Возбудитель и способ возбуждения по меньшей мере двух наборов твердотельных осветительных элементов
Изобретение относится к управлению освещением, а конкретно к возбудителю для управления по меньшей мере двумя наборами твердотельных осветительных элементов. Техническим результатом является уменьшение количества компонентов до одного активного узла и как следствие снижение сложности печатной платы и уменьшение занимаемой площади. Результат достигается тем, что переключаемый конденсаторный преобразователь мощности и переключающее устройство используются для избирательного соединения первого набора и второго набора твердотельных осветительных элементов в последовательном соединении с выходом преобразователя мощности или соединения первого набора твердотельных осветительных элементов с выходом преобразователя мощности без второго набора твердотельных осветительных элементов. Первый рабочий цикл переключаемого конденсаторного преобразователя мощности и управление вторым рабочим циклом переключающего устройства оба управляются. В этой структуре возбудителя, переключаемый конденсаторный преобразователь мощности и переключающее устройство независимо управляются с использованием метода рабочего цикла. Переключаемый конденсаторный преобразователь мощности используется для обеспечения управления током, а переключающее устройство используется для управления тем, соединен ли второй набор осветительных элементов с выходом или нет. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к возбудителю и способу возбуждения для возбуждения по меньшей мере двух наборов твердотельных осветительных элементов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Хорошо известно объединение световых источников различного цвета, чтобы обеспечивать переменный цветовой выход. Путем независимого управления тремя источниками света основных цветов может генерироваться диапазон выходных цветов. Как правило, каждый источник света снабжен отдельным возбудителем. Такой вид индивидуального управления раскрыт, например, в WO 02014/103666.
Существуют также системы освещения, в которых объединены два источника света разного цвета. Хотя это не позволяет осуществлять полное управление цветом для выходного цвета, однако позволяет получать различные эффекты освещения. Например, за счет комбинирования цепочек белых и красных LED, возможно регулирование цветовой температуры, при котором цветовая температура изменяется как функция уровня регулирования яркости.
Чтобы снизить затраты, было бы желательно использовать один каскад преобразования мощности в системах с таким регулированием цветовой температуры, например, светильниках на основе светоизлучающих диодов (LED).
Были представлены предложения по экономичным преобразователям мощности с использованием гибридных преобразователей, которые объединяют переключаемые конденсаторные преобразователи (SCC) и переключаемые индуктивные преобразователи. Эти типы преобразователей обеспечивают эффективную работу с высокой частотой коммутации, уменьшенный размер и уменьшенную сложность. Управление в токовом режиме делает их особенно подходящими для применений освещения на основе LED.
Например, WO 2015/040575 раскрывает использование такого типа гибридной схемы переключаемого конденсаторного преобразователя для управления двумя разными LED для достижения регулирования яркости черного тела, при котором цветовая точка изменяется в зависимости от уровня регулирования яркости. В WO 2015/040575 два LED включены в отдельной параллельной конфигурации, и преобразователь обеспечивает два независимых выходных напряжения, каждое из которых связано с отдельным выходным фильтром. Таким образом, по-прежнему существует дублирование некоторых компонентов. Кроме того, дополнительный управляемый регулятор напряжения также используется для регулировки напряжения на переключаемом конденсаторном преобразователе.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Когда требуется дискретное решение, особенно важно избегать дополнительной сложности и стоимости ввиду наличия двух отдельных возбудителей, что также может потребовать модификации для обеспечения дополнительного интеллектуального средства, чтобы обеспечить возможность реализации желательной объединенной функциональности. Вместо этого желательно интегрировать решение с двумя возбудителями как часть единой интегральной схемы, так что имеется незначительное влияние с точки зрения непроизводительных расходов на схему для добавления требуемой дополнительной функциональности. Уменьшение количества компонентов до одного активного узла снижает сложность печатной платы, занимаемую площадь и стоимость.
Основной идеей изобретения является последовательное соединение двух твердотельных осветительных элементов (таких как LED сегменты) на одном и том же выходе переключаемого конденсаторного преобразователя мощности, так что переключаемый конденсаторный преобразователь мощности может питать оба осветительных элемента. Кроме того, дополнительный переключатель может быть подсоединен к одному из двух осветительных элементов для дополнительного управления. Таким образом, два осветительных элемента могут управляться соответственно.
Изобретение определяется формулой изобретения.
В соответствии с примерами согласно одному аспекту изобретения, предлагается возбудитель для возбуждения по меньшей мере двух наборов твердотельных осветительных элементов, содержащий:
переключаемый конденсаторный преобразователь мощности, содержащий конденсаторную батарею и переключающую матрицу, причем определен выход из переключающей матрицы;
переключающее устройство для избирательного:
соединения первого набора и второго набора твердотельных осветительных элементов в последовательном соединении с выходом; или
соединения первого набора твердотельных осветительных элементов с выходом без второго набора твердотельных осветительных элементов; и
контроллер для обеспечения управления первым рабочим циклом переключаемого конденсаторного преобразователя мощности и управления вторым рабочим циклом переключающего устройства.
