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CN101185375A - 把两种led颜色描绘成单一的、集总的led颜色 - Google Patents

把两种led颜色描绘成单一的、集总的led颜色 Download PDF

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CN101185375A CNA200680018430XA CN200680018430A CN101185375A CN 101185375 A CN101185375 A CN 101185375A CN A200680018430X A CNA200680018430X A CN A200680018430XA CN 200680018430 A CN200680018430 A CN 200680018430A CN 101185375 A CN101185375 A CN 101185375A
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Abstract

公开了一种用于产生白光的发光二极管(LED)照明系统。该系统包含被设置成发出具有不同波长范围的光并且和不同的特征组关联的LED组以及被设置成驱动这些LED的驱动电路。该驱动电路包含：用于期望的光强、颜色再现指数和色温的输入；用于对于LED温度的信号的输入；用于根据对于每个所述LED组的所述参数、信号和特征来为所述LED组确定驱动电流的模型；和用于LED的电流驱动器。至少一个所述LED组包含具有第一波长子范围和第一组特征的第一LED子组，以及具有第二波长子范围和第二组特征的第二LED子组。所述LED组的集总波长范围是所述第一和第二波长子范围的一个范围，并且所述LED组的特征组是所述第一和第二组特征的函数。也公开了一种用于控制这些LED组的方法。

Description

把两种LED颜色描绘成单一的、集总的LED颜色
技术领域
本发明涉及一种用于产生白光的发光二极管(LED)照明系统和一种用于控制用来提供白光的三组或多组LED的方法。
发明背景
颜色可调发光二极管(LED)光源的当前问题是颜色色再现特性。为了获得足够大的色域，光源通常包括三种颜色的LED：红色、绿色和蓝色。美国专利NO.6411046对此进行了介绍，其中通过如下步骤来控制LED的光输出和颜色：在不同的温度下测量每个LED光源的色坐标；存储作为温度的函数的色坐标表达式；推导出作为温度的函数的色坐标方程式；在线计算色坐标和流明输出部分(fractions)；基于计算出的色坐标和流明输出部分控制LED的光输出和颜色。然而，对计算能力(calculation power)的要求会增加照明系统的成本。另外，三色系统的颜色再现特性可能不令人满意。应当注意，设计照明系统时颜色再现指数只能通过选取LED的波长进行优化。这可以通过使用更多的颜色来克服。然而，对计算能力的需求于是会提高甚至更多，成本也因而会提高甚至更多。因此，需要一种改进的LED照明系统和控制这种LED照明系统的改进的方法。
发明概述
根据以上所述内容，本发明的一个目的是解决或者至少缓解以上讨论的问题。具体地，目的是在复杂性方面改善对颜色再现的优化。
本发明基于这样的理解：颜色再现的控制中的复杂性可以通过联合驱动不同颜色的LED来降低，以及即使在LED温度变化的情况下如何实施这一点以获得满意的彩色再现和控制特性。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生白光的发光二极管(LED)照明系统，该系统包括：被设置成发出具有第一波长范围和第一组特征的光的第一组LED；被设置成发出具有第二波长范围和第二组特征的光的第二组LED；被设置成发出具有第三波长范围和第三组特征的光的第三组LED；和被设置成驱动所述LED组的驱动电路。该驱动电路包括：用于确定期望的光强和颜色的参数的输入；用于对于所述LED组的LED温度的信号的输入；用于根据对于每个所述LED组的所述参数、信号和特征组来为所述LED组确定驱动电流的模型；和用于向所述LED组提供所述确定的电流的电流驱动器。该系统的特征在于，所述第三组LED包含具有第一波长子范围和第一组特征的第一LED子组以及具有第二波长子范围和第二组特征的第二LED子组，其中所述第三波长范围是所述第一和第二波长子范围的集总波长范围，并且所述第三组特征是所述第一和第二组特征的函数。
