PWM-Dimmen von Leuchtmitteln
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines elektrischen Verbrauchers, vorzugsweise zum Dimmen eines Leuchtmittels, indem dem Verbraucher eine Folge von Impulsen zugeführt wird, deren Impulsweite beispielsweise in diskreten Schritten veränderbar ist. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Einstellung eines Farbortes. ·
In der Beleuchtungstechnik hat sich die Steuerung der Leuchtmittel von einer Zentrale über einen Bus weitgehend durchgesetzt, wobei die Zentrale mit den Betriebsgeräten für die Leuchtmittel mittels digitaler Signale korrespondiert, die in der Regel dem DALI-Standard (DALI = Digital Adressable Lighting Interface) entsprechen. Zur Steuerung der Helligkeit (Dimmen) des von den Leuchtmitteln abzugebenden Lichtes werden von der Zentrale digitale Steuersignale ausgesendet, die empfangsseitig in diskrete analoge Dimmwerte umgewandelt und dann zu einer Impulsfolge verarbeitet werden, deren Impulse dann entsprechend den diskreten analogen Dimmwerten pulsweiten- moduliert sind.
Für die Umwandlung der digitalen Steuersignale zunächst in diskrete analoge Dimmwerte und dann in pulsweiten- modulierte Impulse werden Mikroprozessoren verwendet, die aus Preisgründen in der Regel nur mit einer Rate von 10 bis 12 Bit arbeiten. Dabei kann das Problem auftreten, dass der entsprechend erforderliche Farbwert nicht durch die vorhandene Hardware stabil und ohne Nebenwirkungen wie eine Geräuscherzeugung eingestellt werden kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Dimmen oder Steuern eines elektrischen Verbrauchers zu verbessern. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein stabiles Einstellen eines erforderlichen Farbwerts oder Helligkeitswerts vorzuschlagen, um so Nebenwirkungen wie eine Geräuscherzeugung zu verhindern. Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zum Dimmen mindestens eines Leuchtmittels, wie bspw. LED oder OLED, welches mit einem pulsweitenmodulierten Strom betrieben wird. Das Tastverhältnis und/oder die Amplitude des pulsweitenmodulierten Stroms ist/sind dabei abhängig von einer gewünschten Farbintensität bzw. Helligkeit des Leuchtmittels einstellbar. Zur Einstellung der Farbintensität bzw. Helligkeit des Leuchtmittels wird mindestens ein Impuls des pulsweitenmodulierten Stroms weggelassen bzw. ausgelassen.
Anders ausgedrückt, werden Impulse selektiv zusammengelegt . Der mindestens eine Impuls kann derart weggelassen werden, dass dem Leuchtmittel einen im zeitlichen Mittel konstant gesteuerten oder geregelten Strom zum Erreichen der
gewünschten Farbintensität bzw. Helligkeit bereitstellt wird.
Der mindestens eine Impuls kann derart weggelassen wird, dass die gewünschte Farbintensität bzw. Helligkeit des Leuchtmittels erreicht wird und gleichzeitig das Tastverhältnis oder die Amplitude des pulsweitenmodulierten Stroms größer als ein minimaler Wert bleibt, wobei der minimale Wert für das Tastverhältnis vorzugsweise die Hälfte des maximal möglichen Tastverhältnisses ist.
Vorzugsweise wird ein/eine zum Erreichen der gewünschten Farbintensität bzw. Helligkeit des Leuchtmittels ausgelegtes/ausgelegte Tastverhältnis oder Amplitude ermittelt. Falls das/die ermittelte Tastverhältnis oder Amplitude kleiner ist als ein minimaler Wert, wird die gewünschte Farbintensität bzw. Helligkeit des Leuchtmittels derart erreicht, dass das Tastverhältnis oder die Amplitude zumindest auf den minimalen Wert erhöht wird und mindestens ein Impuls des pulsweitenmodulierten Stroms weggelassen wird.
In einem ersten Dimmbereich kann der pulsweitenmodulierte Strom periodisch Impulse aufweisen. In einem zweiten Dimmbereich kann mindestens ein Impuls des pulsweitenmodulierten Stroms weggelassen werden.
Die Dimmbereiche können durch Dimmvorgabewert bzgl . der gewünschten Farbintensität bzw. Helligkeit des Leuchtmittels definierbar sein. Die Dimmvorgabewerte können im ersten Dimmbereich größer sein als im zweiten Dimmbereich.
Es sind zumindest zwei, vorzugsweise sich in ihrer Farbwiedergabe oder in ihrem Farbspektrum unterscheidenden Leuchtmittelgruppen mittels eines jeweiligen pulsweitenmoduliertes Stroms unabhängig voneinander dimmbar sind.
