Способ и устройство для увеличения диапазона регулирования освещенности твердотельных осветительных приборов
Изобретение относится к устройствам освещения и управлению работой устройств освещения. Технический результат заключается в уменьшении светоотдачи в твердотельной осветительной нагрузке при низкой установке соответствующего регулятора освещенности. Результат достигается тем, что система для управления уровнем светоотдачи твердотельной осветительной нагрузки, управляемой регулятором освещенности, включает в себя детектор фазовых углов и преобразователь питания. Детектор фазовых углов выполнен с возможностью измерения фазового угла регулятора освещенности на основе выпрямленного напряжения с регулятора освещенности и определения сигнала управления мощностью на основе сравнения измеренного фазового угла с заданным первым порогом. Преобразователь питания выполнен с возможностью подачи выходного напряжения в твердотельную осветительную нагрузку, причем преобразователь питания работает в режиме без обратной связи на основе выпрямленного напряжения с регулятора освещенности, когда измеренный фазовый угол больше первого порога, и работает в режиме с обратной связью на основе выпрямленного напряжения с регулятора освещенности и определенного сигнала управления мощностью со схемы определения, когда измеренный фазовый угол меньше первого порога. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 9 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в основном, к твердотельным осветительным приборам. В частности, различные описываемые здесь способы и устройства изобретения относятся к избирательному увеличению диапазонов регулирования освещенности твердотельных осветительных приборов с помощью сигналов регулирования мощности, вычисляемых на основе определения фазового угла регулятора освещенности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Технология цифрового или твердотельного освещения, т.е., освещение, основанное на полупроводниковых источниках света, таких как светодиоды (СИД), представляет конкурентную альтернативу традиционным люминесцентным лампам, газоразрядным лампам высокой интенсивности и лампам накаливания. К функциональным достоинствам и преимуществам светодиодов относятся эффективное преобразование энергии и оптическая эффективность, долговечность, низкая стоимость эксплуатации и многие другие. Последние достижения технологии светодиодов дали эффективные и надежные широкодиапазонные источники света, которые позволяют реализовать множество световых эффектов в различных сферах применения. Некоторые из приборов, в которых реализованы эти источники, включают в себя осветительный модуль, содержащий один или более светодиодов, способных формировать различные цвета, например, красный, зеленый и синий, а также процессор для независимого управления выходными сигналами светодиодов с целью генерирования множества цветов и световых эффектов изменения цвета, например, как подробно описано в Патентах США № 6016038 и 6211626, включенных в настоящий документ в виде ссылки на них. Технология светодиодов включает в себя запитываемые сетевым напряжением осветительные приборы белого света, например, серии ESSENTIALWHITE, поставляемые компанией Philips Color Kinetics. Эти приборы могут иметь регулирование освещенности с помощью технологии регулятора освещенности по заднему фронту, такого как регуляторы освещенности сверхнизкого напряжения (СНН) для сетевых напряжений 120 В переменного тока.
Регуляторы освещенности используются во многих областях применения осветительных приборов. Традиционные регуляторы освещенности хорошо работают с лампами накаливания (обычными и галогенными). Однако проблемы возникают с другими типами электронных ламп, включая компактную люминесцентную лампу (КЛЛ), низковольтные галогенные лампы с использованием электрических трансформаторов и лампы твердотельного освещения (ТТО), такие как светодиоды (СИД) и органические светодиоды (ОСИД). Регулирование освещенности в низковольтных галогенных лампах с использованием электрических трансформаторов, в частности, может осуществляться с помощью специальных регуляторов освещенности, таких как регуляторы освещенности СНН или резистивно-емкостные (RC) регуляторы освещенности, которые удовлетворительно работают с нагрузками, которые на входе имеют цепь коррекции коэффициента мощности (PFC).
Традиционные регуляторы освещенности отсекают часть каждой формы импульса сигнала сетевого напряжения и пропускают оставшуюся часть формы импульса в осветительный прибор. Регулятор освещенности по переднему фронту или с отсечкой фазы по переднему фронту отсекает передний фронт формы импульса сигнала напряжения. Регулятор освещенности по заднему фронту или с отсечкой фазы по заднему фронту отсекает задний фронт формы импульса сигнала напряжения. Электронные нагрузки, такие как формирователи питания светодиода, обычно лучше работают с регуляторами освещенности по заднему фронту.
Устройства с нитями накаливания и прочие традиционные резистивные осветительные устройства естественным образом безошибочно реагируют на отсеченное синусоидальное колебание, формируемое, регулятором освещенности с отсечкой фазы. В отличие от них, светодиодные и прочие твердотельные осветительные нагрузки при установке на такие регуляторы освещенности с отсечкой фазы могут приводить к ряду проблем, таких как пропадание нижней части, ложное срабатывание симистора, проблемы минимальной нагрузки, мерцание верхней части и большие скачки светоотдачи. Кроме того, минимальная светоотдача твердотельной осветительной нагрузки при наименьшей установке регулятора освещенности относительно высока. Например, светоотдача светодиода при низкой установке регулятора освещенности может составлять 15-30 процентов от светоотдачи при максимальной установке, что может оказаться нежелательно высокой светоотдачей при низкой установке. Проблема высокой светоотдачи дополнительно обостряется тем, что спектральная характеристика человеческого глаза очень чувствительна при низких уровнях освещенности, из-за чего светоотдача кажется еще выше. Таким образом, существует потребность в уменьшении светоотдачи в твердотельной осветительной нагрузке при низкой установке соответствующего регулятора освещенности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее описание относится к способам и устройствам изобретения для уменьшения светоотдачи твердотельной осветительной нагрузки при низких установках фазового угла или уровня регулирования освещенности регулятора освещенности. Как правило, в одном аспекте система для управления уровнем светоотдачи твердотельной осветительной нагрузки включает в себя детектор фазовых углов и преобразователь питания. Детектор фазовых углов выполнен с возможностью измерения фазового угла регулятора освещенности на основе выпрямленного напряжения с регулятора освещенности и определения сигнала управления мощностью на основе сравнения измеренного фазового угла с заданным первым порогом. Преобразователь питания выполнен с возможностью подачи выходного напряжения в твердотельную осветительную нагрузку. Преобразователь питания работает в режиме без обратной связи на основе выпрямленного напряжения с регулятора освещенности, когда измеренный фазовый угол больше первого порога, и работает в режиме с обратной связью на основе выпрямленного напряжения с регулятора освещенности и определенного сигнала управления мощностью с детектора фазовых углов, когда измеренный фазовый угол меньше первого порога.
В другом аспекте способом дросселирования мощности осуществляется управление светоотдачей твердотельной осветительной нагрузки с помощью преобразователя питания, соединенного с регулятором освещенности. Данный способ включает в себя измерение фазового угла регулятора освещенности, соответствующего уровню регулирования освещенности, задаваемому в регуляторе освещенности; при измеренном фазовом угле, большем первого порога регулирования освещенности - генерирование сигнала управления мощностью, имеющего первую фиксированную установку мощности, и модулирование уровня светоотдачи твердотельной осветительной нагрузки на основе величины выходного напряжения регулятора освещенности; и при измеренном фазовом угле, меньшем первого порога регулирования освещенности - генерирование сигнала управления мощностью, имеющего установку мощности, определяемую как функция измеренного фазового угла, и модулирование уровня светоотдачи твердотельной осветительной нагрузки на основе величины выходного напряжения регулятора освещенности и определенной установки мощности.
В другом аспекте устройство содержит светодиодную нагрузку, схему измерения фазового угла и преобразователь питания. СИД нагрузка имеет светоотдачу, соответствующую фазовому углу регулятора освещенности. Схема измерения фазового угла выполнена с возможностью измерения фазового угла регулятора освещенности и выдачи сигнала управления мощностью сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с выхода ШИМ, причем сигнал управления мощностью с ШИМ имеет рабочий цикл, определяемый на основе измеренного фазового угла регулятора освещенности. Преобразователь питания выполнен с возможностью приема выпрямленного напряжения с регулятора освещенности и сигнала управления мощностью с ШИМ со схемы измерения фазового угла и подачи выходного напряжения в светодиодную нагрузку. Схема измерения фазового угла задает рабочий цикл сигнала управления мощностью с ШИМ с фиксированным высоким процентом, когда измеренный фазовый угол превышает высокий порог, обеспечивая определение преобразователем питания выходного напряжения на основе величины выпрямленного напряжения. Схема измерения фазового угла задает рабочий цикл сигнала управления мощностью с ШИМ с переменным процентом, вычисляемым в виде заданной функции измеренного фазового угла, когда измеренный фазовый угол меньше высокого порога, обеспечивая определение преобразователем питания выходного напряжения на основе сигнала управления мощностью с ШИМ в дополнение к величине выпрямленного напряжения.