这样的优点是改进了颜色再现，而没有增加控制的复杂性。通过采用超过三种颜色，在选择了待生成的颜色后，颜色再现指数可以得到最优化。
所述特征组可以包含光输出的温度相关性、波长的温度相关性或光输出的电流相关性，或它们的任意组合。
发光二极管的第一和第二子组在电气上串联。
这样的优点是为两组LED提供了相等的电流。
该照明系统可以进一步包含用于为所述LED组的LED温度提供所述信号的温度传感器，其中所述温度传感器被安置在置于所述LED组处的散热器中。
对应每组LED的所述模型可包含LED温度的通量函数，该通量函数是LED温度和参考温度的差商的指数函数，所述模型还包含根据每组LED的特征的关于温度参数的通量相关性。对于每组LED的所述模型可包含取决于LED温度和参考温度之差的LED温度的波长函数，以及根据每组LED的特征的关于温度参数的波长相关性。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制三组LED以产生白光的方法，所述三组LED中的每组都被设置成发出具有一个波长范围和具有一组特征的光，该方法包括以下步骤：确定期望的光强和颜色；确定所述LED组的LED温度；根据所述期望的光强、颜色和所述LED温度来为每组LED确定对于每个所述LED组的驱动电流；为所述LED组提供所述驱动电流。该方法的特征在于，至少一个所述LED组包含具有第一波长子范围和第一组特征的第一LED子组以及具有第二波长子范围和第二组特征的第二LED子组，其中所述LED组的波长范围是所述第一和第二波长子范围的集总波长范围，并且所述LED组的特征组是所述第一和第二组特征的函数。
为每组LED确定对于每个所述LED组的驱动电流的所述步骤可以使用对于每组LED的模型，该模型包含取决于LED温度和参考温度之差的LED温度的波长函数，以及根据每组LED的特征的关于温度参数的波长相关性。
所述LED组可以包含一个或更多的LED。
LED温度是指LED工作于此的温度。物理上，是指结温；实用并可测量地，是靠近结的介质的温度，介质例如LED的密封舱(capsule)或位于LED的散热器。
参考温度是指一个标称温度，例如LED的特性在该温度下被指定。
一般地，权利要求中使用的全部术语都应当按照它们在本技术领域中的通常意义来理解，除非本文中有另外的明确的说明。所有“一/一个/这个【元素、设备、元件、装置、步骤等】”的说法都应当从广义上理解为指的是所述元素、设备、元件、装置、步骤等的至少一个实例，除非有另外的明确的说明。本文公开的任何方法的步骤都不必按照公开的精确的顺序去执行，除非有明确的说明。
根据下面详细的记载、根据所附的从属权利要求以及根据附图，本发明的其它目的、特征及优点将是显而易见的。
附图简述
参考附图并且通过下面的本发明优选实施例的说明性和非限制性的详细描述，将能更好地理解本发明的上述以及其它目的、特征和优点，附图中相同的参考标记将用来表示相似的元件，其中：
图1表示根据本发明的一个实施例的照明系统；
图2是根据本发明的一个实施例的驱动电路的功能性描述；
图3表示根据本发明的一个实施例的照明系统；
图4表示根据本发明的一个实施例的照明系统；
图5表示根据本发明的一个实施例的照明系统；及
图6是说明根据本发明的一个实施例用于控制LED的方法的流程图。
优选实施例详述
图1表示根据本发明的一个实施例的照明系统100，它包含：LED组102，103，104；驱动电路106；和用于期望的光参数(比如强度和颜色)的输入108。LED组102，103，104的每一组被设置成发出具有一个波长范围的光，并且和一组特征关联。这些特征可以是光输出的温度相关性、波长的温度相关性和/或光输出的电流相关性。驱动电路106被设置成例如通过向每组LED 102，103，104提供确定的驱动电流来驱动LED组102，103，104。驱动电流可以通过一个模型来确定，其中模型的输入是由输入108提供的期望的光参数，LED组102，103，104的特征和LED组102，103，104的确定的结温。LED的温度，即和结温相关的温度，通过分别测量例如LED组的散热器的温度来确定。本实施例中的控制机制应该被视为一个例子，本领域里公知的其它控制机制同等可行。系统100具有的特征将参考图3，4和5进一步描述。