Vorzugsweise werden Impulse von unterschiedlichen pulsweitenmodulierten Strömen für jeweilige Leuchtmittelgruppen zeitversetzt bzw. nicht gleichzeitig weggelassen.
Wenn ein Impuls eines der unterschiedlichen pulsweitenmodulierten Ströme weggelassen wird, kann gleichzeitig auch ein Impuls der anderen pulsweitenmodulierten Ströme weggelassen werden, wobei vorzugsweise dann das Tastverhältnis aller pulsweitenmodulierten Ströme erhöht wird. Wenn unterschiedliche Leuchtmittelgruppen von unterschiedlichen pulsweitenmodulierten Strömen gesteuert werden, kann es in der Tat vorkommen, dass nicht alle pulsweitenmodulierte Ströme den minimale Tastverhältnis -Wert unterschreiten würden. Trotzdem kann gleichzeitig bei allen pulsweitenmodulierte Strömen , ein Impuls weggelassen werden .
Jeder n-te Impuls kann weggelassen werden. Dafür kann zur Einstellung der Farbintensität bzw. Helligkeit das Tastverhältnis oder die Amplitude des pulsweitenmodulierten Stroms vorzugsweise um den Faktor n/(n-l) erhöht werden.
Das Tastverhältnis oder die Amplitude kann auf einen minimalen Wert erhöht werden. Dafür können zur Einstellung der Farbintensität bzw. Helligkeit entsprechende Impulse des pulsweitenmodulierten Stroms weggelassen werden.
Vorzugsweise wird periodisch mindestens ein Impuls weggelassen. In zwei aufeinanderfolgenden Perioden wird - dieser mindestens eine Impuls zum selben Zeitpunkt oder zu vorzugsweise zufällig oder quasi-zufällig bestimmten unterschiedlichen Zeitpunkten weggelassen.
Der pulsweitenmodulierte Strom kann von einer durch ein entsprechendes pulsweitenmoduliertes Steuersignal gesteuerten Versorgungseinheit derart erzeugt werden, dass das pulsweitenmodulierte Steuersignal die Impulsfolge des pulsweitenmoduliertes Stroms definiert.
Die Frequenz des pulsweitenmodulierten Stroms kann vorzugsweise so hoch gewählt sein, dass durch das Weglassen von Impulsen ein etwaiges Flackern der Helligkeit des von dem Leuchtmittel abgegebenen Lichtes durch die Trägheit des menschlichen Auges nicht mehr wahrgenommen wird. Die Frequenz des pulsweitenmodulierten Stroms kann vorzugsweise höher als 200 Hz gewählt werden.
Der Dimmvorgabewert kann digital vorliegen.
Die optionalen Merkmale des ersten Aspekts der Erfindung sind auch im Zusammenhang mit den weiteren Aspekten der Erfindung vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zur Einstellung eines Farbortes bzw.
einer Farbintensität bei einer Dimmsteuerung eines elektrischen Verbrauchers, vorzugsweise eines
Leuchtmittels, wie bspw. LED oder OLED. Das Leuchtmittel weist zumindest eine, vorzugsweise zwei unabhängig voneinander ansteuerbare, sich in ihrer Farbwiedergabe oder in ihrem Farbspektrum unterscheidende
Leuchtmittelgruppen auf . Zum Erreichen eines
Dimmvorgabewertes für einen einzustellenden Farbort bzw. Farbintensität wird das Leuchtmittel mit PWM-Signalen mit vorzugsweise in diskreten Schritten einstellbarem Tastverhältnis angesteuert. Zur Einstellung des Farbortes bzw. der Farbintensität für zumindest eine Leuchtmittelgruppe können mehrere aufeinanderfolgende PWM- Signale zusammengef sst werden. Somit wird anstelle der Folge von PWM-Signalen nur ein zusammengefasstes PWM- Signal erzeugt, auf welches dann entsprechend ein oder mehrere nachfolgende PWM-Signale weggelassen werden.
