СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ В СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТАХ Российский патент 2011 года по МПК H05B37/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение имеет отношение к области освещения, в частности к способу и устройству для управления термическим напряжением в светоизлучающих элементах, которые подвергаются повторяющемуся или частому циклическому термическому воздействию.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Достижения в разработке и улучшения светового потока у светоизлучающих диодов (LED), таких как твердотельные и некоторые органические или полимерные светоизлучающие диоды, сделали эти устройства подходящими для использования в применениях общего освещения, включающих, например, архитектурное, развлекательное и дорожное освещение. По существу, светоизлучающие диоды становятся все больше и больше конкурирующими с источниками света, такими как лампы накаливания, люминесцентные лампы и разрядные лампы высокой интенсивности.

Светоизлучающие диоды предлагают некоторое количество преимуществ и, как правило, выбираются за их прочность, длительный срок службы, высокую эффективность, низкие требования к напряжению и возможность независимо управлять цветом и интенсивностью излучаемого света. LED обеспечивают улучшенную производительность по сравнению с чувствительной газоразрядной лампой, лампой накаливания и люминесцентными системами освещения. Твердотельные и преимущественно органические светоизлучающие диоды обладают возможностью создавать аналогичные световые ощущения, наряду с обеспечением, как правило, большей гибкости, чем другие технологии освещения.

Когда электрический ток через LED меняется быстро, свойства теплопередачи у устройства могут вызывать неустановившиеся температурные градиенты, превышающие почти 3000°С на см, как показано Malyutenko и др. в статье "Heat Transfer Mapping in 3-5 Micrometer Planar Light-Emitting Structures", Journal of Applied Physics, №93(11), 2003, стр.9398-9400. Быстро увеличивающиеся управляющие токи могут формировать пространственно-локализованные участки перегрева внутри LED с максимальными температурами до почти 150°С, как показано Barton и др. в статье "Life Tests and Failure Mechanisms of GaN/AlGaN/InGaN Light-Emitting Diodes", SPIE том 3279, 1998, стр.17-27, несмотря на эффективное охлаждение блока LED, которое, как правило, снижает среднюю температуру перехода у кристалла LED. Также температурные градиенты, наведенные быстрыми переходными управляющими токами в LED с сильным потоком, могут зависеть от начального тока, как показано Farkas и др. в статье "Electrical and Thermal Transient Effects in High Power Optical Devices", Труды двадцатого ежегодного симпозиума IEEE по тепловому измерению и управлению у полупроводников, 2004, стр.168-176.

Как известно, термически наведенное избыточное механическое напряжение внутри LED может привести к преждевременному снижению светового потока. Это также может значительно сократить срок службы устройства вследствие некоторого количества видов внезапного отказа, которые могут включать в себя, например, разрыв проводного соединения или отслаивание корпуса кристалла.

Фиг.1 иллюстрирует, как температура перехода у зеленого LED изменяется со временем после переключения управляющего тока примерно с 400 мА до примерно 10 мА. Эти изменения могут быть выведены из измеренного прямого напряжения U _f(t), указанного на правой ординате фиг.1. Как видно, скорость изменения температуры перехода после корректировки управляющего тока может достигать нескольких тысяч Кельвин в секунду. Как известно, скорость изменения температуры коррелирует с соответствующими температурными градиентами, согласно уравнению теплообмена и в зависимости от свойств теплопередачи у LED. Существует некоторое количество применений, в которых могут возникать избыточные температурные градиенты или участки перегрева.

Например, светоизлучающие диоды доказали полезность для задней подсветки панелей жидкокристаллических дисплеев (LCD), которые используются в цветных телевизорах и компьютерных дисплеях, что обсуждается, например, Folkert в статье "LED Backlighting Concepts with High Flux LEDs", Дайджест SID 04, 2004, стр.1226-1229, или Harbers и др. в статье "LED Backlighting for LCD HDTV", Journal of the Society for Information Display 10(4), 2002, стр.347-350, или Sugiura и др. в статье "Wide Color Gamut Monitors-LED Backlighting LCD and New Phosphor CRT", Optical Engineering Society Bellingham, WA: Proceedings of Liquid Crystal Materials, Devices and Applications X and Projection Displays X, SPIE-IS&T 5289, 2004, стр.151-160, или West и др. в статье "High-brightness direct LED backlight for LCD-TV", Дайджест SID 2003, стр.1262-1265.

