帶穩定色溫光源的可調光設備的色調變化的製作方法

2024-02-10 07:40:15

專利名稱：：帶穩定色溫光源的可調光設備的色調變化的製作方法
技術領域：
：本發明大致與電子學和照明領域有關，具體而言，是一種使用穩定色溫光源的可調光照明裝置的色調變化系統和方法。
背景技術：
：商業上實用的白熾燈已有逾百年的歷史。然而，其它光源也顯示出成為具有商業可4亍的白熾燈泡*,4戈品的〖昝力。氣體》文電光源如螢光燈、水4艮燈、〗氐壓鈉燈和高壓鈉燈，以及場致發光光源如發光二極體(LED)，它們代表兩類可以替代白熾燈的光源。作為一種主流光源，LED變得格外有吸引力，其中，部分原因是由於其能夠通過高效率的光輸出實現節能，並且有利於環保，例如減少了水4艮的使用。白熾燈通過讓電流流過真空燈泡中的金屬絲髮光。電流4吏金屬絲髮熱並發光。當越多的電流流過金屬絲時，金屬絲產生的熱量也就越多。對於一個透明的真空燈泡，金屬絲的溫度決定了光的顏色。較低的溫度會產生淡黃色的光，高溫會產生較藍、較白的光。氣體放電燈包含一個封住氣體的外罩。外罩末端有兩個電極。電極通電後，兩個電極間會產生電壓差。通電電極放熱使封入的氣體電離。電離氣體發出光。螢光燈中含有水銀蒸汽，水銀蒸汽發出紫外光。螢光燈外罩內部包含一層可以將紫外光轉化為可見光的磷光層。LED為半導體裝置，由直流電驅動。LED的流明輸出強度(即亮度)與通過LED的電流強度成正比。因此，提高供給LED的電流強度可4是高LED的流明輸出強度，降低供給LED的電流強度可使LED變暗。電流的調整有兩種方式，一種是直接降低供給白色LED的直流電水平，另一種是通過脈衝寬度調製降低平均電流。通過光的顏色特性可測定可見光^普的功率分配。可見光i普的波長範圍約為400納米(紫光)到700納米(紅光)。光的顏色特性通常用色溫定義。因此，雖然光源發出的光的能量分布於多個頻率，但是它被認為具有特定的顏色，此顏色可用特定的色溫定義。表1描述了特定光源與其色溫之間的一種示範性關係。tableseeoriginaldocumentpage7tableseeoriginaldocumentpage8表1在使用光源的環境中調暗光源不僅可以節能，還能讓使用者將光源亮度調至要求的水平。許多i更施如住房和建築物等，都安裝有光源調節電路(以下簡稱"調光器")。圖1描述了具有常^見調光器102的照明電3各100，此調光器用於調節白熾燈光源104以響應只十可變電阻器106的tr入。調光器102、光源104和電壓源108為串聯。電壓源108在線電壓V加e時提供交流電。線電壓Vline可隨地理位置而變。線電壓Vline通常為110-120V或220-240V，典型頻率為60Hz或70Hz。調光器102打開和關閉光源104,並且會每秒開關許多次，以減少供給光源104的電能總量，而不是將光源104的電能轉移到電阻器中。^吏用者可以選4奪可變電阻器106的電阻〗直，乂人而調節電容器110的充電時間。^!誇可變電阻器106i殳為0歐姆時，由第二個固定電阻器112才是供最j氐電阻。當電容器110的電壓充到高於雙向觸發二才及管114的觸發電壓時，雙向觸發二才及管114導電，三端只又向可4空石圭116的一冊才及充電。三端乂又向可4空石主116柵-才及處的電壓和偏壓電阻器118兩端電壓的合成電壓4吏三端只又向可4空石圭116導電。當電流I通過零線時，三端雙向可控石圭116不導電，即斷開。當三端雙向可控石圭116不導電時，調光器輸出電壓VDIM為0V，當三端J又向可控石圭116導電時，調光器llT出電壓VDIM與線電壓Vline相等。將電容器110的電壓充到足以觸發雙向觸發二極體114所需的充電時間取決於電-危I的<直。電;危I的Y直由可變電阻器106和電阻器112的電阻值決定。因此，通過調節可變電阻器106的電阻值可以調節調光器輸出電壓VDIM的相角。調節調光器輸出電壓VDIM的相角相當於調節調光器輸出電壓VDIM的相角。通過調節調光器輸出電壓VDIM的相角可以調節向光源1044是供的平均功率，/人而調節光源104的亮度。圖2描述了光譜功率分布圖200,此圖代表了白色LED、綠色LED和白熾燈光源的可見光譜在高低驅動電流中的光譜功率分配變化。