Bei den PWM-Signalen kann es sich um den vorher genannten pulsweitenmodulierten Strom oder das vorher genannte pulsweitenmodulierte Steuersignal bzw. um einen Impuls des vorher genannten pulsweitenmodulierten Stroms oder des vorher genannten pulsweitenmodulierten Steuersignals handeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines dimmbaren Leuchtmittels, wie bspw. LED oder OLED, aufweisend die Schritte :
- Erzeugung eines PWM- Signals mit einstellbarem/einstellbarer Tastverhältnis oder Amplitude, - Erzeugung eines pulsmodulierten Stroms zum Betreiben des Leuchtmittels abhängig vom PWM-Signal,
wobei
- ein/eine zum Erreichen einer gewünschten Farbintensität bzw. Helligkeit des Leuchtmittels ausgelegtes/ausgelegte Tastverhältnis oder Amplitude ermittelt wird,
- falls das/die ermittelte Tastverhältnis oder Amplitude kleiner ist als ein minimaler Wert, wird die gewünschte Farbintensität bzw. Helligkeit derart erreicht, dass das Tastverhältnis oder die Amplitude zumindest auf den minimalen Wert erhöht wird und Impulse des PWM-Signals weggelassen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines dimmbaren Leuchtmittels, wie bspw. LED oder OLED, aufweisend die Schritte:
Erzeugung eines PWM-Signals mit einstellbarem Tastverhältnis,
- Erzeugung eines pulsmodulierten Stroms zum Betreiben des Leuchtmittels abhängig vom PWM- Signal,
wobei
- eine zum Erreichen einer gewünschten Farbintensität bzw. Helligkeit des Leuchtmittels ausgelegte Amplitude des pulsmodulierten Stroms ermittelt wird,
falls die ermittelte Amplitude kleiner ist als eine minimale Amplitude, wird die gewünschte Farbintensität bzw. Helligkeit derart erreicht, dass die Amplitude zumindest auf die minimale Amplitude erhöht wird und, dass Impulse des PWM-Signals weggelassen werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen eine integrierte Schaltung insbesondere ASIC, Mikroprozessor oder Hybrid davon, welche Schaltung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen ein dimmbares Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere LEDS oder OLEDs, aufweisend eine derartige Schaltung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Beleuchtungsmodul vorgesehen, aufweisend Leuchtmittel, insbesondere LEDs oder OLEDs, sowie ein derartiges Betriebsgerät.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Dimmsteuerung eines elektrischen Verbrauchers, vorzugsweise eines Leuchtmittels, wie bspw. LED oder OLED, vorgeschlagen. Dieser Aspekt betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Farbortes bei einer Dimmsteuerung eines elektrischen Verbrauchers, vorzugsweise eines Leuchtmittels, wie bspw. LED oder OLED, wobei das Leuchtmittel zumindest zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Leuchtmittelgruppen aufweist, die sich in ihrer Farbwiedergabe oder in ihrem Farbspektrum unterscheiden,
wobei zum Erreichen eines Dimmvorgabewertes für einen einzustellenden Farbort das Leuchtmittel mit PWM-Signalen mit in diskreten Schritten einstellbarem Tastverhältnis angesteuert wird,
wobei zur Einstellung des Farbortes für zumindest eine Leuchtmittelgruppe mehrere aufeinanderfolgende PWM-Signale zusammengefasst werden können und somit anstelle der Folge von PWM-Signalen nur ein zusammengefasstes PWM-Signal erzeugt wird, auf welches dann entsprechend ein oder mehrere nachfolgende PWM-Signale weggelassen werden.
Im Folgenden sind Alternativen für die zuvor genannten Verfahren erwähnt .
Ein zusammengefasstes PWM-Signal kann erzeugt werden, wenn die Pulsbreite eines PWM-Signals kleiner als die Hälfte der maximal möglichen Pulsbreite eines PWM-Signals ist.
Im Falle der gleichzeitigen Erzeugung mehrerer
zusammengefasster PWM-Signale für die verschiedenen
Leuchtmittelgruppen, können die zusammengefassten PWM- Signale zueinander versetzt ausgegeben werden, so dass gleichzeitig zu einem weggelassenen PWM-Signal für eine Leuchtmittelgruppe ein zusammengefasstes PWM-Signal für eine weitere Leuchtmittelgruppe erzeugt wird.
Die Position der zusammengefassten PWM-Signale bzw. der PWM- Impulsen innerhalb der Gruppe kann periodisch oder zufällig bzw. quasi-zufällig verändert werden, bspw. um Resonanzen zu verringern.
Der Dimmvorgabewert kann dabei digital vorliegen. Dieser kann über einen Dimmbereich in eine höhere Anzahl an Schritten aufgelöst sein als die Anzahl der Schritte, die für die Veränderung des Tastverhältnisses bereitgestellt sind.
Die Frequenz der PWM-Impulse bzw. der Pulsfolge kann so hoch gewählt werden, dass ein durch die Erzeugung der zusammengefassten PWM-Signale entstehendes Flackern der Helligkeit des von dem Leuchtmittel abgegebenen Lichtes durch die Trägheit des menschlichen Auges nicht mehr wahrgenommen wird.
Die Frequenz der PWM- Impulse kann bspw. höher als 200 Hz gewählt werden.
