发光二极管光源 本申请是先前提交的并在此引用以供参考的专利申请US-A6,127,783的部分继续。
本发明涉及一种具有红、绿和蓝发光二极管(LED)陈列的光源，并更具体地涉及一种具有用于调节各个分量以保持所需要的色平衡(色度)的控制系统的白光发光光源。
U.S.专利号5,301,090公开了一种LED光源，该光源具有包括分别为红、绿和蓝色的多个LED的LED阵列。每种颜色的LED并联接线并提供独立的电源供电，并且在阵列上提供一个漫射屏。该组件的色度可通过用于相应颜色的三个旋钮手动控制；没有提到自动控制。
LED是基于半导体的；对于一给定的驱动电流，光输出因接线柱而异，并且也随每个接线柱的寿命而变。光输出还随温度相反变化，但对每种颜色并不一致。最后，在一给定颜色的LED组中，如果一个或多个LED失效则光输出将变化。在已知可以影响LED任何阵列的色平衡地所有因素的情况下，自动监测和调整色平衡，尤其是在白光发光光源中的色平衡是所希望的。
基于温度控制到一给定颜色的LED阵列的电流是已知的，例如在交通信号灯的情况中。该方案在具有多种颜色的LED的光源中是令人讨厌的，因为对于各种不同的颜色，温度(并因此光强)不均匀变化。
在不考虑导致各种颜色的光输出变化的因素的情况下，自动控制白光发光光源的色彩是所期望的。
在不依靠一种从光谱上解决的光测量系统，诸如用于每种相应颜色的光电二极管和滤波器的情况下，自动控制色彩将是进一步所期望的。
按照本发明，一种发射白光的LED光源的组合光输出(色度)是基于通过安排单个光电二极管测量阵列中的所有LED的光输出的测量进行电子控制的。这通过在时间脉冲序列中独立测量每种颜色的LED的光输出实现。对于红、绿和蓝LED的阵列在一个测量序列中有三个时间脉冲。在每个时间脉冲期间，没被测量的颜色的电流被断开。常用光电二极管的响应时间非常短，所以测量序列可在观察者不会察觉它的足够短的时间内执行(例如10ms)。
所测量的颜色的光输出与可由用户控制器设置的所希望的输出进行比较，需要时对颜色组的电源供电进行调节。于是色彩被自动控制而不考虑可导致其变化的因素。用户输入允许将所希望的色彩变化到或者暖白(红输出较多)或冷白(蓝输出较多)。
为了最好地补偿在加热阶段期间取决于温度的变化，在加热期间电子控制线路可更频繁地执行测量序列。在达到稳定的工作温度后，较低频率的测量足以补偿LED中的长期变化。
在每种颜色的LED是并联接线的情况下，LED的失效可通过在下一个测量序列期间改变流到剩余LED的电流自动补偿。
按照本发明的另一实施例，LED阵列是由电流源驱动的，该电流源包括一具有至少一第一提高(boost)部分和一“断开”部分的测量驱动脉冲。每种颜色的LED有一光输出，该光输出在正常的运行期间具有标称连续值，在提高部分期间增加并在“断开”部分中断。当由电流源提供电流时LED阵列具有组合的光输出。安排一光电二极管以测量阵列中所有LED的光输出。流到LED的电流被选择性地断开，使得光电二极管响应测量驱动脉冲独立测量每种颜色的光输出。
本发明的这些和附加优点将从下面的附图和说明中得以明确。
图1是按照本发明的、具有光纤光拾波器的光源的剖面图；
图2是该光源的示意图；
图3是控制器的逻辑序列的示图，以及
图4是光反馈系统的时序图。
图5说明一测量驱动的测量序列。
参考图1，按照本发明的LED光源包括LED 10，12，14的一二维阵列，该阵列包括多种颜色中每种颜色的多个LED。在当前情况下，阵列包括安装在壳体18内的布线衬底16上的红色LED 10，绿色LED 12和蓝色LED 14。这些LED被这样安排使得总的光输出将是白色的；提供安装在壳体18上的漫射器22用于增强混合。附加颜色的LED，诸如琥珀色可用于增强混合选项。混合光学系统可包括除漫射器以外的其它装置。
单个光电二极管24被安排用于测出阵列中所有LED的光强。
图1中，沿壳体18的长度延伸的光纤将光送到光电二极管24，它产生经反馈线26用于控制器30的相应的电流信号。对于小的阵列该光电二极管用于一个阵列，而不是图1中所示的光纤排列。
同样参考图2，控制器30将来自光电二极管24的反馈转变为色点测量，该测量与经用户输入40提供所希望的设置进行比较。基于该比较，控制器30判断是否存在所希望的色平衡，并由此发信号给相应二极管10，12，14的电流调节器11，13，15。来自AC变换器50的功率输入于是被转变成控制相应颜色红，绿和蓝的光强的电流输出以获得所希望的色平衡。阵列的每种颜色的二极管通过在衬底16上布线保持公共电位。对于所设计的设置的用户控制包括用于相应颜色的输入41，42，43和控制获得的白光的整体强度的调光器44。