通過降低供給光源的驅動電流強度可降低光源的亮度。調節白熾燈光源的亮度會導致光譜頻率分配發生顯著改變，從而，引起色溫的顯著變化。例如，將100W白熾燈的亮度調低至全亮度的75%會4吏光的顏色乂人青白色變為一種暗黃色，例如琥珀色。通過降低供給一種LED的電流強度，例如綠色和白色LED,可降低LED的亮度，4旦是其光i普功率分布基本4呆持不變。因此，LED的色溫變化^艮小。氣體放電光源的特性在各種調光水平上都與LED非常相似、。圖3描述了非白熾燈光源的調光水平與色溫之間圖形關係300。通過改變非白熾燈光源的組合，可以改變具有非白熾燈光源的照明裝置的色溫。但是，不論照明裝置中的非白熾燈光源的組合如zf可，通過改變照明裝置的調光水平而改變的是光源的亮度而不是照明裝置的色溫。雖然可以調節具有一個或多個非白熾燈光源的照明裝置，<旦是調節非白熾燈光源不能產生與白熾燈光源相4以的色溫改變。
發明內容本發明的一個實施例中，照明裝置包括兩個用於4妻收來自調光器和交流(AC)電源的調光信號的輸入端子，其中，調光信號指示了調光水平。此照明裝置還包括一個擁有穩定第一色溫的第一光源和一個擁有穩定第二色溫的第二光源.此照明裝置還包括一個光源激勵器，此光源激勵器與第一光源和第二光源相連，並與輸入端子相連，以向第一光源提供第一驅動電流以及向第二光源提供第二驅動電流。此照明裝置還包括一個光源激勵器控制器，此光源激勵器控制器與光源激勵器相連，以使光源激勵器改變第一和第二驅動電流，對調光信號指示的調光水平的改變作出響應，其中改變第一和第二驅動電流會改變照明裝置的色溫。本發明的另一實施例中，一種改變照明裝置色溫的方法包括至少用N個輸入端子中的一個接收調光信號，其中，調光器輸入信號指示了一,殳時間內的多個調光水平，N為小於等於四(4)的正整數，並包括至少用N個輸入端子中的兩個接收來自電壓源的功率。此方法還包括向第一光源提供一種第一驅動電流，其中，第一光源擁有一種穩、定第一色溫，以及向第二光源^是供一種第二驅動電流，其中第二光源擁有一種穩、定第二色溫。此方法還包4舌改變第一和第二驅動電流以響應調光7JC平的改變，其中改變第一和第二驅動電流會改變照明裝置的色溫。通過參考附圖可以更好地理解本發明，還可以使熟悉該
技術領域：
者明白本發明的各種目的、特徵和優點。在這些附圖中使用相同參考號代表相同或相似要素。圖1(標示先前技術)描述了一種具有用於調節白熾燈亮度的常頭見調光器的照明電路。圖2(標示先前才支術)描述了可見光i普的一種光語功率分布圖。圖3(標示先前衝支術)描述了非白熾燈光源的調光水平和色溫之間圖形關係。圖4描述了具有多個光源和不同色溫的一種照明裝置.圖5描述了不同強度下的調光水平和色溫分布之間圖形關係。圖6描述了一種照明裝置的調光水平和色溫之間圖形關係。圖7描述了具有多種色溫的多種LED。具體實施例方式允i午一種包含具有多種色溫的光源的照明裝置改變色溫以響應調光水平變化的一種方法和系統。此光源為非白熾燈光源，例如發光二極體和/或氣體放電光源。調光電路提供指示所選調光水平的調光信號。照明裝置包括一個光源激勵器和一個光源激勵器控制器，它們聯合改變光源的驅動電流以響應所選的調光水平。通過以不同相對量改變驅動電流，從而，根據調光水平變化改變照明裝置的色溫。在至少一個實施例中，照明裝置響應調光水平改變而產生的色溫變化促^吏白熾燈光源的色溫改變。照明裝置的組件可置於一個外罩中，照明裝置的輸入端子可直接與調光器相連，以能夠接收通過如2線和4線(具體糹見調光器配置而定)之間的功率和調光信號。圖4描述了照明系統400，此系統包括一個具有不同色溫光源的照明裝置402,該照明裝置402會響應各種調光水平，改變色溫。照明裝置402包括一個光源庫404,此光源庫中的光源具有至少兩種色溫。在至少一個實施例中，光源庫404中各個光源的任zf可色溫及強度變化基本上都不為人的肉眼所察覺。在至少一個實施例中，光源庫404中的光源為LED、氣體》丈電光源或LED與氣體》文電光源的組合。在至少一個實施例中，光源庫404包括光源406和光源408。光源406包括至少一個具有穩定色溫"A"的光源。光源408包括至少一個具有穩定色溫"B"的光源。