DE69807092T3 - Verfahren und einrichtung zur mehrfarbigen beleuchtung durch leds - Google Patents

Description

• Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US Patentanmeldung No. 08/920,156, eingereicht am 26. August 1997 und betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Vielzahl von Lichtemittern mit mindestens zwei unterschiedlichen Farben, dazu angepasst, mit einer Leistungsschaltung verbunden zu werden, einschließlich einer Leistungsquelle und einem gemeinsamen Potentialbezug, einer Ansteuereinrichtung zum Ansteuern der Vielzahl von Lichtemittern, wobei die Ansteuereinrichtung mindestens zwei Schalter umfasst, die mit der Vielzahl von Lichtemittern und der Leistungsschaltung verbunden sind, und die jeweiligen Strompfaden der mindestens zwei unterschiedlichen Farblichtemittern entsprechen. Solch eine Beleuchtungsvorrichtung ist in der US-A-5,420,482 beschrieben.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bereitstellen von Licht einer wählbaren Farbe unter Verwendung von Lichtquellen, wie beispielsweise LEDs. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer vielfarbigen Beleuchtung. Weiter umfasst die vorliegende Erfindung insbesondere eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines computergesteuerten Vielfarbenbeleuchtungsnetzwerks, das eine hohe Leistungsfähigkeit und schnelle Farbauswahl und Wechsel ermöglicht.
• Es ist wohlbekannt, dass die Kombination eines projizierten Lichtes einer Farbe mit dem projizierten Licht einer anderen Farbe die Erzeugung einer dritten Farbe bewirken wird. Es ist weiter wohlbekannt, dass die drei am weitverbreitetsten verwendeten primären Farben – rot, blau und grün – in unterschiedlichen Proportionen kombiniert werden können, um fast jede Farbe im sichtbaren Spektrum zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Effekte aus, indem das projizierte Licht von mindestens zwei lichtemittierenden Dioden (LEDs) unterschiedlicher primärer Farben kombiniert wird. Es versteht sich, dass zum Zwecke dieser Erfindung der Ausdruck „primäre Farben” beliebige unterschiedliche Farben umfasst, die kombiniert werden können, um andere Farben zu erzeugen.
• Computerbeleuchtungsnetzwerke sind nicht neu. US Patent No. 5,420,482 , erteilt an Phares, beschreibt ein solches Netzwerk, das unterschiedlich gefärbte LEDs verwendet, um eine auswählbare Farbe zu erzeugen. Das Phares-Patent ist insbesondere als eine Anzeigevorrichtung zu verwenden. Die Vorrichtung hat jedoch mehrere Nachteile und Beschränkungen. Erstens wird jede der drei Farb-LEDs in Phares mittels eines Transistorvorspannverfahrens mit Energie versorgt, bei dem die Transistorbasis mit einem jeweiligen Halteregister mittels Vorspann(Bias)widerständen gekoppelt wird. Die drei Halteglieder werden alle gleichzeitig mit den gleichen Datenleitungen auf dem Datenbus verbunden.
• Dies bedeutet, dass es bei Phares unmöglich ist, alle drei LED Transistorvorspannungen unabhängig und gleichzeitig zu ändern. Weiter ist ein Vorspannen der Transistoren ineffizient, da an die LEDs gelieferte Leistung kleiner als die in dem Biasnetzwerk verteilte ist. Dieses macht die Vorrichtung für effiziente Beleuchtungsanwendungen schlecht geeignet. Das durch Phares verwendete Transistorvorspannen macht es schwierig, wenn nicht unmöglich, Gruppen von LEDs mit unterschiedlichen Leistungskennwerten und somit unterschiedlichen Intensitätsniveaus auszutauschen.
• Das US Patent No. 4,845,481 , erteilt an Havel, betrifft eine Vielfarbenanzeigevorrichtung. Havel adressiert einige, jedoch nicht alle der Schaltungsprobleme in Phares. Havel verwendet ein pulsbreitmoduliertes Signal, um jeweiligen LEDs zu einem bestimmten Tastzyklusstrom bereitzustellen. Es wird jedoch keine Vorkehrung getroffen für eine präzise und schnelle Kontrolle über die emittierten Farben. Als eine unabhängige Einheit wird bei der Vorrichtung in Havel von einer Netzwerkbeleuchtung weggeführt, und daher fehlt jede Lehre, wie ein pulsbreitenmoduliertes Computerbeleuchtungsnetzwerk implementiert wird. Weiter berücksichtigt Havel nicht die Verwendung von LEDs über bloße Anzeigen hinausgehend, wie beispielsweise für eine Beleuchtung.
• Das US Patent No. 5,184,114 , an Brown ausgegeben, zeigt ein LED Anzeigesystem. In Brown fehlt jedoch jeder Hinweis auf eine Verwendung von LEDs für eine Beleuchtung, oder für eine Verwendung von LEDs in einer konfigurierbaren Computernetzwerkumgebung. Das US Patent No. 5,134,387 , erteil an Smith et al., gerichtet auf eine LED Matrixanzeige, enthält ähnliche Probleme. Dessen rudimentäres Stromsteuersystem limitiert stark die mögliche Bandbreite von Farben, die angezeigt werden können.
