脉冲宽度调制的led的操作的制作方法

专利名称：脉冲宽度调制的led的操作的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于驱动脉冲调制的照明器件、特别是LED的装置和方法。在此，“LED”也完全可理解为0LED。
背景技术：
这种类型的装置例如使用在照明系统中，以用于实现空间、道路或逃生通道的有色的或大面积的照明。在此，通常由驱动设备(例如电子控制装置)控制并根据需要激活照明器件。对于这种类型的照明，使用有机的或无机的发光二极管(0LED或LED)作为光源。当今，这种类型的装置越发频繁地具有独立的调节可能性，以用于使照明与相应的环境情况相匹配。在此，首要的调节可能性为照明系统的调光功能(Dimmfimktion)。优选地，通过对LED的脉冲调制的控制例如PWM(脉冲宽度调制或脉宽调制)控制实现这种调光功能。由于LED为点光源，并且放射出强成束的光，通常使用多个LED的组合用于照明，其中，LED则彼此位于视距(Sichtweite)中。可由驱动设备来驱动LED，其中，在调光时如有可能则利用脉冲调制的相同的占空比(TastverhSltnis)来控制LED。这种驱动设备可具有多个通道，以用于独立地控制LED。例如，一定的LED颜色获得一个通道。由此使以下成为可能，即，产生照明的不同颜色效果。然而由于脉冲调制驱动、尤其地在低的调光值(Dimmwert)时，可产生可由人类的观察者感知的频闪效应。下面将以用于脉宽调制的示例解释该问题。由以下引起频闪效应，即，在具有例如典型IOOHz的频率和例如30%的调光(这相应于30%的PWM占空比)的PWM调制时，产生对于人类的眼睛可感知的闪烁效应。其原因为相对低的频率和PWM周期的70%的相对长的在其中LED被关断的持续时间。这种频闪效应对于LED尤其显著，因为LED可基本上瞬间地跟随电流变化过程并且不显示余辉，因为LED基本上瞬间地产生与流过其的电流成正比的光输出。由此，在其中LED不发光的时间段对于人类的眼睛来说是尤其明显的，由此频闪效应增强。在以驱动设备驱动多个LED时，通常利用相同的PWM占空比控制这些LED。由此，同步地接通和断开所有LED。这意味着，同样在这种照明装置中出现频闪效应。频闪效应的特殊形式为所谓的“水珠(beads)效应”。这通过以下方式造成，即，PWM驱动的光源相对于观察者、也就是说相对应人类的视网膜运动。学术的公开文件“脉宽调制的光源对视觉的影响效应的分析和试验研究，，(Alexander Wernicke, Steffen Strau β )(在第七届自动照明国际研讨会(达姆城，德国，2007年9月25日至洸日)上发表，ISBN 978-3-8316-0711-2)研究了该现象。为此进行的研究表明，眼睛不将相应运动的PWM光源识别为连续的线，而是识别为虚线。在此，光源的宽度对虚线的单个的中断具有尤其不利的作用。就此而言，对于点状的光源如对于LED尤其强地出现“水珠”效应。该研究表明，为了避免值效应，不允许低于临界频率，可从PWM频率、PWM占空比、光源的相对运动的光线的角速度和其宽度中计算出该频率。此外，该研究得到的结果为，由于扫视的(sakkadisch)眼睛运动(其引起固定的光源非常快的相对运动)，即使在非常高的频率时也导致“水珠”效应。

发明内容
