可寻址的led灯串的制作方法

专利名称：可寻址的led灯串的制作方法
技术领域：
本申请享有于2008年5月9日提出的美国临时专利申请61/127,047的优先权， 此篇包含了临时专利申请公开的所有内容。
背景技术：
电子圣诞灯起源于创造一种圣诞树上真实蜡烛的更加安全的替代物，电子圣诞灯 已经被生产和销售了近一百年。起初，只有小功率线压(120伏交流)灯泡并联接线一种形 式。到了 19世纪70年代，出现了所谓的迷你灯，小功率、低电压的灯泡串联接线。与线压灯 泡相比，迷你灯产生的热量少、更加小巧，而且便宜。多年来，迷你灯已经变得非常廉价了， 几乎只需要花费铜、塑料和玻璃这些普通商品的成本，因此迷你灯的产量和销量都激增。事 实上，迷你灯串已经变成基本上可消费的了。为了改变商品使其增值，制造商给迷你灯串增加了各种效果，比如闪烁和定序。利 用对温度敏感的双金属触点原理制作的热振荡器，能带来闪烁的效果，而后，引起单个灯泡 间歇地闪烁。随着集成电路的降价，尤其是单芯片微型控制器的降价，各种各样的闪烁、变 暗、追逐和定序的设备开始变得实用和普遍。通常，他们是非常有助于用在迷你灯上的。发光二极管(LED)的出现似乎使得圣诞灯的发展有了指望。一开始，LED的相对 永久性、极长的寿命和低功耗这些特性极具吸引力。直到近年，由于LED的亮度不够、颜色 单调(只有红色和绿色)和相当高的成本，使得LED很少在假日灯上使用。新近，技术发展使得LED进入全盛时期，而且市场趋势协作起来突出了 LED的优 势。现在，LED可实现多种不同的颜色，具有更高的亮度和更能承担得起的价钱。在更高能 源成本的情况下通常伴随着消费者和零售商对环境问题的敏感度的加强，LED的能效和避 免用完即丢弃这两方面使得其在假日灯的应用上更加普遍和更具有吸引力。事实上，LED的独特的性能引导了开发新产品的可能。LED本身是二极管，也就意 味着他们只能在一个方向导电。这造成了新电路的机遇和潜在的设计效率。LED也是极高 效的，它消耗非常少的电流，并且产生很少的热量。这使得LED能被各种电路驱动，有可能 直接被集成电路的输出端驱动。相对于白炽灯，LED的半导体特性意味着其开启关闭的速度 远远快于灯泡。这使得通过多路技术来控制LED灯的亮度和色彩成为可能。最后，LED几 乎永不会耗尽。因此，使用LED制作的产品能支持一些复杂环境的电路，而且，在产品上增 加成本之后也不会被浪费，除非一次使用之后产品被抛弃。追逐装置和照明定序器能设定假日灯组的闪烁、摆动和亮度。在过去20年里，这 些效果是基于逻辑电路和微处理器来制造出多样的发光效果。在假日灯串中，通常需要许 多的灯串，一般每一个灯串里含有单一颜色的灯泡，所有灯串交织在一起，以便被依序定时 地通电，从而灯串产生令人愉快的效果，包括感觉到运转的灯光形成一个混合标准的色彩。 使用三根50颗一串的灯串制成一个150颗灯的追逐装置。使用微处理器可设计出复杂的 追逐和逐渐消失的效果，甚至只用三个电路即可实现。这种追逐装置通常需要至少四根线每一个串联灯串用一根，另外一根是“公用”线。这种线路布置可通过三个电路分别控制三个串联灯串，这样方式很好，但是会在合理的 效果范围内有一定的局限性。例如，看起来十分简单的一个效果——单个通电的灯从灯串 一端顺序地移动到另一端，用一个电路是不能实现的。要达到这种控制水平将需要针对每 一个灯泡分别设置一根专用线，再加一根返回线，总共151根线。没有创造性地飞跃，这种 程度地控制迄今为止一直是不实用、非常昂贵和难以实行。然而，这也说明了装饰的创造性 是很重要的。

发明内容
本发明的一个目的是为了实现，在一个假日灯串或者相关应用上，能经济实用地 分别控制每一个灯泡的发光时间和亮度。通过利用LED的各种优势可实现这个目的，在第 一实施例中，利用了独特的电路和一般能买到的元件。实际上，本发明的特征也可以应用在 迷你灯串上。本发明的目的是为了在减少一个灯串所用线的数目的同时仍能获得期望的照明 效果。在一个追逐灯装置中使用3根或者4根线是很典型的。因为使用的成本、难看和使 用笨重的原因，沿着灯串长度的多于四根线的设计变得有点难实行。一根粗电线很重而不 容易悬挂，尤其是挂在一根树上。因此，沿灯串长度分布的电线越少越好。以上所述的灯串要有一个供电电源。LED是非常有效的设备，它能在达到与迷你 灯同样亮度的情况下只需要迷你灯10%的功率。而且LED能在低电压下工作，根据颜色不 同，可在2伏电压左右的范围内调整。一个并联接线方案工作时需要一根总线将一个低直 流电压沿着灯串分配给IC和LED，以驱动IC和LED。然而，由于电流要求和电线阻抗的因 素，这不是最佳实施方式。典型的LED灯串为串联的灯串。考虑到整个灯串上的压降的总和，所以LED灯串 要求灯串上具有较高的电压。由于传统灯串上的可用电压总量的限制，将使得灯串的大小 也有限制。然而，单个的LED只需要很小的压降，大约介于1.5到3. 5伏之间。