• US-A-4,887,074 offenbart ein computergesteuertes LED Anzeigesystem, in dem die LEDs unter Verwendung von durch einen Steuerer bedienten Schalter an- und ausgeschaltet werden, sodass die LEDs durch eine Abfolge von Lichtpulsen angesteuert werden, betrieben mit Intervallen einer Lichtintensität von im wesentlichen Null. Es wird in D1 jedoch kein Pulsbreitenmodulationsverfahren zum individuellen Einstellen der Lichtintensität der LEDs mit unterschiedlicher Farbe offenbart, noch wird offenbart, dass der Steuerer in Reaktion auf einen Datenstromabschnitt betrieben wird, der in einem als diesen Steuerer betreffenden Eingangsdatenstrom identifiziert ist.
• FR-A-2 640 791 offenbart ein Beleuchtungsnetzwerk mit einer Vielzahl von Beleuchtungseinheiten, wobei die Lichtintensität der LEDs durch ein Variieren der Größe des bereitgestellten Stroms gesteuert wird. Dies Dokument offenbart jedoch nicht die Verwendung von einer Pulsbreitenmodulation zum Einstellen eines Arbeitszyklus für die LED(s) für jede Farbe, um die Helligkeit zu variieren. Darüber hinaus wird in diesem Dokument ein Steuerer offenbart, der in Übereinstimmung mit seiner eingestellten veränderlichen Adresse einen entsprechenden Datenstromabschnitt identifiziert, der dazu verwendet wird, PWM Signale zu erzeugen, um die jeweiligen Lastzyklen für die unterschiedlichen Farb-LEDs zu bestimmen.
• In Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine Beleuchtungsvorrichtung in Übereinstimmung mit dem in dem unabhängigen Anspruch 1 beanspruchten bereitgestellt.
• In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Beleuchtungsvorrichtung eine Binärbaumnetzkonfiguration von Beleuchtungseinheiten (Knoten). In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung ein Wärmeabstrahlgehäuse, dass aus einem wärmeleitfähigen Material besteht, das die Beleuchtungsanordnung beinhaltet. Das Wärmeabstrahlgehäuse enthält zwei gestapelte Schaltungsplatten, die das Leistungsmodul bzw. das Lichtmodul halten. Das Lichtmodul ist dazu angepasst, mit anderen Lichtmodulen mit programmierbarem Strom, und somit maximaler Lichtintensität und Kennzahlen, einfach austauschbar zu sein. Solche anderen Lichtmodule können organische LEDs enthalten, Elektrolumineszenzstreifen und andere Module, zusätzlich zu bekannten LEDs.
• Es wird hier ein von einem Hochleistungscomputer gesteuertes Vielfarbenbeleuchtungsnetzwerk offenbart, das ein LED Beleuchtungsnetzwerk darstellt.
• Es wird hierin eine LED Beleuchtungsnetzwerkstruktur offenbart, die für sowohl eine lineare Kette von Knoten als auch eine Binärbaumkonfiguration geeignet ist.
• Hierin wird eine Beleuchtungsvorrichtung des Beleuchtungsnetzwerks mit einem Wärmeabstrahlgehäuse offenbart, um die Beleuchtungsvorrichtung zu enthalten.
• Weiter wird hierin eine stromgeregelte LED Beleuchtungsvorrichtung offenbart, wobei die Vorrichtung Beleuchtungsmodule umfasst, wobei jedes seine eigene Maximalstromkennzahl aufweist und die jeweils bequem miteinander ausgetauscht werden können.
• Weiter wird hierin eine computergesteuerte LED Beleuchtungsanordnung zur Verwendung als allgemeine Beleuchtungsvorrichtung offenbart, die eine Vielzahl von Farben in einem kontinuierlich programmierbaren 24-Bit-Spektrum aussenden kann.
• Die Erfindung kann besser unter beispielhafter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen verstanden werden:
• 1 zeigt ein stilisiertes elektrisches Schaltungsschema eines in einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthaltenen Lichtmoduls.
• 2 zeigt eine stilisierte elektrische Schaltungsanordnung des Leistungsmoduls des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
• 3 zeigt eine Explosionsansicht des Gehäuses einer praktischen Realisierung der vorliegenden Erfindung.
• 4 zeigt eine Aufsicht der LED umfassenden Seite des Lichtmoduls dieses Ausführungsbeispiels.
• 5 ist eine Aufsicht der elektrischen Verbindungsseite des Lichtmoduls des gleichen Ausführungsbeispiels.
• 6 zeigt eine Aufsicht der Energieanschlussseite des Leistungsmoduls des gleichen Ausführungsbeispiels.
• 7 zeigt eine Aufsicht der elektrischen Verbindungsseite des Leistungsmoduls des gleichen Ausführungsbeispiels.
• Die Struktur und der Betrieb eines bevorzugten Ausführungsbeispiels werden nunmehr beschrieben. Es versteht sich, dass viele andere Arten zur Verwirklichung der Erfindungen hier möglich sind, andere als in den Umfang der angefügten Ansprüche fallende, und die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sind beispielhaft und nicht beschränkend.
• Unter Bezugnahme auf 1 wird eine schematische elektrische Darstellung eines Lichtmoduls 100 der vorliegenden Erfindung gezeigt. 4 und 5 zeigen die LED enthaltende Seite und die elektrische Verbinderseite des Lichtmoduls 100. Das Lichtmodul 110 ist selbständig und dazu ausgelegt, ein Standardbauteil zu sein, das mit jedem ähnlich aufgebauten Lichtmodul austauschbar ist. Das Lichtmodul 100 enthält einen elektrischen 10-Pin(Stift) Verbinder 110 allgemeiner Art. In diesem Ausführungsbeispiel enthält der Verbinder 110 männliche Pins, dazu angepasst, in einen komplementären 10-Pin Verbinder weiblicher Anordnung zu passen, unterhalb beschrieben. Der Pin 180 ist die Energieversorgung. Eine Quelle eines elektrischen Gleichspannungspotentials tritt auf Pin 180 in das Modul 100 ein. Der Pin 180 ist elektrisch mit dem Anodenende der lichtemittierenden Dioden (LED) Sätze 120, 140 und 160 verbunden, um ein gleichmäßiges hohes Potential auf jedem Anodenende einzurichten.
