロセッサがさらに、
少なくとも第1PWM信号を生成して第1放射線の第1強度を制御し、第2PWM信号を生成して第2放射線の第2強度を制御する;および
第1および第2PWM信号それぞれのデューティサイクルを、ユーザーインターフェイスの動作による電力関連信号の変化に少なくとも部分的に基づいて決定する;
ようプログラムされた、
請求項29に記載の装置。 - 調節回路が駆動回路を含み、該駆動回路は、少なくとも1個の電圧/電流変換器を含み、少なくとも1つの駆動電流を少なくとも1個のLEDに対して提供し、それにより、生成された光の少なくとも1個のパラメータを制御する、請求項20に記載の装置。
- 少なくとも1個の電圧/電流変換器がオペアンプを含み、該オペアンプは、少なくとも1個の電圧/電流変換器に適応された電圧が本質的にゼロの場合、動作中のその非反転および反転入力にわたって適用される所定の誤差電圧を、本質的にゼロの、前記少なくとも1個の電圧/電流変換器の電流出力に減少させるよう構成された、請求項31に記載の装置。(?)
- A)標準AC線間電圧以外の信号を供給する交流(AC)電源からの電力関連信号に基づき、少なくとも1個のLEDに電力を供給すること、
との行為を含む、照明方法。 - 行為A)が、
交流(AC)調光回路からの電力関連信号に基づき、少なくとも1個のLEDへ電力を供給すること、
との行為を含む、請求項33に記載の方法。 - AC調光回路がユーザーインターフェイスにより制御されて電力関連信号を変化させ、ここで行為A)が、
B)本質的に不変の電力を、少なくとも1個のLEDに対し、ユーザーインタフェイスの主要な範囲にわたって供給すること、
との行為を含む、請求項34に記載の方法。 - ユーザーインタフェイスの動作が電力関連信号のデューティサイクルを変化させ、また行為B)が、
電力関連信号のデューティサイクルの変化にも関わらず、本質的に不変の電力を、少なくとも1個のLEDに対し、ユーザーインタフェイスの動作の主要な範囲にわたって提供すること、
との行為を含む、請求項35に記載の方法。 - 行為B)が、
電力関連信号を整流し、整流した電力関連信号を提供すること;
該整流した電力関連信号をフィルターすること;および
該整流しフィルターした電力関連信号に基づき、本質的に不変の電力を提供すること;
との行為を含む、請求項35に記載の方法。 - 少なくとも1個のLEDが、複数個の異なる色のLEDを含む、請求項35に記載の方法。
- AC調光回路がユーザーインターフェイスにより制御されて電力関連信号を変化させ、ここで行為A)が、
C)少なくとも1個のLEDが生成した光の少なくとも1個のパラメータを、ユーザーインタフェイスの動作に応答して、可変制御すること、
との行為を含む、請求項34に記載の方法。 - ユーザーインタフェイスの動作が電力関連信号のデューティサイクルを変化させ、ここで行為C)が、
D)光の少なくとも1個のパラメータを、電力関連信号の可変デューティサイクルに少なくとも基づき、可変制御すること、
との行為を含む、請求項39に記載の方法。 - 行為D)が、
光の強度、光の色、光の色温度、および光の時間的特性のうちの少なくとも1つを、ユーザーインターフェイスの動作に応答して、可変制御すること、
との行為を含む、請求項39に記載の方法。 - 行為D)が、
E)少なくとも1個のLEDが生成した光の少なくとも2個の異なるパラメータを、ユーザーインターフェイスの動作に応答して、可変制御すること、
との行為を含む、請求項39に記載の方法。 - 行為E)が、
ユーザーインターフェイスの動作に応答して、光の少なくとも強度および色を同時に可変制御すること、
との行為を含む、請求項42に記載の方法。 - 少なくとも1個のLEDが、本質的に白色光を生成するように構成されており、ここで行為E)が、
F)ユーザーインターフェイスの動作に応答して、白色光の少なくとも強度および色温度を同時に可変制御すること、
との行為を含む、請求項42に記載の方法。 - 行為F)が、
G)ユーザーインターフェイスの動作に応答して、本質的に白色光の少なくとも強度および色温度を可変制御することにより、白熱光源の光生成特性を近似すること、
との行為を含む、請求項44に記載の方法。 - 行為G)が、
本質的に白色光の色温度を、最少強度における約2000°Kから最高強度における3200°Kまでの範囲にわたり、可変制御すること、
との行為を含む、請求項45に記載の方法。 - 少なくとも1個のLEDが、複数個の異なる色のLEDを含む、請求項46に記載の方法。
- 行為C)が、
H)変化する電力関連信号をデジタル的にサンプルし、該変化する電力関連信号の少なくとも1つの変化する特性を決定すること、
との行為を含む、請求項39に記載の方法。 - ユーザーインタフェイスの動作が電力関連信号のデューティサイクルを変化させ、ここで行為H)が、