LED可能需 要一个低电压，但是，为了引进LED的数字控制，将会有必要供给一个低压源来起动逻辑元 件，因为逻辑集成电路(IC)也需要同样的低电压来起动。在并联情况下，180颗LED的灯 串的总电流为20毫安，它供电电源的电流要求是3. 6安培。通常这种供电电源自身就会花 费几美元，接近装饰灯中一个串的过高的商业地成本。而且，即使是较粗的电线在每一段长 度上都会产生大量的电阻。例如，22号铜线的电阻率是每50英尺0. 8欧姆，沈号铜线的电 阻率是每50英尺2. 4欧姆。这意味着在，根据亮的灯的个数不同，2安培的电流穿过50英 尺、1. 6欧姆的灯串的平均压降将会与32伏有偏差。这个电压总量的改变引起重大的技术 难题。IC性能和LED亮度将是不可预测的。公开的可寻址的照明系统需要有电源和信号。对于一个并联的直流系统，一个基 本的布置通常包含两根电源线，即一根正线和一根地线，和两根数据线，即数字线和时钟 线。有多种方式可将数据信号和时钟信号联合为一种单信号，如所谓的自动计时布置，这将 有望于将电线减少到三根。事实上，这种信号甚至能被叠加到电源线上，如在输电线运输系 统中，从而全部电线有望于减少到两根。这将需要一个系统能够解调合并的信号，并且能够 解码时钟和数字信息。
本系统是一个具有多个大致相同的远程逻辑模块的模块化系统，通过一个互连数 量最少的接线方案，实现每一个远程逻辑模块都能控制多个LED。优选地，本发明的采用移 位寄存器的实施例中，在模块之间只有三根线，即，电源线、高压返回线和数据线。在一个更 加优选的实施例中，使用一个微处理器，仅需要两根线，其中的电源线实现三种功能，既提 供电源，还能提供数据和时钟信息。使用廉价的模块来驱动多个LED有至少两个主要的优点，它能节省数字电子器件 上的几个灯的花费，另外，它能将多个灯集成一个电流节点，有效匹配LED和IC驱动器所需 电压和电流。可以省略中央直流电源，以便于系统能直接工作在一个交流电源(电流)线 路上。系统可通过不同的方式进行变通和扩充。在一个实施例中，通过使每一个灯泡一直开着或者从灯串中出来的局部的LED — 直开着，灰度从零开始被很好地调节。这通常意味着，逻辑电路和存储器中的至少一个以IC 的形式分布在灯串上。一种实现方式是通过集成电路，既不是现成的也不是定制的，是那种 可完成三种功能的寻址(设定一种属于它自己的一种独特的状态)、本地存储(保持当前 状态)和电流驱动(用来控制灯泡和LED的功率)。在一个实施例中，IC是一个常用标准 部件，就像一个移位寄存器或者一个可编程的微控制器一样，既廉价又很普遍。另外，在产 生不带有显著颤动和不连续跳跃亮度这种令人愉快的效果时，系统运转的足够快而且很顺 畅。


图1是依照本发明的一种笔直灯串的示意图；图2是依照本发明的一种冰柱灯串 的示意图；图3是依照本发明的一种灯串的示意图；图4a4c是依照本发明的灯串的接线 图；图5是依照本发明一个实施例的用于灯串上的控制模块的电路图；图6是依照本发明 一个实施例的用于灯串上的灯模块的电路图；图7是依照本发明一个实施例的用于灯串上 的最后一个灯模块的电路图；图8是依照本发明一个实施例的用于灯串上的控制模块的电 路图；以及图9是依照本发明一个实施例的用于灯串上的灯模块的电路图。
具体实施例方式图8中是根据本发明当前最佳实施例的一种控制模块。如图所示，有一个桥式整 流器810和一个由晶体管A92，A42和A06形成的削波电路812。在这个最佳实施例中，上 述晶体管是双极性晶体管(BJTs)。削波电路812的输出一个锯齿波，锯齿波被应用到电容 器814中。一个微处理器控制电路802转变电压以提供下面将会论述到的时钟信号，然后， 驱动构成装饰性显示装置的灯。时钟信号和驱动信号都通过一根输出线822输出。控制电路802也包括与一个第一齐纳二极管818并联的一个微处理器816，还包括 如图所示布置的一个第二齐纳二极管820。齐纳二极管818、820的布置使得控制电路802 通过一根输出线822提供合适的电压给模块0-n中的每一个。控制电路802的输出线822连接于模块0-n的一个堆栈(stack)816中，用来驱动 模块，从而能驱动单个的灯(如下面论述的)。堆栈816末端的最高电压点与返回线808之 间连接有一个电阻器804。返回线808经过堆栈816为模块0_n提供一个参照电压，如此模 块0-n可确定信号是否被加载到其上。