• Der LED Satz 120 enthält rote LEDs, Satz 140 enthält blaue und Satz 160 enthält grüne, jeweils von Nichia America Corpoation erhältlich. Diese LEDs haben primäre Farben, im Sinne, dass solche Farben jede Farbe in dem Spektrum erzeugen können, wenn sie in vorgegebenen Proportionen kombiniert werden. Während drei primäre Farbei bevorzugt werden, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nahezu genauso gut mit nur zwei primären Farben arbeiten wird, um jede Farbe im Spektrum zu erzeugen. Entsprechend versteht es sich, dass, während die unterschiedlichen primären Farben hierin in Sätzen von gleichmäßig gefärbten LEDs angeordnet sind, der gleiche Effekt mit Einzel-LEDs erzielt werden kann, die eine Mehrzahl von farbemittierenden Halbleitergrundflächen enthalten. Die LED Sätze 120, 140 und 160 umfassen jeweils vorzugsweise eine serielle/parallele Anordnung von LEDs auf die in Okuno im US Patent No. 4,298,869 beschriebene Art, hierin mittels Bezugnahme enthalten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält der LED-Satz 120 drei parallel verbundene Zeilen mit neuen roten LEDs (nicht gezeigt), und die LED-Sätze 140 und 160 enthalten jeweils fünf parallel verbundene Zeilen mit fünf blauen beziehungsweise grünen LEDs (nicht gezeigt). Es versteht sich für den Fachmann, dass allgemein eine jede rote LED das Potential auf der Leitung in einem geringeren Ausmaß absenkt als eine blaue oder grüne LED, ungefähr 2,1 V, im Vergleich zu 4,0 V jeweilig, was die unterschiedlichen Zeilenlängen zur Folge hat. Dies rührt daher, dass die Anzahl von LEDs in jeder Zeile durch die Spannungsabfallgröße bestimmt wird, die zwischen dem Anodenende und der Energieversorgungsspannung an dem Katodenende der letzten LED in der Zeile erwünscht ist. Weiter ist die parallele Anordnung von Zeilen eine fehlersichere Maßnahme, die sicherstellt, dass das Lichtmodul 100 immer noch funktionieren wird, auch wenn ein einzelnes LED in einer Zeile ausfällt, wodurch der elektrische Kreis in dieser Zeile geöffnet wird. Die Katodenenden der drei parallelen Zeilen von neun roten LEDs im LED-Satz 120 sind dann gemeinsam angeschlossen, und gehen auf den Pin 128 auf dem Verbinder 110. Entsprechend sind die Katodenenden der fünf parallelen Zeilen von fünf blauen LEDs im LED-Satz 140 gemeinsam angeschlossen, und gehen auf den Pin 148 auf dem Verbinder 110. Die Katodenenden der fünf parallelen Zeilen von fünf grünen LEDs im LED-Satz 160 sind gemeinsam angeschlossen, und gehen auf den Pin 168 des Verbinders 110. Zuletzt ist auf dem Lichtmodul 100 jeder LED-Satz einem Programmierungswiderstand zugeordnet, der mit anderen Komponenten kombiniert ist, unterhalb beschrieben, um den Maximalstrom durch jeden Satz von LEDs zu programmieren. Zwischen Pin 124 und 126 liegt ein Widerstand 122, 6,2 Ω. Zwischen Pin 144 und 146 liegt ein Widerstand 142, 4,7 Ω. Zwischen Pin 164 und 166 befindet sich Widerstand 162; 4,7 Ω. Widerstand 122 programmiert den Maximalstrom durch den roten LED-Satz 120, Widerstand 142 programmiert den Maximalstrom durch den blauen LED-Satz 140 und Widerstand 162 programmiert den Maximalstrom durch den grünen LED-Satz 160. Die Werte für diese Widerstände werden empirisch bestimmt, basierend auf der erwünschten maximalen Lichtintensität jedes LED-Satzes. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel geben die obigen Widerstände rote, blaue und grüne Ströme von 70, 50 beziehungsweise 50 μA vor.
• Nachdem die elektrische Struktur des Lichtmoduls 100 beschrieben wurde, wird nun die Aufmerksamkeit auf die elektrische Struktur des Leistungsmoduls 200 gerichtet, in 2 gezeigt. 6 und 7 zeigen die Leistungsanschlussseite und elektrische Verbinderseite eines Ausführungsbeispiels des Leistungsmoduls 200. Wie das Lichtmodul 100 ist das Leistungsmodul 200 selbständig. Eine Verbindung mit dem männlichen Pin-Satz 110 wird durch den komplementären weiblichen Pin-Satz 210 erzielt. Pin 280 ist verbindbar mit Pin 180 für ein Bereitstellen von Energie, geliefert an Pin 280 von der Versorgung 300. Die Versorgung 300 ist der Einfachheit halber als ein funktionaler Block gezeigt. In Wirklichkeit kann die Versorgung 300 verschiedene Formen zum Erzeugen einer Gleichspannung annehmen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liefert die Versorgung 300 24 Volt durch einen Verbindungsanschluss (nicht gezeigt), gekoppelt mit Pin 280 durch Kondensatoren für transienten Schutz (nicht gezeigt) allgemeinen Typs. Es versteht sich, dass die Versorgung 300 auch eine Gleichspannung nach einer Gleichrichtung und/oder Spannungstransformation einer Wechselspannungsversorgung bereitstellen kann, wie genauer im US Patent No. 4,298,869 beschrieben.