Используемый здесь в целях настоящего изобретения термин СИД (светодиод) следует считать включающим в себя электролюминесцентный диод или иной тип системы на основе инжекции заряда/перехода, способной генерировать излучение в ответ на электрический сигнал. При этом термин СИД включает в себя, помимо прочего, различные полупроводниковые структуры, которые излучают свет в ответ на ток, светоизлучающие полимеры, органические светодиоды (ОСИД), электролюминесцентные ленты и т.д. В частности, термин СИД относится к светодиодам всех типов (включая полупроводниковые и органические светодиоды), которые могут быть выполнены с возможностью генерирования излучения в одной или более областей спектра - инфракрасной, ультрафиолетовой и различных участков спектра видимого излучения (как правило, включающего в себя длины волн излучения от приблизительно 400 нанометров до приблизительно 700 нанометров). К некоторым примерам светодиодов относятся, помимо прочего, различные типы инфракрасных светодиодов, ультрафиолетовых светодиодов, красных светодиодов, синих светодиодов, зеленых светодиодов, желтых светодиодов, янтарно-желтых светодиодов, оранжевых светодиодов и белых светодиодов (дополнительно рассматриваемых ниже). Следует также понимать, что светодиоды могут быть выполнены с возможностью или управляться с целью генерирования излучения, имеющего различные полосы пропускания (например, полную ширину на половине максимума или FWHM) для данного спектра и множество доминирующих длин волн в пределах общей классификации цветопередачи.
Например, одна реализация светодиода, выполненного с возможностью генерирования практически белый свет (например, светодиодный осветительный прибор белого света) может включать в себя ряд кристаллов, соответственно, излучающих различные спектры электролюминесценции, которые смешиваются друг с другом с образованием практически белого света. В другой реализации светодиодный осветительный прибор белого света может быть связан с кристаллическим люминофором, который преобразует электролюминесценцию, имеющую первый спектр, в другой второй спектр. В другом примере этой реализации электролюминесценция, имеющая относительно короткую длину импульса и спектр с узкой полосой пропускания, «накачивает» кристаллический люминофор, который, в свою очередь, испускает излучение с большей длиной импульса, имеющее несколько более широкий спектр.
Следует также понимать, что термин СИД не ограничивает тип физической и/или электрической компоновки светодиода. Например, как указано выше, светодиод может относиться к одному светоизлучающему устройству, имеющему множество кристаллов, которые выполнены с возможностью соответствующего испускания различных спектров излучения (например, которые могут или не могут управляться индивидуально). Кроме того, светодиод может быть связан с люминофором, который считается неотъемлемой частью светодиода (например, некоторых типов светодиодов белого свечения). Как правило, термин СИД может относиться к корпусированным светодиодам, некорпусированным светодиодам, светодиодам с поверхностным монтажом, светодиодам с бескорпусным монтажом кристаллов на печатной плате, светодиодам с монтажом в Т-образном корпусе, светодиодам с монтажом в звездчатом корпусе, светодиодам с монтажом в мощном корпусе, светодиодам, имеющим некоторые типы оболочек и/или оптический элемент (например, светорассеивающую линзу) и т.д.
Термин «источник света» следует считать относящимся к любому одному или более из множества источников излучения, включая, помимо прочего, светодиодные источники (содержащие один или более светодиодов, как описано выше), источники света с нитью накала (например, лампы накаливания, галогенные лампы), люминесцентные источники, фосфоресцирующие источники, газоразрядные источники высокой интенсивности (например, натриевые, ртутные и металлогалоидные лампы), лазеры, иные типы электролюминесцентных источников, пиролюминесцентные источники (например, пламя), газолюминесцентные источники (например, калильные сетки, источники излучения с угольной дугой), фотолюминесцентные источники (например, газоразрядные источники), катодолюминесцентные источники с использованием электронного насыщения, гальванолюминесцентные источники, кристаллолюминесцентные источники, кинелюминесцентные источники, термолюминесцентные источники, триболюминесцентные источники, сонолюминесцентные источники, радиолюминесцентные источники и люминесцентные полимеры.
Заданный источник света может быть выполнен с возможностью генерирования излучения в пределах видимой области спектра, за пределами видимой области спектра, либо в обеих указанных областях. Поэтому термины «свет» и «излучение» используются здесь как синонимы. Кроме того, источник света может включать в себя в качестве неотъемлемого компонента один или более фильтров (например, цветных светофильтров), линз или иных оптических компонентов. Кроме того, следует понимать, что источники света могут быть выполнены с возможностью использования в различных областях применения, включая, помимо прочего, индикацию, отображение и/или освещение. «Источник освещения» представляет собой источник света, который специально выполнен с возможностью генерирования излучения, имеющего достаточную интенсивность для эффективного освещения внутреннего или внешнего пространства. В данном случае «достаточная интенсивность» относится к достаточной мощности излучения в видимой области спектра, генерируемой в условиях космического пространства (единица «люмен» часто используется для представления общей светоотдачи источника света во всех направлениях в значениях мощности излучения или «светового потока») для создания освещения окружающего пространства (например, света, который может восприниматься косвенно и который может, например, отражаться от одной или более из множества промежуточных поверхностей перед восприятием полностью или частично).
Термин «осветительный прибор» используется здесь для ссылки на реализацию или размещение одного или более осветительных установок в конкретном форм-факторе, узле или корпусе. Термин «осветительная установка» используется здесь для ссылки на устройство, содержащее один или более источников света одного и того же или различных типов. Заданная осветительная установка может иметь любое из множества установочных устройств для источника (источников) света, конфигураций и форм кожуха/корпуса и/или конфигураций электрических и механических соединений. Кроме того, заданная осветительная установка может быть факультативно связанной (например, включать в себя, быть соединенной и/или скомпонованной вместе) с различными иными компонентами (например, управляющей схемой) в отношении действия источника (источников) света. «Светодиодная осветительная установка» относится к осветительной установке, которая включает в себя один или более светодиодных источников света, как указано выше, отдельно или в совокупности с иными несветодиодными источниками света. «Многоканальная» осветительная установка относится к светодиодной или несветодиодной осветительной установке, которая включает в себя, по меньшей мере, два источника света, выполненных с возможностью соответствующего генерирования различных спектров излучения, причем спектр каждого иного источника света может называться «каналом» многоканальной осветительной установки.
Термин «контроллер» используется здесь, как правило, для описания различных устройств, относящихся к действию одного или более источников света. Контроллер может быть реализован различными способами (например, с использованием специализированных аппаратных средств) для выполнения различных функций, рассмотренных в данном описании. «Процессор» представляет собой один пример контроллера, в котором используется один или более микропроцессоров, которые могут программироваться с помощью программного обеспечения (например, микропрограммы) для выполнения различных функций, рассмотренных в данном описании. Контроллер может быть реализован с использованием или без использования процессора и также может быть реализован в виде совокупности специализированных аппаратных средств для выполнения некоторых функций и процессора (например, одного или более программируемых микропроцессоров и соответствующей схемы) для выполнения других функций. К примерам компонентов контроллера, которые могут использоваться в различных вариантах осуществления настоящего изобретения, относятся, помимо прочего, универсальные микропроцессоры, микроконтроллеры, специализированные интегральные схемы (ASIC) и программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA).