В этой структуре возбудителя, переключаемый конденсаторный преобразователь мощности и переключающее устройство независимо управляются с использованием метода рабочего цикла. Переключаемый конденсаторный преобразователь мощности используется для обеспечения общего управления током, а переключающее устройство используется для управления средним током второго набора путем управления тем, соединен ли второй набор осветительных элементов с выходом или нет. Таким образом, изобретение обеспечивает возбудитель с одним выходом, например, использование одного выходного индуктора для питания двух или более твердотельных осветительных элементов. Возбудитель подходит для монолитной интеграции.
Выход может содержать первый, второй и третий выходной вывод, каждый в соответствующем узле переключающей матрицы, причем переключающее устройство предназначено для избирательного:
подсоединения третьего выходного вывода к второму набору твердотельных осветительных элементов, тем самым соединяя первый набор твердотельных осветительных элементов и второй набор твердотельных осветительных элементов последовательно с выходом; или
подсоединения второго выходного вывода к точке соединения между последовательным соединением первого набора твердотельных осветительных элементов и второго набора твердотельных осветительных элементов, тем самым соединяя первый набор твердотельных осветительных элементов с выходом без второго набора твердотельных осветительных элементов.
Таким образом, первый выход с двумя выводами определен между первым и вторым выходными выводами, для первого набора осветительных элементов, а второй выход с двумя выводами определен между вторым и третьим выходными выводами для второго набора осветительных элементов. Когда управление рабочим циклом переключающего устройства отключает второй набор осветительных элементов, они не закорачиваются, но вместо этого более низкое напряжение возбудителя прикладывается только к первому набору осветительных элементов. Это означает, что диапазон напряжения переключаемого конденсаторного преобразователя мощности не нужно увеличивать, коэффициент преобразования переключаемого конденсаторного преобразователя мощности поддерживается, а нагрузка из-за напряжения на переключателях переключаемого конденсаторного преобразователя также уменьшается.
Индуктор предпочтительно предусмотрен между первым выходным выводом и первым выводом нагрузки возбудителя. Это обеспечивает гибридную структуру преобразователя с использованием как индуктивного, так и переключаемого конденсаторного преобразования. Этот индуктор может использоваться для сглаживания выходного тока при переключении переключаемого конденсаторного преобразователя мощности. Индуктор является предпочтительно совместно используемым между обоими выходами с двумя выводами. Это стало возможным благодаря тому, что два набора твердотельных осветительных элементов соединены последовательно, когда оба возбуждаются.
Контроллер может содержать:
вход интенсивности освещения, приспособленный для получения желательной интенсивности освещения; и
вход цвета освещения, приспособленный для получения желательного цвета освещения,
и при этом контроллер приспособлен для определения первого среднего тока через первый набор твердотельных осветительных элементов и второго среднего тока через второй набор твердотельных осветительных элементов в соответствии с принятой желательной интенсивностью освещения и желательным цветом освещения.
Таким образом, два средних тока определяются так, что желательные средние токи вынуждаются протекать через два набора твердотельных осветительных элементов, чтобы излучать желательный выход.
Контроллер может быть сконфигурирован для управления первым рабочим циклом в зависимости от первого среднего тока.
Таким образом, первый рабочий цикл используется для установки общего уровня тока, который должен полностью возбуждаться посредством первого набора и частично возбуждаться посредством второго набора твердотельных осветительных элементов.
Контроллер дополнительно приспособлен для управления вторым рабочим циклом в зависимости от второго среднего тока и первого среднего тока.
Таким образом, второй рабочий цикл используется для установки цвета путем установки доли времени, в течение которого используется второй набор осветительных элементов.
Возбудитель может содержать:
первый датчик тока для измерения тока, протекающего в первый набор твердотельных осветительных элементов, и сообщения результата в контроллер; и
второй датчик тока для измерения тока, протекающего во второй набор твердотельных осветительных элементов, и сообщения результата в контроллер.
Таким образом, управление с обратной связью используется для регулирования двух токов, которые в свою очередь вместе определяют желательную общую интенсивность и цвет.
Может быть предусмотрена первая схема управления током для регулирования первого рабочего цикла для управления током, протекающим в первый набор твердотельных осветительных элементов, и может быть предусмотрена вторая схема управления током для регулирования второго рабочего цикла для управления средним током, протекающим во второй набор твердотельных осветительных элементов.
Таким образом, схема управления реализует независимое управление с обратной связью по току, и настройки, предоставляемые на две схемы, обеспечивают требуемые настройки интенсивности и цвета.
Конденсаторная батарея и переключающая матрица могут содержать последовательное соединение переключателей с соответствующим конденсатором, соединенным поперек каждой смежной пары переключателей, причем чередующиеся переключатели переключаются комплементарным образом.
Таким образом, переключающая матрица содержит первый набор переключателей и второй набор переключателей, переключаемых комплементарным образом, с узлами между переключателями, и это является типовой схемой переключаемого конденсаторного преобразователя мощности (SCC).
Один из выходных выводов, например, приспособлен для обеспечения выходного напряжения, имеющего уровень, который является долей уровня входного напряжения переключаемого конденсаторного преобразователя мощности и который зависит от коэффициента преобразования переключаемого конденсаторного преобразователя мощности, и напряжение на первом выходном выводе выше, чем напряжение на втором выходном выводе, которое, в свою очередь, выше, чем напряжение на третьем выходном выводе. Это является типовой конфигурацией выхода переключаемого конденсаторного преобразователя мощности.