如果一種光源的色溫不隨光源強度在全刻度內的改變而顯著改變，那麼，這種光源的色溫便為穩定。例如，當一種光源的驅動電流隨各種調光水平而改變時，此光源的色溫基本保持不變。光源庫404可包括具有相同或不同色溫的其它光源。光源的具體數量和色溫的具體組合方式是設計選擇上的問題，並取決於光源為響應調光所需的強度水平和色溫。總之，增加光源婆史量可以增加經由光源可實現的強度水平範圍。通過增加具有其它色溫的光源來改變色溫組合或改變具有特定色溫的一個光源或多個光源比例，可以確定經由照明裝置響應調光可實J見的色溫範圍。運4亍過禾呈中，照明裝置402與電源相連。在至少一個實施例中，電源140為線電壓Viine,例如，是一種交流電(AC),110-140Vac,60HZ電壓。通常，可獲得的線電壓Vune具有地方化特點。調光電路(調光器)412向相角傳感器414提供了一種調光電壓VDIM。在至少一個實施例中，調光器412為常規調光器，例如常規調光器102(圖1)或基於微控器的調光器。調光電壓VDIM的相角指示調光水平。在至少一個實施例中，使用者用一種控制裝置(未顯示)選擇調光電壓相角，例如滑動件、才姿4醜或遙控器，以選4奪調光水平。在至少一個實施例中，調光電壓為周期性交流電壓。在至少一個實施例中，為響應調光水平選項，調光器412對線電壓V^e斬波以更改調光電壓VDIM的相角。調光電壓VDIM的相角與所選的調光水平相對應。相角衝企測器^r測調光電壓VDIM的相角，並向光源激勵器控制器416提供相應的調光水平信號DL。在至少一個實施例中，相角4企測器414包括一個使用一種已知頻率f。sc震蕩信號的定時電路；和一個比較器，用於將調光電壓VDIM與零線參照比較。調光電壓VDIM的頻率已知。相角4企測器414通過對頻率f。se周期計悽t確定調光電壓VDIM的相角，直到比較器檢測到調光電壓VDIM的斬波點。在另一實施例中，可以使用模擬積分器檢測調光電壓VDIM的功率，此功率與調光電壓VDIM的相角成正比。在另一實施例中，調光電壓VDIM的前沿和後沿均可一皮斬波。名為"一種用於減少t喿聲且與電子調光器一起使用的燈變壓器及其使用方法，，、發明人為派屈尼克和巴拉克的6,713,974號美國專利描述了對前沿和後沿調光電壓VDIM進4亍斬波和邊沿才企測的示範性方法和系統。6,713,974號美國專利在此以引用方式被整體納入。2007年3月31日遞交、發明人為JohnL.Melanson、代理人檔案編號為1666-CA-PROV、名為"發光二招_管光源鎮流器"的美國專利申請描述了示範性光源激勵器控制器416。光源激勵器418為白色光源406和黃色光源408l是供了一種原始直流(DC)電壓Vrdc。光源激勵器408還向光源406提供了一個或多個驅動電流IA，以及向光源4084是供了一個或多個驅動電流IB。光源庫404中每個獨立控制的光源或光源組被分別供給驅動電流。例如，如果光源406包括兩個獨立光源，光源激勵器418可向各個光源406分別提供驅動電流IA1和IA2,或者光源激勵器418向各個光源406才是供相同的驅動電流IA。在第一個實施例中，驅動電流^={IA1,IA2}。才是供相同驅動電流的方案還應用於向光源408^是供一個或多個驅動電流IB，以驅動光源408。光源庫404中為獨立控制的光源數目是設計選擇上的問題，且取決於例如發光裝置402所需的顏色範圍和強度範圍。光源激勵器控制器416將調光水平信號DL轉換成控制信號Vs,以？文變馬區動電濟uIa牙口Ib,,人而支變光源100的顏色車lr出，例如當調光器信號顯示增加調光時，顏色將從白色變為暗黃色。控制信號Vs-使光源激勵器418通過改變驅動電流IA和IB而改變光源庫404中的光源強度。例如，可通過脈衝寬度調製(PWM)改變驅動電流，以改變一^史時間內驅動電流IA和IB的平均4直。4吏用PWM時，控制信號Vs將控制各自的開關，而這些開關又控制各自的驅動電流IA和IB供電。可將PWM頻率增加到一定值，以避免光源庫404的光4lT出中產生<壬<可人可感知的閃爍。在至少一個實施例中，可改變PWM頻率以擴展基礎和i皆波開關頻率的範圍，從而使射頻幹擾降到最低。