Die Erfindung betriff auch eine Integrierte Schaltung insbesondere ASIC, Mikroprozessor oder Hybrid davon, welche Schaltung zur Durchführung eines Verfahrens der oben genannten Art ausgebildet ist.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein dimmbares Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere LEDS oder OLEDs,
aufweisend eine derartige Integrierte Schaltung.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Beleuchtungsmodul, aufweisend Leuchtmittel, insbesondere LEDs oder OLEDs, sowie ein Betriebsgerät.
Schließlich schlägt die Erfindung auch ein Beleuchtungssystem vor, aufweisend wenigstens ein Beleuchtungsmodul, das über eine Signalleitung mit einer Zentraleinheit verbunden ist, die zur Aussendung von Dimmvorgaben ausgelegt ist, insbesondere gemäß dem DALI- Standard.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat auch den Vorteil, dass eine Änderung der Farbe oder des Farbortes relativ langsam und kontinuierlich erfolgen kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 eine grafische Darstellung der Einstellung des Farbortes gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einstellung des Farbortes,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines schematisierten
Blockschaltbildes für eine erfindungsgemäße Betriebsschaltung zum Betreiben von drei LED- Modulen,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Farbtemperatur von 2700 Kelvin,
Figur 5 ein periodisches P M- Steuersignal bzw. PWM- Strom gemäß dem Stand der Technik,
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel für ein PWM-Steuersignal bzw. für einen PWM-Strom gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein PWM- Steuersignal bzw. für einen PWM-Strom gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Figur 8 ein weiteres erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel mit Amplitudendimmen.
Grundlage ist die anhand von Figur 1 dargestellte bekannte Erzeugung einer PWM- Impulsfolge zum Einstellen des Farbortes anhand des von einem Leuchtmittel abgestrahlten Lichtes durch Veränderung von Pulsweite der Impulse der Impulsfolge und . damit von deren Tastverhältnis . Dazu
werden bspw. in einer Zentrale digitale Steuersignale erzeugt (oder anderweitig Steuersignale erzeugt) , aus denen mittels eines empfangsseitig vorgesehenen Mikroprozessors eine Impulsfolge zur Steuerung mit pulsweiten-modulierten Impulsen, die letztendlich zur Einstellung der Helligkeit des von dem Leuchtmittel abgegebenen Lichtes dienen. Die Änderung des Tastverhältnisses der PWM-Impulse erfolgt dabei entsprechend der Auflösung des Mikroprozessors in diskreten Schritten. Die Auflösung, bspw. zwischen 10 und 14 Bit kann dabei geringer sein als die Auflösung des Dimmvorgabewertes, wenn dieser digital oder auch analog ist (quasi unendlich feine Auflösung) . Figur 1 zeigt beispielhaft die Einstellung des Tastverhältnisses der Impulsfolge bzw. der PMW-Einstellung von drei verschiedenen Leuchtmittelgruppen, hier für die Farben Rot, Grün und Blau. Auf diese Weise kann eine beliebige Farbe im RGB Raum eingestellt werden. Je nach einzustellender Farbe oder Farbort wird dabei für jede der Leuchtmittelgruppen die Pulsbreite entsprechend eingestellt .
Bei diesem Verfahren nach dem Stand der Technik kann aber das Problem auftreten, dass zu schmale Pulsbreiten nicht stabil erzeugt werden können oder beispielsweise wahrnehmbare Geräusche erzeugen.
In Figur 2 ist ein Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Impulsfolge mit einer Pulsfolgefrequenz von z.B. 100 Hz (1/T) dargestellt.
Dabei wird ein Verfahren zur Einstellung eines Farbortes bei einer Dimmsteuerung eines elektrischen Verbrauchers,
vorzugsweise eines Leuchtmittels, wie bspw. LED oder OLED, ermöglicht, wobei das Leuchtmittel zumindest zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Leuchtmittelgruppen aufweist, die sich in ihrer Farbwiedergabe oder in ihrem Farbspektrum unterscheiden. Zum Erreichen eines Dimmvorgabewertes für einen einzustellenden Farbort wird das Leuchtmittel mit P M-Signalen mit in diskreten Schritten einstellbarem Tastverhältnis angesteuert. Zur Einstellung des Farbortes können für zumindest eine Leuchtmittelgruppe mehrere aufeinanderfolgende PWM-Signale zusammengefasst werden und somit wird anstelle der Folge von PWM-Signalen nur ein zusammengefasstes PWM-Signal erzeugt, auf welches dann entsprechend ein oder mehrere nachfolgende PWM-Signale weggelassen werden.