• Weiter sind mit dem Pinverbinder 210 drei stromprogrammierende integrierte Schaltungen ICR 220, ICB 240 und ICG 260 verbunden. Jeder von diesen ist ein einstellbarer Dreianschlussregler, vorzugsweise mit der Teilenummer LM317B, verfügbar von der National Semiconductor Corporation, Santa Clara, California. Die Lehre des LM317 Datenblatts ist hierin mittels Bezugnahme einbezogen. Jeder Regler enthält einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Einstellanschluss, mit I, O bzw. A bezeichnet. Die Regler dienen zur Aufrechterhaltung eines konstanten Maximalstroms in den Eingangsanschluss und aus dem Ausgangsanschluss heraus. Dieser Maximalstrom ist durch Einstellen eines Widerstands zwischen dem Ausgang und den Einstellanschlüssen vorprogrammiert. Dieses rührt daher, dass der Regler bewirken wird, dass die Spannung am Eingangsanschluss auf irgendeinen Wert einstellen wird, der dazu benötigt wird, dass 1,25 V über dem Feststromeinstellwiderstand auftritt, wodurch bewirkt wird, dass ein konstanter Strom fließt. Da jeder identisch funktioniert, wird nur ICR 220 nun beschrieben. Zuerst tritt Strom in den Eingangsanschluss von ICR 220 von Pin 228 ein. Natürlich ist Pin 228 im Leistungsmodul mit Pin 128 im Lichtmodul gekoppelt, und empfängt Strom direkt von dem Katodenende des roten LED-Satzes 120. Da der Widerstand 122 gewöhnlich zwischen dem Ausgangs- und Einstellanschluss von ICR 220 durch Pins 224/124 und f226/126 angeordnet ist, gibt der Widerstand 122 die durch den ICR 220 geregelte Stromgröße vor. Letztendlich tritt der von dem Einstellanschluss vom ICR 220 ausgegebene Strom in einen Datentreiber hinein. Auf diese Weise geben ICR 220 und der zugeordnete Widerstand 122 den Maximalstrom durch den roten LED-Satz 120 vor. Ähnliche Ergebnisse werden mit ICB 240 und Widerstand 142 für den blauen LED-Satz 140 erzielt, und mit ICG 260 und Widerstand 162 für den grünen LED-Satz 160.
• Die roten, blauen und grünen LED Ströme treten in eine andere integrierte Schaltung hinein, IC 380, an jeweiligen Knoten 324, 344 und 364. Der IC 380 ist vorzugsweise ein Hochstrom/Spannungs-Darlington-Treiber, Teilenummer DS2003, verfügbar von National Semiconductor Corporation, Santa Clara, California. IC 380 wird als eine Stromsenke verwendet, und dient zu einem Umschalten von einem Strom zwischen jeweiligen LED-Sätzen und Masse 390. Wie im DS2003 Datenblatt beschrieben, hierin mittels Bezugnahme einbezogen, enthält ICI sechs Sätze von Darlington Transistoren mit geeigneten An-Bord Vorspannungswiderständen. Wie veranschaulicht, koppeln Knoten 324, 344 und 364 den Strom von den jeweiligen LED-Sätzen zu drei Paaren dieser Darlington Transistoren, auf die wohlbekannte Weise, um die Tatsache auszunutzen, dass die Stromkennzahl von IC 380 verdoppelt werden kann, indem Paare von Darlington Transistoren verwendet werden, um Senken für jeweilige Ströme bereitzustellen. Jeder der drei An-Bord Darlington Paare wird auf die folgende Weise als ein Schalter verwendet. Die Basis jedes Darlington Paars ist mit Signaleingängen 424, 444 bzw. 464 gekoppelt. Somit ist die Eingabe 424 das Signal, das für ein Schalten von Strom durch Knoten 324 eingegeben wird, und somit für den roten LED-Satz 120. Eingabe 444 die Signaleingabe zum Schalten von Strom durch den Knoten 344 und somit den blauen LED-Satz 140. Eingabe 464 ist die Signaleingabe zum Schalten von Strom durch den Knot 364 und somit durch den grünen LED-Satz 160. Die Signaleingaben 424, 444 und 464 sind mit jeweiligen Signalausgaben 434, 454 und 474 am Mikrocontroller IC2 400 gekoppelt, wie unterhalb beschrieben. Grob gesagt schaltet ICI 380 Strom durch einen jeweiligen Knoten mit identischer Frequenz und Arbeitszyklus, wenn eine Hochfrequenzrechteckwelle an dem jeweiligen Signaleingang auftritt. Somit korrelieren beim Betrieb die Zustände der Signaleingaben 424, 444 und 464 direkt mit dem Öffnen und Schließen der Leistungsschaltung durch jeweilige LED-Sätze 120, 140 und 160.