本发明的目的为，提供一种方法以及设置用于该方法的装置，对于脉冲调制驱动的照明该方法导致避免或至少导致降低/最小化频闪效应。此外，由此也应防止或至少限制“水珠”效应的出现。该目的通过独立权利要求的特征来保护。从属权利要求以尤其有利的方式扩展本发明的中心思想。因此，根据本发明的用于解决该问题的中心思想为，以时间上推移的脉冲调制的时钟信号(Taktung)以下述方式驱动视距中的LED，即，产生尽可能“填满空隙”的总亮度。S卩，本发明涉及一种用于驱动视距中的脉冲调制驱动的LED的方法。在此，脉冲调制的脉冲在时间上相互协调，使得第一 LED的脉冲调制的脉冲在另一 LED的脉冲调制的断开持续时间内。在此，第一 LED的脉冲调制的脉冲优选地在另一 LED的脉冲调制的断开持续时间的中点。可替选地,第一LED的脉冲调制的脉冲的上升沿(positive Flanke)可与另一LED 的脉冲调制的脉冲的下降沿(negative Flanke)时间上一致。在该方法中，相同的驱动设备的不同通道的LED和/或不同的驱动设备的LED可根据其脉冲调制的脉冲的时间上的位置而协调或驱动设备自动地相互协调。优选地，脉宽调制(脉冲宽度调制)作为脉冲调制。优选地，也可幅度调制地驱动至少一个LED。在此，如果LED的光线的混合不可得到100%的占空比时，可以减小至少一个LED 的幅度，并且相应地提高脉冲调制的占空比以用于稳定LED电流的时间上的平均值。根据本发明的另一方面，提供一种方法，对于该方法，至少两个驱动设备在共同的时间基础上同步，例如借助于电网电压的特征点、优选地借助于其交零同步。对于该方法,可为每个驱动设备分派组关联(Gruppenzuordnung),其表明，相对于共同的时间基础应如何实现各脉冲调制包的位置。优选地，通过总线指令或通过直接在驱动设备上的输入进行这种组关联。也可手动进行直接的输入。此外，第一驱动设备可与第二驱动设备自动协调，其中第一驱动设备获取第二驱动设备的脉冲调制的程序组的时间位置，并且时间上与其协调。在一优选实施方式中，相对于第一和第二驱动设备之间的共同的时间基础确定第二驱动设备的脉冲调制的程序组的时间位置。在此，例如可从电网电压的特征点、优选其交零中得到共同的时间基础。第一驱动设备优选通过光传感器获取第二驱动设备的脉冲调制的脉冲的时间位置。本发明也涉及一种电路，尤其地涉及集成电路，如μ c或ASIC，其设计成用于执行上述方法。最后，本发明涉及一种用于一个或多个LED的驱动设备。在此，该设备具有用于控制至少一个LED的控制电路，该控制电路将供电电流转换成适合于至少一个LED的参数。此外，该控制电路具有设计成用于执行上述方法的电路，尤其具有集成电路(例如PC或ASIC)。在此，该电路通过脉冲调制和/或幅度调制控制所述控制电路。最终，本发明还涉及一种照明系统，具有至少一个上述驱动设备以及通讯总线和/或供电总线。


现在，根据以下对实施例的描述以及参考所示附图介绍其它特性、优点和特征。附图中图1示出现有技术中已知的两个PWM驱动通道的时间图，图2示出在50%的占空比时的两个通道的PWM控制的根据本发明的第一实施方式，图3示出在30%的占空比时的根据本发明的第一实施方式，图4示出在30%的占空比时的两个通道的PWM控制的根据本发明的第二实施方式，图5示出在70%的占空比时的根据本发明的第二实施方式，图6示出在三个通道的情况下且在30%的占空比时的PWM和幅度调制的组合的根据本发明的实施方式，图7示出通道的根据本发明的幅度调光的时间图，图8示出根据本发明的驱动设备，图9示出带有两个驱动设备的根据本发明的照明系统。
具体实施例方式图1示出两个PWM驱动通道的曲线，如现有技术中已知的那样。在此，借助于PWM控制而进行至30 %的调光。即，两个通道仅接通PWM周期的约三分之一，然而其中，在该时间内以100%的幅度发光。然而因为同时接通和断开两个通道，也得到仅仅在该时间内有效的总亮度。基于两个通道分别控制属于唯一的照明装置的一个或多个LED，因此在PWM周期的70%的持续时间上该照明装置是断开的。由此出现对应于PWM调制的频率的频闪效应。图2示出根据本发明的方法的第一实施方式。在此，再次利用PWM控制照明装置的两个通道。如已经提及的，这两个通道可彼此无关地控制一个或多个LED或有机LED，其中，这些LED彼此位于视距内。因此可设想，由驱动设备控制两个通道。在此，每个通道可控制LED阵列。在此，例如为带有蓝色LED的LED阵列，其借助于颜色转换器件发射出白色的光。