Прямое напряжение первого набора твердотельных осветительных элементов предпочтительно соответствует диапазону выходного напряжения между первым выходным выводом и вторым выходным выводом переключаемого конденсаторного преобразователя мощности, и сумма прямых напряжений первого набора твердотельных осветительных элементов и второго набора твердотельных осветительных элементов предпочтительно соответствуют диапазону выходного напряжения между первым выходным выводом и третьим выходным выводом переключаемого конденсаторного преобразователя мощности. Третий выходной вывод представляет собой, например, опорный потенциал или потенциал заземления.
Таким образом, выходное напряжение возбудителя всегда соответствует приводимой в действие нагрузке. Это означает, что диапазон напряжения переключаемого конденсаторного преобразователя мощности не требуется увеличивать, коэффициент преобразования переключаемого конденсаторного преобразователя мощности поддерживается, и нагрузка из-за напряжения на переключателях переключаемого конденсаторного преобразователя также уменьшается.
Изобретение также обеспечивает осветительную систему, содержащую первую и вторую цепочку LED и возбудитель, как определено выше, причем первая и вторая цепочки LED соединены последовательно, причем анод первой цепочки LED соединен с первым выводом нагрузки, и катод второй цепочки LED соединен с третьим выводом нагрузки.
Первая цепочка LED может иметь белый выход, а вторая цепочка LED может иметь красный выход.
Это позволяет возбудителю обеспечивать регулирование яркости черного тела, в котором цветовая точка изменяется в зависимости от уровня регулирования яркости.
Примеры в соответствии с другим аспектом изобретения обеспечивают способ управления по меньшей мере двумя наборами твердотельных осветительных элементов, содержащий:
использование переключаемого конденсаторного преобразователя мощности, чтобы генерировать первый, второй и третий выходы, которые используются для формирования первого, второго и третьего выходов возбудителя;
использование переключающего устройства, чтобы избирательно:
соединять первый набор и второй набор твердотельных осветительных элементов в последовательном соединении с выходом; или
соединять первый набор твердотельных осветительных элементов с выходом без второго набора твердотельных осветительных элементов; и
обеспечение управления первым рабочим циклом переключаемого конденсаторного преобразователя и управления вторым рабочим циклом переключающего устройства.
Способ может содержать:
определение первого среднего тока через первый набор твердотельных осветительных элементов и второго среднего тока через второй набор твердотельных осветительных элементов в соответствии с полученной желательной интенсивностью освещения и желательным цветом освещения;
управление первым рабочим циклом в зависимости от первого среднего тока; и
управление вторым рабочим циклом в зависимости от второго среднего тока и первого среднего тока.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанный(е) ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры изобретения будут подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает возбудитель для возбуждения нагрузки в форме по меньшей мере двух наборов твердотельных осветительных элементов;
Фиг. 2 показывает более подробно один пример подходящей схемы устройства;
Фиг. 3 показывает графики тока и рабочего цикла для пояснения работы схемы;
Фиг. 4 показывает две отдельные системы обратной связи для управления преобразователем;
Фиг. 5 показывает контроллер освещения для выбора точек установки для систем обратной связи согласно фиг. 4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение обеспечивает возбудитель для управления по меньшей мере двумя наборами твердотельных осветительных элементов. Предусмотрен переключаемый конденсаторный преобразователь мощности, и переключающее устройство используется для избирательного соединения первого набора и второго набора твердотельных осветительных элементов в последовательном соединении с выходом преобразователя мощности или соединения первого набора твердотельных осветительных элементов с выходом преобразователя мощности без второго набора твердотельных осветительных элементов. Первый рабочий цикл переключаемого конденсаторного преобразователя мощности и второй рабочий цикл переключающего устройства оба управляются.
В этой структуре возбудителя, переключаемый конденсаторный преобразователь мощности и переключающее устройство независимо управляются с использованием метода рабочего цикла. Переключаемый конденсаторный преобразователь мощности используется для обеспечения управления током как первого набора, так и второго набора твердотельных осветительных элементов, а переключающее устройство используется для управления тем, подсоединен ли второй набор осветительных элементов к выходу или нет, чтобы настраивать выход второго набора.
На фиг. 1 показан возбудитель, содержащий источник питающего напряжения 10, который подает питающее напряжение на переключаемый конденсаторный преобразователь 12 мощности. Преобразователь 12 мощности имеет три выходных вывода 14a, 14b, 14c. Первый выходной вывод 14a соединен с выходным фильтром 16, который содержит по меньшей мере индуктор 18, и выход выходного фильтра 16 определяет первый вывод 20a нагрузки.
Возбудитель предназначен для возбуждения нагрузки в форме по меньшей мере двух наборов твердотельных осветительных элементов. Первый набор 22 твердотельных осветительных элементов содержит цепочку LED с белым выходом, например, на основе синих LED с фосфорным конверсионным слоем для преобразования синего света в белый свет. Второй набор 24 твердотельных осветительных элементов содержит цепочку LED с красным выходом. Следует понимать, что эти цвета являются лишь примерами и не ограничивают выбор первого и второго наборов твердотельных осветительных элементов.