В различных реализациях процессор и/или контроллер может быть связан с одним или более накопителей данных (как правило, называемых здесь «запоминающим устройством», например, энергозависимое и энергонезависимое запоминающее устройство компьютера, такое как оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СППЗУ), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ), накопитель с интерфейсом универсальной последовательной шины (USB), гибкие диски, компакт-диски, оптические диски, магнитная лента и т.д.). В некоторых реализациях накопитель данных может кодироваться с использованием одной или более программ, которые при исполнении в одном или более процессоров и/или контроллеров выполняют, по меньшей мере, некоторые из описываемых здесь функций. Различные накопители данных могут быть закреплены в процессоре или контроллере или могут быть переносимыми, поэтому одна или более хранящихся на них программ могут быть загружены в процессор или контроллер с тем, чтобы реализовать различные аспекты настоящего изобретения, рассматриваемые в настоящем описании. Термины «программа» или «компьютерная программа» используются здесь в общем смысле для ссылки на любой тип компьютерного кода (например, программное обеспечение или микропрограмму), который может использоваться для программирования одного или более процессоров или контроллеров.
В одной сетевой реализации одно или более устройств, связанных с сетью, могут служить в качестве контроллера для одного или более других устройств, связанных с сетью (например, при отношениях типа «главный-подчиненный»). В другой реализации сетевая среда может включать в себя один или более специализированных контроллеров, которые выполнены с возможностью управления одним или более устройств, связанных с сетью. Как правило, каждое из множества устройств, связанных с сетью, может иметь доступ к данным, имеющимся на среде или средах передачи данных; однако заданное устройство может быть «адресуемым» в том смысле, что оно выполняется с возможностью избирательного обмена данными с сетью (т.е., приема данных из сети и/или передачи данных в сеть) на основе, например, одного или более назначенных ему специальных идентификаторов (например, «адресов»).
Следует понимать, что все совокупности вышеизложенных концепций и дополнительных концепций, подробнее описываемых ниже (при условии, что такие концепции не являются взаимно противоречащими), рассматриваются как часть описываемого здесь объекта изобретения. В частности, все совокупности заявляемого объекта изобретения, представленные в конце данного описания, рассматриваются как часть описываемого здесь объекта изобретения. Следует также понимать, что однозначно используемая здесь терминология, которая также может оказаться в любом описании, включенном в настоящий документ в виде ссылки на него, должна соответствовать значению, наиболее согласующемуся с конкретными описываемыми здесь концепциями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На различных видах чертежей одинаковые номера позиций, как правило, всюду относятся к одинаковым или подобным деталям. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе, вместо этого особое внимание уделяется иллюстрированию принципов изобретения.
Фиг. 1 представляет собой блок-схему, на которой показана осветительная система с регулируемой освещенностью, содержащая твердотельный осветительный прибор и фазовый детектор в соответствии с характерным вариантом осуществления.
Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему, на которой показана система управления регулированием освещенности, содержащая твердотельный осветительный прибор и схему измерения фазы в соответствии с характерным вариантом осуществления.
Фиг. 3 представляет собой график, на которым показаны значения сигнала управления мощностью по отношению к фазовому углу регулятора освещенности в соответствии с характерным вариантом осуществления.
Фиг. 4 представляет собой структурную схему, на которой показан процесс задания сигнала управления мощностью для управления выходной мощностью преобразователя питания в соответствии с характерным вариантом осуществления.
Фиг. 5 представляет собой структурную схему, на которой показан процесс подачи выходной мощности преобразователя питания в соответствии с характерным вариантом осуществления.
На фиг. 6А-6С показаны примеры формы импульса и соответствующие цифровые импульсы регулятора освещенности в соответствии с характерным вариантом осуществления.
Фиг. 7 представляет собой структурную схему, на которой показан процесс измерения фазового угла регулятора освещенности в соответствии с характерным вариантом осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В приведенном ниже подробном описании в целях объяснения, а не ограничения, характерные варианты осуществления, описывающие отдельные подробности, излагаются с целью обеспечения полного понимания настоящих вариантов осуществления. Тем не менее специалисту, получившему эффект от настоящего изобретения, очевидно, что другие варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, описания известных устройств и способов можно пропустить с тем, чтобы они не мешали описанию характерных вариантов осуществления. Такие способы и устройства, несомненно, находятся в пределах объема настоящего изобретения.
Заявители признают и понимают, что было бы полезно создать устройство и способ для понижения минимального выходного уровня освещенности, которого в иных случаях можно было бы достичь с помощью электронного трансформатора с твердотельной осветительной нагрузкой, подключенной к регулятору освещенности с отсечкой фазы.
Фиг. 1 представляет собой блок-схему, на которой показана осветительная система с регулируемой освещенностью, содержащая твердотельный осветительный прибор и детектор фазового угла в соответствии с характерным вариантом осуществления. В соответствии с фиг. 1, осветительная система с регулируемой освещенностью 100 содержит регулятор освещенности 104 и схему выпрямления 105, которая подает (отрегулированное) выпрямленное напряжение Urect с питающей сети 101. Питающая сеть 101 может обеспечивать различные невыпрямленные входные напряжения сети переменного тока, такие как 100 В переменного тока, 120 В переменного тока, 230 В переменного тока и 277 В переменного тока в соответствии с различными реализациями. Регулятор освещенности 104 представляет собой регулятор освещенности с отсечкой фазы, который, например, обеспечивает возможности регулирования освещенности путем отсечки передних фронтов (регулятор освещенности по переднему фронту) или задних фронтов (регулятор освещенности по заднему фронту) форм импульса сигнала напряжения от сетевого напряжения 101 в ответ на вертикальное перемещение его ползунка 104а. Как правило, величина выпрямленного напряжения Urect пропорциональна уровню регулирования освещенности, задаваемому регулятором освещенности 104, поэтому меньший фазовый угол или уровень регулирования освещенности приводит к меньшему выпрямленному напряжению Urect. В изображенном примере можно исходить из того, что ползунок перемещается вниз для понижения фазового угла, уменьшая величину светоотдачи твердотельной осветительной нагрузки 130, и перемещается вверх для повышения фазового угла, увеличивая величину светоотдачи твердотельной осветительной нагрузки 130.
Осветительная система с регулируемой освещенностью 100 дополнительно содержит детектор фазовых углов 110 и преобразователь питания 120. Как правило, детектор фазовых углов 110 измеряет фазовый угол регулятора освещенности 104 на основе выпрямленного напряжения Urect и выдает сигнал управления мощностью по управляющей шине 129 в преобразователь питания 120. Сигнал управления мощностью может быть, например, сигналом с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) или иным цифровым сигналом и может периодически изменяться между высоким и низким уровнями в соответствии с рабочим циклом, определяемым детектором фазовых углов 110 на основе измеренного фазового угла. Рабочий цикл может варьироваться приблизительно от 100 процентов (например, постоянно находиться на высоком уровне) приблизительно до нуля процентов (например, постоянно находиться на низком уровне) и включает в себя любую процентную долю между указанными значениями с целью надлежащего регулирования установки мощности преобразователя питания 120 для управления уровнем света, испускаемого твердотельной осветительной нагрузкой 130, как описывается ниже. Например, рабочий цикл 70 процентов означает, что прямоугольный импульс сигнала управления мощностью находится на высоком уровне для 70 процентов периода импульса и на низком уровне для 30 процентов периода импульса.
В различных вариантах осуществления преобразователь питания 120 принимает выпрямленное напряжение Urect со схемы выпрямления 105 и выдает соответствующее напряжение постоянного тока для питания твердотельной осветительной нагрузки 130. Преобразователь питания 120 преобразует выпрямленное напряжение Urect в другое напряжение постоянного тока на основе, по меньшей мере, двух переменных: (1) величины выходного напряжения с регулятора освещенности 104 через схему выпрямления 105, например, задаваемую посредством перемещения ползунка 104а, и (2) значения установки мощности сигнала управления мощностью, генерируемого и выдаваемого детектором фазовых углов 110 по управляющей шине 129, например, устанавливаемого в соответствии с заданной функцией или алгоритмом управления, описываемым ниже. При этом напряжение постоянного тока, выдаваемое преобразователем питания 120, отражает фазовый угол регулятора освещенности (т.е., уровень регулирования освещенности), применяемый регулятором освещенности 104, даже при низких уровнях регулирования освещенности, ниже которых традиционная система с регулированием освещенности больше не обеспечивает дополнительное уменьшение светоотдачи твердотельной осветительной нагрузки 130. Функция преобразования выпрямленного напряжения Urect в напряжение постоянного тока может также зависеть от дополнительных факторов, таких как свойства преобразователя питания 120, тип и конфигурация твердотельной осветительной нагрузки 130 и прочих требований по применению и конструкции различных реализаций, как будет очевидно специалистам в данной области техники.