Die einzelnen Leuchtmittelgruppen können dabei von jeweils einer Treiberschaltung angesteuert werden, wobei vorzugsweise eine gemeinsame Steuerschaltung die Ansteuerung der einzelnen Leuchtmittelgruppen beeinflussen oder auch regeln kann.
Ein zusammengef sstes PWM-Signal wird vorzugsweise dann erzeugt, wenn die Pulsbreite eines PWM-Signals kleiner als ein vorgegebener Minimalanteil der möglichen Pulsbreite eines PWM-Signals, beispielsweise die Hälfte der maximal möglichen Pulsbreite eines PWM-Signals, ist.
Im Falle · der gleichzeitigen Erzeugung mehrerer zusammengefasster PWM-Signale für die verschiedenen Leuchtmittelgruppen können die zusammengefassten PWM- Signale zueinander versetzt ausgegeben werden, so dass gleichzeitig zu einem weggelassenen PWM-Signal für eine
Leuchtmittelgruppe ein zusammengefasstes PWM-Signal für eine weitere Leuchtmittelgruppe erzeugt wird.
Die Position der zusammengefassten PWM-Signale kann innerhalb der Gruppe periodisch oder zufällig verändert werden .
Der Dimmvorgabewert kann digital vorliegen. Die Pulsfolge-Frequenz kann so hoch gewählt werden, dass ein durch die Erzeugung der zusammengefassten PWM-Signale entstehendes Flackern der Helligkeit des von dem Leuchtmittel abgegebenen Lichtes durch die Trägheit des menschlichen Auges nicht mehr wahrgenommen wird.
Die Frequenz der PWM- Impulse kann auch höher als 200 Hz gewählt werden.
Auf diese Weise kann die existierende Hardware zur Ansteuerung von Leuchtmitteln für eine Farbmischung optimal ausgenutzt werden und bestehende Einschränkungen können somit überwunden werden.
Die Variation der Pulsweite muss im übrigen nicht immer in Richtung zu größeren Werten erfolgen, sondern kann ebenso in die andere Richtung erfolgen.
Auf diese Weise kann ein großer Farbbereich über einen weiten Helligkeitsbereich abgedeckt und sicher erzeugt werden. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines schematisierten Blockschaltbildes für ein erfindungsgemäßes Betriebsgerät 1 zum Betreiben von LEDs 6 bzw. von LED-Modulen 14, 15, 16.
Das Betriebsgerät 1 ist Teil eines Beleuchtungssystems 10 und umfasst eine Steuereinheit 2, eine erste Treiberschaltung 3, eine zweite Treiberschaltung 4, eine dritte Treiberschaltung 5 , und eine Gleichstromquelle 7. Das Betriebsgerät 1 verfügt über zwei Eingänge, nämlich einen ersten Eingang 8 für die Stromversorgung über die Stromversorgungsleitung 9 und einen zweiten Eingang 11 zum Empfang von Daten.
Die Gleichstromquelle 7 wird über den ersten Eingang 8 vom Wechselstromnetz mit Wechselspannung versorgt. An ihrem Ausgang stellt die Gleichstromquelle 7 einen konstanten Gleichstrom 10 zur Verfügung. Die Gleichstromquelle 7 kann vorzugsweise einen Gleichrichter zum Gleichrichten der Netzspannung, einen Spannungswandler zum Herabsetzen der gleichgerichteten Netzspannung, und einen Konverter zum Generieren des Gleichstroms 10 umfassen. Die Gleichstromquelle 7 kann von der Steuereinheit 2 derart angesteuert werden, dass der von der Gleichstromquelle 7 generierte Gleichstrom 10 z.B. abhängig von Dimmvorgabewerten einstellbar ist.
Die über den Eingang 11 empfangenen Daten sind z.B. Dimmvorgabewerte, d.h. Steuerungssignale zur Steuerung der Helligkeit der angeschlossenen LEDs 6. Diese Daten werden vorzugsweise über einen Bus 12 z.B. von einer Zentraleinheit 13 aus gesendet. Ein Beispiel für einen derartigen Bus 12 ist ein DALI (Digital Addressable Light ng Interface) -Bus zur Ausführung des DALI Protokolls zur Steuerung lichttechnischer Betriebsgeräte. Die Daten können somit in
digitaler Form über den Bus 12 übermittelt werden. Die Steuereinheit 2 des Betriebsgeräts 1 ist am Bus 12 angeschlossen, so dass die Helligkeit der LEDs 6 bzw. der LED-Module 14, 15, 16 bspw. zentral von der Zentraleinheit 13 steuerbar ist.