Переключающее устройство 26 предусмотрено на втором и третьем выходных выводах 14b, 14c преобразователя мощности и управляет соединением между выходными выводами и вторым и третьим выводами 20b, 20c нагрузки.
Первый набор 22 LED подсоединен между первым и вторым выводами 20a, 20b нагрузки, а второй набор 24 LED подсоединен между вторым и третьим выводами 20b, 20c нагрузки. Таким образом, два набора 22, 24 LED соединены последовательно между первым и третьим выводами 20а, 20с нагрузки с вторым выводом 20b нагрузки в последовательном соединении между ними.
Переключающее устройство 26 предназначено для обеспечения двух схемных конфигураций.
В первой схемной конфигурации, третий выходной вывод 14c соединен с катодом второго набора твердотельных осветительных элементов 24, тем самым подсоединяя первый набор твердотельных осветительных элементов 22 и второй набор твердотельных осветительных элементов 24 последовательно к выходу. В этом случае второй вывод 20b нагрузки является плавающим.
Во второй схемной конфигурации, второй выходной вывод 14b соединен со вторым выводом 20b нагрузки, тем самым подсоединяя первый набор 22 твердотельных осветительных элементов к выходу без второго набора 24 твердотельных осветительных элементов. В этом случае, третий вывод 20c нагрузки является плавающим.
Таким образом, первый выход с двумя выходами определен между первым и вторым выходными выводами 14b, 14c для первого набора 22 твердотельных осветительных элементов, а второй выход с двумя выводами определен между вторым и третьим выходными выводами 14b, 14с для второго набора 24 твердотельных осветительных элементов.
Контроллер 28 обеспечивает управление первым рабочим циклом (показано сигналом D1 управления рабочим циклом) переключаемого конденсаторного преобразователя 12 мощности и управление вторым рабочим циклом (показано сигналом D2 управления рабочим циклом) переключающего устройства 26.
Переключаемый конденсаторный преобразовать 12 мощности и переключающее устройство 26 независимо управляются с использованием метода рабочего цикла. Переключаемый конденсаторный преобразовать 12 мощности используется для обеспечения общего управления током, а устройство 26 переключения используется для управления тем, соединен ли второй набор осветительных элементов с выходом или нет, чтобы настраивать выходное отношение между первым набором и вторым набором.
Во второй схемной конфигурации, LED второго набора 24 не закорачиваются, но вместо этого более низкое напряжение возбудителя (между выходными выводами 14а и 14b) прикладывается только к первому набору 22 осветительных элементов. Это означает, что диапазон напряжения переключаемого конденсаторного преобразователя мощности не требуется увеличивать.
Возбудитель имеет двойной выход, но использует один выходной индуктор 18 и имеет пониженную нагрузку из-за напряжения на переключателях переключаемого конденсаторного преобразователя 12 мощности. Возбудитель подходит для монолитной интеграции.
Первый датчик 22а тока предусмотрен для измерения (восприятия) тока, протекающего в первый набор 22 LED, и сообщения результата в контроллер 28, а второй датчик 24а тока предусмотрен для измерения тока, протекающего во второй набор 24 LED, и сообщения результата контроллеру 28. Измеренный ток может использоваться для управления соответствующими рабочими циклами.
Таким образом, управление с обратной связью используется для регулирования двух токов, представленных цепью 30 обратной связи, которые, в свою очередь, совместно определяет желательную общую интенсивность и цвет. Таким образом, также имеет место измерение напряжения в источнике питающего напряжения 10, как показано цепью 32 сигнала прямой связи.
Таким образом, контроллер 28 реализует управление в замкнутом контуре с обратной связью и прямой связью.
Два управляющих входа предоставляются в контроллер 28. Первый вход 34 содержит заданное значение интенсивности освещения, а второй вход 36 содержит заданное значение цветовой температуры.
В этом возбудителе, выходной ток, обеспечиваемый преобразователем 12 мощности, может управляться тремя показателями: широтно-импульсной модуляции (PWM), частотной модуляции (FM) и/или модуляции активного сопротивления в канале. Выходной ток через второй набор 24 LED может независимо управляться с использованием переключающего устройства 26 с помощью широтно-импульсной модуляции, тем самым обеспечивая возможность регулирования цветовой температуры.
На фиг. 2 более подробно показан пример подходящего схемного устройства. Для ясности, блок 28 контроллера и датчики не включены.
Переключаемый конденсаторный преобразователь 12 мощности содержит конденсаторную батарею C1-C5 и переключающую матрицу S1-S6 с тремя выходными выводами 14a, 14b, 14c, определенными в узлах переключающей матрицы.
Конденсаторная батарея и переключающая матрица содержат последовательное соединение переключателей S1-S6 с соответствующим конденсатором, подключенным параллельно к каждой смежной паре переключателей.