返回线808连接到保险丝806的一端，保险丝806的另一端应用到电容器814的 高电压端上。电容器814置于保险丝806和削波电路812之间，用来提供一种存储驱动灯 循环亮起所用电能的手段。图9是本发明第二实施例的灯模块的结构示意图。如图所示，一个微处理器驱动 LED。返回线用于数字传输。一个优选的实施例，微处理器采用Elan售出的ESH系列微处 理器。通常，每一个模块建造在一块印刷电路板或者类似物上。在另一个实施例中，一个或 多个LED被固定在设有一个微处理器的印刷电路板上。在一个实施例中，所有的LED通过 电线与微处理器连接。使用的电线使得LED可以远离微处理器设置。对于每一个特定的模 块上的微处理器是可编程的，例如利用印刷电路板上的焊盘来实现的硬接线ID、跳线或者 板载存储器。每一块印刷电路板都能是相同的，而且提供ID的跳线既可以是被焊合的也可 以是裁剪线。或者，在制造时，4个ID位能通过16种组合的任一种方式进行连接。在一个 实施例中，所有的模块都具有相同的ID，而且每一个模块通过与邻近模块的通信而确定自 己在灯串上的位置，进而得到自己的地址。在一个实施例中，图8中所示的控制模块将数据提供给每一个模块以至于每一个 模块都能运行一个特定的程序。需要注意的是根据运行的程序，灯串上的模块(如，第一模 块，第二模块，等等)的位置会影响程序。每一个LED可以是两个单独的二极管也可以是一个LED 二极管对。另外，只要满 足了微处理器低电压要求，根据所选择应用的特定灯所需电压的不同情况，红光LED上使 用3. 3伏额定电压的齐纳二极管的堆栈，而白光LED上使用5. 1伏额定电压的齐纳二极管 的堆栈。在微处理器实施例中，亮度通过众所周知的占空比控制。在一个优选的实施例中，在灯串的主控制盒或者其他位置设有输出口，此输出口 会使得附加的传统LED灯串与模块化灯组具有同步性。采用这种方式，“显示效果”的物理 尺寸被放大了。缺少单个灯控制特性的灯串，比如移位寄存器或则微处理器，这些串花费较 少，但是他们能被设计成与这种模块化的灯组合共同作用，而且特征颜色根据所示布置的 建设成为主要的串，这些主要的串能被配置以预留附加灯组的连接端口。在一个实施例中， 这些附加灯组能包含一个微处理器，这种微处理器能像传统的迷你灯追逐装置那样控制产 生追逐效果，不过，与主灯组在逻辑上保持同步。图1中描述了本发明的第二实施例，并且对电子器具的直串做了说明，例如本发 明实施例中的灯串100。如图所示，灯串100包括一个交流的插座101，一个控制器122，多 个模块120，和多个电阻器112。控制器122有用于附加灯串的多个端口 102。装置100能 如同扬声器一样具有一个音频输出设备，和/或一个用来驱动机械式显示装置的马达，这 种技术中的一个普通技能是令人赞赏的。在技术中一个普通的技能可以选择一个特殊类型 的设备，这种设备可以按照单纯的设计要求来适合任何希望得到的应用。不过，为便于论 述，将会假定所有的装置100都是具有视觉输出的灯。每一个模块120接有三线的输入线104。该输入线104中的三根线分别用做电源 线、返回线和数据线。灯串上的所有模块120彼此之间都设有一个电阻器112，这个电阻器 设在三线的输入线104之中的一根线上。实施时，电阻器112优选设在数据线上。每一个模块120包含一个控制模块106和多个LED 108。在一个优选的实施例中，每一个模块设有5个或者6个LED。另外，每一根灯串100上含有35个模块。因此，每一根 灯串上最好有175或者210个LED。在一个实施例中，为了能使每一个模块有6个LED，LED 110采用两个单体的LED。此外，每一个LED 108可以采用一个复合色彩的LED或者两个反 向设置的LED。在每一个模块中，线116是一根单线，而线114包含两根线。因此，每一根灯 串上有五根线连接到最近的LED，其中只有三根线用于模块之间的连接。图2是本发明一个实施例中的冰柱灯串的接线图。冰柱灯是灯的一种常见的物理 布局，用在采用多个下垂的冰柱分隔水平灯串的地方。如图所示，一个控制器222通过一个 插座101连接到一个交流电源。优选的，控制器222具有用于与冰柱灯串连接的多个端口 202。一个第一四线线路204从控制器接出，第一四线线路204上设有一个第一灯组206，第 一灯组206上设有三个可调光的LED2M。一个第一模块208具有一个冰柱灯串210。在一 个实施例中，冰柱灯串210中有6个LED。从第一个LED到最后一个LED，这之间的从模块 接出的线的数量慢慢减少。具体地，线路212中包含有五根线，线路216中包含有四根线， 线路220只有三根线，而线路203只有两根线。一个优选的实施例中有35个模块，那么就 有210个可单独控制的LED。实施例中，每个模块中的所有的灯组206可被同时控制。图3是灯串300的示意图。如图3所示，一个控制器302通过一个插座101与交 流电源连接。控制器302具有多个插口 304。每一个插口 304为典型的可用于三个附加串 的两线端口。另外，插口 304也可以是像端口 306那样的多线端口。在一个优选的实施例 中，控制器302不包括一个变压器。端口 306是一个3线或者4线的端口。3线或4线的电线将多个模块310连接到 控制器302上。在一个优选的实施例中，设有35个模块。每一个模块连接一个或两个相同 的六灯一组的灯串312。每一个六灯灯串都相同。第一线路314含有五根线，线路316含有 四根线，线路316含有两根线，线路320含有两根线。图4A-4C描绘了灯串的接线图。如图4A所示，一个两线的灯串终止于一个插头 401。