TW201401933A - 節能型照明系統 - Google Patents
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Abstract
本發明有關於一種照明系統，特別係關於藉由多個光源同步閃爍，提高使用者所感覺之視亮度(apparent brightness)，而實現節能之照明系統。本發明之節能型照明系統，其中包括有：多個光源；同步信號發生裝置，發生同步信號以使該多個光源之閃爍時點同步；多個控制器，接收該同步信號，依據該同步信號進行脈寬調變控制各光源而使多個光源同步閃爍。藉此，本發明之節能型照明系統，雖與其他之照明系統相比耗電量少，但也能維持與其他照明系統同等水平之視亮度。因此具有節能、且使用者所感覺之視亮度始終規定之優點。
Description
本發明有關一種照明系統，特別係關於藉由多個光源同步閃爍，提高使用者所感覺之視亮度(apparent brightness)，而實現節能之照明系統。
照明係指將電能變換為光能之裝置。通常，光能量隨著所輸入之電能量增加。將電能變換為光能之比率稱為光變換效率。
改善光變換效率與節能有密切關係，為實現高效照明，改善元件之光變換效率、改善電源供應裝置之功因、優化背光分佈等需要傾注各種努力。
最近，考慮研究認知現象與刺激之物理性質之關係之心裡物理學(psychophysics)方面，試圖節約藉由脈衝波驅動之照明裝置之能量。
發光二極管(light emitting diode,LED)，藉由使用直流電源之恒流控制方式或利用脈壓之脈寬調變(pulse width modulation,PWM)控制方式進行控制。
脈寬調變控制係藉由調整脈衝之頻率和任務週期(duty cycle)調整電力之控制方式。光源以閃光融合頻率(flicker fusion frequency)以上閃爍時，人之眼睛並不係斷續地感覺到，而係感覺連續閃爍。藉此，利用閃光融合頻率以上之脈壓驅動發光二極管時，人之眼睛會感覺到光源始終亮著。光源之閃光頻率為75赫茲以上時，大部份眼睛感覺光源連續閃爍。
1990年開始發表人之眼睛如何識別斷續地閃爍之光源之亮度
之研究結果。
依據塔爾伯特-普拉托(Talbot-Plateau)定律，觀察斷續閃爍之光源之人們感覺該光源持續以平均亮度點亮著。
依據布羅卡-蘇爾澤(Broca-Sulzer)定律，若露出於相機閃光燈等強光，則人之眼睛會感覺比實際光度亮幾倍。
最近，依據日本愛媛大學之研究1)，當使用脈壓時，布羅卡-蘇爾澤效應與塔爾伯特-普拉托效應相比所導致之影響更大，人們之眼睛感覺光源比平均亮度更亮。
再者，依據中國天津大學之研究2)，請參照第一圖，當平均強度(overage intensity)相同時，感覺藉由PWM控制方式驅動之LED比藉由恒電流方式驅動之LED更亮。再請參照第一圖，PWM控制方式之情況，越使用任務週期短之脈壓，與恒電流方式之視亮度(apparent brightness)之差便更大。視亮度係指對應於光之物理量之亮度(brightness)之明暗感之心理量。即係指人們所感覺之亮度而不係實際亮度。
請參照第一圖可知頻率為100Hz時，若任務週期50%，則與恒電流方式相比感覺更亮約40%，若任務週期80%，則感覺更亮約25%，若任務週期100%，則與恒電流方式相比沒有區別。
所述結果由日本愛媛大學之研究結果也可確認。依據日本愛媛大學之研究結果，以任務週期為5%，脈壓為60Hz驅動LED時，與恒電流驅動方式相比，最大感覺更亮120%。
藉由第一圖之結果可預測當平均強度相同時，以強度大且任務週期短之脈壓驅動之LED與以強度低且任務週期長之脈壓驅動之LED相比感覺更亮。
(非專利文獻1) 1) Masafumi JINNO, Keiji MORITA, Yudai TOMITA, Yukinobu TODA, Hideki MOTOMURA(2008), "Effective
illuminance improvement of light source by using pwm", J. Light & Vis. Env. Vol. 32, No. 2, 2008.
(非專利文獻2) 2) Zhang Yinxin, Zhang Zhen, Huang Zhanhua, Cai Huaiyu, Xia Lin, Zhao Jie(2008), "Apparent Brightness of LEDs under Different dimming Methods" Proc. of SPIE Vol. 6841 684109.