В показанном примере, имеется шесть переключателей и пять конденсаторов. Конденсатор С1 подсоединен параллельно с последовательным соединением переключателей S1 и S2. Конденсатор C2 подсоединен параллельно с последовательным соединением переключателей S2 и S3. Конденсатор C3 подсоединен параллельно с последовательным соединением переключателей S3 и S4. Конденсатор C4 подсоединен параллельно с последовательным соединением переключателей S4 и S5. Конденсатор C5 подсоединен параллельно с последовательным соединением переключателей S5 и S6.
Конденсаторы С1, C3 и C5 определяют делитель напряжения, который устанавливает два уровня напряжения постоянного тока (dc), vdc1 и vdc2. По меньшей мере один из выходных выводов (в частности, первый выход 14а и второй выходной вывод 14b) обеспечивает напряжение, имеющее уровень, который является долей входного напряжения Vin и который связан с коэффициентом преобразования переключаемого конденсаторного преобразователя 12 мощности, и в зависимости от рабочего цикла переключателей S1-S6. Напряжение на первом выходном выводе 14a выше, чем напряжение на втором выходном выводе 14b, которое, в свою очередь, выше, чем напряжение на третьем выходном выводе 14c.
Узел между переключателями S1 и S2 определяет первый выходной вывод 14a. Узел между переключателями S4 и S5 определяет второй выходной вывод 14b. Узел на нижнем (низковольтном) конце переключающей матрицы определяет третий выходной вывод 14c. Это представляет собой, например, соединение заземления.
Прямое напряжение первого набора 22 твердотельных осветительных элементов соответствует диапазону выходного напряжения между первым выходным выводом 14a и вторым выходным выводом 14b переключаемого конденсаторного преобразователя мощности, а сумма прямых напряжений первого и второго наборов 22, 24 твердотельных осветительных элементов соответствует диапазону выходного напряжения между первым выходным выводом и третьим выходным выводом переключаемого конденсаторного преобразователя мощности. Таким образом, выходное напряжение возбудителя всегда соответствует приводимой в действие нагрузке.
Эта конфигурация представляет собой известную конфигурацию переключаемых конденсаторов. Чередующиеся переключатели переключаются комплементарным образом. Таким образом, имеется только два сигнала управления переключением, ϕ1 и ϕ2. Они вместе образуют управление D1 первым рабочим циклом.
Таким образом:
φ1=(φ2) ̅
В переключаемом конденсаторном преобразователе мощности, для типичного примера, в котором конденсаторы С1, C3 и C5 имеют одинаковую емкость, диапазон напряжения на первом выходе 14a (относительно земли) составляет от полного входного напряжения до 2/3 входного напряжения, в зависимости от рабочего цикла φ1 в диапазоне от 100% до 0%. Напряжение на втором выходе 14b составляет 1/3 входного напряжения.
Первый выходной конденсатор Co1 подсоединен параллельно к первому набору 22 LED, а второй выходной конденсатор Co2 подсоединен параллельно к второму набору 24 LED. Эта схема образует лестничную (многозвенную) цепь 3:1 с напряжением vo1, определенным на первом наборе 22 LED, и напряжением vo2 на втором наборе 24 LED.
Частота и рабочий цикл двух сигналов, которые определяют управление D1 первым рабочим циклом, регулируются с помощью управления в замкнутом контуре, чтобы установить уровень тока через индуктор 18 и цепочки LED в соответствии с заданным значением 34 интенсивности света и заданным значением 36 цветовой температуры, как будет подробно рассмотрено ниже.
Переключающее устройство 26 содержит первый переключатель S7 между вторым выходным выводом 14b и вторым выводом 20b нагрузки, переключаемым сигналом ϕd2 от контроллера, и второй переключатель S8 между третьим выходным выводом 14c и третьим выводом 20c нагрузки, переключаемым сигналом ϕd1 от контроллера. Они вместе образуют управление D2 вторым рабочим циклом.
Таким образом:
φd1=(φd2) ̅
Когда φd1 активен, S7 разомкнут и S8 замкнут. Это определяет первую конфигурацию, в которой ток протекает через обе цепочки 22, 24 LED, что приводит к излучению красного и белого света. При этом условии D1 рабочего цикла имеет вид:
D_(1,φd1)=(3(v_o1+v_o2))/vin-2.
Для рабочего цикла D1=1 отсутствует преобразование и (vo1+vo2)=vin. Когда D1=0, (vo1+vo2)=0,666vin. Выходное напряжение можно регулировать между этими значениями.
Когда φd2 активен, S7 замкнут, а S8 разомкнут, ток течет только через первую цепочку 22 (синих) LED (в основном с белым выходом). При этом условии D1 рабочего цикла имеет вид:
D_(1,φd2)=(3v_o1)/vin-1.
Для рабочего цикла D1=1 отсутствует преобразование и vo1=0,666(vin), поскольку две трети входного напряжения падает на конденсаторах С1 и C2. Когда D1=0, vo1=0,333vin, т.е. напряжение имеется только на конденсаторе C3. Выходное напряжение может регулироваться между этими значениями.
Вышеприведенная формула между рабочим циклом и напряжением предназначена только для того, чтобы показать взаимосвязь между ними в переключаемом конденсаторном преобразователе мощности. При регулировании в реальном времени, D1 рабочего цикла управляется на основе обратной связи по току вместо управления по напряжению. Для регулировки рабочих циклов измеряется средний ток через индуктор 18. Существуют различные способы реализации этого управления, например, с использованием резистора последовательно с нагрузкой LED. Измерение может быть реализовано путем измерения напряжения между стоком и истоком одного из транзисторов, используемых для реализации переключателей S1 или S2.