В различных вариантах осуществления осветительная система с регулируемой освещенностью 100 обеспечивает избирательное дросселирование с обратной связью твердотельной осветительной нагрузки 130. Иными словами, преобразователь питания 120 избирательно действует в режиме с обратной связью или режиме без обратной связи в зависимости от фазового угла регулятора освещенности, измеренного фазовым детектором 110. В режиме без обратной связи детектор фазовых углов 110 задает сигналу управления мощностью постоянную или фиксированную установку, которая фиксирует рабочую точку преобразователя питания 120. Поэтому преобразователь питания 120 преобразует выпрямленное напряжение Urect в напряжение постоянного тока на основе только величины выпрямленного напряжения Urect, передающего заданную величину мощности из питающей сети 101 в твердотельную осветительную нагрузку 130. В режиме с обратной связью детектор фазовых углов 110 вычисляет переменную установку мощности сигнала управления мощностью, которая динамически регулирует рабочую точку преобразователя питания 120. Поэтому преобразователь питания 120 преобразует выпрямленное напряжение Urect в напряжение постоянного тока на основе установки мощности сигнала управления мощностью, а также величины выпрямленного напряжения Urect.
Осветительная система с регулируемой освещенностью 100 может быть выполнена с возможностью обеспечения диапазона в режиме с обратной связью между высшим и низшим диапазонами в режиме без обратной связи преобразователя питания 120. Как подробно рассматривается ниже со ссылкой на фиг. 3, детектор фазовых углов 110 может задавать сигналу управления мощностью установку высокой фиксированной мощности, когда измеренный фазовый угол выше заданного первого порога, установку низкой фиксированной мощности, когда измеренный фазовый угол ниже заданного второго порога, и расчетную переменную установку мощности, когда измеренный фазовый угол находится между первым порогом и вторым порогом. Например, когда детектор фазовых углов 110 измеряет фазовый угол выше первого порога (например, первый низкий уровень регулирования освещенности), он задает сигналу управления мощностью высокий рабочий цикл (например, 100 процентов), а преобразователь питания 120 устанавливает свою выходную мощность исходя только из изменений величины выпрямленного напряжения Urect. Аналогичным образом, когда детектор фазовых углов 110 измеряет фазовый угол ниже второго порога (например, второй низкий уровень регулирования освещенности или нулевая светоотдача), он задает сигналу управления мощностью низкий рабочий цикл (например, ноль процентов), а преобразователь питания 120 вновь устанавливает свою выходную мощность исходя только из изменений величины выпрямленного напряжения Urect. Когда детектор фазовых углов 110 измеряет фазовый угол ниже первого порога и выше второго порога, он динамически вычисляет рабочий цикл сигнала управления мощностью для отражения измеренного фазового угла, а преобразователь питания 120 устанавливает свою выходную мощность исходя из расчетного рабочего цикла и изменений величины выпрямленного напряжения Urect. В соответствии с этим, светоотдача твердотельной осветительной нагрузки 130 продолжает ослабляться даже при низких уровнях регулирования освещенности, например, ниже первого порога, что в иных случаях не имело бы никакого воздействия на светоотдачу традиционных систем.
Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему, на которой показана система управления регулированием освещенности, содержащая твердотельный осветительный прибор и схему измерения фазового угла в соответствии с характерным вариантом осуществления. Основные компоненты фиг. 2 аналогичны компонентам фиг. 1, хотя в соответствии с иллюстративной конфигурацией представлено больше подробностей в отношении различных характерных компонентов. Разумеется, в пределах объема настоящего изобретения могут быть реализованы и другие конфигурации.
В соответствии с фиг. 2, система управления освещенностью 200 содержит схему выпрямления 205, схему определения фазовых углов 210 регулятора освещенности (заштрихованный прямоугольник), преобразователь питания 220 и светодиодную нагрузку 230. Как указано выше в отношении схемы выпрямления 105, схема выпрямления 205 соединяется с регулятором освещенности (не показан), обозначенным входом регулирования освещенности под напряжением и нейтральным входом регулирования освещенности для приема (отрегулированного) невыпрямленного напряжения из питающей сети (не показана). В изображенной конфигурации схема выпрямления 205 содержит четыре диода D201-D204, подключенных между узлом выпрямленного напряжения N2 и напряжением земли. Узел выпрямленного напряжения N2 принимает (отрегулированное) выпрямленное напряжение Urect и соединен с землей через фильтрующий конденсатор С215, подключенный параллельно схеме выпрямления 205.
Детектор фазовых углов 210 измеряет фазовый угол регулятора освещенности (уровень регулирования освещенности) на основе выпрямленного напряжения Urect и выдает сигнал управления мощностью с выхода ШИМ 219 по управляющей шине 229 в преобразователь питания 220 для управления действием светодиодной нагрузки 230. Это позволяет детектору фазовых углов 210 избирательно регулировать величину мощности, передаваемой из входной сети в светодиодную нагрузку 230 на основе измеренного фазового угла. В изображенном характерном варианте осуществления сигналом управления мощностью является сигнал с ШИМ, имеющий рабочий цикл, определяемый детектором фазовых углов 210 и соответствующий установке мощности, подаваемой в преобразователь питания 220. Кроме того, в изображенном характерном варианте осуществления детектор фазовых углов 210 содержит микроконтроллер 215, который использует формы импульса выпрямленного напряжения Urect для определения фазового угла регулятора освещенности и выдает сигнал управления мощностью с ШИМ через выход ШИМ 219, подробно рассматриваемый ниже.
Преобразователь питания 220 принимает выпрямленное напряжение Urect в узле выпрямленного напряжения N2 и преобразует выпрямленное напряжение Urect в соответствующее напряжение постоянного тока для питания светодиодной нагрузки 230. Преобразователь питания 220 действует избирательно в режиме без обратной связи (или с прямой связью), как описано, например, Lys в Патенте США № 7256554, включенном в настоящий документ в виде ссылки на него, и в режиме с обратной связью в зависимости от сигнала управления мощностью с ШИМ, подаваемого схемой определения фазовых углов 210. В различных вариантах осуществления преобразователем питания 220 может быть, например, L6562, поставляемый компанией ST Microelectronics, хотя могут использоваться и иные типы преобразователей питания или иных трансформаторов и/или процессоров, находящихся в пределах объема настоящего изобретения. Например, преобразователем питания 220 может быть преобразователь с фиксированным временем отключения, коррекцией коэффициента мощности, однокаскадный, инвертирующий вольтодобавочный преобразователь, хотя может использоваться преобразователь любого типа с номинальным управлением без обратной связи.
СИД нагрузка 230 содержит цепочку последовательно соединенных светодиодов, обозначенную соответствующими светодиодами 231 и 232, между выходом преобразователя питания 220 и землей. Управление величиной тока нагрузки через светодиодную нагрузку 230 и, следовательно, величиной света, излучаемого светодиодной нагрузкой 230, осуществляется непосредственно величиной выходной мощности преобразователя питания 220. Управление величиной выходной мощности преобразователя питания 220 осуществляется величиной выпрямленного напряжения Urect и измеренного фазового угла (уровня регулирования освещенности) регулятора освещенности, измеренного схемой определения фазовых углов 210.
Фиг. 3 представляет собой график, на которым показаны значения сигнала управления мощностью по отношению к фазовому углу регулятора освещенности в соответствии с характерным вариантом осуществления. В соответствии с фиг. 3, вертикальная ось отображает установку мощности сигнала управления мощностью, увеличивающуюся вверх от низкой или минимальной установки мощности, а горизонтальная ось отображает фазовый угол регулятора освещенности (например, измеряемой схемой определения фазовых углов 210), увеличивающийся справа налево от низкого или минимального уровня регулирования освещенности.
Когда схема определения фазовых углов 210 определяет, что фазовый угол регулятора освещенности выше заданного первого порога, обозначенного первым фазовым углом θ1, рабочему циклу сигнала управления мощностью с ШИМ задается его максимальная установка мощности (например, рабочий цикл 100 процентов), которая фиксирует рабочую точку преобразователя питания 220. Поэтому преобразователь питания 220 определяет и выдает питание в светодиодную нагрузку 230 на основе лишь значения выпрямленного напряжения Urect. Иными словами, преобразователь питания 220 работает без обратной связи, поэтому только регулятор освещенности с отсечкой фазы модулирует мощность, передаваемую на выход преобразователя питания 220 через схему выпрямления 205. В различных вариантах осуществления первым фазовым углом θ1 является фазовый угол регулятора освещенности, при котором последующее снижение уровня регулирования освещенности в регуляторе освещенности с иных случаях не уменьшает светоотдачу световой нагрузки 230, которая может составлять, например, около 15-30 процентов от светоотдачи при максимальной установке.