灯串400有多个灯模块，在图4B和4C中详细示出。模块402彼此之间的连线大约有 3英尺长。将模块402连接的每一段线路都是两线的线路。需要注意的是，在一个可替换的 实施例中，每一个模块402可在404处分开以将灯串延长。图4B是模块402的第一实施例，所述模块402具有一个包含两个LED410的模块 406。LED412、414与模块406间隔开。当上述LED与模块406间隔开时，需要额外的电线连 接在LED与模块406之间。距离模块越远的LED，其与模块之间的电线越少。有一根大体上 穿过整个灯串长度的接地线，在LED414和模块406之间有三根线，在LED412和模块406之 间有四根线。每六个LED成为一组，每组之间有两根线。图4C示出了一个除了模块420内不含LED之外其余都相同的实施例。如图所示， 每一个LED单独连线。因此，如图4C所示实施例中，每个连线部分中均具有额外的电线。以上所述的每一个模块采用串联接线方式。因而，他们上的电压是相叠加的。每 一个模块工作电压大约是5伏直流电。这5伏为每个模块的输入端与输出端之间的压差。 每个模块工作时的系统电势都是比它前一个模块要高5伏。在美国，交流线路上的可用电 压峰值约为170伏。考虑到留出合理的余量，在一个单回路中能安置大约30个模块。每一 个模块大约有6到8个单个的LED，或者，3个或4个双向复合色彩的LED。由于模块串联定 位，总电流足够小，所以可以忽略导线电阻损耗的功率。优选地，根据目前公开的内容，灯串可布置180 240个单个的灯或者LED，也可以是90 120个双向灯或者LED。灯串至少可通过两种方式来延长。首先，在逻辑操作上添加一个与原始灯串并联 连接的附加灯串，将相同的数据流输入到该附加灯串上。第二组或者更多组附加的灯串将 会像第一组那样精确地工作，这一方式需要连接的电线仅是数据线、时钟线和公共接地线。 另一个延长灯串的方法包括将第二灯串添加到移位寄存器上，从而通过对更大的一组灯进 行分别控制得到独特的显示。这种情况下的局限是，将会导致数据传输时间间隔更长。如 果在控制盒内实现物理连接，而且第二数据组通过专门为第二或者第三灯组设置的微处理 器输出，那么这个局限问题就会被解决。通过将第二 IC应用到每一个远程模块上，可实现每一个模块可控制的灯的数量 扩展至少到之前的两倍。数据、时钟、电源和可输出(OE)电路将会共享。但在布线上会有 些局限，针对笔直的灯串，需要在目前已有的单芯片设计基础进行一些优化处理。像冰柱灯 等其他样式的构造可能受益于这种延长方式。本发明的进一步实施例，提出了一种在黑暗时期内减少电流消耗的电路，从而既 减少整体能源使用，也支持自动调节过电压情形或者低于正常电压情形(即欠压)。电路包 含一个由微处理器控制的电阻阻值(binarily related)的选择。一方面，当微处理器“知 道”所需电流是低电流时，微处理器会接入一个高值(也即是较低电流)的电阻。另一方 面，当检测到低线压时，微处理器会接入一个较低电阻使得在较低电压下仍获得较高的电 流。达到了良好的工作性能和较高的能源效率(较少能量会转为热能而消耗)。特别是，这 种类型的电路甚至可应用在非智能的较简单的灯组上。在灯串的应用中，最容易实现的是单个灯或者一组灯沿着串长的移动或者“跳跃” 效果。还有很多类似的效果，比如一个长度增长的“温度计”或者移动光源集。所示出的内 容局限仅在于设计者的想象。例如，使用冰柱灯可实现冰柱看起来似乎增长或者滴水的效 果。在一棵圣诞树上布线，各种各样的新效果都可能实现，包括从中心射出而后向下坠落的 “焰火”，使得从树上的一侧到另一侧、从树底部到顶部都有闪光，或者反过来实现。但是，想 象力是唯一的局限。将灯布置成特定的几何图形，甚至通过一个“布告板”来实现，显示出 栩栩如生的图像、追逐的文字信息，甚至一个有限形式的视频。灯的许多其他物理布局根据 他们各自的独特效果都是很容易想象的到的。一个实施例中，IC的时钟可用来替代可输出(OE)端子，以免灯本身出现无效数 据。使用可输出端的不足之处是在数据传送间隔时间内浪费一小部分照明电源。它的相应 优势是便于所有端口散热，并在传统的LED设备中，灯光可在任何一段时间内变暗。然而， 利用选通线也可以替代OE成为另一种避免瞬间无效数据的方法。选通线会将最后的移位 数据组(稳定时)简单地转移到输出寄存器上，该输出寄存器直到转移那一刻一直显示当 前的数据组。这不会浪费任何可用照明电源，因为输出不会进入三态，而且不会变暗。不过， 它需要使用连接在模块之间的附加的互连线，因为两用的数据线取决于输出是否为三态。图5是依照本发明更进一步的实施例的控制模块的电路图。供电电源和控制模块 优选地采用一个分布式无变压器的供电电源。一个全桥整流器直接获取线压并产生一个输 送给所有模块的全波电源信号。在一个优选的实施例中，整个堆栈有一个单向下降的电阻 器。每一个模块利用5伏齐纳二极管来设置自身的工作电压。