• Die Struktur und der Betrieb des Mikrocontrollers IC2 400 wird nun beschrieben. Der Mikrocontroller IC2 400 ist vorzugsweise ein MICROCHIP mit der Kennzeichnung PIC16C63, obwohl fast jeder geeignet programmierte Mikrocontroller oder Mikroprozessor die hierin beschriebenen Softwarefunktionen durchführen kann. Die Hauptfunktion des Mikrocontrollers IC2 400 ist es, an dem seriellen Rx-Pin 520 empfangene numerische Daten in drei unabhängige Hochfrequenzrechteckwellen gleicher Frequenz, jedoch mit unabhängigen Lastzyklen auf Signalausgabepins 434, 454 und 474 umzuwandeln. Die Darstellung des Mikrocontrollers IC2 400 in 2 ist teilweise stilisiert, und der Fachmann erkennt, dass bestimmte der 28 Standardpins weggelassen oder kombiniert wurden, für größte Klarheit.
• Der Mikrocontroller IC2 400 wird durch Pin 450 mit Energie versorgt, der mit einer 5 V Quelle mit Gleichleistung 700 gekoppelt ist. Die Quelle 700 wird vorzugsweise von einer Versorgung 300 angesteuert, durch eine Kopplung (nicht gezeigt), die einen Spannungsregler (nicht gezeigt) enthält. Ein beispielhafter Spannungsregler ist der LM340 3 Anschluss-Positivregler, verfügbar von National Semiconductor Corporation, Santa Clara, California. Die Lehre des LM 340 Datenblatts sind hierin mittels Bezugnahme einbezogen. Der Fachmann versteht, dass die meisten Mikrocontroller und viele andere unabhängig mit Energie versorgte digitale integrierte Schaltungen für nicht mehr als eine 5 V Energiequelle ausgelegt sind. Taktfrequenz des Mikrocontrollers IC2 400 wird durch ein Kristall 480 eingestellt, gekoppelt über geeignete Pins. Der Pin 490 ist die Massereferenz des Mikrocontroller IC2 400.
• Ein Schalter 600 ist ein Zwölfpositions-DIP-Schalter, der veränderlich und mechanisch eingestellt werden kann, um den Mikrocontroller IC2 400 eindeutig zu identifizieren. Wenn einzelne der zwölf mechanischen Schalter im DIP-Schalter 600 geschlossen sind, wird ein Pfad von entsprechenden Pins 650 am Mikrocontroller IC2 400 nach Masse 690 geschaltet. Zwölf Schalter erzeugen 2¹¹ mögliche Einstellungen, und erlauben es einem Mikrocontroller IC2 400, beliebige von 4096 unterschiedlichen Ids oder Adressen anzunehmen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden nur neun Schalter tatsächlich genutzt, da das DMX-512 Protokoll verwendet wird, unterhalb beschrieben.
• Sobald der Schalter 600 eingestellt ist, kennt der Mikrocontroller IC2 400 seine eindeutige Adresse („wer bin ich”) und überwacht die serielle Leitung 520 hinsichtlich eines Datenstroms, der speziell an ihn adressiert ist. Ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerkwerkprotokoll, vorzugsweise ein DMX Protokoll, wird dazu verwendet, Netzwerkwerkdaten von einem zentralen Netzwerkwerkcontroller (nicht gezeigt) zu jedem individuell adressierten Mikrocontroller IC2 400 zu adressieren. Das DMX Protokoll ist in einer United States Theatre Technology, Inc. Veröffentlichung beschrieben, mit dem Titel „DMX 512/1990 Digital Data Transmissions Standard for Dimmers and Controllers”, hierin mittels Bezugnahme einbezogen. Grundsätzlich erzeugt in dem hierin verwendeten Netzwerkwerkprotokoll ein zentraler Controller (nicht gezeigt) einen Strom von Netzwerkdaten, der aus sequentiellen Datenpaketen besteht. Jedes Paket enthält zuerst einen Header (Kopfbereich), der hinsichtlich seiner Übereinstimmung mit dem Standard überprüft wird und verworfen wird, gefolgt von einem Strom von sequentiellen Bytes, die Daten für sequentiell adressierte Vorrichtungen darstellen. Falls beispielsweise das Datenpaket für die Lichtnummer 15 bestimmt ist, dann werden 14 Bytes vom Datenstrom verworfen, und die Vorrichtung wird das Byte Nummer 15 speichern. Falls mehr als ein Byte benötigt wird, wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel, dann wird die Adresse als eine Startadresse betrachtet, und mehr als ein Byte wird gespeichert und verwendet. Jedes Byte entspricht einer Dezimalzahl 0 bis 255, linear die erwünschte Identität von Aus bis Voll darstellend. (Der Einfachheit halber werden Details von den Datenpaketen wie beispielsweise Header und Stopp-Bits in dieser Beschreibung weggelassen, und werden vom Fachmann ergänzt.) Auf diese Weise wird jeder der drei LED-Farben ein diskreter Intensitätswert zwischen 0 und 255 zugeordnet. Die jeweiligen Intensitätswerte werden in jeweiligen Registern im Speicher vom Mikrocontroller IC2 400 gespeichert (nicht gezeigt). Sobald der zentrale Controller alle Datenpakete verbraucht hat, fängt er von neuem an, in einem kontinuierlichen Erneuerungszyklus. Der Erneuerungszyklus ist durch den Standard als minimal 1996 Mikrosekunden definiert, und maximal als eine Sekunde.