同样可能的是，每个通道操控不同的LED颜色。在此，首先应指出的是，根据本发明的方法绝不限制于两个通道。相反可能的是，该方法包括三个或更多个通道。因此对于三个通道例如可设想，一个通道控制红色的LED，一个通道控制绿色的LED并且一个通道控制蓝色的LED。因此，图2示出两个通道，分别以50%的占空比以PWM来驱动所述两个通道。这意味着，将总亮度调光至50%。因此，按照根据本发明的方法，两个通道的PWM脉冲在时间上以下述方式相互协调，即，第一通道的PWM脉冲在第二通道的PWM切断持续时间内。这意味着，当断开第二通道的一个或多个LED时，一个或多个连接在第一通道处的或由其控制的 LED发光。由于分别仅以PWM周期持续时间的50%接通两个通道，因此得到减小至最大亮度的50%上的总亮度。在该根据本发明的第一实施方式中，第一通道的PWM脉冲位于第二通道的PWM断开持续时间的中点。由此得到，在调光至50%或50%的PWM占空比时，不出现总亮度等于零的阶段。即，在调光至50%时，第一通道的PWM脉冲的下降沿相应于第二通道的PWM脉冲的上升沿，并且相应地反之亦然。图3再次示出所述方法的根据本发明的第一实施方式，然而在此调光至30%。从中得到，再次在第二通道的PWM断开持续时间的中点的第一通道的PWM脉冲不可完全地充满该空隙。因此，在每个PWM周期中产生两个在其中总亮度等于零的阶段。然而在此也表明，现在总亮度具有两倍于PWM频率的频率。此外，总亮度的断开时间从PWM周期持续时间的70%减小至20%。由此，借助于根据本发明的方法可保证，可防止或至少限制对于人类的眼睛可感觉的频闪效应。图4示出两个通道的根据本发明的PWM调制的第二实施方式。两个通道的PWM脉冲再次以下述方式在时间上相互协调，即，第一通道的PWM脉冲在第二通道的PWM断开持续时间中。该实施方式与根据本发明的第一实施方式的不同之处在于，第一通道的PWM脉冲的上升沿与第二通道的PWM脉冲的下降沿在时间上一致。在此，应再次提及的是，如上所述的，每个通道可任意控制一个或多个LED、有机LED、LED阵列、有色LED或不同颜色的LED的组合。根据本发明仅是决定性的为在其中总照明等于零的时间在PWM周期中尽可能短。在图4的示例中，总亮度调光至30%，并且由此脉冲宽度调制的占空比调至30%。 即，得到在其中总照明等于零的PWM周期的40%的时间用于总亮度。在两个通道的通常驱动中(如在图I的示例中示出的现有技术那样)，为此得到在其中总亮度等于零的PWM周期的70%的时间。同样适用于该实施方式的是，扩展到多于两个通道意味着，限制或完全防止在其中断开总亮度的阶段。图5再次示出根据本发明的第二实施方式，这次调光至70%。在该示例中表明，对于大于等于50%的调光值，出现无中断的总亮度。这既适用于根据本发明的第一实施方式也适用于第二实施方式。如在以上示例中示出的那样，既适用于根据本发明的第一实施方式也适用于第二实施方式的是，所有PWM脉冲具有100%的幅度。通过这样的恒定的幅度，对于以此控制的 LED产生颜色稳定的优点。即已知的是，对于相应于所述幅度的流过二极管的不同电流强度，LED可具有发光颜色的变化。尽管如此，可为有意义的是控制通道，且由此利用变化的幅度或PWM和幅度调制的组合控制一个或多个LED，如以下还将在对图6的描述中解释的那样。为了避免在通道的幅度调制时的颜色不稳定，可使用其它通道以补偿总亮度的颜色变化。为此可设想，储存颜色偏移特性作为与用于每个通道的幅度或以此控制的LED的幅度相关的函数。图6示出一示例，表明了 PWM和幅度调制的组合的有利效果。在该示例中将三个通道分别调光至30 %。在调光时，对于根据本发明的三个通道PWM调制，通常始终在PWM周期的10%上产生在其中总光线等于零的空隙。尽管如此，这意味着已经从PWM周期持续时间的70%减小至10%。然而，如图6所示的，也可借助于至少一个通道的PWM和幅度调制的组合完全消除该空隙。