这个系统就像被一个连接到 降压电阻器的电容器过滤后的全波整流信号。在一个优选的实施例中，桥式整流器和电容器被设置在一个控制盒内，该控制盒的结构通常如图5所示。桥式整流器由二极管D7-D10 构成。优选地，采用一个电容器C2来维持灯串上供电电源的恒定电压。如图5所示，所使用的电路元件中，堆栈里流过的电流仍然是相当恒定的。这样， 在每一个模块中，当LED关断或者变暗淡，流经的电流变少时，流经每个模块的齐纳二极管 的电流变多，从而维持整个堆栈电流恒定。优选地控制模块包括一个微处理器510。此外，优选地，还通过一个双极性晶体管 (BJT)实现了一个零点交叉电路512，该双极性晶体管(BJT)是供电电源电容器充电电路的 一部分。在进一步的实施例中，控制模块具有三个输出端。这三个输出端分别是数据线 514、返回线516和负极电源线518。图5中的模块设置成零点交叉同步。在全波整流中，每8. 3毫秒(半波间隔的线 路频率是60Hz)，系统的电压必会降到最低工作电压之下，即零电压。本实施例使用一个保 持电容器，该保持电容器能在失电时维持系统的电压不变。其中一种替代方案包括使用廉 价的保持电容器，从而节省开支(因为这种电容器是高电压、较高电容的设备)。当系统电 压允许时的通电照明，以及使用失电时的数据转移，都要求有一个非常低的电流。以上所述 电阻器的失电时的操作多半都对促进这种方式起到了重要的作用。它的成功主要取决于在 减少电源供应时间的情况下LED灯是否足够亮。这种方式的一个极端的实施中，在中断期 间，大保持电容器被取消，移位寄存器或者微处理器损失了电能，只有当正弦曲线再次向上 倾斜时，才能恢复。图6所示为一个标准的灯模块。如图所示，模块有一个为每个模块提供5伏压降 的齐纳二极管D20。在第一实施例中，每一个模块通过普遍应用的元件来构造。此外，使用 ASIC能将元件的数量减到最少。一个实施例中，IC采用一个8位的移位寄存器74HCT409 实现。HCT IC的输出端口额定电流为25毫安，对于通过对每一个LED对使用限流电阻器， 这个数值足够直接驱动LED。一个通常的限流电阻器的电阻为200欧姆。因为74HCT4094 是一个移位寄存器，数据是通过数据线被串行输出的。在一个优选的实施例中，有30个类 似的模块，如图6所示。正电源线端口连接到后一模块的负电源线端口，而正数据线端口连 接到后一模块的负数据线端口。每一个模块都连接至返回线。因为模块是串联在一起的，与每一个单个的LED相关的数据都在以串行方式传送 的数据格式中传递。将每正确数据传递给每个模块时是不需要编码寻址的。更确切些，照 明数据向下移动到串联连接的移位寄存器中，直到正确的位数被移入。由于数据采用串行 移位，标准元件使用时不会损失任何功能。如图6所示，8位移位寄存器的输出端口与一对单向单色LED或者一个双向两色 LED关联。需要注意的是，由于模块之间的串联连接，一个4. 7K的电阻器被串联加入到相邻 模块的每一条数据线之间，以便于校正模块之间的电压偏差，从而提供一个逻辑电平转换。一个具有串行布置模块的灯串在逻辑上构建成一个240位的移位寄存器。控制模 块中的微处理器510在堆栈低压端处将数据插入到的第一模块的数据输入端口(正数据线 端口)中，而且数据通过以下将会提到的公共时钟信号同步计时。因为模块堆栈后产生多 种相应的电压，一个4. 7K的电阻器设置在前一模块的数据输出端口和后一模块的高阻抗 数据输入端之间。在一个优选的实施例中，移位寄存器的数据线用于一对LED灯的照明。位于模块之间的电阻器的物理位置非常关键。每一个移位寄存器的高阻抗数据输入线直接 连接到它自身的低位光输出端。在数据传输时间间隔期间，所有的光驱动器的输出端是不 可用的，它会呈现一个高阻抗态。高阻抗状态是一个三态。三态对数据流没有作用，而且数 据线能随意的假定逻辑1或0。在一个输出端侧端口 QS数据不会成为三态，而经常反映一 个移位寄存器Q7的高位比特的逻辑态，即使Q7自身就是一个三态。在数据传输时间间隔 期间，QS将数据发送到与相同模块QS连接的一个端口，这个端口是在光驱动时期按照光光 驱动输出端周期工作的。在那期间，QS和数据线必须是相对电气隔离，其目的是为了使LED 驱动或者驱动器会干涉。在数据区间，根据模块线上变化的电流，利用相同的4. 7K电阻器 帮助实现一个逻辑电平移位，于是，相对电气隔离可以达到。在一个实施例中，微处理器转 移一位数据大约需要3微秒。总共240位的数据，或者整个数据传输时间间隔，将会持续近 720微秒。如图6所示，数据线分别流经每一个4094IC。由于每一位数据必须同步移动，所以 IC的同步CLK(时钟)端口必须同时被选通，然后将数据同步移入移位寄存器。图6中给定 的电路不需要考虑一个独立的时钟线，也不需要考虑通过高压返回线携带时钟信号拆分由 数据和时钟结合的数据流难题。时钟是通过使用图5所示的控制模块转移一个以上逻辑电 平总量的模块堆栈电压来完成的。