• Der Mikrocontroller IC2 400 ist programmiert, kontinuierlich nach seinem Datenstrom „zu hören”. Wenn der Mikroprozessor IC2 400 im „Hörzustand” ist, jedoch bevor er ein Datenpaket für sich erfasst hat, fährt er eine Routine, die dazu ausgelegt ist, die Rechteckwellensignalausgaben an Pins 434, 454 und 474 zu erzeugen. Die Werte in den Farbregistern bestimmen den Arbeitszyklus der Rechteckwelle. Da jedes Register einen Wert von 0 bis 255 annehmen kann, erzeugen diese Werte 256 mögliche unterschiedliche Lastzyklen in einem linearen Bereich von 0% bis 100%. Da die Rechteckwellenfrequenz gleichförmig ist und durch das in dem Mikrocontroller IC2 400 laufenden Programm bestimmt ist, stellen diese unterschiedlichen diskreten Lastzyklen Variationen der Breite der Rechteckwellenpulse dar. Dies ist als eine Pulsbreitenmodulation (PWM) bekannt.
• Die PWM Unterbrechungsroutine wird unter Verwendung eines einfachen Zählers implementiert, der von 0 bis 255 in einem Zyklus während jeder Periode der Rechteckwellenausgabe an Pins 434, 454 und 474 inkrementiert. Wenn der Zähler nach 0 überschwenkt, sind alle drei Signale hoch eingestellt. Sobald der Zähler gleich dem Registerwert ist, wird die Signalausgabe auf niedrig geändert. Wenn der Mikrocontroller IC2 400 neue Daten empfängt, friert er den Zähler ein, kopiert die neuen Daten in die Arbeitsregister, vergleicht die neuen Registerwerte mit dem momentanen Zählerstand und aktualisiert die Ausgabepins dem gemäß, und startet dann den Zähler neu, genau da, wo er ausgesetzt wurde. Somit können Intensitätswerte in der Mitte des PWM Zyklus aktualisiert werden. Ein Einfrieren des Zählers und gleichzeitiges Aktualisieren der Signalausgaben hat mindestens zwei Vorteile. Zuerst erlaubt es, dass jede Beleuchtungseinheit schnell pulsieren/blitzen kann, wie es ein Blitzlicht tut. Solch ein Blitzen tritt auf, wenn der zentrale Controller Netzwerkdaten mit hohen Intensitätswerten alternierend mit Netzwerkdaten mit 0 Intensitätswerten in einer schnellen Abfolge aussendet. Falls man den Zähler ohne ein zuerst vorgenommenes Aktualisieren der Signalausgaben neu starten würde, dann wäre das menschliche Auge dazu in der Lage, die gestaffelte Deaktivierung jeder individuellen Farb-LED festzustellen, die mit einer unterschiedlichen Pulsbreite eingestellt ist. Dieses Merkmal betrifft nicht Glühlampen, aufgrund des integrierenden Effekts in Zusammenhang mit dem Erwärmungs- und Abkühlungszyklus des Lichtelements. LEDs, anders als Glühelemente, aktivieren und deaktivieren im Wesentlichen sofort, gemäß der vorliegenden Anmeldung. Der zweite Vorteil ist es, dass man die LEDs ohne Flackern dimmen kann, das andernfalls auftreten würde, wenn der Zähler auf 0 gesetzt würde. Der zentrale Steuerer kann ein kontinuierliches Dimm-Signal aussenden, wenn er eine Sequenz von Intensitätswerten erzeugt, die eine gleichmäßige und proportionale Verminderung einer Lichtintensität für jedes Farb-LED darstellen. Falls man die Ausgangssignale vor einem Neustart des Zählers nicht aktualisieren würde, gäbe es eine Möglichkeit, dass eine einzelne Farb-LED durch nahezu zwei Zyklen laufen würde, ohne den 0-Stromzustand im Arbeitszyklus zu treffen. Beispielsweise wird angenommen, dass das rote Register auf vier eingestellt ist und der Zähler auf drei eingestellt ist, wenn er eingefroren wird. Hier wird der Zähler gerade vor dem „Aus-Teil” des PWM Zyklus eingefroren, der für die roten LEDs auftreten soll. Nun wird angenommen, dass die Netzwerkdaten den Wert im roten Register von vier auf zwei ändern und der Zähler ohne ein Deaktivieren des Ausgangssignals neu gestartet wird. Obwohl der Zähler größer als der Intensitätswert im roten Register ist, ist der Ausgangszustand immer noch „an”, was bedeutet, dass der Maximalstrom immer noch durch die roten LEDs fließt. Unter dessen werden möglicherweise die blauen und grünen LEDs an ihren geeigneten Zeitpunkten im PWM Zyklus abgeschaltet. Dieses würde durch ein menschliches Auge als ein rotes Flackern im Ablauf eines Dimmens der Farbintensitäten wahrgenommen werden. Ein Einfrieren des Zählers und Aktualisieren der Ausgabe für den Rest des PWM Zyklus vermeidet diese Nachteile, und stellt sicher, dass das Flackern nicht auftritt.