Когда схема определения фазовых углов 210 определяет, что фазовый угол регулятора освещенности ниже первого фазового угла θ1, она начинает регулировать относительный рабочий цикл сигнала управления мощностью с ШИМ вниз от наивысшей установки мощности с целью понижения выходной мощности преобразователя питания 220. Поэтому преобразователь питания 220 определяет и выдает питание в светодиодную нагрузку 230 на основе значения выпрямленного напряжения Urect и установки мощности сигнала управления мощностью с ШИМ, например, модулированного микроконтроллером 215. Иными словами, преобразователь питания 220 работает с обратной связью с использованием обратной связи по сигналу управления мощностью с ШИМ.
Сигнал управления мощностью с ШИМ понижается в ответ на уменьшения измеренного фазового угла регулятора освещенности до тех пор, пока измеренный фазовый угол не достигнет заданного второго порога, обозначенного вторым фазовым углом θ2, описываемым ниже. Необходимо отметить, что характерной кривой на фиг. 3 показана линейная широтно-импульсная модуляция от максимальной установки мощности при первом фазовом угле θ1 до минимальной установки мощности при втором фазовом угле θ2, изображенная в виде линейного изменения. Однако в пределах объема настоящего изобретения может быть установлено и нелинейное изменение. Например, в различных вариантах осуществления нелинейная функция сигнала управления мощностью с ШИМ может быть необходима для создания ощущения линейности светоотдачи светодиодной нагрузки 230, соответствующей перемещению ползунка регулятора освещенности, как очевидно специалисту в данной области техники.
Когда схема определения фазовых углов 210 определяет, что фазовый угол регулятора освещенности был уменьшен ниже заданного второго порога, обозначенного вторым фазовым углом θ2, рабочему циклу сигнала управления мощностью с ШИМ задается его минимальная установка мощности (например, рабочий цикл ноль процентов), которая фиксирует рабочую точку преобразователя питания 220. Поэтому преобразователь питания 220 определяет и выдает питание в светодиодную нагрузку 230 на основе лишь значения выпрямленного напряжения Urect. Иными словами, преобразователь питания 220 вновь работает без обратной связи, поэтому только регулятор освещенности с отсечкой фазы модулирует мощность, передаваемую на выход преобразователя питания 220 через схему выпрямления 205.
Величина второго фазового угла θ2 может варьироваться для обеспечения уникальных преимуществ в любой конкретной ситуации или для удовлетворения связанных с конкретным применением требований к различным реализациям, как очевидно специалисту в данной области техники. Например, величиной второго фазового угла θ2 может быть фазовый угол регулятора освещенности, при котором дальнейшее уменьшение мощности, передаваемой в светодиодную нагрузку 230, может привести к уменьшению нагрузки ниже минимальных требований к нагрузке преобразователя питания 220. В соответствии с другим вариантом, величиной второго фазового угла θ2 может быть фазовый угол регулятора освещенности, соответствующий заданному минимальному уровню светоотдачи светодиодной нагрузки 230. В различных альтернативных вариантах осуществления второй фазовый угол θ2 может быть попросту нулевым, и в этом случае преобразователь питания 220 работает в режиме с обратной связью с использованием обратной связи по сигналу управления мощностью с ШИМ до тех пор, пока фазовый угол регулятора освещенности не уменьшится до своего минимального уровня (который может быть нулевым или некоторым заданным минимальным уровнем выше нуля).
Фиг. 4 представляет собой структурную схему, на которой показан процесс задания сигнала управления мощностью для управления выходной мощностью преобразователя питания в соответствии с характерным вариантом осуществления. Показанный на фиг. 4 процесс может быть реализован, например, с помощью микроконтроллера 215, показанного на фиг. 2, хотя могут использоваться и иные типы процессоров и контроллеров в пределах объема настоящего изобретения.
В блоке S421 фазовый угол регулятора освещенности θ определяется схемой определения фазовых углов 210. В блоке S422 устанавливается, является ли измеренный фазовый угол регулятора освещенности большим или равным первому фазовому углу θ1, который соответствует заданному первому порогу. Когда измеренный фазовый угол регулятора освещенности больше или равен первому фазовому углу θ1 (блок S422: Да), сигналу управления мощностью с ШИМ задается фиксированная максимальная установка (например, рабочий цикл 100 процентов) в блоке S423. Сигнал управления мощностью с ШИМ передается в преобразователь питания 220 по управляющей шине 229 в блоке S430, и процесс возвращается в блок S421 для продолжения измерения фазового угла регулятора освещенности θ.
Когда измеренный фазовый угол регулятора освещенности не является большим или равным первому фазовому углу θ1 (блок S422: Нет), в блоке S424 устанавливается, является ли измеренный фазовый угол регулятора освещенности меньшим или равным второму фазовому углу θ2, который соответствует заданному второму порогу. Когда измеренный фазовый угол регулятора освещенности меньше или равен второму фазовому углу θ1 (блок S424: Да), сигналу управления мощностью с ШИМ задается фиксированная минимальная установка (например, рабочий цикл ноль процентов) в блоке S425. Сигнал управления мощностью с ШИМ передается в преобразователь питания 220 по управляющей шине 229 в блоке S430, и процесс возвращается в блок S421 для продолжения измерения фазового угла регулятора освещенности θ.
Когда измеренный фазовый угол регулятора освещенности не является большим или равным второму фазовому углу θ2 (блок S424: Нет), сигнал управления мощностью с ШИМ вычисляется в блоке S426. Например, относительный рабочий цикл сигнала управления мощностью с ШИМ может вычисляться в соответствии с заданной функцией измеренного фазового угла регулятора освещенности, например, реализованной в виде программно- и/или микропрограммно-реализованного алгоритма, исполняемого микроконтроллером 215, с целью обеспечения соответствующей установки мощности. Заданной функцией может быть линейная функция, которая обеспечивает линейно уменьшающиеся относительные рабочие циклы, соответствующие уменьшающимся уровням регулирования освещенности. В другом варианте осуществления заданной функцией может быть нелинейная функция, которая обеспечивает нелинейно уменьшающиеся относительные рабочие циклы, соответствующие уменьшающимся уровням регулирования освещенности. Рабочему циклу сигнала управления мощностью с ШИМ задается вычисленная процентная доля в блоке S427 и передается в преобразователь питания 220 по управляющей шине 229 в блоке S430. Процесс возвращается в блок S421 для продолжения измерения фазового угла регулятора освещенности θ.
В изображенном варианте осуществления в блоке S424 принимается отдельное решение относительно того, является ли измеренный фазовый угол регулятора освещенности меньшим или равным второму фазовому углу θ2 после того, как было определено, что фазовый угол регулятора освещенности упал ниже первого фазового угла θ1 в блоке S422 перед тем, как сигнал управления мощностью с ШИМ вычислен в блоке S422 в соответствии с заданной функцией. Однако в различных альтернативных вариантах осуществления явное сравнение со вторым фазовым углом θ2 может быть исключено, так что сигнал управления мощностью с ШИМ вычисляется в блоке S426 (и преобразователь питания начинает работать в режиме с обратной связью) после того, как было определено, что измеренный фазовый угол θ регулятора освещенности меньше первого фазового угла θ1. Например, заданная функция сама по себе может привести к тому, что относительному рабочему циклу задается фиксированная минимальная установка мощности при втором фазовом угле θ2 без необходимости отдельного сравнения между измеренным фазовым углом регулятора освещенности θ и вторым фазовым углом θ2.
Фиг. 5 представляет собой структурную схему, на которой показан процесс определения выходной мощности преобразователя питания в соответствии с характерным вариантом осуществления. Процесс, изображенный на фиг. 4, может быть реализован, например, с помощью преобразователя питания 220, показанного на фиг. 2, хотя могут использоваться и иные типы процессоров и контроллеров в пределах объема настоящего изобретения.
