LED光源和用于调节LED光源的色调或色温的方法与流程

本发明涉及led光源，特别地，涉及调节led光源的色调和色温。
背景技术：
：led(发光二极管)照明在各种各样的使用中越来越常见.特别地，led光源的优点包括它们的能量效率和长的服务寿命。led光源还可以在车内使用，作为主要照明和夜间照明。另外，led光源还非常适于实现建筑、船只和其它类似物的安全照明。rgb(红-绿-蓝)指光的三原色：红、绿和蓝，由这三种颜色可以形成其它颜色和白色。传统的单个led可以仅发送可以是这三原色之一的单色(单颜色)光。为了产生更多颜色，三个led可以一起用于rgb混合。原理上，rgbled为彼此接近放置的三个单色led，通常在同一封装中，并且led的颜色为红、绿和蓝。当rgb-led中的所有led按比例发出相同的发光强度，并且使用正确类型的光学元件时，rgb-led发出的光对人眼呈现白色。通过调节光源中不同颜色的led的发射功率，可以容易地改变rgb-led的色温.通常，多数调节方法旨在影响正向电流(forwardcurrent)的值。用于调节led光源的光强的常用方法是使用脉宽调制(pwm)，即调制给送到光源的电力。当通过脉宽调制进行控制时，给送至led的电流的最大值是恒定的，而电流的平均值通过相对于循环时间调节电流脉冲的长度(导通时间)来控制.典型地，使用高于至少200hz的开关频率，使得人眼不能检测到光的闪烁。在rgb光源的情况下，每个单色led或led串的发光强度被单独地调节，并且每个单色led或led串具有自己的恒流调节器。因此，rgb-led光源的颜色改变和调光(dimming)需要三个pwm信号，每个信号调制给送到一个led串的电力。这种方案存在一些缺点和问题。光源的电力输入非常像脉冲，并且电流输入在光源的额定电流的0-300％的范围内变化。每个单独的pwm信号的脉冲比率的改变影响色调和调光二者。仅在100％电力(pwm信号的组合脉宽(combinedpulsewidth)为100％)处存在色调的全分辨率。当led调光时，色调的分辨率变得较差，并且色调在每个步骤处改变.根据恒定电流调节器的容差，相邻led串的色调和强度不同。led灯具的升温使得这种现象恶化。另一种已知的方案是恒流衰减(constantcurrentreduction，ccr)，其中led正向电流的幅度被线性调节.在这种方案中，每个led光源的led串中的每个颜色组件具有其自己的可调节的电流调节器，电流调节器被用来通过单独地调节每个颜色组件的led串的电流来实现光源的颜色改变和调光。这种方案也存在一些缺点和问题。仅在100％功率处存在色调的全分辨率。当led光源调光时，色调的分辨率变得较差，并且色调在每个步骤处改变.甚至在100％功率时，颜色的分辨率也差，这是因为led具有特定的最小电流，led的工作低于该电流。随着电流的变化，led的强度并不是线性变化，这使得难以计算色调，并且部分地由于这一现象，色调随着调光而改变。控制光源的微控制器需要检查led光源中的任一颜色组件的电流不在led的最小电流之下.如果电流即将低于最小值，则必须关闭有问题的颜色组件，或者将其电流提升至最小水平。由于每个颜色的led必须具有至少最小电流，因而led光源中白光的最小强度被限制为led最小电流的三倍.相邻的led串的色调和强度根据它们的恒流调节器的容差而不同.led光源的不均匀的升温使得这一现象恶化。技术实现要素：本发明的目的是一种具有色调或色温调节的led光源，其中减轻或至少部分地避免了现有技术的问题和缺点。利用根据所附独立权利要求的led光源和调节方法可以实现本发明的目的。从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。本发明的一个方面是一种led光源，其包括led串和半导体开关装置的至少三个串联连接，这些串联连接为并联配置，并且适于按照时间共享公共电流源，并且该led光源还包括色调或色温控制器，其适于提供至少三个脉宽调制控制信号，从而控制led串和半导体开关的所述至少三个串联连接每次一个顺序地激活，并且在由所述脉宽调制控制信号中相应的一个信号限定的时间从所述公共电流源获取电流，所述色调或色温控制器适于由两个脉宽调制颜色控制信号形成所述至少三个脉宽调制颜色控制信号。