Die Steuereinheit 2 des Betriebsgeräts 1 verwertet die über den zweiten Eingang 11 empfangenen Daten bzw. Dimmvorgabewerte und steuert entsprechend die LEDs 6 bzw. die LED-Module 14, 15, 16. Die Versorgung der LED-Module 14, 15, 16 erfolgt über eine jeweilige Treiberschaltung, in dem eine erste Treiberschaltung 3 den ersten LED-Modul
14, eine zweite Treiberschaltung 4 den zweiten LED-Modul
15, und eine dritte Treiberschaltung 5 den dritten LED- Modul 16 mit Strom versorgt.
Das Betriebsgerät 1 kann somit mehrere LED-Module unabhängig voneinander ansteuern. Dabei kann es sich bei einem oder mehreren der LED-Module beispielsweise um ein LED-Array mit blauen LEDs handeln, die mithilfe eines Farbkonversionsmittels weißes Licht ausstrahlen. Möglich ist auch, dass jeder LED-Modul eine unterschiedliche LED- Farbe ansteuert. Es ist auch z.B. denkbar, dass ein Modul rote LEDs, ein Modul grüne LEDs und ein Modul blaue LEDs ansteuert, um so jeden gewünschten Punkt im RGB-Farbraum zu erzielen.
Es können alternativ auch einen, zwei oder mehr als drei LED-Module angesteuert werden. Dabei können auch mehrere LED-Module von einer gemeinsamen Treiberschaltung versorgt werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf LED-Module 14, 15, 16, die weißes Licht emittieren, wobei die Charakteristik, d.h. insbesondere die Farbtemperatur innerhalb der Planckschen Weißlichtkurve veränderbar ist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin insbesondere auf die Verwendung von LED-Modulen, die eine blau emittierende LED, eine rot emittierende LED sowie eine farbstoffkonvertierte' LED (blaue LED mit Farbstoff im gelb/grünen Bereich) aufweisen.
Die Erfindung ist nicht auf derartige Kombinationen von farbigen LEDs beschränkt, vielmehr kann auch die Erfindung ein LED-Modul mit wenigstens zwei LEDs betreffen, die farblich unterschiedliche Emissionsspektren aufweisen. Die beiden Emissionsspektren sind vorzugsweise so kombinierbar, dass wenigstens zwei unterschiedliche Farbkoordinaten im Bereich der Planckschen Weißlichtkurve einstellbar sind. Die Treiberschaltung 3, 4, 5 ist eine an sich bekannte Schaltung, die ausgehend von dem konstanten Gleichstrom 10 einen pulsweitenmodulierten Strom i3, i4, i5 generiert. In der Regel umfasst die Treiberschaltung 3, 4, 5 mindestens einen Schalter (nicht gezeigt) , der von einem Steuersignal PWM3, PWM4, PWM5 derart ansteuerbar ist, dass am Ausgang ein gewünschter pulsweitenmodulierten Strom i3 , i4 , i5 die LEDs betreibt. Das Steuersignal ist vorzugsweise ein vom der Steuereinheit 2 erzeugtes pulsweitenmoduliertes (PWM) Steuersignal. Die Helligkeit der LEDs 6 kann in bekannter Art und Weise über die Amplitude des Stroms i3, i4, i5 und / oder über das Tastverhältnis des Steuersignals PWM3 , PWM4, PW 5 gesteuert bzw. geregelt werden.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 mit drei LED-Modulen, die jeweils unterschiedliche LED-Farben ansteuern, können Situationen entstehen, dass auch bei einem 100% (Nominaloder Sollwert) -Dimmbetrieb wenigstens einer der genannten LED-Modulen stark gedimmt betrieben werden muss, um den gewünschten Farbpunkt auf der Planckschen Weißlichtkurve zu erreichen. Beispielsweise, wenn sehr „warm" beispielsweise mit einer Farbtemperatur von 2700 Kelvin - erscheinendes Weißlicht erzeugt werden soll, werden die blau emittierenden LEDs in dem LED-Modul sehr stark gedimmt betrieben werden müssen, wie gesagt auch bei einem Dimmwert von 100 % des Gesamt-Lichtoutputs .