在至少一個實施例中，PWM頻率還可與調光水平DL對應，從而，例如，當調光水平達到100%時，PWM頻率可i殳置為有意4吏光源庫404中的一個或多個光源產生人可感知的閃爍，以才莫仿如燭光^l殳閃爍。圖5描述了發光裝置402在不同強度下調光水平和色溫分布之間的一種示範性圖形關係500。在調光水平改變時，通過在光源406和光源408上選擇與白熾燈色溫對應的不同強度組合，光源激勵器控制器416能夠4吏發光裝置402才莫仿白熾燈。例如，在0%調光水平(100%強度)時，光源激勵器控制器416向光源激勵器418提供控制信號Vs,使光源激勵器418改變驅動電流IA和IB,/人而4吏光源庫404中的所有光源在100%強度下運4亍(即光源的全額定強度)。在此實施例中，光源406的lt字比光源408的數字大，因此，在100%強度下光源406的強度比光源408的強度大。在至少一個實施例中，光源406的色溫為5000K，光源408的色溫為2500K。在另一實施例中，在0%調光水平下，光源激勵器控制器416僅使光源406在滿強度下運行，光源408為斷開。對於0%和100%之間的幹預調光水平，光源激勵器控制器416向光源激勵器418提供控制信號Vs，使光源激勵器418改變驅動電流IA和IB，以混合光源406和光源408的強度，乂人而引發色溫轉變，如圖示600所示(圖6)。驅動電流IA與IB之間在調光水平方面的關係是設計選才奪上的問題，可以為任何一種關係，例3口非線性、線性、正比或反比。當調光7JC平達到100%調光水平時，光源激勵器控制器416可以向光源激勵器418^是供控制信號Vs,使光源激勵器418以非線性形式改變驅動電流IA和IB,從而，顯著降低光源406的強度，並且將一個或多個光源408驅動至所需的強度，以模仿完全變暗的白熾燈光的強度和輸出顏色。在至少一個實施例中，在100%調光K平下，可斷開所有馬區動電流。照明裝置402可完全封閉在一個外罩內，例如一個常規外觀的燈罩。可配置照明裝置的輸入端子，使其與常規或其它標準的照明插座完全兼容。可將相角傳感器414、光源激勵器控制器416、光源控制器418和光源庫404作為一個單一的半導體集成電3各(IC)、獨立半導體IC、或集中到任何半導體IC組合中使用。此外，分立組件可與下列4壬意一個組件相連相角傳感器414、光源激勵器控制器416、光源激勵器418和光源庫404。調光器412可獨立封裝，或與下列任意一個元件一起組合包裝相角檢測器414、光源激勵器控制器416、光源激勵器418和光源庫404。圖6描述了照明裝置400的調光水平與色溫之間的一種示範性圖形關係600。當調光水平增加時，照明裝置400的色溫將/人5000K降至2500K。圖形關係600描述了一種線性增加關係，但在其它實施例中，其能夠代表任何所需的函數，例如一種幾何級增加或減少的關係。設計精確的顏色轉換，以模仿調光水平增加時的白熾燈顏色轉換。圖7描述了一個LED庫700,此庫代表了光源庫404的一個實施例。原始直流電壓Vrdc^皮應用在串耳關的LED702和LED704兩端。光源激勵器控制器416提供控制信號VSG和VS1，以分別控制開關708和710的閉合(導電)和斷開(不導電)。在至少一個實施例中，開關718和710為n-通道場步丈應電晶體(FET)。在此實施例中，光源激勵器控制器416提供開關718和710的衝冊才及電壓。驅動電流IA和IB的平均值將控制LED702和704的強度。二4及管712和7144又允許電流單向流動。電感器716和718以及電容器420和422分別調節LED702和LED704兩端的電壓，並進4亍過濾。電阻器724和726兩端的電壓被反饋到電源控制器416中，使電源控制器調節開關708和710的開關頻率，從而，使驅動電流IA和IB與所選調光水平產生關聯。LED庫700中的LED數量和排列是設計選擇上的問題，例如，取決於LED庫700所需的強度和色溫範圍。在至少一個實施例中，LED庫700包括多個白色LED702和多個黃色LED704。白色LED702和黃色LED704的比例是設計選擇上的問題，例如，取決於照明裝置400在調光水平全範圍內所需的色i普^r出。