在图6的示例中，总亮度以及因此每个单个通道减小至30%。在此，前两个通道具有30%的PWM占空比和100%的强度。然而进行PWM和幅度调制的第三通道具有40%的占空比和75%的幅度。由此针对第三通道调光也总体至30%。然而因为第三通道具有40%的PWM占空比，通过两个其它通道的30%的占空比，针对总光线得到100%的占空比。总地来说，可减小至少一个PWM和幅度调制的通道的幅度，使得PWM占空比大于所调整的调光值。由此可实现，发射出无中断的总光线。因此根据本发明，该方法对于预定的调光值可事先计算，必须如何减小一个或多个幅度调制通道的幅度，以使得通道的整体产生无中断的总光线。然后，可相应地调整单个通道。图7示出幅度调制的通道的根据本发明的另一实施方式。如示例所示的，实现光线从100%至30%的调光并且之后再次提高至50%。在此，不是突然地而是连续地进行幅度的改变。由此，一方面得到的优点为，通过该通道控制的一个或多个LED始终发光。总亮度由此始终不等于零。此外，一个或多个通道的幅度调制导致的有利效果为，可避免“水珠”效应。这尤其地通过以下方式是可能的，即，由于幅度调制在各照明强度之间的过渡可为流畅的并且由此避免跳变。此外，应注意的是，当借助于根据本发明的方法实现总光线从不等于零时，才可不出现“水珠”效应。相应地，在图2或图5的示例中可不出现“水珠”效应。仅当总光线在一定的时间上等于零或当其强度明显或跳变式改变时，才可产生这种效应。备选地或附加地，也可改变PWM频率。因此，提高PWM频率特别对于在50和100%之间的调光值是有利的。对于小的调光值存在使PWM频率与调光值相关的可能性。因此，对于小的调光值，可随着趋势偏移至高频率。在此，PWM脉冲具有固定的在其中接通该PWM脉冲的时间。图8示意性地示出用于以调节的方式驱动发光二极管的驱动设备。在所示出的示例中，两个发光二极管串联，然而同样可能的是，驱动设备可灵活地与发光二极管的类型和数量相匹配。相应地，也可应用更多的或更少的LED。将输入直流电压Vin输送至驱动设备，该输入直流电压Vin当然也可为整流过的交流电压。在半导体功率开关Sl (例如M0SFET)和空载二极管Dl之间的串联电路在开关Sl的接通状态下借助于流过该开关的电流使电感器Ll储能。在开关Sl断开的状态下，储存在线圈Ll中的能量以电流I的形式通过电容器Cl和发光二极管段LED释放。提供控制和/或调节电路SR，其例如以高频调制的信号的形式预定开关Sl的时钟信号作为调节发光二极管功率的调节参数。控制和/或调节电路SR例如可使用滞后的电流调节。控制和/或调节电路SR借助于测量电阻器RS获取通过开关Sl的电流(在开关Sl接通的状态下)。 控制和/或调节单元SR通过分压器Rl，R2可获取在LED段的低电势侧上的电势。
另一分压器R3，R4使得可以获取供给电压。在该示例中，通过降压转换器(Buck-Konverter)构成驱动设备,但是例如也可通过增压转换器、降压增压转换器或其它开关调节器或者同样通过电流槽(Stromsenke)或电流源构成驱动设备。内部地，通过控制和/或调节电路SR利用比利用其控制LED或LED 丰旲块更闻的频率控制开关SI。利用其控制开关调节器的开关SI的内部频率可例如在IOkHz 至几MHz的范围中，而该内部频率重叠有较低的频率，该频率相应于至少一个PWM脉冲的频率。由此，可利用具有更低频率的PWM脉冲控制LED模块，其中，由于驱动模块的开关SI的高频的运行，在接通时间中PWM脉冲可具有波纹。可由于驱动模块的开关SI的高频的运行产生的波纹可通过电容器Cl减小。可通过外部的控制器例如微控制器或另一中央的控制单元预定至少一个PWM脉冲的被重叠的低频率。通过利用这种低频的PWM脉冲控制驱动模块，可暂时使驱动设备无效，并且由此通过PWM脉冲实现亮度控制，并且在应用照明器件的不同光谱时实现颜色混
八