Somit können Probleme auftreten, wenn diese bereits stark gedimmte beispielsweise blaue LED zur Erzielung eines stark gedimmten Gesamtlichtoutputs - beispielsweise 1% - extrem stark herabgedimmt werden muss, was zu Instabilitäten führen kann. Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Verlauf der Steuersignale PWM3 , PWM4 , PWM5, so dass vom Beleuchtungssystem 10 eine Farbtemperatur von 2700 Kelvin erzielt werden kann. Die Steuersignale PWM3 , PWM4 , PWM5 steuern Treiberschaltungen 3, 4, 5 zum jeweiligen Versorgen eines LED-Moduls 14 mit rot emittierenden LEDs, eines LED-Moduls 15 mit farbstoffkonvertierten LEDs wie z.B. blauen LEDs mit Farbstoff im gelb/grünen Bereich, und eines LED-Moduls 16 mit blau emittierenden LEDs. Um beispielsweise die Gesam färbtemperatur von 2700 Kelvin zu erreichen, sollte z.B. das Steuersignal PWM3 für die rote LEDs ein Tastverhältnis von T3/T0=60%. Das Tastverhältnis für die phosphorkonvertierten blauen LEDs
liegt bei T4/T0=80%. Weiterhin soll das Tastverhältnis des Steuersignals PWM5 zur Steuerung der blauen LEDs bei dem vergleichsweise niedrigen Wert von T5/T0=20% liegen. Beim Dimmen werden diese Werte entsprechend heruntergestuft. Für eine Dimmwertvorgabe von 10% verringert sich das Tastverhältnis auf T5/T0=2%. Wird weiter auf 1% heruntergedimmt , erzeugt die Steuereinheit 2 ein Steuersignal PWM5 mit einem Tastverhältnis von T5/T0=0,2%. Im letzteren Fall gelten für die zwei anderen Steuersignale gelten proportional höhere Tastverhältnisse von T3/T0=0,6% und T4/T0=0,8%.
Erfindungsgemäß wird erkannt, dass z.B. derartig niedrige Tastverhältnisse abhängig von der verwendeten Hardware möglicherweise nicht stabil gehalten werden können. Durch reines PWM-Dimmen besteht nach unten eine Grenze hinsichtlich der möglichen Dimmbarkeit, wobei diese Grenze von der Hardware abhängig ist.
Erfindungsgemäß wird jeder LED-Modul 14, 15, 16 entsprechend dem anstehenden AnSteuerbefehl bzw. der anstehenden Dimmvorgabe bis auf das durch die PWM-Hardware mögliche Limit hinsichtlich des Tastverhältnisses gedimmt. Wenn nunmehr weiter der Gesamtlichtoutput gedimmt werden soll, wird nicht das Tastverhältnis für den betreffenden LED-Modul weiter verringert. Vielmehr werden Einschalt- Impulse komplett ausgelassen, und dafür das Tastverhältnis in den verbleibenden Impulsen erhöht .
In Figur 5 ist ein bekanntes periodisches PWM-Steuersignal 50 gezeigt, bei dem die Dimmvorgabewerte zu einem
Unterschreiten eines vorgegebenen minimalen Werts TL für das Tastverhältnis führen soll.
Dieser Wert TL wird vorzugsweise dadurch definiert, dass oberhalb dieses Werts das Tastverhältnis stabil gehalten werden kann.
Es wird vorzugsweise zunächst das entsprechend den Dimmvorgabewerten erforderliche Tastverhältnis T5soll eines periodischen Steuersignals, das in jeder Periode TO einen Impuls aufweist, berechnet. Dieses theoretische PWM- Signal ist in Figur 5 gestrichelt dargestellt.
Erf ndungsgemäß wird nun erkannt, dass bei einem periodischen PWM-Signal PWM5 bzw. bei einem periodischen PWM-Strom i5 der minimale Tastverhältnis -Wert TL unterschritten wird. Die Steuereinheit 2 ist dann dazu ausgelegt, das Tastverhältnis zumindest auf den Wert TL zu erhöhen, dafür aber einzelne Impulse auszulassen, so dass in der zeitlichen Mittelung insgesamt die selbe Helligkeit erreicht wird, wie beim in Figur 5 dargestellten periodischen Steuersignal PWM5 mit Tastverhältnis T5soll.
In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Steuersignal 60 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem der Impuls in der ersten Periode [0, TO] verbreitert worden ist . Das Tastverhältnis wird auf einen Wert höher als der minimale Wert TL z.B. verdreifacht. Die Impulse in den zwei folgenden Perioden [TO, 2T0] und [2T0, 3T0] werden dagegen nicht erzeugt und komplett ausgelassen. Über die Zeitdauer TW ergibt sich gegenüber dem in Fig. 5 gezeigten bekannten Steuersignal 50 dieselbe Helligkeit des LED-Moduls.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird jeder n-te Einschaltimpuls für den betreffenden LED-Modul komplett ausgelassen, und dafür das Tastverhältnis für diesen LED- Modul in den verbleibenden Impulsen mit n/(n-l) multipliziert. Entscheidend ist, dass der neue Wert für das Tastverhältnis höher als der minimale Wert TL liegt.