在一个实施例中，所述公共电流源的电流可调节以用于调节光强。在一个实施例中，所述至少三个led串适于分别发出至少两种不同的颜色。在一个实施例中，所述至少三个led串包括基本发出两种、三种或四种不同颜色的led串。在一个实施例中，所述光源为rgb-led光源，并且所述至少三个led串包括基本发出红光的第一led串、基本发出绿光的第二led串和基本发出蓝光的第三led串。在一个实施例中，所述光源为rgbw-led光源，并且其中所述至少三个led串包括基本发出红光的第一led串、基本发出绿光的第二led串、基本发出蓝光的第三led串和基本发出白光的第四led串。在一个实施例中，所述至少三个led串包括基本发出白光的第一led串和第二led串，以及至少一个发出非白光的led串。在一个实施例中，led光源包括：第一led组以及至少一个并联的led组，第一led组具有并联配置的led串和半导体开关装置的所述至少三个串联连接，至少一个并联的led组具有相应的并联配置的led串和半导体开关装置的至少三个串联连接，所述至少一个并联的led组每个都具有其自己的公共的时间共享的电流源，并且其中色调或色温控制器的所述至少三个脉宽调制颜色控制信号适于并行地同时控制所有led组，由此同时控制所有led组中相应的led串和半导体开关装置的串联连接以将其激活并且在由相应的脉宽调制控制信号限定的时间从所述公共电流源获取电流。本发明的一个方面是一种用于调节根据本发明的任何实施例的led光源的色调或色温的方法，该方法包括通过所述两个脉宽调制颜色控制信号来控制led光源的色调或色温，以及在led光源中由所述两个脉宽调制颜色控制信号形成所述至少三个脉宽调制颜色控制信号.在一个实施例中，所述两个脉宽调制颜色控制信号的状态顺序地形成至少三个状态组合，其中每个状态组合表示所述至少三个脉宽调制颜色控制信号中的一个.在一个实施例中，所述两个脉宽调制颜色控制信号的上升沿基本同时，并且其中由所述两个脉宽调制颜色控制信号通过逻辑运算形成所述至少三个脉宽调制颜色控制信号，其中该逻辑运算优选为逻辑或非(nor)、异或(xor)以及与(and)运算.在一个实施例中，所述两个脉宽调制颜色控制信号的上升沿基本一致，并且其中由所述两个控制信号通过逻辑运算形成四个脉宽调制颜色控制信号，在每个控制循环中，所述四个脉宽调制颜色控制信号中的两个是可用的，而所述四个脉宽调制颜色控制信号中的另外两个是选择性地可选的。在一个实施例中，所述两个脉宽调制颜色控制信号的上升沿具有相位差，并且其中由所述两个控制信号通过逻辑运算形成四个脉宽调制颜色控制信号。本发明的一个方面是一种灯具，包括根据本发明的一个实施例的led光源。本发明的一个方面是一种发光系统，包括根据本发明的一个实施例的led光源以及用于通过根据本发明的一个实施例的方法来调节led光源的色调或色温的控制装置。附图说明现在将结合优选的实施例并参考附图更详细地描述本发明，附图中：图1示出了根据一个示例性实施例的rgb-led光源的原理框图和连接示意图；图2是示出了图1的光源的控制信号在两个控制周期期间的例子的信号流示意图；图3是示出了由两个脉宽调制颜色信号形成图1中的光源的控制信号的例子的信号流示意图；图4示出了根据一个示例性实施例的具有多个led组的rgb-led光源的原理框图和连接示意图；图5示出了根据一个示例性实施例的rgbw-led光源的原理框图和连接示意图；图6是示出了由两个脉宽调制颜色信号形成图5中的光源的控制信号的例子的信号流示意图；图7是由两个脉宽调制颜色信号形成光源的控制信号的逻辑的又一例子；图8是示出了由具有同步上升沿的两个脉宽调制颜色信号通过图7的逻辑形成光源的控制信号的例子的信号流示意图；以及图9是示出了由上升沿具有相移的两个脉宽调制颜色信号通过图7的逻辑形成光源的控制信号的例子的信号流示意图。具体实施方式根据本发明的一个方面，多个并联的led串或列随着时间的变化共享同一电流源。利用与led串串联连接的半导体开关将电流分配至led串。利用专用的脉宽调制颜色控制信号来控制每个半导体开关和相应的led串.脉宽调制控制信号顺序地控制半导体开关和led串每次一个变为激活并且在由相应的脉宽调制控制信号限定的时间从公共电流源获取电流。