Таким образом, ток через вторую цепочку 24 LED регулируется с помощью высокочастотной широтно-импульсной модуляции. D2 рабочего цикла регулируется с помощью управления в замкнутом контуре, чтобы устанавливать световой выход в соответствии с заданным значением 34 интенсивности освещения и заданным значением 36 цветовой температуры, как будет подробно рассмотрено ниже.
Управление D2 вторым рабочим циклом позволяет управлять током через второй набор 24 LED.
Связь между средним током первого набора 22 LED (i_LED1) и второго набора 24 LED (i_LED2) определяется как:
i_LED2=D2*i_LED1
Это уравнение связывает средний ток в индукторе или первом наборе 22 LED со средним током во втором наборе 24 LED.
Отметим, что на выходе имеется большая нагрузка, когда оба набора твердотельных осветительных элементов включены в цепь. Таким образом, управление с обратной связью по току для установки D1 рабочего цикла будет адаптироваться к нагрузке, чтобы установить выходной ток. Таким образом, управление рабочим циклом для D1 намного быстрее, чем для D2. Управление D1 рабочего цикла работает до частоты переключения переключаемого конденсаторного преобразователя, тогда как управление D2 рабочего цикла является более медленным, например, для адаптивного управления регулированием яркости.
Управление рабочим циклом для управления D1 первым циклом, например, работает на частотах в десятки или сотни кГц, в то время как рабочий цикл D2 работает на более низкой частоте, например, на единицах кГц или сотнях Гц, чтобы уменьшить мерцание.
Монтаж переключателей S7 и S8, образующих переключающее устройство 26, предотвращает выход первого набора 22 LED из уменьшенного динамического диапазона преобразователя 12 мощности. Когда ϕD1 является низким (т.е. (φd1) ̅), на второй набор 24 LED не подается питание, поэтому преобразователь мощности должен подавать только напряжение vo1, которое выходит из диапазона напряжения преобразователя между первым выходом 14a и третьим выходом 14c, если второй набор 24 LED будет короткозамкнут на землю. Напротив, катод первого набора 22 LED соединен со вторым выходным выводом 14b, который изменяет конфигурацию преобразователя мощности, чтобы обеспечивать соответствующий диапазон преобразования только для подачи питания на первый набор 22 LED.
На фиг. 3 показаны графики тока и рабочего цикла (D2) для пояснения работы схемы. Графики основаны на выходной цепочке LED, состоящей из одного синего LED с прямым напряжением 3 В в качестве первого набора и одного красного LED с прямым напряжением 2,75 В в качестве второго набора.
График 40 показывает ток через синий LED. График 42 показывает ток через красный LED. График 44 показывает опорный ток, подаваемый на преобразователь мощности (как центральную сплошную линию), и ток индуктора, который изменяется с частотой выше, чем можно видеть на чертеже, отсюда наблюдаемая как сплошная полоса выше и ниже центральной сплошной линии. График 46 показывает сигнал ϕd1 рабочего цикла для управления переключателем S8, определяющий сигнал D2 рабочего цикла.
На фиг. 3, сначала уровень выходного тока переключаемого конденсаторного преобразователя мощности равен 0,2 А, и затем происходит регулировка уровня тока от 0,2 А до 0,3 А. Потом ток регулируется обратно до 0,2 А. Можно видеть, что ток тот же, когда красный LED включается и выключается, так что пиковый ток в обоих LED одинаковый. Однако общая интенсивность и цветовая точка могут управляться независимо. Например, показано, что красный LED работает в течение более короткого периода времени. Это означает, что повышенная яркость сопровождается уменьшением относительной величины содержания красного цвета.
Из фиг. 3 видно, что ток через синий LED, равный току индуктора, следует заданному значению интенсивности света и заданному значению цветовой температуры, как показано сплошной линией на графике 44. Красный LED имеет ток прямоугольного колебания, где пиковое значение равно току индуктора. Время проводимости красного LED управляется сигналом φd1. Схема обеспечивает управление током через два LED (и, следовательно, через две цепочки LED в полной реализации) с помощью одной питающей линии, что может использоваться для регулировки яркости черного тела LED-светильников.
Управление преобразователем может быть реализовано с помощью двух отдельных систем обратной связи, как показано на фиг. 4.
В верхней части фиг. 4 показана схема 50 управления током, которая получает заданное значение 52 тока для первого набора 22 LED. В нижней части фиг. 4 показана схема 54 управления током, которая принимает заданное значение 56 тока для второго набора 24 LED. Имеются две независимые схемы управления в замкнутом контуре, которые позволяют устанавливать ток каждой цепочки LED. Обе они работают обычным образом с отрицательной обратной связью и приводят к выбору сигналов тактирования для управлений двумя рабочими циклами. Токи LED измеряются, прямыми или косвенными средствами, и сравниваются с опорными заданными значениями. Результирующие сигналы ошибки (ε_(r,x)) обрабатываются контроллерами замкнутого контура (Gc,x), обеспечивающими сигналы D1 и D2 рабочего цикла для преобразователей мощности. Модуляторы ширины импульсов (PWMx) преобразуют сигналы D1 и D2 рабочего цикла в сигналы активации переключателя (φ_1,φ_2,φ_d1 и φ_d2).