В блоке S521 преобразователь питания 220 принимает (отрегулированное) выпрямленное напряжение Urect со схемы выпрямления 205. В то же время, в блоке S522 преобразователь питания 220 принимает сигнал управления мощностью с ШИМ с детектора фазовых углов 210, как показано в блоке S430 на фиг. 4. В блоке S523 определяется, находится ли сигнал управления мощностью с ШИМ в фиксированной максимальной установке. Когда сигнал управления мощностью с ШИМ находится в фиксированной максимальной установке (блок S523: Да), рабочая точка преобразователя питания 220 фиксируется, и выходная мощность определяется в режиме без обратной связи в блоке S524 на основе лишь величины выпрямленного напряжения, принимаемого в блоке S521. Определенная выходная мощность выдается в светодиодную нагрузку 230 в блоке S530, и процесс возвращается в блок S521.
Когда сигнал управления мощностью с ШИМ не находится в фиксированной максимальной установке (блок S523: Нет), в блоке S525 определяется, находится ли сигнал управления мощностью с ШИМ в фиксированной минимальной установке. Когда сигнал управления мощностью с ШИМ находится в фиксированной минимальной установке (блок S525: Да), рабочая точка преобразователя питания 220 фиксируется, и выходная мощность определяется в режиме без обратной связи в блоке S524 на основе лишь величины выпрямленного напряжения, принимаемого в блоке S521. Определенная выходная мощность выдается в светодиодную нагрузку 230 в блоке S530, и процесс возвращается в блок S521.
Когда сигнал управления мощностью с ШИМ не находится в фиксированной минимальной установке (блок S525: Нет), выходная мощность определяется в режиме с обратной связью в блоке S526 на основе величины выпрямленного напряжения, принимаемого в блоке S521, и сигнала управления мощностью с ШИМ, принимаемого в блоке S522. Определенная выходная мощность выдается в светодиодную нагрузку 230 в блоке S530, и процесс возвращается в блок S521.
В изображенном варианте осуществления в блоке S525 принимается отдельное решение относительно того, находится ли сигнал управления мощностью с ШИМ в фиксированной минимальной установке мощности после того, как в блоке S523 определено, что сигнал управления мощностью с ШИМ не находится в фиксированной максимальной установке мощности, и до того, как выходная мощность определяется на основе как величины выпрямленного напряжения, так и сигнала управления мощностью с ШИМ в блоке S526. Однако в различных альтернативных вариантах осуществления явное сравнение с фиксированной минимальной установкой мощности может быть исключено, так что управление сигналом выходной мощности осуществляется на основе как величины выпрямленного напряжения, так и сигнала управления мощностью с ШИМ при любой установке мощности (обеспечиваемой сигналом управления мощностью с ШИМ), которая меньше фиксированной максимальной установки мощности. Например, преобразователь питания 220 может быть выполнен с возможностью выдачи уменьшающихся уровней выходной мощности, соответствующих уменьшающимся установкам мощности, так что наименьший уровень выходной мощности соответствует наименьшей установке мощности без необходимости проведения отдельного сравнения между установкой мощности сигнала управления мощностью с ШИМ и заданной фиксированной наименьшей установкой мощности.
В соответствии с фиг. 2, в изображенном характерном варианте осуществления схема детектирования фазовых углов 210 содержит микроконтроллер 215, который использует формы импульса выпрямленного напряжения Urect для определения фазового угла регулятора освещенности. Микроконтроллер 215 содержит цифровой входной контакт 218, подключенный между верхним диодом D211 и нижним диодом D212. У верхнего диода D211 имеется анод, соединенный с цифровым входным контактом 218, и катод, соединенный с источником напряжения Vcc, а у нижнего диода 112 имеется анод, соединенный с землей, и катод, соединенный с цифровым входным контактом 218. Микроконтроллер 215 также содержит цифровой выход, такой как выход ШИМ 219.
В различных вариантах осуществления микроконтроллером 215 может быть, например, PIC12F683, поставляемый компанией Microchip Technology, Inc., хотя могут использоваться и иные типы микроконтроллеров или иных процессоров в пределах объема настоящего изобретения. Например, функциональные возможности микроконтроллера 215 могут быть реализованы с помощью одного или более процессоров и/или контроллеров и соответствующего запоминающего устройства, которое может быть запрограммировано с использованием программного обеспечения или микропрограммного обеспечения для выполнения различных функций, либо могут быть реализованы в виде совокупности специализированных аппаратных средств для выполнения некоторых функций и процессора (например, одного или более программируемых микропроцессоров и соответствующей схемы) для выполнения других функций. К примерам компонентов контроллера, которые могут использоваться в различных вариантах осуществления настоящего изобретения, относятся, помимо прочего, универсальные микропроцессоры, микроконтроллеры, ASIC и FPGA, как описывалось выше.
Схема определения фазовых углов 210 дополнительно содержит различные пассивные электронные компоненты, такие как первый и второй конденсаторы С213 и С214, и первый и второй резисторы R211 и R212. Первый конденсатор С213 подключен между цифровым входным контактом 218 микроконтроллера 215 и узлом определения N1. Второй конденсатор С214 подключен между узлом определения N1 и землей. Первый и второй резисторы R211 и R212 подключены параллельно между узлом выпрямленного напряжения N2 и узлом определения N1. В изображенном варианте осуществления первый конденсатор С213 может иметь значение около 560 пФ, а второй конденсатор С214 может иметь значение около 10 пФ, например. Кроме того, первый резистор R211 может иметь значение около 1 мегом, а второй резистор R212 может иметь значение около 1 мегом R212, например. Однако соответствующие значения первого и второго конденсаторов С213 и С214 и первого и второго резисторов R211 и R212 могут варьироваться для обеспечения уникальных преимуществ в любой конкретной ситуации или для удовлетворения связанных с конкретным применением требований к различным реализациям, как очевидно специалисту в данной области техники.
(Отрегулированное) выпрямленное напряжение Urect связано по переменному току с цифровым входным контактом 218 микроконтроллера 215. Первый резистор R211 и второй резистор R212 ограничивают ток в цифровой входной контакт 218. Когда форма импульса сигнала выпрямленного напряжения Urect устанавливается в состояние высокого потенциала, первый конденсатор С213 заряжается по нарастающему фронту через первый и второй резисторы R211 и R212. Верхний диод D211 в микроконтроллере 215 фиксирует уровень цифрового входного контакта 218 одним падением напряжения диода выше Vcc, например. На спадающем фронте формы импульса сигнала выпрямленного напряжения Urect первый конденсатор С213 разряжается, и уровень цифрового входного контакта 218 фиксируется одним падением напряжения диода ниже земли с помощью нижнего диода 212. В соответствии с этим, результирующий цифровой сигнал логического уровня на цифровом входном контакте 218 микроконтроллера 215 точно следует за изменением отсеченного выпрямленного напряжения Urect, примеры которого приведены на фиг. 6А-6С.
В частности, на фиг. 6А-6С показаны примеры формы импульса и соответствующие цифровые импульсы регулятора на цифровом входном контакте 218 в соответствии с характерным вариантом осуществления. Верхние формы импульса на каждом чертеже отображают отсеченное выпрямленное напряжение Urect, при этом величина отсечения отражает уровень регулирования освещенности. Например, формы импульса могут отображать часть полного максимума 170 В (или 340 В для Европейского Союза), выпрямленный синусоидальный сигнал, который оказывается на выходе регулятора освещенности. Нижние прямоугольные формы импульса отображают соответствующие цифровые импульсы, наблюдаемые на цифровом входном контакте 218 микроконтроллера 215. В частности, длина каждого цифрового импульса соответствует отсеченной форме импульса и, следовательно, равна отрезку времени, в течение которого встроенный переключатель регулятора освещенности «включен». За счет приема цифровых импульсов через цифровой входной контакт 218 микроконтроллер 215 способен определять уровень, на который был установлен регулятор освещенности.