图2是图1驱动电路106的一个实施例的功能性描述。驱动电路106包含模型200，用于存储LED组特征的存储器202，期望的光参数的输入204，LED温度输入206和电流驱动器208。向模型200提供特征、光参数和确定的LED温度，模型200向电流驱动器208提供对应每个LED组的确定的电流水平，电流驱动器208向LED组(未示出)提供电流。驱动电路106具有的特征将参考图3，4和5进一步描述。
图3示意性地表示了根据本发明的一个实施例的照明系统300。照明系统300包含被设置成提供三个驱动信号的驱动电路302。应当注意，为了清楚的目的，用于确定驱动信号的部件的说明已被省略，该部件参考图1和2在上面被描述。第一驱动信号被设置成驱动这里被描绘为单个LED 304的第一组发光二极管(LEDs)，这些LED被设置成发出具有第一波长范围的光。来自驱动电路302的第二驱动信号被设置成驱动第二组LED，所述第二组LED包含这里被描绘为单个LED 306的第一LED子组，这些LED被设置成发出具有第一波长子范围的光，并且与第一组特征关联，所述第二组LED还包含这里被描绘为单个LED 308的第二LED子组，这些LED被设置成发出具有第二波长子范围的光，并且与第二组特征关联。尽管第二组LED包含具有不同波长范围和不同特征的两个LED子组，但是第二组LED被当作单一的LED组对待。因此，第二组LED被指定一个波长范围，该波长范围是第一和第二波长子范围的集总波长范围。相似地，第二组LED被指定的特征是第一和第二特征组的函数。第一和第二LED子组306，308可以在电气上串联连接。第三驱动信号被设置成驱动这里被描绘为单个LED 310的第三组LED，这些LED被设置成发出具有第三波长范围的光。通过控制这三个驱动信号，这些LED组以不同颜色发光，以便提供具有期望的白光的总的光输出。另外，通过对这三个驱动信号的控制，总的光输出的颜色和强度可以得到控制。
LED组可以包括一个或更多个的LED。可以选择每组里LED的数目以最优化各种波长之间的平衡，从而能够实现对给白光提供期望的颜色和强度进行合理的控制。
第一波长范围的光可以是绿色的，即其中心波长在520nm到550nm范围内的某处。第三波长范围的光可以是蓝色的，即其中心波长在450nm到490nm范围内的某处。第一和第二波长子范围可以分别是红色和琥珀色，即中心波长分别在610nm到645nm范围和580nm到600nm范围内的某处。由于LED的性质，中心波长周围的波长也会出现。另外，中心波长取决于LED的结温。
以上波长仅为例子，其它波长和波长范围也可以在本发明的范围内。
除了参考波长范围、参考光输出、参考温度等外，LED的特征可以来自例如LED的数据表、波长和光输出的温度相关性。依据经验，发现光输出(通量)可以从例如下式得到：
Φ ( T j ) = Φ ref exp ( - T j - T ref T 0 ) (方程1)
其中T0是特征变量。另外，峰值波长的移位可以通过以经验发现的关系式来描述，例如：
λp≈λp0+β(Tj-Tref)    (方程2)
其中β是特征性质。对于不同颜色的LED，特征值不同，可以通过示范性的表1看出。
表1
   LED颜色 红色 琥珀色 绿色 蓝色
  β(nm/K) 0.10  0.13  0.05  0.02
  T0(K) 95  65  260  400
特征的不同意味着弄不清红色和琥珀色LED的组合能否看成单个的集总LED。早前使用这四种颜色对颜色反馈系统的试验表明，在只考虑单个温度下的光学特性时，温度特性的差异太大，不能仅仅将红色和琥珀色LED集总为单一的自由度。组合的LED可以模型化成具有和普通LED相似的辐射模式和特性的集总LED。通过仿真，确定了组合的红色和琥珀色LED在x和y两坐标上的辐射模式和其通量输出。表2表示了仿真的一个例子。
表2
红色 琥珀色 集总的
LED的个数 2  6  “1”