In Figur 7 ist eine besondere Ausführungsform gezeigt, bei der n=3. Jeder dritte Einschaltimpuls des erfindungsgemäßen Steuersignals 71 wird komplett ausgelassen. Um für das LED-Modul dieselbe Helligkeit zu erzielen, wird das Tastverhältnis gegenüber des rein periodischen Steuersignals 70 der übrig gebliebenen Impulse wird mit n/(n-l)=3/2 multipliziert, so dass der vorgegebene minimale Wert TL überschritten werden kann.
Vorzugsweise wird nicht immer nur der dritte Impuls in einer Periode TW ausgelassen. Um z.B. irgendwelche Resonanzprobleme zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, in aufeinanderfolgenden Perioden TW unterschiedliche Impulse wegzulassen. Das in Figur 7 gezeigte Steuersignal 72 ist so aufgebaut. In einer ersten Periode TW1 wird der dritte Impuls zwischen 2T0 und 3T0 ausgelassen, in der folgenden Periode TW2 ist es dagegen der zweite Impuls zwischen 4T0 und 5T0.
Das Auslassen von Impulsen kann gemäß der Erfindung entweder nur für das jeweils an der PWM-Grenze TL stehende PWM- Signal durchgeführt werden. Das menschliche Auge wird die sich ergebenden Farbveränderungen bzw.
FarbortSchwankungen zeitlich nicht auflösen können.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass bei Erreichen des PWM-Limits TL durch ein PWM-Signal sämtliche PWM- Signale in diesen neuen Modus umschalten, so dass also insgesamt Impulse des PWM-Betriebs ausgelassen werden.
Bevorzugt ist es also so, dass die Frequenz auch bei ausgelassenen Impulsen für alle oder nur einen ausgewählten Farbkanal immer noch über der zeitlichen Auflösung des menschlichen Auges, d.h. beispielsweise über 60 bis 65 Hz, vorzugsweise über 80 Hz, vorzugsweise über 100 Hz liegt.
Selbstverständlich lässt sich dieses Dimmverfahren beliebig kombinieren mit anderen Dimmverfahren, insbesondere mit einer kontinuierlichen oder stufenweisen Veränderung der Stromamplitude durch die jeweilige Treiberschaltung 3, 4, 5. Somit kann z.B. in dem oberen Dimmbereich sowohl eine Amplitudenmodulation wie auch ein PWM durchgeführt werden. Beim Erreichen der unteren Grenze für Strom und/oder Tastverhältnis kann auf das erfindungsgemäße selektive Weglassen von Impulsen umgeschaltet werden.
Die Erfindung lässt sich auch beispielsweise auf ein reines Amplitudendimmen z.B. im oberen Dimmbereich anwenden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist z.B. in Figur 8 gezeigt. Das Amplitudendimmen kann stabil bis zu einem unteren vorgegebenen Wert AL durchgeführt werden.
Nach Erhalt von Dimmvorgabewerten wird die Amplitude A0 für den passenden Strom 80 für das LED-Modul berechnet.
Wenn beim Herunterdimmen die untere Grenze AL für die mögliche Reduzierung des Stroms für einen LED-Modul
erreicht ist, kann auf das oben angeführte selektive Weglassen von Impulsen bzw. Zusammenlegen von Impulsen umgeschaltet werden. Im Stromsignal 82 für den LED-Modul wird z.B. den Impuls zwischen 2T0 und 3T0 weggelassen, so dass die sich ergebende Helligkeit des LED-Moduls entsprechend den Dimmvorgaben reduziert werden kann, gleichzeitig aber die minimale Amplitude AL nicht unterschritten wird. Gemäß der Erfindung gibt es also Schwankungen des Farborts, indessen bleibt der Farbort im zeitlichen Mittel Mittelung hinsichtlich des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges, d.h. bei einer Frequenz von beispielsweise 100 Hertz - konstant.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum Dimmen eines einzelnen LED-Moduls bzw. zum Generieren eines einzelnen pulsmodulierten Stroms dienen. Die Erfindung trägt dann dazu bei, dass vorzugsweise bei niedrigen Dimmwerten die Helligkeit des LED-Moduls stabil gehalten werden kann.
Vorteilhaft bei der Erfindung ist es, dass die sich ergebende Farbintensität eines einzelnen LED-Moduls oder des gesamten Beleuchtungssystems 10 stabil gehalten wird.
Liste der Referenzzeichen
1 Betriebsgerät
2 Steuereinheit
3, 4, 5 Treiberschaltung
6 LED
7 Gleichstromquelle
8 erster Eingang für Stromversorgung
9 Stromversorgungsleitung
10 Beleuchtungssystem
11 zweiter Eingang für Datenempfang
12 . Bus
13 Zentraleinheit
14, 15, 16 LED-Modul