在至少一個實施例中，白色LED702和黃色LED704的比例為10:1。白色LED702和黃色704的總悽大量也是設計選擇上的問題，例如，取決於照明系統400所需的強度。LED庫700可置於外罩720中。外罩720可為裝飾性，例如一種槽型燈罩，它具有多串LED,可以線形、圓形或任4可所需的方式排列。因此，才艮據來自調光器的調光水平信號改變供多合LED庫的電流可以4吏照明裝置400利用具有穩、定色溫的光源來改變色溫。儘管已經對本發明作了詳細描述，但應明白，在不偏離所附權利要求中定義的本發明之範圍和精神情況下仍可以進行多種變化、^,^C和更改。權利要求1.一種照明裝置，包括兩個輸入端子，用於接收自調光器的調光信號並改變直流(AC)電源，其中，調光器信號指示了調光水平；一個具有穩定第一色溫的第一光源；一個具有穩定第二色溫的第二光源；一個光源激勵器，其與第一光源和第二光源相連；並與輸入端子相連，以向第一光源提供第一驅動電流以及向第二光源提供第二驅動電流；一個光源激勵器控制器，其與光源激勵器相連，以使光源激勵器改變第一和第二驅動電流，對調光信號指示的調光水平的改變作出響應，其中，改變第一和第二驅動電流可改變照明裝置的色溫。2.4又利要求1所述的照明裝置還包括一個相角4企測器，用來^r測調光信號的相角，以確定調光水平。3.權利要求1所述的照明裝置還包括一個圍封第一光源、第二光源、光源激勵器和光源激勵器控制器的外罩，其中，N個輸入端子穿過外罩。4.權利要求1所述的照明裝置，其中，照明裝置被放置在一個槽型燈具中。5.權利要求1所述的照明裝置還包括其中，第一光源包含多個白色LED,第二光源包含多個黃色LED。6.權利要求1所述的照明裝置，其中，第一光源包含至少一個具有第一色溫的燈，第二光源包含至少一個具有第二色溫的燈。7.權利要求6所述的照明裝置，其中，燈為氣體放電燈。8.權利要求6所述的照明裝置，其中，燈為發光二極體。9.權利要求6所述的照明裝置，其中，第一光源包含多個具有第一色溫的燈，第二光源包含多個具有第二色溫的燈。10.—種文變照明裝置色溫的方法，該方法包4舌利用N個輸入端子中的至少一個接收調光器信號，其中，調光器輸入信號指示了一段時間內的調光水平，N為小於或等於四(4)的正整悽史；利用N個l命入端子中的至少兩個4妄收來自電源的功率；向第一光源提供第一驅動電流，其中，第一光源具有穩定第一色溫；向第二光源提供第二驅動電流，其中，第二光源具有穩定第二色溫；才艮據調光水平變化改變第一和第二驅動電流，其中，通過改變第一和第二驅動電流可以改變照明裝置的色溫。11.權利要求10所述的方法還包括才全測調光信號的相角以確定調光水平。12.權利要求10所述的方法，其中，照明裝置置於一個單外罩內。13.權利要求IO所述的方法，其中，照明裝置被放置與一個槽型燈具中。14.權利要求10所述的方法，其中，第一光源包含多個白色LED,第二光源包含多個黃色LED。15.^L利要求10所述的方法，其中，第一光源包含至少一個具有第一色溫的燈，第二光源包含至少一個具有第二色溫的燈。16.衝又利要求15所述的方法，其中，燈為氣體》丈電燈。17.一又利要求15所述的方法，其中，燈為發光二才及管。18.權利要求15所述的方法，其中，第一光源包含多個具有第一色溫的燈，第二光源包含多個具有第二色溫的燈。19.4又利要求10所述的方法，其中，第一和第二馬區動電流為響應調光7K平而發生的改變是指第一驅動電流與第二驅動電流成反比的改變。全文摘要允許一個包含具有多種色溫的光源照明裝置改變色溫以響應調光水平變化的一種方法和系統。此光源為非白熾燈光源，例如發光二極體和/或氣體放電光源。調光電路提供指示所選調光水平的調光信號。照明裝置包括一個光源激勵器和一個光源激勵器控制器，它們聯合改變光源的驅動電流以響應所選的調光水平。通過以不同相對量改變驅動電流，從而，根據調光水平變化改變照明裝置的色溫。在至少一個實施例中，照明裝置響應調光水平改變而產生的色溫變化促使白熾燈光源的色溫改變。文檔編號H05B33/08GK101653042SQ200880008301公開日2010年2月17日申請日期2008年3月12日優先權日2007年3月12日發明者約翰·L·梅蘭松申請人:塞瑞斯邏輯公司