图3在示图中示出对光源的逻辑控制。当灯被打开时31，电能被提供给LED并且测量序列被启动32。色点测量与按照用户调整35存储的所希望的设置34比较33。基于该比较，确定36是否需要颜色调节，如果需要，则进行37调节，并且重复测量序列32。如果确定不需要颜色调节36，在重复测量序列32之前控制器将等待预定的测量间隔38。
图4是说明在光源打开时执行的控制逻辑的时序图。四条迹线中的最上面一条是由一系列由时间跨度(测量间隔)分开的三脉冲(测量序列)组成的测量信号。在第一脉冲期间，绿和蓝色LED被断开使得光电二极管可测量红色LED的光强；在第二脉冲期间，红和蓝色LED被断开使得光电二极管可测量绿色LED的光强；在第三脉冲的期间，红和绿色LED被断开使得光电二极管可测量蓝色LED的光强。随后控制电子学将所测量的强度与所希望的强度进行比较，并在可能需要时调节流到一组或多组LED的电流。
典型的光电二极管的响应时间非常短，并且每个脉冲可以短到观察者不会察觉到它，例如10ms。于是一测量序列在光源的正常工作期间进行。测量间隔的长度取决于光输出的快速变化。这例如取决于LED的温度变化有多快。它的范围可从每分钟或更短一次到几个小时一次；控制逻辑可被编程用于启动之后不久的频繁测量，在达到稳定的工作温度时随之以不太频繁的测量。
对于光源来说包括每种颜色多于一行的LED，并且单独测量行的输出是可能的。例如三种颜色中的每种颜色为两行的情况下，测量序列可具有六个脉冲。在每种情况下，优选基于一个序列中的所有测量调节色平衡，而不是仅基于相应的光输出调节单个颜色。
前面所述是示例而不是有意地限制下述权利要求的范围。
虽然上面参考图4所述每个通道中的驱动脉冲基本上是短的，例如约为1-2ms，很多观察者仍可注意到发射光中的闪烁。这是因为人眼在约15msec的范围内通过累积眼中接收的光对光进行响应。因此，敏感的眼睛可观察到如400μs那么短的一个周期的光中断。因此将测量序列中的每个“断开”周期缩短到400μs或更短是所期望的。但是，对于常规电子电路该持续时间可能是极短的用以测量LED的光强。
按照本发明的另一实施例，在每个测量序列期间的每个通道的驱动脉冲是变化的以调节这种可能的闪烁。图5说明在按照本发明的一个实施例的测量期间的示例测量驱动脉冲。据此该测量驱动脉冲包括随之以“断开”或中断周期的第一提高部分，并依次随之以第二提高部分。其中有三种限制影响每个测量驱动脉冲的选择。第一，每个脉冲的提高部分优选尽可能地低以避免任何对LED的长期损害。第二，“断开”或中断周期优选尽可能长以便于用不太贵的元件精确测量。第三，为了避免可见的人为现象，第一提高部分、“断开”周期和第二提高部分的整个序列优选约15msec。
按照本发明的一个实施例，一种在LED中提供稳定的光电平外形的测量驱动脉冲包括，5msec的120％标称光输出的提高，随之以2msec电流完全中断，随之以另一5msec的120％标称光输出的提高。
按照本发明的另一实施例，驱动脉冲序列是对称的，使得序列中的两个提高部分显示相同的幅度和持续时间，虽然本发明在这方面的范围没有被限定。例如，按照本发明的又一实施例，测量驱动脉冲包括包括随之以一个“断开”周期的第一提高部分的两个分量。此外，按照本发明的原则可采用具有至少一个提高部分和一个“断开”部分的测量驱动脉冲的其它形状。优选，这样选择冲脉使得在人眼的累积时间内-即约15msec.-被驱动的LED的光平均电平与在正常工作期间的标称连续值相同。
按照本发明的一个实施例，光输出近似地与驱动电流成比例，使得驱动电流的特定百分比的增加对应于光输出电平成比例的增加。于是，例如，如果希望光输出电平如图5所示增加到120％，则电流的增加为一预定的百分比，例如也为120％。于是，将包括一特定的电流提高百分比的测量驱动脉冲序列用于所有驱动电平是可能的。
但是，在所有的工作电流，LED不必需显示光输出电平变化和驱动电流变化之间的比例关系。于是，按照本发明的另一实施例，为了在测量序列期间实现更好的维持恒定光输出电平的精度，为光源校准光与电流之间的关系，并且提高的电流值是这样选择的，使得在所有工作电平，光电平平均为标称直流电平。为了存储校准的电流与光输出的关系，智能控制电路30被配置为包括一个数据库，该数据库提供工作条件范围的光输出电平中任何所希望的变化所需要的电流变化的数量。