Корректная комбинация интенсивности света и цветовой точки реализуется путем регулировки обоих заданных значений 52, 56 тока. Интенсивность света управляется путем регулирования среднего тока в индукторе (но с учетом количества времени, в течение которого ток будет протекать в один и затем оба набора LED), а цветовая температура управляется путем регулировки доли красного света относительно белого света, таким образом регулируя ток во втором наборе LED.
Например, если яркость требует эквивалента среднего тока 200 мА через один набор LED, цветовая точка требует отношения 4:1 между белым (первым набором) и красным (вторым набором), настройки могут быть установлены как средний ток 160 мА для первого набора и 40 мА для второго набора. Ток 160 мА постоянно выводится на первом выводе нагрузки и на первый набор LED, и это является заданным значением для схемы 50. Для D2 применяется рабочий цикл 1/4, так что 1/4*160 мА=40 мА. Только одна четверть времени задана для второго набора осветительных элементов в контуре, но также при 160 мА. Таким образом, комбинация выхода белого света при постоянном значении 160 мА и красного света при 160 мА с рабочим циклом 1/4 должна обеспечивать средний ток 200 мА и цветовую точку 4:1.
Рабочий цикл D1 отличается для периодов времени, когда второй набор LED включаются и выключаются, так как от преобразователя мощности потребляется различная мощность.
Чтобы выбрать две корректные заданные значения, контроллер 60 света, как показано на фиг. 5, содержит алгоритм (основанный на алгебраических выражениях или основанный на таблицах поиска), который позволяет преобразовывать желаемые визуальные настройки (интенсивность света и цветовую температуру) в требуемые корректные уровни тока. Эти уровни тока затем используются в качестве заданных значений для системы управления током. Алгоритм преобразования из настроек света в уровни тока LED известным образом основан на характеристиках LED.
Таким образом, контроллер определяет первый средний ток через первый набор твердотельных осветительных элементов (который соответствует среднему току индуктора, так как этот ток всегда протекает через первый набор твердотельных осветительных элементов) и второй средний ток через второй набор твердотельных осветительных элементов в соответствии с полученной желательной интенсивностью освещения и желательным цветом освещения.
Таким образом, возбудитель реализует способ управления, посредством которого обеспечивается управление первым рабочим циклом переключаемого конденсаторного преобразователя, а управление вторым рабочим циклом обеспечивается переключающим устройством. Первый средний ток через первый набор твердотельных осветительных элементов и второй средний ток через второй набор твердотельных осветительных элементов определяются, как пояснялось выше, в соответствии с полученной желательной интенсивностью освещения и желательным цветом освещения. Первый рабочий цикл управляется в зависимости от первого среднего тока (поскольку он всегда протекает через первый набор осветительных элементов), а второй рабочий цикл управляется в зависимости от второго среднего тока и первого среднего тока.
Изобретение предоставляет многорежимный преобразователь мощности, в частности, для использования в качестве возбудителя LED. Возбудитель может быть интегрирован как часть системы в микросхеме или системы в пакете. Его можно, в частности, использовать для регулирования цветовой температуры черного тела.
Приведенный выше пример основан на гибридном преобразователе с использованием переключаемого конденсаторного устройства и фильтра индуктора для сглаживания тока. Индуктор не является существенным, и изобретение может быть применено только к переключаемому конденсаторному преобразователю.
Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники при практическом осуществлении заявленного изобретения на основе изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово ʺсодержащийʺ не исключает других элементов или этапов, а форма единственного числа не исключает множественности. Тот факт, что определенные средства перечислены во взаимно различных зависимых пунктах, не указывает на то, что комбинация этих средств не может быть использована с выгодой. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем.
1. Возбудитель для возбуждения по меньшей мере двух наборов (22, 24) твердотельных осветительных элементов, содержащий:
переключаемый конденсаторный преобразователь (12) мощности, содержащий конденсаторную батарею и переключающую матрицу, причем определен выход из переключающей матрицы;
переключающее устройство (26), предназначенное для избирательного:
соединения первого набора (22) и второго набора (24) твердотельных осветительных элементов в последовательном соединении с выходом; или
соединения первого набора (22) твердотельных осветительных элементов с выходом без второго набора (24) твердотельных осветительных элементов; и
контроллер (28) для обеспечения управления (D1) первым рабочим циклом переключаемого конденсаторного преобразователя мощности и управления (D2) вторым рабочим циклом переключающего устройства.
2. Возбудитель по п. 1, в котором выход содержит первый, второй и третий выходной вывод (14а, 14b, 14с), каждый в соответствующем узле переключающей матрицы, причем переключающее устройство (26) предназначено для избирательного:
подсоединения третьего выходного вывода (14с) к второму набору твердотельных осветительных элементов, тем самым соединяя первый набор твердотельных осветительных элементов и второй набор твердотельных осветительных элементов последовательно с выходом; или
подсоединения второго выходного вывода (14b) к точке соединения между последовательным соединением первого набора твердотельных осветительных элементов и второго набора твердотельных осветительных элементов, тем самым соединяя первый набор твердотельных осветительных элементов с выходом без второго набора твердотельных осветительных элементов.