口 ο例如，可分别利用驱动设备控制RGB LED模块的三种颜色以用于RGB颜色混合，其中，通过三个PWM通道控制这三个驱动模块。因此,在图8的实施方式中,驱动设备具有LED通道。另一方面驱动设备由外部的控制器控制。然而也可设想，驱动设备具有多个通道。这例如可通过以下方式实现，即，该驱动设备包括多个这种如图8所示的电路。附加地，驱动设备还可具有控制器(如ASIC)。此外可设想的是，对流经LED的电流的幅度调节是可能的，并且为此相应地调制图8中的电路。此外，LED可具有光学的滤波覆盖部，其吸收光线并且由此放出余辉。由此，可强化恒定的总亮度的根据本发明的效应。为了使多个驱动设备同步，所述驱动设备可与电网电压的特征点(例如其交零) 建立关系。在此，也可设想驱动设备具有光传感器，该光传感器测量另一驱动设备的PWM时钟信号。那么，可借助于该测量使带有光传感器的驱动设备与第一驱动设备的时钟脉冲根据本发明低相匹配，并且与其协调。作为附加的参考可考虑代表共同的时间基础的电网电压。例如可以下述方式进行与电网电压的同步，即，第一组驱动设备无时间延迟地将脉冲调制的程序组直接与交零同步并且设定第一 LED的脉冲调制的脉冲的上升沿，而第二组有时间延迟地将脉冲调制的程序组与交零同步，并且由此在时间上设定第二 LED的脉冲调制的脉冲的上上演。由此，可在其脉冲调制的脉冲的时间位置方面协调驱动设备。但是例如同样可能的是，第一组驱动设备与交零同步，并且另一组与电网电压的预定的电平同步。但是也可设想，驱动设备具有输入部，通过其监控另一驱动设备的PWM时钟信号，并且由此可与该另一设备协调。图9示意性地显示了具有两个驱动设备2的总线系统I。驱动设备2与通讯总线 3相连接。同样可设想，通过总线进行电流供给。此外，总线系统具有中央控制器4。优选地，涉及集成的电路(如ASIC)。每个驱动设备又具有三个通道7。每个通道操控一个LED 阵列5。在此，LED阵列包括多个LED，如在该示例中指明的，包括两个LED。已经根据PWM驱动(脉宽调制)解释了所示的实施方式。但是代替PWM驱动，本发明也可用于所有其它的脉冲调制的驱动方式，例如脉冲频率调制(PFM)、脉冲相位调制(PPM)或者脉冲编码调制(PCM)。 基本上，根据本发明，可设想照明系统的每个任意设计方案。唯一决定性的是，按照根据本发明的方法控制所有彼此位于视距中的LED(即，例如属于一个或多个邻近的照明件)。在此，系统可具有多个这种照明件，其中，优选地借助于驱动设备的多个通道驱动每个照明件。在另一实施方式中，由多个驱动设备控制在视距中的LED，其中，为此每个驱动设备具有一个或多个通道。连接多个驱动设备的通讯总线具有的优点为，可为每个驱动设备分派一个组关联。这表明，应如何相对于共同的时间基础实现驱动设备的各个脉冲调制的程序组的位置。然而也可设想，通过直接的命令或通过在驱动设备处的直接指令进行这种组关联。例如这可手动地进行或预调节。例如，可通过在驱动设备处的各旋转开关的选择，通过编码元件联接到为此提供的联接部(例如电阻器，其中对于不同的组提供不同的电阻值，或者可读取的储存元件，组关联储存在该储存元件上)或者通过两个提供用于组关联的触点的桥接(设置所谓的跳电器，其中优选地提供多个触点用于与不同的组的关联)，而实现组关联。但是，也可通过对驱动设备的编程(例如通过接口)或者通过单次地执行开关顺序(优选地借助于供电电压)实现组关联。参考标记列表
CHl第一通道
CH2第二通道
CH3第三通道
G总壳度
Vin输入直流电压
Sl开关
Dl空载二极管
Ll电感器
Cl电容器
SR控制和/或调
RS测量电阻器
R1，R2 分压器
R3，R4 分压器
1总线系统
2驱动设备
3通讯总线
4控制器
5LED阵列
6LED
7通道
权利要求