На фиг. 6А показаны примеры формы импульса выпрямленного напряжения Urect и соответствующие цифровые импульсы, когда регулятор освещенности находится в своей максимальной установке, изображенной верхним положением ползунка регулятора освещенности, показанного рядом с формами импульса. На фиг. 6В показаны примеры формы импульса выпрямленного напряжения Urect и соответствующие цифровые импульсы, когда регулятор освещенности находится в средней установке, изображенной средним положением ползунка регулятора освещенности, показанного рядом с формами импульса. На фиг. 6С показаны примеры формы импульса выпрямленного напряжения Urect и соответствующие цифровые импульсы, когда регулятор освещенности находится в минимальной установке, изображенной нижним положением ползунка регулятора освещенности, показанного рядом с формами импульса.
Фиг. 7 представляет собой структурную схему, на которой показан процесс измерения фазового угла регулятора освещенности в соответствии с характерным вариантом осуществления. Данный процесс может быть реализован с помощью микропрограммного обеспечения и/или программного обеспечения, исполняемого микроконтроллером 215, показанным на фиг. 2, например, или более общепринятым способом с помощью детектора фазовых углов 110, показанного на фиг. 1.
В блоке S721 на фиг. 7 измеряется нарастающий фронт цифрового импульса входного сигнала (например, показанного нарастающими фронтами нижних форм импульса на фиг. 6А-6С), а дискретизация на цифровом входном контакте 218 микроконтроллера 215, например, начинается в блоке S722. В изображенном варианте осуществления дискретизация сигнала выполняется в цифровой форме в течение заданного времени, равного величине, несколько меньшей полупериода сетевого напряжения. Каждый раз, когда осуществляется дискретизация сигнала, в блоке S723 определяется, имеет ли дискретное значение высокий уровень (например, цифровую «1») или низкий уровень (например, цифровой «0»). В изображенном варианте осуществления в блоке S723 выполняется сравнение для определения того, является ли дискретное значение цифровой «1». Когда дискретное значение является цифровой «1» (блок S723: Да), в блоке S724 значение счетчика увеличивается, а когда дискретное значение не является цифровой «1» (блок S723: Нет), в блоке S725 вводится небольшая задержка. Задержка вводится таким образом, что число циклов синхронизации (например, микроконтроллера 215) одинаково независимо от того, определены ли дискретные значения как цифровая «1» или как цифровой «0».
В блоке S726 определяется, осуществлена ли дискретизация всего полупериода сетевого напряжения. Когда полупериод сетевого напряжения не завершен (блок S726: Нет), процесс возвращается в блок S722 для повторной дискретизации сигнала на цифровом входном контакте 218. Когда полупериод сетевого напряжения завершен (блок S726: Да), дискретизация прекращается, и значение счетчика (накопленное в блоке S724) устанавливается в качестве текущего фазового угла регулятора освещенности или уровня регулирования освещенности в блоке S727 и запоминается, например, в запоминающем устройстве, примеры которого описывались выше. Счетчик сбрасывается на ноль, и микроконтроллер 215 ожидает очередного нарастающего фронта для повторного начала дискретизации.
Например, можно предположить, что микроконтроллер 215 принимает 255 дискретных значений в течение полупериода сетевого напряжения. Когда уровень регулирования освещенности установлен ползунком в верхнее положение своего диапазона (например, как показано на фиг. 6А), значение счетчика увеличится приблизительно до 255 в блоке S724 на фиг. 6. Когда уровень регулирования освещенности установлен ползунком в нижнее положение своего диапазона (например, как показано на фиг. 6С), значение счетчика увеличится приблизительно до 10 или 20 в блоке S724. Когда уровень регулирования освещенности установлен приблизительно посередине своего диапазона (например, как показано на фиг. 6В), значение счетчика увеличится приблизительно до 128 в блоке S724. Таким образом, значение счетчика дает микроконтроллеру точное указание уровня, на который установлен регулятор освещенности, или фазового угла регулятора освещенности. В различных вариантах осуществления фазовый угол регулятора освещенности может вычисляться, например, микроконтроллером 215 с использованием заданной функции значения счетчика, причем функция может варьироваться для обеспечения уникальных преимуществ в любой конкретной ситуации или для удовлетворения связанных с конкретным применением требований к различным реализациям, как очевидно специалисту в данной области техники.
В соответствии с этим, фазовый угол регулятора освещенности может измеряться электронными средствами с использованием минимального числа пассивных компонентов и цифровой входной структуры микроконтроллера (или иного процессора или схемы обработки данных). В одном варианте осуществления измерение фазового угла выполняется с использованием цепи связи по переменному току, цифровой входной структуры микроконтроллера с диодной фиксацией и алгоритма (например, реализуемого с помощью микропрограммного обеспечения, программного обеспечения и/или аппаратных средств), исполняемого для определения уровня установки регулятора освещенности. Кроме того, состояние регулятора освещенности может измеряться при минимальном числе компонентов и с использованием цифровой входной структуры микроконтроллера.
Кроме того, система управления регулированием освещенности, содержащая схему измерения фазового угла регулятора освещенности, преобразователь питания и соответствующий алгоритм (алгоритмы), может использоваться в различных ситуациях, когда требуется управлять регулированием освещенности при малых фазовых углах регулятора освещенности в регуляторе освещенности с отсечкой фазы, в котором в иных случаях в традиционных системах регулирование освещенности прекращается. Система управления регулированием освещенности увеличивает диапазон регулирования освещенности и может использоваться с электронным трансформатором со светодиодной нагрузкой, которая соединяется с регулятором освещенности с отсечкой фазы, особенно в ситуациях, когда требуется, чтобы уровень регулирования освещенности в нижней части находился в пределах диапазона менее приблизительно пяти процентов от максимальной светоотдачи, например.
Система управления регулированием освещенности, в соответствии с различными вариантами осуществления, может быть реализована в различных светильниках белого света. Кроме того, она может использоваться в качестве унифицированного узла «интеллектуальных» улучшений различных продуктов, чтобы сделать их более дружественными к регуляторам освещенности.
В различных вариантах осуществления функциональные возможности детектора фазовых углов 110, схемы определения фазовых углов 210 или микропроцессора 215 могут быть реализованы с помощью одной или более схем обработки, создаваемых из любой совокупности архитектур аппаратных средств, микропрограммного обеспечения или программного обеспечения, и могут включать в себя собственное запоминающее устройство (например, энергонезависимое запоминающее устройство) для хранения исполнимого кода исполняемого программного/микропрограммного обеспечения, который позволяет выполнять различные функции. Например, соответствующие функциональные возможности могут быть реализованы с помощью ASIC, FPGA и т.д.
Специалистам в данной области техники очевидно, что все описываемые здесь параметры, размеры, материалы и конфигурации являются примерами, и что реальные параметры, размеры, материалы и/или конфигурации зависят от конкретного применения или применений, при которых используется данное изобретение. Специалисты в данной области техники примут во внимание или смогут установить с помощью не более чем простых экспериментов множество эквивалентов описываемых здесь конкретных вариантов осуществления. Поэтому необходимо понимать, что вышеописанные варианты осуществления представлены лишь в качестве примера, и что в пределах объема прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов варианты осуществления изобретения могут быть реализованы иначе, чем, в частности, описано и заявлено в настоящем документе. Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к каждому описанному здесь отдельному признаку, системе, изделию, материалу, комплекту и/или способу. Кроме того, любая совокупность двух или более таких признаков, систем, изделий, материалов, комплектов и/или способов, когда такие признаки, системы, изделия, материалы, комплекты и/или способы не являются взаимно противоречащими, входит в объем настоящего изобретения.
Необходимо понимать, что все сформулированные и используемые здесь определения имеют преимущественную силу над словарными определениями, определениями в документах, включенных в настоящий документ в виде ссылки на них, и/или общепринятыми значениями определенных терминов.
Под неопределенными артиклями “a” и “an”, используемыми здесь в описании и формуле изобретения, когда иное в прямой форме не указано, следует понимать «по меньшей мере, один». Под используемой здесь в описании и формуле изобретения фразой «по меньшей мере, один» в отношении списка одного или более элементов следует понимать, по меньшей мере, один элемент, выбираемый из одного или более элементов в списке элементов, но не обязательно включая, по меньшей мере, один из всех без исключения элементов, специально перечисленных в списке элементов и не исключая любые совокупности элементов в списке элементов. Такое определение также допускает, что факультативно могут присутствовать элементы помимо элементов, специально установленных в списке элементов, к которым относится фраза «по меньшей мере, один», будь то относящихся или не относящихся к указанным специально установленным элементам. Так, в качестве неограничительного примера «по меньшей мере, один из А и В» (или, что то же самое, «по меньшей мере, один из А или В» или, что то же самое, «по меньшей мере, один из А и/или В») может относиться в одном варианте осуществления, по меньшей мере, к одному, факультативно включая более одного А в отсутствие В (и факультативно включая элементы помимо В); в другом варианте осуществления - по меньшей мере, к одному, факультативно включая более одного В в отсутствие А (и факультативно включая элементы помимо А); еще в одном варианте осуществления - по меньшей мере, к одному, факультативно включая более одного А, и по меньшей мере, к одному, факультативно включая более одного В (факультативно включая прочие элементы); и т.д.