利用一个快速转换功率的M0SFET，微处理器改变一个齐 纳二极管和堆栈底部电压的串联或者不串联。在堆栈的高电压端，一个降压电阻器优选地 放在与微处理器以及其他的核心部件一起在中心位置，作为一个用来调节整个堆栈电压变 换的“橡皮筋”。因此，流经每一个模块周边的返回高压线包含一个作为150V到155V电平 转换的公共时钟信号。由于每一个模块分别工作在它自己直流电压源电平，每一对电容器 为每一对IC的时钟端口提取精确的交流耦合时钟信号(不是绝对的直流电平)。另外，在图5和图6的实施例中，为了避免灯上出现数据转移，在数据传输间隔期 间，输出端口是不可用的(三态)。要做到这一点，每一个IC的可输出引脚(OE)必须为低 电平。通过使用交流耦合的时钟信号给RC回路上加一个脉冲使RC回路再一次重新充电， 使可输出引脚形成低电平，并且持续时间足够长，可等到下一个时钟脉冲到来。采用这种方 式，几乎在数据传输间隔精确的时长内，可输出引脚一直为低电平。这一点很关键，因为，在 那间隔内，灯熄灭了，因而照明可用的任何不同的电功率都没有被使用而浪费掉。黑暗期间 有一个附带的好处是，如果移位寄存器因过载而产生了过大的亮度，黑暗期间能使移位寄 存器降温。亮度能通过占空比来调节。值得注意的是，普通的LED灯串串联连接，它们闪烁 关闭每秒60或120次。当整流线压下降到某一个点时，LED的固定压降将会造成LED变暗。 LED黑暗期间持续的时间将取决于电源电压、LED的数量和LED具体的工作电压。所示模块的4094IC有用于控制两个LED的一对端口，这一对端口连接的方式保证 能并联驱动LED且这一对端口彼此之间为反向连接。然后，当这一对端口被输入逻辑1，0 时，其中一个LED被通电；当反过来，是0，1时，另一个LED被通电。当端口是1，1，或者0， 0，亦或者是三态时，两个LED都是暗的。因此，这一对端口可驱动一个双向的LED，这个双向 LED其实是一个封装在一起的一对LED。两个方向的驱动是一个两相的光驱动序列，它能使 每一个LED达到尽可能接近50 %的占空比或者在单个双向LED对的两个颜色之间形成一个 连续的占空比。在一个实施例中，实施了两个不同的调光控制模式。这两个模式以及他们之间的关系可从本发明的结构所暗含的意思逻辑上自然地得出。对于包含多个移动灯的序列，调光控制需要有一个循环序列，这个循环序列的时 间片发生得足够快以避免可察觉的闪烁。时间片按1，2和4这种二进制的比例关系分配。 以毫秒为单位，这些可以合理近似为2，4和8毫秒，如此，对于总共约17毫秒或者非常接 近的60Hz，就会导致总周期时间是14毫秒，以及三个黑暗数据转移间隔为720微秒。事实 上，这些必须是一个恰当的比例，以与60Hz的半波周期精确匹配。这种时间的安排可使数 据传输周期内电流的使用和灯的使用(最大电流的使用)能被仔细调整，从而尽量减少滤 波电容的使用，对于这种高压电容器来说，能减少尺寸和成本。在三个固定的二进制时间片 内，每一个单个的LED方向上的可能的亮度级别总数为8个，包括全熄灭或者全黑，外加12 个不同颜色的组合。如果需要的话，在以增加数据转移的黑暗时间为代价，可得到额外的 片时，从而得到更多的颜色组合。需要注意的是，在与任何其他灯没有任何逻辑联系的条件 下，每一个单灯调光被分别控制。这一点的局限是它会包含8个不连续的亮度级别(包括 熄灭)，这会导致与其他效果一起出现的情况。第二个调光模式提供了一个更精细的控制。甚至为了软件简单化，维持时间片长 度，在一个特殊的时间片期间，LED通电的实际时间可被设置成任意时长，下至微处理器软 件的一个几微妙的分辨率。这意味着甚至单个灯都几乎能无限程度地平滑变暗。这种控制 方法也被应用在灯的多种子设备上。这种模式的限制是，使用一个特殊时间片的任何一个 LED都会受到按时修正的影响。从而，使用这种模式的效果的创建将会更加复杂，而且一些 亮度组合在逻辑上也是不可能实现的。在这两个模式之间，调光控制几乎是没有限制的。在一定程度上，使用不同颜色的 LED或者双向LED，自然可得到各式各样的颜色混合。图7是依照本发明一个可替代的实施例中的模块的一端。图7不同于其他模块的 地方在于它没有与其紧邻的下一个灯模块。图7中所示的电路有一个能为移位寄存器U3 提供5伏电压的齐纳二极管D5。然而，因为考虑到在灯串末端有加载的电流和电压，所以， 设置一个晶体管用于避免电压和电流变化。本发明采用优选的实施例，对基本的新颖性特征进做了图示、描述并指出，从而， 容易理解到，对所阐述的装置的细节和形式上的以及操作上的所做的各种省略、替代或者 变换，可通过不脱离本发明精神的技术中的技能实现。例如，可以采用实质上相同的方式实 现了实质上相同的功能得到了相同的结果的那些元素和/或方法步骤的所有组合，都是属 于本发明的范围。而且，应该承认，与本发明的任何公开的形状或者实施例有关的示出和/ 或描述的结构和/或元素和/方法步骤，可以作为一个一般的设置选择事项纳入到本发明 的任何其他公开或者描述或者暗示的样式或者实施例中。因此，在此通过后附的权利要求 的范围来限制本发明的保护范围。