多個LED照明照射相同區域時，即便藉由PWM控制方式驅動各LED照明，若LED照明互相不同步閃爍，則與藉由恒電流方式驅動沒有區別。
第二圖係用於說明依據藉由PWM控制方式驅動之兩個LED照明之相位差而發生之視亮度(apparent brightness)之圖。(a)係同步化之情況，(b)係相位差為180°之情況，(c)係相位差為90°之情況。用於PWM控制之脈壓之強度為100，任務週期為50%。
請參照第二圖(a)，當兩個LED照明同步時，與藉由強度為200且任務週期為50%之脈壓驅動相同，當相位差為180°時，請參照第二圖(b)，與藉由強度為100且任務週期為100%之恒電壓驅動相同，當相位差為90°時，請參照第二圖(c)，與藉由平均強度為400/3，任務週期為75%之脈壓驅動相同。
請參照第一圖，藉由任務週期為50%之脈壓驅動時，與任務週期為75%之脈壓或恒電壓驅動時相比，視亮度更亮。請參照第一圖，藉由任務週期為50%之脈壓驅動時，與恒電壓驅動時相比，視亮度提高約40%。
藉由PWM方式驅動之由多個照明構成之現有照明系統，由於多個照明沒有同步化，因此視亮度與藉由恒電壓驅動之情況相比沒有很大之差異。並且，存在由於驅動各照明之脈壓之相位差而視亮度不規則之問題。
本發明係為解決所述問題點而提出，其目的為，提供一種雖耗電量少，但使用者感到相同之視亮度，且能節儉能量之照明系
統。
並且，本發明之目的為，提供一種視亮度規定之照明系統。
為解決上述問題，本發明之節能型照明系統，其中，包括有：多個光源，向相同之區域照射光；同步信號發生裝置，發生同步信號以使該多個光源之閃爍時點同步；多個控制器，分別設置於各光源而接收該同步信號，依據該同步信號脈寬調變控制各光源而使多個光源同步閃爍，從而，提高來自該多個光源之光同時照射之區域之視亮度。
該節能型照明系統中，其中該同步信號發生裝置係設置於該多個光源與向該光源供應電源之交流電源之間，感應該交流電源之相位變化而發生同步信號之裝置。
例如，該同步信號發生裝置可以係檢測該交流電源之電壓之瞬值成為0之瞬間而發生同步信號之零交叉檢測器。
優選，脈寬調變之切換頻率為100Hz至1kHz，任務週期為10-85%。
更優選，脈寬調變之切換頻率為雙頻，脈寬調變之任務週期為10-85%，第一切換頻率為100Hz至1kHz，第二切換頻率係比第一切換頻率低之頻率。
本發明之節能型照明系統，雖與其他照明系統相比耗電量少，但也能保持與其他照明系統同等水平之視亮度。藉此，具有節能且使用者所感覺到之視亮度始終規定之優點。
10‧‧‧光源
20‧‧‧同步信號發生裝置
21‧‧‧同步信號發生裝置
22‧‧‧同步信號發生裝置
23‧‧‧同步信號合成部
24‧‧‧同步信號抽取部
25‧‧‧同步信號發生裝置
30‧‧‧控制器
31‧‧‧同步信號處理部
32‧‧‧控制部
33‧‧‧開關
34‧‧‧反饋部
40‧‧‧整流電路
圖1係依據任務週期之視亮度(apparent brightness)與平均強度比之變化之示意圖；
圖2係用於說明依據藉由PWM控制方式驅動之兩個LED照明之相位差而引起之視亮度之差之圖；
圖3係本發明之節能型照明系統之一實施例之框圖；
圖4係本發明之節能型照明系統之其他實施例之框圖；
圖5係本發明之節能型照明系統之其他另一實施例之框圖；
圖6係本發明之節能型照明系統之其他另一實施例之框圖；
圖7係用於說明在脈寬調變之切換頻率為雙頻時之脈衝形態之圖；
圖8係用於說明脈寬調變之切換頻率為雙頻時提高視亮度之圖。
以下，參照圖面詳細說明本發明。
為向本領域之技術人員充分提供本發明之思想，舉例說明後述之實施例。藉此，本發明並非局限於以下所述之實施例，可以體現為其他之形態。
第三圖係本發明之節能型照明系統之一實施例之框圖。請參照第三圖，本發明之節能型照明系統之一實施例，包括：多個光源10；多個同步信號發生裝置20，發生同步信號而使多個光源同步閃爍；以及多個控制器30，控制多個光源10。