该控制建立色调和色温调节，其不依赖于共享的电流源的工作。共享的电流源仅影响光强，而色调和色温调节在所有正向电流值处具有全分辨率。例如，根据本发明，使用可调光的共享的电流源不影响色调或色温的调节，但调光是单独的特征.有益地，可通过两个脉宽调制颜色控制信号来控制灯具的色调或色温的调节，在光源中，由这两个脉宽调制颜色控制信号通过逻辑运算(诸如nor、xor和and运算)为led串形成需要的数量的脉宽调制颜色控制信号。led串可以适于发出具有至少两种不同颜色的光.在示例性实施例中，led串包括大致发出两种、三种或四种不同颜色的led串。虽然以下示例性实施例被描述为利用某些led(诸如rgbled)来实现，替代于此或附加于此，可以使用任何led类型和颜色，诸如青、黄和品红led的任何组合.在本发明的一些示例性实施例中，光源为rgb-led光源。图1在原理上示出了rgb-led光源的例子。在该例子中，光源包括并联连接的三个led串：基本发出红光的第一led串(r)、基本发出绿光的第二led串(g)和基本发出蓝光的第三led串(b)。传统的单个led可以仅发送可以是这三原色之一的单色(单颜色)光。为了产生更多的颜色，三个并联的led可以一起用于rgb混合。在图1的例子中，不同颜色的ledr、g和b被示出为彼此相邻放置的单独的器件，但它们也可以被组合在一个封装中以形成rgb-led，如图1中的虚线10所示。并联的led串(诸如r、g和b)以及与它们串联连接的半导体开关一起可形成组11。led光源可以具有多个并联的led组11，其形成较大的实体，如图4所示。有益地，图4的示例性实施例与图1类似，但其具有被相同的脉宽调制控制信号c1、c2和c3控制的三个并联的led组11.多个led组11可以共享公共电流源12，但有益地，每个led组11可以具有自己的电流调节器12，如图4中由单独的给送线所示。即使在这种情况下，相较于已知的方案，该方案对每个led组节省了三个电流调节器。电流调节器12可以使用共享的dimpwm信号，如图4所示。在图1的例子中，每个led串具有在正向方向上串联连接的六个led，但led的数量不限于此，led串可具有任何数量的led.一般地，本文中的led串或列指的是两个或更多个led在正向方向上的串联连接，其中，后一个led的阴极连接至前一个led的阳极。在每个led串r、g和b的电流路径上，相应地串联连接半导体开关q1、q2和q3，以按照控制闭合和断开电流路径。在图1的例子中，每个半导体开关q1、q2和q3连接至相应的led串r、g和b的较低端(电压较低的端)，即阴极端，然而，半导体开关q1、q2和q3可以连接至相应的led串r、g和b的较高端(电压较高的端)，即阳极端，或led串的另一处。在图1的例子中，较低端电压被示出为零电势(接地)，但其可以是相对于较高端的任何较低或较负的电压，因此led串为正向偏置.在图1的例子中，每个开关q1、q2和q3被示出为一个半导体开关，但开关可以是包括多个附加组件(诸如电阻器、晶体管、运算放大器等)的开关电路。在图1的例子中，半导体开关q1、q2和q3被示出为场效应晶体管(fet)，但可以利用适于切断led串的电流路径的任何半导体开关(诸如双极晶体管、半导体继电器等)来实现这些开关。led串r、g和b连接至公共电流源或电流调节器12，led串r、g和b随着时间的变化共享公共电流源或电流调节器12。这意味着，led串r、g和b被相继控制以从共享的电流源12获取电流，其中每次控制一个led串.在图1的例子中，led串r的开关q1被脉宽调制颜色控制信号c1控制，led串g的开关q2被脉宽调制颜色控制信号c2控制，并且led串b的开关q3被脉宽调制颜色控制信号c3控制。图2示出了在两个控制周期(周期1和周期2)期间控制信号c1、c2和c3的例子.虽然该例子中控制序列次序是r、g和b，但可以以任何次序控制led串。在周期开始时，在t1时刻，控制信号c1从关(off)状态变成开(on)状态，启动一个控制脉冲，控制信号c2保持在off状态，并且控制信号c3从on状态变成off状态。电流流经led串r，并且在由控制脉冲的宽度确定的时间周期t1-t2内led串r发光.