I(mA) 350  350  350
Φ(lm/LED) 59.5  45.8  320.0
FWHM(nm) 20  14  14
λpeak(nm) 617  593.25  598.25
β(nm/K) 0.10  0.13  0.13
T0(K) 95  65  68
Rj2b(K/W) 18  18  18
VF(V) 2.910  2.670  2.730
根据表2的仿真结果，6个琥珀色和2个红色LED的组合产生了非常好的颜色再现特性和容易的驱动、颜色反馈及颜色可调性。容易是因为只有三个自由度，它们通过选择一个期望的色点来明确地确定。应当注意，类似的集总LED也能针对红色和琥珀色LED的不同组合，或者针对颜色的不同组合(例如蓝色和青色，蓝色和绿色，或绿色和青色LED)来定义。
在一个替换实施例中，可能期望为被联合驱动的组提供相等的电压。图4表示了根据本发明的一个实施例的照明系统400。照明系统400包含被设置成提供三个驱动信号的驱动电路402。应当注意，为了清楚的目的，用于确定这些驱动信号的部件的说明已被省略，这些部件参考图1和2在上面被描述。第一驱动信号被设置成驱动这里被描绘为单个LED 404的第一组LED，这些LED被设置成发出具有第一波长范围的光。来自驱动电路402的第二驱动信号被设置成驱动第二组LED，该组LED包含这里被描绘为单个LED 406且被设置成发出具有第一波长子范围的光的第一LED子组和这里被描绘为单个LED408且被设置成发出具有第二波长子范围的光的第二LED子组。尽管第二组LED包含具有不同波长范围和不同特征的两组LED，但是第二组LED被当作单个LED组对待。因此，第二组LED被指定了一个波长范围，该波长范围是第一和第二波长子范围的集总波长范围。类似地，第二组LED被指定的特征是第一和第二特征子组的函数。第一和第二LED子组可以在电气上并联连接以便为两个LED子组406，408提供相等的电压。
图5表示了根据本发明的一个实施例的照明系统500，其中只提供了两个驱动信号。照明系统500包含被设置成提供两个驱动信号的驱动电路502。第一驱动信号被设置成驱动这里被描绘为单个LED 504的第一组发光二极管(LED)，这些LED被设置成发出具有第一波长的光。来自驱动电路502的第二驱动信号被设置成驱动第二组LED，该组LED包含这里被描绘为单个LED 506且被设置成发出具有第一波长子范围的光的第一子组LED，和这里被描绘为单个LED 508且被设置成发出具有第二波长子范围的光的第二子组LED。尽管第二组LED包含具有不同波长范围和不同特征的两组LED，但是第二组LED被当作单个LED组对待。因此，第二组LED被指定了一个波长范围，该波长范围是第一和第二波长子范围的集总波长范围。类似地，第二组LED被指定的特征是第一和第二组特征的函数。第一和第二LED子组可以在电气上串联连接以便为两个组506，508提供相等的电流。
LED组和子组可以包含一个或更多的LED。可以选择每个组和子组里LED的数目和波长以最优化各种波长之间的平衡，从而能够实现对给白光提供期望的色温范围和颜色再现指数、颜色和强度进行控制。每种颜色的LED的数目和它们的波长应该进行最优化，以在一个期望的色温范围、颜色范围和光强范围内得到确定的颜色再现。
第一波长的光可以是红色的，即其中心波长在610nm到645nm范围内的某处。第一和第二LED子组的颜色可以分别是蓝色和绿色，即中心波长分别在450nm和490nm范围和520nm到550nm范围内的某处。
本发明的以上实施例建议联合驱动多于一个的LED子组，以方便对产生的白光的色温进行控制。给出的建议有：将四色系统简化成三个自由度和将三色系统简化成二个自由度。然而，本发明可以用于实施具有任意颜色数量和具有减少了的控制自由度的数目的系统。因此，照明系统可以包含两个或更多的与以上描述类似的集总LED组。
图6是说明根据本发明的一个实施例用于控制多组LED的方法的流程图。在第一确定步骤600中，确定期望的光强、颜色再现指数和色温。在第二确定步骤602中，确定LED的温度，优选地，确定结温，例如通过测量LED的散热器的温度，依据散热器的温度确定LED的结温。在第三确定步骤604中，依据期望的光强、颜色再现指数、色温和LED温度来确定对应每个LED组的驱动电流。在电流提供步骤606中，为每个LED组提供驱动电流。另外，本方法包含根据以上参考图3，4和5所描述内容的特征。