• Die Netzwerkschnittstelle für den Mikrocontroller IC2 400 wird nun beschrieben. Die Stecker 800 und 900 sind standard RJ-8 Netzwerkstecker. Der Stecker 800 wird als ein Eingangsstecker verwendet, und ist der Einfachheit halber als nur mit drei Eingängen gezeigt: Signaleingängen 860, 870 und Masse 850. Netzwerkdaten treten in den Stecker 800 ein und verlaufen durch Signaleingänge 860 und 870. Diese Signaleingänge sind dann mit dem IC3 500 gekoppelt, der ein differentieller Bus Repeater RS-485/RS-422 vom Standardtyp ist, vorzugsweise ein DS96177 von National Semiconductor Corporation, Santa Clara, California. Die Lehre des Datenblatts DS96177 sind hierin mittels Bezugnahme einbezogen. Die Signaleingaben 860, 870 treten in den IC3 500 an Anschlüssen 560, 570 ein. Das Datensignal wird vom Pin 510 zu Pin 520 am Mikrocontroller IC2 400 weitergeleitet. Das gleiche Datensignal wird dann vom Pin 540 am IC2 400 zum Pin 530 am IC3 500 zurückgeliefert. Der Stecker 900 wird als ein Ausgangsstecker verwendet und ist der Einfachheit halber als nur mit fünf Ausgängen gezeigt: Signalausgänge 960, 970, 980, 990 und Masse 950. Die Ausgänge 960 und 970 sind direkt von den Eingangsleitungen 860 bzw. 870 abgezweigt. Die Ausgänge 980 und 990 kommen direkt von den Pins 580 bzw. 590 vom IC3 500. Es versteht sich, dass die vorherige Anordnung es zwei Netzwerkknoten ermöglicht, zum Empfangen der Netzwerkdaten verbunden zu sein. Somit kann ein Netzwerk als eine Verkettung (Daisy Chain, Ringnetzwerk) aufgebaut sein, falls nur einzelne Knoten miteinander verknüpft sind, oder als ein Binärbaum, falls zwei Knoten am Ausgang eines einzelnen Knoten angeschlossen sind.
• Es ist aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, dass ein adressierbares Netzwerk von LED Beleuchtungs- oder Anzeigeeinheiten aufgebaut werden kann mit einer Sammlung von Leistungsmodulen, die ein jedes mit einem jeweiligen Lichtmodul verbunden sind. Solange mindesten zwei primäre Farb-LEDs verwendet werden, kann eine beliebige Beleuchtung oder Anzeigefarbe erzeugt werden, einfach dadurch, dass die Lichtintensität gewählt wird, die jede Farb-LED aussendet. Weiter kann jede Farb-LED Licht mit irgendeiner von 255 unterschiedlichen Intensitäten aussenden, in Abhängigkeit von dem Arbeitszyklus der PWM Rechteckquelle, mit einem beim Durchführen von Maximalstrom durch den LED erzeugten Frill Intensitätspuls. Darüber hinaus kann die Maximalintensität bequem programmiert werden, einfach indem die Grenze für den maximal erlaubten Strom unter Verwendung von programmierten Widerständen für die Stromregler, am Lichtmodul befindlich, eingestellt wird. Lichtmodule mit unterschiedlichen Maximalstromkennungen können dadurch bequem ausgetauscht werden.
• Das vorhergehende Ausführungsbeispiel kann in einer beliebigen Anzahl von unterschiedlichen Gehäusen untergebracht sein. Ein bevorzugtes Gehäuse für eine Beleuchtungseinheit wird beschrieben. Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Explosionsansicht einer Beleuchtungseinheit der vorliegenden Erfindung gezeigt, umfassend einen im wesentlichen zylindrischen Körperabschnitt 10, ein Lichtmodul 20, eine leitfähige Hülse 30, ein Leistungsmodul 40, eine zweite leitfähige Hülse 50, und eine Umfassungsplatte 60. Es wird hierin angenommen, dass das Lichtmodul 20 und das Leistungsmodul 40 die elektrische Struktur enthalten und die Software des Lichtmoduls 100 und Leistungsmoduls 200, oben beschrieben. Schrauben 62, 64, 66 und 68 erlauben, dass die gesamte Vorrichtung mechanisch verbunden ist. Der Rumpfabschnitt 10, die leitfähigen Hüslen 30 und 50 und die Umfassungsplatte 60 sind vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das Wärme leitet, bevorzugter Weise Aluminium. Der Rumpfabschnitt 10 hat ein offenes Ende, einen reflektiven inneren Abschnitt und ein Beleuchtungsende, an dem das Modul 20 mechanisch befestigt ist. Das Lichtmodul 20 ist scheibenförmig und hat zwei Seiten. Die Beleuchtungsseite (nicht gezeigt) umfasst eine Vielzahl von LEDs unterschiedlicher Primärfarben. Die Verbindungsseite hält eine männliche elektrische Pinverbinderanordnung 22. Sowohl die Beleuchtungsseite als auch die Verbindungsseite sind mit Aluminiumoberflächen beschichtet, um die Leitung von Wärme nach Außen von der Vielzahl von LEDs zum Rumpfabschnitt 10 zu verbessern. Entsprechend ist das Leistungsmodul 40 scheibenförmig und jede verfügbare Oberfläche ist mit Aluminium aus dem gleichen Grund beschichtet. Das Leistungsmodul 40 hat eine Verbinderseite, die eine elektrische weibliche Pinverbinderanordnung 44 hält, dazu angepasst, zu den Pins von der Anordnung 22 zu passen. Das Leistungsmodul 40 weist eine Leistungsanschlussseite auf, die einen Anschluss 42 zur Verbindung mit einer Quelle von Gleichleistung aufweist. Ein beliebiger Standard Wechselstrom- oder Gleichstromstecker kann verwendet werden, wie erforderlich.