没有电流流经led串g和b，因而它们是关闭的。在t2时刻，控制信号c1变成off状态，控制信号c2变成on状态，启动一个控制脉冲，并且控制信号c3保持在off状态。此时，电流流经led串g，并且在由控制脉冲的宽度确定的时间周期t2-t3内led串g发光。没有电流流经led串r和b，因而它们是关闭的。在t3时刻，控制信号c1保持在off状态，控制信号c2变成off状态，并且控制信号c3变成on状态，启动一个控制脉冲。电流流经led串b，并且在由控制脉冲的宽度确定的时间周期t3-t4内led串b发光。没有电流流经led串r和g，因而它们是关闭的.在下一个周期中重复相同的序列。通过调节led串的脉宽的比率，也即，led串的脉宽在整个控制周期中的比例，可以调节期望的光源的色调和色温.例如，如果红光的共享增大，则蓝光或绿光或这两者在整个控制周期中的比例降低。在图4的具有多个组的例子中，控制信号c1、c2和c3同时控制每个组11.例如，控制信号c1的控制脉冲同时打开每个组11中的led串r。由于时间共享，在一个led组中仅需要一个电流源12，实际上所有的led串从该电流源12获取相同的电流。共享的电流源12的容差仅影响led串的光强，并且对led组中的所有led串的影响效果是一样的。共享的电流源12的容差对led光源的色调没有影响。如图4的例子所示，当led光源具有多个并联的led组11，其中每一组具有自己的电流调节器12时，不同的led组11中的电源12的容差表现为不同的led组11之间的强度差，但仍不会造成色调差。共享的电流源12和整个光源从合适的电源13获得它们的电力，电源13例如为24伏直流电源。在一些实施例中，共享的电流源12可以具有调光特征，其调节流到led的正向电流，并以此方式来调节led光源的光强。由于所有led串r、g和b交替地从同一共享的电流源12获取其电流，因而不论调光如何，在所有并联的led串r、g和b中，电流是相同的。可以在针对led指定的最小电流处设置白光的最小强度，替代传统方案中的在最小电流的三倍处没置。对于在针对led指定的最小电流之上的所有调光级处的光源的色调，均可以实现全分辨率.在图1的例子中，通过脉宽调制控制来进行光源的调光。例如，可以通过脉宽调制调光控制信号(诸如图1中的dimpwm)来控制电流源12。在电流调节器中，由pwm信号形成dc电压基准。例如，可以通过合适的控制电路、控制逻辑或微控制器来生成控制信号c1、c2和c3。在图1的例子中，一般地，色调或色温的控制单元被描绘为控制单元14。也可以通过专用控制总线(诸如dali)从另一个控制器接收作为模拟信号或作为数字控制的脉宽调制控制信号c1、c2和c3。对电流源进行时间划分的发明性控制使得可以在两个脉宽调制颜色信号(诸如图1的例子中的信号a和b(pwm1和pwm2))中传送形成三个或更多个脉宽调制控制信号c1、c2和c3所需的信息.在一些实施例中，脉宽调制颜色信号a和b的状态(例如on和off)顺序地形成至少三个状态组合，每个状态组合表示一个脉宽调制控制信号c1、c2、c3等.在一些实施例中，可以利用简单的逻辑运算由颜色信号a和b来形成脉宽调制控制信号c1、c2、c3等。可以在控制单元14中通过软件或逻辑电路来实现这些逻辑运算.所需要的颜色控制信号从三个或更多个减少为两个，这减少了其中中心控制光源的建筑或车辆中的线缆需要。由于微控制器或类似物需要较少的信号输出，因而信号数量的减少还可以降低控制系统的成本。图3的信号流示意图示出了脉宽调制颜色信号a和b(pwm1和pwm2)的例子以及通过逻辑运算形成控制信号c1、c2和c3的例子。控制信号c1、c2和c3的时序与图2中的例子相同。在图3的例子中，颜色信号a和b的脉冲的上升沿基本同时，而后沿(trailingedge)的点取决于脉冲的宽度.例如，在t1时刻，有颜色信号a和b二者的脉冲的上升沿，在t2时刻，有颜色信号b的脉冲的后沿，并且在t3时刻，有颜色信号a的脉冲的后沿，并且在t4时刻，控制周期结束。使用逻辑运算nor、xor和相应的and，由信号a和b形成脉宽调制控制信号c1、c2和c3。表1示出了逻辑运算真值表.