Следует также понимать, что когда иное в прямой форме не указано, в любых заявленных здесь способах, которые включают в себя более одного шага или действия, порядок шагов или действий способа не обязательно ограничивается порядком, в котором перечислены шаги или действия способа. Кроме того, ссылочные позиции, когда таковые имеются, представлены в формуле изобретения лишь для удобства и никоим образом не должны рассматриваться как ограничительные.
В формуле изобретения, а также в приведенном выше описании переходные фразы, такие как «составляющий», «включающий в себя», «заключающий в себе», «имеющий», «содержащий», «включающий», «вмещающий», «составленный из» и т.п. следует считать неограничивающими, т.е., означающими «включающий в себя, помимо прочего». Лишь переходные фразы «состоящий из» и «состоящий по существу из» следует считать ограничивающими или полуограничивающими соответственно.
1. Система для управления уровнем светоотдачи твердотельной осветительной нагрузки, управляемой регулятором освещенности, причем система включает в себя:
детектор фазовых углов, выполненный с возможностью измерения фазового угла регулятора освещенности на основе выпрямленного напряжения с регулятора освещенности и определения сигнала управления мощностью на основе сравнения измеренного фазового угла с заданным первым порогом; и
преобразователь питания, выполненный с возможностью подачи выходного напряжения в твердотельную осветительную нагрузку, причем преобразователь питания работает в режиме без обратной связи на основе выпрямленного напряжения с регулятора освещенности, когда измеренный фазовый угол больше первого порога, и работает в режиме с обратной связью на основе выпрямленного напряжения с регулятора освещенности и определенного сигнала управления мощностью с детектора фазовых углов, когда измеренный фазовый угол меньше первого порога.
2. Система по п. 1, в которой детектор фазовых углов определяет, что сигнал управления мощностью имеет заданное первое фиксированное значение, когда измеренный фазовый угол больше первого порогового значения.
3. Система по п. 2, в которой детектор фазовых углов определяет, что сигнал управления мощностью является переменной, вычисляемой как функция измеренного фазового угла, когда измеренный фазовый угол меньше первого порогового значения.
4. Система по п. 3, в которой сигнал управления мощностью содержит рабочий цикл, регулируемый детектором фазовых углов.
5. Система по п. 4, в которой рабочий цикл имеет максимальное значение, соответствующее заданному первому фиксированному значению сигнала управления мощностью, когда измеренный фазовый угол больше первого порогового значения.
6. Система по п. 5, в которой рабочий цикл имеет процентную долю рабочего цикла величиной 100 процентов.
7. Система по п. 4, в которой рабочий цикл имеет переменное значение, соответствующее заданному первому фиксированному значению сигнала управления мощностью, когда измеренный фазовый угол меньше первого порогового значения.
8. Система по п. 7, в которой рабочий цикл имеет процентную долю рабочего цикла, которая уменьшается пропорционально уменьшению измеренного фазового угла.
9. Система по п. 4, в которой сигнал управления мощностью содержит сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
10. Система по п. 3, в которой детектор фазовых углов дополнительно выполнен с возможностью определения сигнала управления мощностью на основе сравнения измеренного фазового угла с заданным вторым порогом, меньшим заданного первого порога; и
в которой преобразователь питания работает в режиме без обратной связи на основе выпрямленного напряжения с регулятора освещенности, когда измеренный фазовый угол меньше второго порога.
11. Система по п. 10, в которой детектор фазовых углов определяет, что сигнал управления мощностью имеет заданное второе фиксированное значение, когда измеренный фазовый угол меньше второго порогового значения.
12. Система по п. 11, в которой сигнал управления мощностью содержит рабочий цикл, регулируемый детектором фазовых углов, причем рабочий цикл имеет минимальное значение, соответствующее заданному второму фиксированному значению сигнала управления мощностью, когда измеренный фазовый угол меньше второго порогового значения.
13. Система по п. 12, в которой рабочий цикл имеет процентную долю рабочего цикла величиной ноль процентов.
14. Способ дросселирования мощности для управления уровнем светоотдачи твердотельной осветительной (SSL) нагрузки с помощью преобразователя питания, соединенного с регулятором освещенности, причем способ содержит:
измерение фазового угла регулятора освещенности, соответствующего уровню регулирования освещенности, задаваемому в регуляторе освещенности;
когда измеренный фазовый угол больше первого порога регулирования освещенности - генерирование сигнала управления мощностью, имеющего первую фиксированную установку мощности, и модулирование уровня светоотдачи SSL нагрузки на основе величины выходного напряжения регулятора освещенности; и
когда измеренный фазовый угол меньше первого порога регулирования освещенности - генерирование сигнала управления мощностью, имеющего установку мощности, определяемую как функция измеренного фазового угла, и модулирование уровня светоотдачи SSL нагрузки на основе величины выходного напряжения регулятора освещенности и определенной установки мощности.
15. Способ по п. 14, дополнительно содержащий:
когда измеренный фазовый угол меньше второго порога регулирования освещенности - генерирование сигнала управления мощностью, имеющего вторую фиксированную установку мощности, и модулирование уровня светоотдачи SSL нагрузки на основе величины выходного напряжения регулятора освещенности, причем второй порог регулирования освещенности меньше первого порога регулирования освещенности, а вторая фиксированная установка мощности меньше первой фиксированной установки мощности.
16. Способ по п. 14, в котором функция измеренного фазового угла содержит линейную функцию.
17. Способ по п. 14, в котором функция измеренного фазового угла содержит нелинейную функцию.
18. Устройство, содержащее:
светодиодную (СИД) нагрузку, имеющую светоотдачу, соответствующую фазовому углу регулятора освещенности;
схему измерения фазового угла, выполненную с возможностью измерения фазового угла регулятора освещенности и выдачи сигнала управления мощностью с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с выхода ШИМ, причем сигнал управления мощностью с ШИМ имеет рабочий цикл, определяемый на основе измеренного фазового угла регулятора освещенности; и
преобразователь питания, выполненный с возможностью приема выпрямленного напряжения от регулятора освещенности и сигнала управления мощностью с ШИМ от схемы измерения фазового угла и подачи выходного напряжения в светодиодную нагрузку;
причем, схема измерения фазового угла задает рабочий цикл сигнала управления мощностью с ШИМ с фиксированным высоким процентом, когда измеренный фазовый угол превышает высокий порог, обеспечивая определение преобразователем питания выходного напряжения на основе величины выпрямленного напряжения и
причем, схема измерения фазового угла задает рабочий цикл сигнала управления мощностью с ШИМ с переменным процентом, вычисляемым в виде заданной функции измеренного фазового угла, когда измеренный фазовый угол меньше высокого порога, обеспечивая определение преобразователем питания выходного напряжения на основе сигнала управления мощностью с ШИМ в дополнение к величине выпрямленного напряжения.
19. Устройство по п. 18, в котором схема измерения фазового угла содержит:
микроконтроллер, содержащий цифровой вход и, по меньшей мере, один диод, фиксирующий цифровой вход к источнику напряжения;
первый конденсатор, подключенный между цифровым входом микроконтроллера и узлом измерения;
второй конденсатор, подключенный между узлом определения и землей;
по меньшей мере, один резистор, подключенный между узлом определения и узлом выпрямленного напряжения, принимающим выпрямленное напряжение от регулятора освещенности.
20. Устройство по п. 19, в котором микроконтроллер исполняет алгоритм, включающий в себя дискретизацию цифровых импульсов, принимаемых на цифровом входе, соответствующих формам импульсов выпрямленного напряжения в узле выпрямленного напряжения, и определение длин дискретизованных цифровых импульсов для установления уровня регулирования освещенности регулятора освещенности.