权利要求
1.电子器具串，包括 控制器；电能接收装置，接收外部电源的电能；电能分配装置，分配所述电能接收装置所接收的电能；以及第一模块及第二模块，所述第一模块及所述第二模块均包括所述电子器具串的至少一个单元；模块电能接收装置，从所述电能分配装置接收电能；以及驱动器，驱动所述至少一个单元；其特征在于所述控制器包括模块控制装置，用于控制所述驱动器。
2.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于所述电能为交流电。
3.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于所述控制器还包括一选择器，从一 组预设的程序中选择一个预期的程序以驱动所述单元以预定的模式运行。
4.根据权利要求3所述的电子器具串，其特征在于所述程序包括驱动所述单元的至 少两组不同指令，且所述电子器具串可在每一组所述指令的驱动下有不同的输出。
5.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于所述单元为灯。
6.根据权利要求5所述的电子器具串，其特征在于所述灯为发光二极管。
7.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于至少一个所述单元包含音频输出。
8.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于至少一个所述单元包括根据从所 述控制器接收的指令带动可移动的显示装置运动的马达。
9.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于所述驱动器包括开关装置，选择所 述单元的“开”与“关”。
10.根据权利要求9所述的电子器具串，其特征在于所述驱动器包括在所述单元处于 “开”状态时控制强度的装置。
11.根据权利要求10所述的电子器具串，其特征在于所述强度是所述单元的光亮度。
12.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于所述模块控制装置包括产生一个 至少包含以下信息的信号的装置每一所述单元的地址；每一所述单元的动作指令；以及所述模块控制装置控制所述单元的动作顺序及输出。
13.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于还包括电能储存装置，储存从所 述电能接收装置获得的电能，且所述电能分配装置将所述电能储存装置所储存电能分配。
14.根据权利要求13所述的电子器具串，其特征在于所述电能储存装置包括电容。
15.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于所述电能分配装置包括一个齐纳二极管。
16.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于所述模块控制装置包括至少一个 与所述第一模块相关联的第一移位寄存器和一个与所述第二模块相关联的第二移位存储器。
17.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于所述控制器输出用于控制所述模块的数据流。
18.根据权利要求17所述的电子器具串，其特征在于所述数据流叠加在向所述模块 分配的电能上。
19.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于所述控制器与所述第一模块和第 二模块相分离。
20.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于所述控制器分布于所述第一模块 和第二模块中。
21.根据权利要求20所述的电子器具串，其特征在于所述第一模块包括识别其是第 一模块的识别装置以及从提供给所述第一模块的一组指令中选择出仅由所述第一模块执 行的指令的选择装置。
22.根据权利要求1所述的电子器具串，其特征在于还包括 连接所述第一模块与所述第二模块的返回线；信号电压消除装置，设置在所述返回线与所述第一模块和第二模块之间。
23.根据权利要求22所述的电子器具串，其特征在于还包括过载消除装置，设置在所 述返回线与所述第一模块和第二模块中的至少一个之间。
24.根据权利要求22所述的电子器具串，其特征在于所述信号电压消除装置为电阻。
25.灯串，包括 控制器；交流电接收装置，从交流电源接收交流电； 电容，储存所述交流电接收装置所接收的电能； 电能分配装置，分配所述第一电容所储存的电能； 第一模块，包括 第一灯组；第一模块电能接收装置，接收所述电能分配装置分配的电能；以及 第一驱动器，驱动所述第一灯组；以及 第二模块，包括 第二灯组；第二模块电能接收装置，接收所述电能分配装置分配的电能；以及 第二驱动器，驱动所述第二灯组； 其特征在于所述控制器向所述第一模块和第二模块发送信号以控制所述第一灯组和述第二灯组。