サンプルされた電力関連信号の変化するデューティサイクルに少なくとも基づき、光の少なくとも1個のパラメータを可変制御すること、
との行為を含む、請求項48に記載の方法。 - 少なくとも1個のLEDが、
少なくとも、第1スペクトルを有する第1放射線を出力するよう適合された、少なくとも1個の第1LED;および
第1スペクトルとは異なる第2スペクトルを有する第2放射線を出力するよう適合された、少なくとも1個の第2LED;
を含み、そして、行為C)が、
I)少なくとも第1放射線の第1強度および第2放射線の第2強度を、ユーザーインターフェイスの動作に応答して、独立して制御すること、
との行為を含む、請求項39に記載の方法。 - 行為I)が、
J)パルス幅変調(PWM)技法を実装し、少なくとも第1放射線の第1強度および第2放射線の第2強度を制御すること、
との行為を含む、請求項50に記載の方法。 - 行為J)が、
少なくとも第1PWM信号を生成して第1放射線の第1強度を制御し、第2PWM信号を生成して第2放射線の第2強度を制御すること;および
第1および第2PWM信号それぞれのデューティサイクルを、ユーザーインターフェイスの動作による電力関連信号の変化に少なくとも部分的に基づいて決定すること、
との行為を含む、請求項51に記載の装置。 - 照明装置であって、
本質的に白色光を生成するよう適合された少なくとも1個のLED;および
前記少なくとも1個のLEDに結合され、交流(AC)調光回路からの電力関連信号を受信するよう構成され、該電力関連信号に基づき前記少なくとも1個のLEDに電力を供給する、少なくとも1個のコントローラ;
を含み、ここで、
前記AC調光回路は、ユーザーインターフェイスにより制御されて電力関連信号を変化させ;および
前記少なくとも1個のコントローラは、本質的に白色光の少なくとも1個のパラメータを、ユーザーインターフェイスの動作に応答して可変制御することにより、白熱光源の発光特性を近似するよう構成されている、
前記装置。 - ユーザーインターフェイスの動作が、電力関連信号のデューティサイクルを変化させ、ここで、少なくとも1個のコントローラが、本質的に白色光の少なくとも1個のパラメータを、少なくとも電力関連信号のデューティサイクルの変化に基づき、可変制御するよう構成されている、請求項53に記載の装置。
- 機械的および電気的に従来の白熱光ソケットに適合することにより、装置をAC調光回路に結合するよう構成された、スクリュー式電源コネクタ;および
該スクリュー式電源コネクタに結合し、少なくとも1個のLEDおよび少なくとも1個のコントローラを包含し、構造的に白熱光電球に似せて構成されたハウジング;
をさらに含む、請求項54に記載の装置。 - 少なくとも1個のコントローラが、本質的に白色光の少なくとも強度および色温度を同時に、ユーザーインターフェイスの動作に応答して可変制御するよう構成された、請求項54に記載の装置。
- 少なくとも1個のコントローラが、本質的に白色光の色温度を、最小強度における約2000°Kから最大強度における3200°Kまでの範囲にわたって可変制御するよう構成された、請求項56に記載の装置。
- 少なくとも1個のLEDが、複数個の異なる色のLEDを含む、請求項57に記載の装置。
- 複数個の異なる色のLEDが、
第1スペクトルを有する少なくとも第1放射線を出力するよう適合された、少なくとも1個の第1LED;
第1スペクトルとは異なる第2スペクトルを有する第2放射線を出力するよう適合された、少なくとも1個の第2LED;
を含み、そして、
少なくとも1個のコントローラが、少なくとも第1放射線の第1強度および第2放射線の第2強度を、ユーザーインターフェイスの動作に応答して、独立して制御するよう構成された、
請求項58に記載の装置。 - 少なくとも1個のコントローラが、少なくとも第1放射線の第1強度および第2放射線の第2強度を制御するためにパルス幅変調(PWM)技法を実装するようプログラムされた、少なくとも1個のマイクロプロセッサを含む、請求項59に記載の装置。
- マイクロプロセッサがさらに、
少なくとも第1PWM信号を生成して第1放射線の第1強度を制御し、第2PWM信号を生成して第2放射線の第2強度を制御する;および
第1および第2PWM信号それぞれのデューティサイクルを、ユーザーインターフェイスの動作による電力関連信号の変化に少なくとも部分的に基づいて決定する、
ようにプログラムされた、
請求項60に記載の装置。 - マイクロプロセッサがさらに、電力関連信号の変化を代表する少なくとも1つの信号を監視するようにプログラムされた、請求項61に記載の装置。
- マイクロプロセッサがさらに、電力関連信号の変化を測定するために、電力関連信号を直接サンプルするようにプログラムされた、請求項61に記載の装置。
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