3. Возбудитель по п. 2, содержащий индуктор (18) между первым выходным выводом (14а) и первым выводом (20а) нагрузки возбудителя.
4. Возбудитель по любому предыдущему пункту, в котором контроллер (28) содержит:
вход (34) интенсивности освещения, приспособленный для получения желательной интенсивности освещения; и
вход (36) цвета освещения, приспособленный для получения желательного цвета освещения,
и в котором контроллер (28) приспособлен для определения первого среднего тока через первый набор (22) твердотельных осветительных элементов и второго среднего тока через второй набор (24) твердотельных осветительных элементов в соответствии с полученной желательной интенсивностью освещения и желательным цветом освещения.
5. Возбудитель по п. 4, в котором контроллер (28) дополнительно сконфигурирован для управления первым рабочим циклом в зависимости от первого среднего тока и для управления вторым рабочим циклом в зависимости от второго среднего тока и первого среднего тока.
6. Возбудитель по п. 4 или 5, содержащий:
первый датчик (22а) тока для измерения тока, протекающего в первый набор твердотельных осветительных элементов, и сообщения результата контроллеру; и
второй датчик (24а) тока для измерения тока, протекающего во второй набор твердотельных осветительных элементов, и сообщения результата контроллеру.
7. Возбудитель по п. 6, содержащий первую схему (50) управления током для регулировки первого рабочего цикла для управления током, протекающим в первый набор (22) твердотельных осветительных элементов, и вторую схему (54) управления током для регулировки второго рабочего цикла для управления средним током, протекающим во второй набор (24) твердотельных осветительных элементов.
8. Возбудитель по любому предыдущему пункту, в котором конденсаторная батарея и переключающая матрица содержат последовательное соединение переключателей (S1-S6) с соответствующим конденсатором (C1-C5), соединенным параллельно каждой смежной паре переключателей, причем чередующиеся переключатели переключаются комплементарным образом.
9. Возбудитель по п. 8, в котором один из выходных выводов (14b) приспособлен, чтобы обеспечивать выходное напряжение, имеющее уровень, который составляет долю уровня входного напряжения переключаемого конденсаторного преобразователя мощности и который зависит от коэффициента преобразования переключаемого конденсаторного преобразователя (12) мощности, и напряжение на первом выходном выводе (14а) выше, чем напряжение на втором выходном выводе (14b), которое, в свою очередь, выше, чем напряжение на третьем выходном выводе (14c).
10. Возбудитель по п. 9, в котором:
прямое напряжение первого набора (22) твердотельных осветительных элементов соответствует диапазону выходного напряжения между первым выходным выводом (14а) и вторым выходным выводом (14b) переключаемого конденсаторного преобразователя (12) мощности;
сумма прямых напряжений первого набора (22) твердотельных осветительных элементов и второго набора (24) твердотельных осветительных элементов соответствует диапазону выходного напряжения между первым выходным выводом (14а) и третьим выходным выводом (14с) переключаемого конденсаторного преобразователя мощности; и
третий выходной вывод (14c) является опорным потенциалом или потенциалом заземления.
11. Осветительная система, содержащая первую и вторую цепочку (22, 24) LED и возбудитель по любому предыдущему пункту, причем первая и вторая цепочки LED соединены последовательно, причем анод первой цепочки (22) LED соединен с первым выводом (20а) нагрузки, а катод второй цепочки LED соединен с третьим выводом (20с) нагрузки.
12. Осветительная система по п. 11, в которой первая цепочка (22) LED имеет белый выход, а вторая цепочка (24) LED имеет красный выход.
13. Способ управления по меньшей мере двумя наборами твердотельных осветительных элементов, содержащий:
использование переключаемого конденсаторного преобразователя (12) мощности для генерации первого, второго и третьего выходов (14а, 14b, 14с), которые используются для формирования первого, второго и третьего выходов (20а, 20b, 20с) возбудителя;
использование переключающего устройства (12), чтобы избирательно:
соединять первый набор (22) и второй набор (24) твердотельных осветительных элементов в последовательном соединении с выходом; или
соединять первый набор (22) твердотельных осветительных элементов с выходом без второго набора (24) твердотельных осветительных элементов; и
обеспечение управления (D1) первым рабочим циклом переключаемого конденсаторного преобразователя и управление (D2) вторым рабочим циклом переключающего устройства.
14. Способ по п. 13, содержащий:
определение первого среднего тока через первый набор (22) твердотельных осветительных элементов и второго среднего тока через второй набор (24) твердотельных осветительных элементов в соответствии с полученной желательной интенсивностью освещения и желательным цветом освещения;
управление первым рабочим циклом (D1) в зависимости от первого среднего тока; и
управление вторым рабочим циклом (D2) в зависимости от второго среднего тока и первого среднего тока.
15. Способ по п. 13 или 14, содержащий управление первой цепочкой (22) LED с белым выходом и второй цепочкой (24) LED с красным выходом.