• Zwischen dem Lichtmodul 20 und dem Leistungsmodul 40 ist eine leitfähige Aluminiumhülse 30 angeordnet, der im wesentlichen den Raum zwischen den Modulen 20 und 40 umfasst. Wie gezeigt, dichten eine scheibenförmige Umfassungsplatte 60 und Schrauben 62, 64, 66 und 68 alle Komponenten zusammen, und eine leitfähige Hülse 50 wird so zwischen der Umfassungsplatte 60 und dem Leistungsmodul 40 angeordnet. Als Einheit zusammengefügt kann die Beleuchtungsvorrichtung mit einem Datennetzwerk verbunden werden, wie oben beschrieben, und auf eine beliebige erwünschte Art befestigt werden, um einen Bereich zu beleuchten. Im Betrieb wird vorzugsweise eine Lichtstreueinrichtung in dem Rumpfbereich 10 eingeführt, um sicherzustellen, dass die LEDs auf dem Lichtmodul 20 scheinbar eine einzige eindeutige Lichtfrequenz aussenden.
• Aus dem Vorhergehenden versteht es sich, dass eine PWM Stromsteuerung von LEDs zur Erzeugung einer Vielzahl von Farben in zahllosen Umgebungen verwirklicht werden kann, und mit einem Netzwerk.
• Fiqurenbeschreibung
• Fig. 1
• ROT
• BLAU
• GRÜN

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Beleuchtung, umfassend: eine Vielzahl von Lichtstrahlern in zumindest zwei verschiedenen Farben, die angepasst sind, an einen Stromkreis gekoppelt zu werden, der eine Stromquelle (300) und eine gemeinsame Potenzialreferenz (390) aufweist; ein Treibermittel (380) zum Antrieb der Mehrzahl von Lichtstrahlern, wobei das Treibermittel zumindest zwei Schalter umfasst, die mit der Mehrzahl von Lichtstrahlern und dem genannten Stromkreis und entsprechend mit jeweiligen Strompfaden der zumindest zwei verschiedenfarbigen Lichtstrahler verbunden sind; ein Steuergerät zum periodischen und unabhängigen Öffnen und Schließen der zumindest zwei Schalter, wobei das Steuergerät eine sich selbst zugewiesene, veränderliche Adresse hat, um einen jeweiligen Anteil eines darauf zugewiesenen Eingangsdatenstroms zu identifizieren und darauf zu reagieren, wobei der Datenflussanteil diesem Steuergerät zugewiesen ist; wobei jeder Lichtstrahler eine LED ist; und das genannte Steuergerät (400) eingerichtet ist, eine Vielzahl von PWM-Signalen zu erzeugen, wobei die PWM-Signale eine einheitliche Frequenz haben, wobei jedes Signal einer jeweiligen Farbe der Mehrzahl von LEDs verschiedener Farben entspricht, wobei jedes genannte PWM-Signal bewirkt, dass ein jeweiliger der zumindest zwei Schalter bei der einheitlichen Frequenz gemäß jeweiligen unabhängigen Arbeitszyklen geöffnet und geschlossen wird, und wobei der genannte Datenflussanteil Daten zum Bestimmen der jeweiligen Arbeitszyklen der zumindest zwei LEDs verschiedener Farbe umfasst.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung zumindest zwei Register für die zumindest zwei verschiedenfarbigen LEDs umfasst, die jeweils zum Speichern respektiver Datenwerte des Datenflussanteils für die zumindest zwei verschiedenfarbigen LEDs eingerichtet sind, wobei die Steuerung dafür eingerichtet ist, die Datenwerte zum Bestimmen der jeweiligen Arbeitszyklen der zugehörigen Farb-LEDs zu verwenden.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die ein Gehäuse umfasst, das im wesentlichen die Mehrzahl von LEDs, die Treibermittel und die Steuerung umgibt.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend einen Stromregler zum Steuern der über die Strompfade zu der Mehrzahl von LEDs gelieferten Maximalströme, um so die Maximalströme auf konstanten Maximalwerten zu halten.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, weiterhin umfassend einen Stromregler zum Steuern der über die Strompfade zu der Mehrzahl von LEDs gelieferten Maximalströme, um so die Maximalströme auf konstanten Maximalwerten zu halten, wobei das Gehäuse im wesentlichen zusätzlich zur Mehrzahl von LEDs, den Treibermitteln und der Steuerung, den Stromregler umgibt.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede LED eine organische LED ist.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung zum Identifizieren und Reagieren auf den jeweiligen Eingangsdatenflussanteil in Übereinstimmung mit einem DMX-Datenprotokoll eingerichtet ist.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Eingangsdatenflussanteil umfasst jeweils ein Byte für jede LED-Farbe, wobei das Byte 8 Datenbits zum Festlegen der Intensität der jeweiligen LED-Farbe innerhalb eines Bereichs, der den Dezimalzahlen 0 bis 255 entspricht, enthält, und die Steuerung dafür eingerichtet ist, die Pulsweite jedes PWM-Signals in Übereinstimmung mit dem Bitinhalt des jeweiligen Bytes zu steuern.
9. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von LEDs rote, grüne und blaue LEDs umfasst.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von LEDs eine serielle/parallel Anordnung von LEDs umfasst.
11. Ein Beleuchtungsnetzwerk, umfassend: eine zentrale Steuerung zum Erzeugen eines Eingangsdatenflusses; und eine Mehrzahl von Beleuchtungsvorrichtungen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Apparate dafür eingerichtet ist, den Datenfluss zu empfangen und seine veränderliche Adresse anders setzen zu lassen, um so auf verschiedene Anteile des Eingangsdatenflusses zu reagieren.

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