根据描述的本发明的实施例的方法包含许多步骤。出于本领域的实时限制，这些步骤可以以任何顺序连续地或并行地进行。
上面主要参考一些实施例对本发明进行了描述。然而，本领域的普通技术人员容易理解的是，除了以上公开的实施例，其它实施例也一样可以在本发明的范围内，该范围在所附专利权利要求中限定。

Claims (9)

1.一种发光二极管(LED)照明系统100，用来产生白光，该系统(100)包含：
被设置成发出具有第一波长范围和第一组特征的光的第一组LED(102，304，404)；
被设置成发出具有第二波长范围和第二组特征的光的第二组LED(103，310)；
被设置成发出具有第三波长范围和第三组特征的光的第三组LED(104)；及
被设置成驱动所述LED组(102，103，104)的驱动电路(106)该驱动电路(106)包含：
用于确定期望的光强度和颜色的参数的输入(108，204)；
用于对于LED组的LED温度的信号的输入；
用于依据对于每个所述LED组(102，103，104)的所述参数、信号和特征组为所述LED组确定驱动电流的模型(200)；及
用于向所述LED组(102，103，104，304，404，310)提供所述确定的电流的电流驱动器(208)，其特征在于：
所述第三组LED(104)包含具有第一波长子范围和第一组特征的第一LED子组(306，406)，以及具有第二波长子范围和第二组特征的第二LED子组(308，408)，其中所述第三波长范围是所述第一和第二波长子范围的集总波长范围，并且所述第三组特征是所述第一和第二组特征的函数。
2.根据权利要求1的照明系统，其中所述特征组包含光输出的温度相关性、波长的温度相关性或光输出的电流相关性，或它们的任意组合。
3.根据权利要求1或2的任一项的照明系统，其中所述第一波长范围是从450nm到490nm，所述第二波长范围是从520nm到550nm，所述第三波长范围是从580nm到645nm，其中所述第三波长是从580nm到600nm的第一子范围和从610nm到645nm的第二子范围的集总波长范围。
4.根据权利要求1或2的任一项的照明系统，其中所述第一波长范围是从610nm到645nm，所述第二波长范围是从580nm到600nm，所述第三波长范围是从450nm到550nm，其中所述第三波长是从450nm到490nm的第一子范围和从520nm到550nm的第二子范围的集总波长范围。
5.根据权利要求1至4的任一项的照明系统，其中所述第一和第二发光二极管子组(306，308)串联电连接。
6.根据权利要求1至5的任一项的照明系统，进一步包含用于为所述LED组的LED温度提供所述信号的温度传感器，其中所述温度传感器被安置在置于所述LED组处的散热器中。
7.根据权利要求1至6的任一项的照明系统，其中对于每组LED的所述模型包含取决于LED温度和参考温度之差的LED温度的波长函数，和根据每组LED的特征的关于温度参数的波长相关性。
8.一种用于控制三组LED以便提供白光的方法，所述三组LED的每组都被设置成发出具有一个波长范围和具有一组特征的光，该方法包括以下步骤：
确定期望的光强和颜色；
确定这些LED组的LED温度；
根据所述期望的光强、颜色和所述LED温度来为每组LED确定对于所述LED组的每一个的驱动电流；及
为所述LED组提供所述驱动电流，该方法的特征在于：
至少一个所述LED组包含具有第一波长子范围和第一组特征的第一LED子组，以及具有第二波长子范围和第二组特征的第二LED子组，其中所述LED组的波长范围是所述第一和第二波长子范围的集总波长范围，并且所述LED组的特征组是所述第一和第二组特征的函数。
9.根据权利要求9或10的方法，其中为每组LED确定对于所述LED组的每一个的驱动电流的所述步骤使用对于每组LED的模型，该模型包含取决于LED温度和参考温度之差的LED温度的波长函数，和根据每组LED的特征的关于温度参数的波长相关性。
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