多個光源10互相隔開，朝相同之區域照射光。多個光源10，例如可為設置在客廳之多個照明、汽車之一對前照燈、設置在停車場之多個照明等。本發明之目的係，提供一種藉由將多個光源10同步閃爍，雖耗電量少，但將使用者所感覺之視亮度保持為同等水平之節能型照明系統。
各光源10可為由一個LED或多個LED元件構成之LED陣列。多個LED元件可以串聯連接或並列連接。並且，LED陣列還可以係並列連接多個LED元件串聯連接之多個串之者。各光源10連接在相同之交流電源1。
在交流電源1和光源10之間設置用於將交流電源1變換為直流之整流電路40。整流電源40可包括用於變換所輸入之交流電源
1之電壓之變壓器、將交流電源整流為半正弦波形態之橋式二極管電路、使半正弦波平滑之電容器、以及用於調整電壓之電壓調整器(voltage regulator)。
同步信號發生裝置20係發生同步信號以使多個光源10同步閃爍之裝置。本實施例中，同步信號發生裝置20係設置於交流電源1與各控制器30之間，依據交流電源1之相位變化發生同步信號之裝置，可為零交叉檢測器。
零交叉檢測器檢測交流電源1之電壓之瞬值成為0之瞬間而發生同步信號。多個光源10皆藉由相同之交流電源1動作，因此，交流電源1之電壓之瞬值成為0之瞬間相同。藉此，可以將設置在各光源10之電源輸入端之零交叉檢測器用作同步信號發生裝置。
零交叉檢測器可用電壓電平比較器、三端雙向可控矽元件而製成。
利用電壓電平比較器時，接收整流電流40之變壓器之一次側或二次側之交流電之後，利用電壓電平比較器與規定基準信號進行比較，依據比較結果輸出邏輯信號，然後，微分邏輯信號而在發生零交叉之地點具有規定週期之脈衝信號。
利用三端雙向可控矽元件時，通過三端雙向可控矽元件確認變壓器之一次側或二次側交流之極性變化，並可發生脈衝信號。
控制器30包括同步信號處理部31、控制部32及開關33。同步信號處理部31接收在同步信號發生裝置20發生之同步信號進行處理後傳遞至控制部32。控制部32反應同步信號，發生經同步化之PWM控制信號之後傳遞至開關33。開關33配置在整流電路40和光源10之間，光源10依據經同步化之PWM控制信號進行閃爍。開關33可使用三端雙向可控矽元件(Triac)、MOSFETs(金屬氧化物半導體場效電晶體；Metal oxide semiconductor field effect transistors)或者IGBTs(絕緣閘雙極性電晶體；Insulated-gate bipolar
transistors)等半導體開關。
PWM切換頻率優選為100Hz至1kHz。低於100Hz之狀態下可以感覺到閃爍。任務週期優選為10至85%。超過85%時，視亮度之提高效果微小。
但，所述頻率範圍係以用於人之照明為基準，可依據適用領域改變頻率範圍。
例如，有報告稱，在誘魚等時使用以數秒間隔閃爍之光源才能達到麻醉魚類之效果。
控制器30進一步包括反饋部34。反饋部34連接於光源10，檢測光源10之負載狀態而傳遞至控制部32。
第四圖係本發明之節能型照明系統之其他實施例之框圖。請參照第四圖，本實施中，發生同步信號傳遞至控制電路之方式與第三圖所示之實施例有區別，因此，僅對該區別部份進行詳細說明。
本實施例中，同步信號發生裝置21使用時鐘脈衝發生器(clock pulse generator)。時鐘脈衝發生器係以預規定時間間隔發生時鐘脈衝信號之裝置。時鐘脈衝發生器係可組合所謂結晶振盪器(crystal oscillator)和不穩定多諧振盪器之電路而構成。在時鐘脈衝發生器發生之時鐘脈衝藉由信號線傳遞至各控制器之同步信號處理部31。
第五圖係本發明之節能型照明系統之其他另一實施例之框圖。本實施例中，在同步信號發生裝置22發生之同步信號傳遞至同步信號合成部23。在同步信號合成部23將同步信號加載於電源線。被加載於電源線之同步信號從電源線分離之後，從同步信號抽取部24傳遞至控制器30之同步信號處理部31。