表1ab激活控制信号逻辑运算11c1and(a，b)＝110c2xor(a，b)＝100c3nor(a，b)＝1例如，在时间间隔t1-t2中，两个颜色信号都处于逻辑状态1，由此，逻辑运算and(a，b)＝1，xor(a，b)＝0并且nor(a，b)＝0，这提供了控制信号状态c1＝on，c2＝off以及c3＝off。在本发明的一些实施例中，控制多于三个led串.图5在原理上示出了rgbw-led光源的例子.在图1和图5中，相同的附图标记描述基本相似的结构和运算，除非另有说明.在图5的例子中，光源包括四个并联连接的led串：基本发出红光的第一led串(r)、基本发出绿光的第二led串(g)、基本发出蓝光的第三led串(b)和基本发出白光的第四led串(w)。led串r、g、b和w被连接至公共电流源或电流调节器12，led串r、g、b和w随着时间的变化共享公共电流源或电流调节器12，在每个led串r、g、b和w的电流路径上，相应地串联连接半导体开关q1、q2、q3和q4，从而以与上述rgb-led光源的例子相同的方式按照由脉宽调制颜色控制信号c1、c2、c3和c4所控制地闭合和断开电流路径。然而，这种情况下，电流源12被四个led串共享，因而控制周期需要四个控制脉冲。在图6的时序表中，示出了在一个控制周期控制图5的四个led串的例子。在时间间隔t4-t5内，在控制周期中增加第四脉冲以通过脉宽调制控制信号c4来控制led串w。在其它方面，可以利用与rgb-led实施例中相同的原理来实现该控制。可以利用图5的rgbw-led光源获得与上述rgb-led实施例相同的优点。同样地，在两个脉宽调制颜色控制信号(诸如图5的例子中的信号a和b(pwm1和pwm2))中传送形成三个或更多个脉宽调制控制信号c1、c2、c3和c4所需的信息.在一些实施例中，脉宽调制颜色控制信号a和b的状态(例如，1和0)顺序地形成四个状态组合，每个状态组合表示一个脉宽调制控制信号c1、c2、c3和c4.利用颜色控制信号a和b的控制脉冲的上升沿之间的相转移(phasetransfer)来获得四个状态组合。这通过图6上部的例子示出.在t1时刻，有颜色控制信号a的脉冲的上升沿，在t2时刻，有颜色控制信号b的脉冲的上升沿，在t3时刻，有颜色控制信号a的脉冲的后沿，在t4时刻，有颜色控制信号b的脉冲的后沿，并且在t5时刻，控制周期结束.例如，可以由信号a和b及其反相值通过逻辑运算与(and)和或(or)形成脉宽调制控制信号c1、c2、c3和c4。表2示出了示例性的逻辑真值表.表2本发明的原理还可以应用于数个或全部led串为相同颜色(诸如发出白光)的led光源。例如，可以有两个基本发出白光的led串，以及一个或多个发出增强颜色的led串。图7进一步示出了逻辑的例子，通过该逻辑，可以由信号a和b形成四个颜色控制信号c1、c2、c3和c4。表3示出了图7的逻辑真值表。表3ab激活控制信号11c110c201c300c4采用图7的示例性逻辑，可以由两个脉宽调制颜色控制信号a和b形成四个控制信号c1、c2、c3和c4，即使信号a和b的上升沿是同时的.然而，在这种情况下，在一个控制周期期间可以仅使用三个控制信号.这通过图8的信号流示意图中的例子示出。在每个控制周期中，控制信号c1和c4是可用的，而控制信号c2和c3中的任一个对于控制周期可以是可选的.在周期开始时，信号a和b处于状态1，由此选择控制信号c1。该选择基于信号a或b中哪个有较短的脉宽。如果信号a的脉宽小于信号b的脉宽，则在控制周期的约中间处，该控制获得值a＝0和b＝1，由此选择控制信号c3。如果信号b的脉宽小于信号a的脉宽，则控制获得值a＝1和b＝0，由此选择控制信号c2。示例性的控制使得可以实现对其增加了两个增强色(诸如红和蓝)的色温可调led卡。通过控制信号c1和c4可控制生成白色的led，通过控制信号c2和c3可控制增强色。如上所述，在增强色中，一次只可使用一个。还可以通过其上升沿之间具有相移的颜色控制信号a和b来控制图7的示例性逻辑.在这种情况下，在所有控制周期中，全部四个控制信号c1、c2、c3和c4都是可用的，如图9的信号流示意图所示。本领域技术人员将发现，显然地，随着技术发展，可以以许多不同的方式来实现本发明的基本思想。因而，本发明及其实施例不被限制为上述例子，而是可以在权利要求的范围内改变。当前第1页12