1.一种用于驱动彼此在视距中的脉冲调制地驱动的LED的方法，其中，脉冲调制的脉冲时间上相互协调，使得第一 LED的脉冲调制的脉冲在另一 LED的脉冲调制的断开持续时间内。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述第一LED的脉冲调制的脉冲位于另一 LED的脉冲调制的断开持续时间的中点。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，所述第一LED的脉冲调制的脉冲的上升沿时间上与另一 LED的脉冲调制的脉冲的下降沿一致。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，相同驱动设备的不同通道的LED和 /或不同驱动设备的LED根据其脉冲调制的脉冲的时间上的位置协调或驱动设备自动相互协调。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，也幅度调制地驱动至少一个LED。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，如果LED的光线的混合不可得到100%的占空比时，减小至少一个LED的幅度，并且相应地提闻脉冲调制的占空比以用于稳定LED电流的时间上的平均值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少两个驱动设备在共同的时间基础上、例如借助于电网电压的特征点、优选其交零而同步。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，为每个驱动设备分派一个组关联，该组关联表明，应如何实现各脉冲调制的脉冲相对于共同的时间基础的位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过总线指令或通过直接在驱动设备处的输入进行所述组关联。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过第一驱动设备获取第二驱动设备的脉冲调制的程序组的时间上的位置并且时间上与其协调，所述第一驱动设备可与所述第二驱动设备自动协调。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，与在所述第一和第二驱动设备之间的共同的时间基础相关地确定所述第二驱动设备的脉冲调制的程序组的时间上的位置，例如借助于电网电压的特征点、优选地借助于其交零。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述第一驱动设备通过光传感器获取所述第二驱动设备的脉冲调制的程序组的时间上的位置。
13.—种电路、尤其是集成电路，如μ c或ASIC，其设计成用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
14.一种用于一个或多个LED的驱动设备，其包括-用于控制至少一个LED的控制电路，该控制电路将供电电流转换成带有适合于所述至少一个LED的参数的电流；-电路、尤其是集成电路、例如μ c或asic，所述电路设计成用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法，并且通过脉冲调制和/或幅度调制控制所述控制电路。
15.—种照明系统,其具有-至少两个与照明器件相连接的根据权利要求14所述的驱动设备。
全文摘要
本发明提出一种用于驱动彼此在视距中的PWM调制驱动的LED的方法。在此，通过该方法应降低可由人眼观察到的频闪效应。根据该方法，PWM脉冲在时间上相互协调，使得第一LED的PWM脉冲在另一LED的PWM断开持续时间中。
文档编号H05B33/08GK102598854SQ201080039096
公开日2012年7月18日 申请日期2010年8月31日 优先权日2009年9月4日
发明者U·凯勒, 爱德华多·佩雷拉, 迈克尔·齐默尔曼 申请人:特里多尼克股份有限公司