第六圖係本發明之節能型照明系統之其他另一實施例之框圖。本實施例中，在同步信號發生裝置25發生之同步信號通過分別設置在同步信號發生裝置25和控制器30之有無線通訊模組傳
遞至同步信號處理部31。在同步信號發生裝置25，將同步化信號加載於載波信號進行發送，在控制部30利用濾波器從載波信號分離同步化信號之後將同步化信號傳送至同步信號處理部31。
以下，說明脈寬調變切換頻率為雙頻之情況。
切換頻率為雙頻係指如第7圖所示藉由頻率大之第一切換頻率反覆On-Off，同時，藉由頻率小之第二切換頻率也反覆On-Off。例如，第一切換頻率可為120-150Hz，第二切換頻率可為5-17Hz。第二切換頻率之情況，On時間長，Off時間短。結果成為脈波中間之一部份消失之形態。
切換頻率為雙頻時，具有視亮度更加提高之效果。
以下，簡單說明當切換頻率為雙頻時視亮度更加提高之理論依據。
依據馬赫頻帶(Mach band)效應，視亮度並非為單純之強度之函數。看亮度不同之兩個區域之境界時，人們會覺得亮度低之一側更暗，且亮度高之一側更亮。利用該馬赫頻帶效應，則增加人們所感覺到之視亮度，同時，可在感覺不到光源閃爍之區域驅動光源。
第八圖係用於說明脈寬調變之切換頻率為雙頻時提高視亮度之圖。第八圖之上端圖係直流驅動之例，中間圖係單頻PWM驅動之例，下端圖係雙頻PWM驅動之例。
如第八圖可知，感覺中間圖比上端圖更亮，且下端圖比中間圖更亮。
在視覺上空間區域與時間區域之傾向可以相同，由此可知，切換頻率為雙頻時視亮度更加提高。
惟以上僅為本發明之較佳可行實施例，並不限定本發明。本發明之範圍藉由申請專利範圍而定，從申請專利範圍之含義、範圍及其等價概念導出之所有變更或變形之形態均屬於本發明之範圍，合予陳明。
10‧‧‧光源
20‧‧‧同步信號發生裝置
30‧‧‧控制器
31‧‧‧同步信號處理部
32‧‧‧控制部
33‧‧‧開關
34‧‧‧反饋部
40‧‧‧整流電路
Claims (9)
- 一種節能型照明系統，其中，包括有：多個光源，向相同之區域照射光；同步信號發生裝置，發生同步信號以使該多個光源之閃爍時點同步；多個控制器，分別設置於各光源而接收該同步信號，依據該同步信號脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)控制各光源而將所述多個光源之閃爍時點同步，從而，提高來自該多個光源之光同時照射之區域之視亮度。
- 如申請專利範圍第1項所述之節能型照明系統，其中該同步信號發生裝置係設置於該多個光源與向該多個光源供應電源之交流電源之間，感應該交流電源之相位變化而發生同步信號之裝置。
- 如申請專利範圍第2項所述之節能型照明系統，其中該同步信號發生裝置係檢測該交流電源之電壓之瞬值成為0之瞬間而發生同步信號之零交叉檢測器。
- 如申請專利範圍第1項所述之節能型照明系統，其中該同步信號藉由該同步信號發生裝置與設置於該控制器之有．無線通訊模組傳遞至該控制器。
- 如申請專利範圍第1項所述之節能型照明系統，其中該同步信號藉由電源線傳送方式傳送到各控制器，即該同步信號被加載於向該光源供電之電源線進行傳送後，從該電源線分離，從而傳送至該控制器。
- 如申請專利範圍第1項所述之節能型照明系統，其中該同步信號藉由設置於該同步信號發生裝置與該控制器之間之其他之信號線傳送至該控制器。
- 如申請專利範圍第1項所述之節能型照明系統，其中脈寬調變切換頻率為100Hz至1kHz、任務週期為10-85%。
- 如申請專利範圍第1項所述之節能型照明系統，其中脈寬調變之切換頻率為雙頻，脈寬調變之任務週期為10-85%，第一切換頻率為100Hz至1kHz，第二切換頻率係比第一切換頻率低之頻率。
- 如申請專利範圍第8項所述之節能型照明系統，其中第二切換之On時間長於Off時間。
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