26.根据权利要求25所述的灯串，其特征在于所述第一模块和第二模块中的至少一 个还包括至少一个用于驱动一个可移动显示装置运动的马达，由所述控制器发送的所述信 号控制所述至少一个马达。
27.根据权利要求25所述的灯串，其特征在于所述第一模块和第二模块中至少一个 还包括至少一个音频输出，由所述控制器发送的所述信号控制所述至少一个音频输出。
28.根据权利要求25所述的灯串，其特征在于还包括 连接所述第一模块与所述第二模块的电线；所述电能及所述信号通过所述电线传送。
29.根据权利要求25所述的灯串，其特征在于所述控制器还包括一选择器，从一组预 设的程序中选择一个预期的程序以驱动所述灯以相应的预定模式运行。
30.根据权利要求四所述的灯串，其特征在于所述程序包括驱动所述灯的至少两组 不同指令，且所述灯串可在每一组所述指令的驱动下形成不同的视觉效果。
31.根据权利要求30所述的灯串，其特征在于所述信号包括识别哪一组指令被选中 的信息。
32.根据权利要求31所述的灯串，其特征在于所述信号还包括识别所述一组指令的 时序的信息，识别当前信号在所述一组指令中的顺序，以便每一所述模块获知需要执行哪 一指令。
33.根据权利要求32所述的灯串，其特征在于所述第一模块包括信息接收模块，接收 与所述时序相关的所述信息，并识别所述信号在所述时序中的位置。
34.根据权利要求33所述的灯串，其特征在于所述第一模块被预先编程以控制所述 第一灯组响应于所述信号，且所述第二模块被预先编程以控制所述第二灯组响应于所述第二信号。
35.根据权利要求25所述的灯串，其特征在于所述第一模块包括第一存储器，存储有 响应于所述信号的第一程序以驱动所述第一灯组响应于所述信号。
36.根据权利要求35所述的灯串，其特征在于所述第二模块包括第二存储器，存储有 响应于所述信号的第二程序以驱动所述第二灯组响应于所述信号。
37.根据权利要求36所述的灯串，其特征在于所述第一程序及所述第二程序均包括 充足的数据以驱动所述第一灯组及所述第二灯组，其中，所述第一模块包括第一选择器以 选择第一程序驱动所述第一灯组，所述第二模块包括第二选择器选择所述第二程序驱动所 述第二灯组。
38.根据权利要求25所述的灯串，其特征在于所述电能分配装置包括一个用于分配 的齐纳二极管。
39.根据权利要求38所述的灯串，其特征在于所述第一模块包括一个第一模块齐纳 二极管，所述用于分配的齐纳二极管与所述第一模块齐纳二极管共同向所述第一模块分配 电能。
40.根据权利要求39所述的灯串，其特征在于所述第二模块包括一个第二模块齐纳 二极管，所述用于分配的齐纳二极管、所述第一模块齐纳二极管以及所述第二模块齐纳二 极管共同向所述第一模块和第二模块分配电能。
41.根据权利要求25所述的灯串，其特征在于至少一个所述驱动器包括控制装置，控 制至少一个所述灯的光亮度。
42.根据权利要求25所述的灯串，其特征在于至少一个所述驱动器包括控制装置，控 制至少一个所述灯的颜色。
43.根据权利要求沈所述的灯串，其特征在于至少一个所述灯是双向导通的灯。
44.灯串，包括控制器；交流电接收装置，从交流电源接收交流电；电容，储存所述交流电接收装置所接收的电能；电能分配装置，分配所述第一电容所储存的电能，其包括一个用于分配的齐纳二极管；第一模块，包括 第一灯组；第一模块电能接收装置，接收所述电能分配装置分配的电能，所述第一模块电能接收 装置包括一个第一模块齐纳二极管；以及 第一驱动器，驱动所述第一灯组；以及 第二模块，包括 第二灯组；第二模块电能接收装置，接收所述电能分配装置分配的电能，所述第二模块电能接收 装置包括一个第二模块齐纳二极管；以及 第二驱动器，驱动所述第二灯组； 其特征在于所述控制器向所述第一模块及所述第二模块发送信号以控制所述第一灯组及所述第 二灯组；所述控制器还包括一个选择器，从一组预设的程序中选择程序以驱动所述第一灯组及 所述第二灯组以不同的预定模式及顺序运行。
全文摘要
一种可寻址的灯串，具有一个控制器和大量的灯模块，以及一个更大量的灯。设置一个包含有一个整流器的控制模块用于提供电源输出；以及，设置一个控制电路，用于数据输出。大量的灯模块串联连接。每一个灯模块内设有一个具有一个阴极和一个阳极的齐纳二极管，齐纳二极管的阳极与控制模块的电源输出端连接，阴极与该灯模块串联的下一个模块的正极连接。灯模块还包括一个半导体装置，该半导体装置至少有一个电源接头和一个地线接头。电源接头与齐纳二极管的阴极连接，接地接头与齐纳二极管的阳极连接。
文档编号G05F1/00GK102124420SQ200980126466
公开日2011年7月13日 申请日期2009年5月11日 优先权日2008年5月9日
发明者马克·霍华德·塞甘 申请人:塞甘有限责任公司