Как известно в данной области техники, системы отображения обычно проектируются для приема сигналов, в которых информация форматируется в виде последовательного потока данных, содержащего последовательность кадров. Каждый кадр содержит данные, необходимые для визуализации одного неподвижного изображения. К тому же информационные сигналы могут содержать данные, которые могут определять начало или конец кадра и могут помогать с синхронизацией отображения одного неподвижного изображения. Например, каждый кадр может содержать сигнал вертикального обратного хода. Достаточно быстрая последовательность кадров может сформировать впечатление немерцающего киноизображения. Кадры могут формироваться и визуализироваться на скорости, зависящей от нужного применения дисплея. По ряду причин некоторые типы систем отображения требуют, чтобы LED задней подсветки выключались и включались синхронно, например, с сигналами вертикального обратного хода. Период времени сигнала вертикального обратного хода может быть эквивалентен тепловой постоянной времени у задней подсветки LED, увеличенной в несколько раз, что может привести к избыточным и потенциально вредным температурным градиентам внутри LED задней подсветки, которые могут быть губительны для долговечности LED.

Например, как проиллюстрировано на фиг.2, задняя подсветка панели LCD может быть выполнена с использованием методики, в которой LED задней подсветки гаснут синхронно с сигналами вертикального обратного хода. На этом чертеже интервал 10 вертикального обратного хода у видеосигнала 20 для задней подсветки панели LCD полностью аналогичен времени 35 выключения и времени 30 включения у LED, который регулируется с помощью управляющего тока I_D(t) LED.

Например, Yamada и др. в статье "Sequential-Color LCD based on OCB with an LED Backlight", Journal of the Society for Information Display 10(1), 2002, стр.81-85, описывает цветной дисплей, который использует монохромный LCD с последовательно задействованными красными, зелеными и синими (RGB) LED для задней подсветки. Данная система в основном проще и, вероятно, может быть произведена более экономно, чем традиционные LCD-панели, которые используют белую заднюю подсветку и матрицу фильтров RGB, в которой цветные элементы фильтра конфигурируются для каждого пикселя дисплея. Однако каждый цвет у LED может активизироваться только в течение около 1,2 миллисекунд, или приблизительно 10% времени, выделенного для традиционной задней подсветки LCD. LED поэтому должны регулироваться с помощью почти десятикратной величины тока, используемой для традиционной задней подсветки LED, чтобы поддерживать ту же яркость экрана LCD с тем же количеством LED. Как можно было бы легко понять, этот режим работы может в результате значительно увеличить термическое напряжение, например, на кристалле LED и его проводных соединениях.

Методики регулирования предшествующего уровня техники для LED с сильным потоком используют как аналоговое, так и цифровое регулирование тока, как описано Žukauskas и др. в статье "Introduction to Solid-State Lighting", Wiley-Interscience, 2002. Как обсуждалось, самой распространенной формой цифрового регулирования является широтно-импульсная модуляция (PWM). Гашение LED задней подсветки как с цифровым, так и с аналоговым регулированием во время интервала вертикального обратного хода содержит переключение управляющего тока с полной мощности на ноль, ожидание в течение длительности интервала обратного хода и затем переключение управляющего тока обратно на полную мощность.

Патент США №4190836 раскрывает схему LED, в которой передний и задний фронты импульсов управляющего тока расширяются конденсатором, подключенным параллельно каждому LED. Действие, которое конденсатор оказывает на управляющий ток, иллюстрируется на фиг.3, где передний фронт 40 и задний фронт 50 управляющего тока удлиняются с помощью зарядки и разряда конденсатора. Однако для этой конфигурации схемы возбуждения LED конденсатор подавляет высшие гармоники только в импульсе полного тока, что может в противном случае создать высокочастотное электромагнитное излучение, которое может препятствовать радиочастотным сигналам. Полный ток является суммой управляющего тока LED плюс тока конденсатора. Следовательно, конденсатор снижает нагрузку на схему возбуждения для системы с импульсно-периодическими LED и может существенно подавить формирование и распространение электромагнитного излучения с высшими гармониками. Однако раскрытая электронная схема не влияет на переходный ток через каждый LED, а также она не снижает термическое напряжение в LED.

Поэтому существует необходимость в новом способе и устройстве, которые могут снизить термическое напряжение, приложенное к светоизлучающим элементам во время работы, например во время повторяющегося чередования включения и выключения.

Данная информация об уровне техники предоставляется для раскрытия информации, которую заявитель считает возможно значимой для настоящего изобретения. Никакое признание [изобретения] заведомо не предназначено и не должно истолковываться так, что любая предшествующая информация составляет предшествующий уровень техники на фоне настоящего изобретения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения - предоставить способ и устройство для снижения термического напряжения в светоизлучающих элементах. В соответствии с особенностью настоящего изобретения предоставляется устройство для регулирования термического напряжения в одном или нескольких светоизлучающих элементах в течение периода перехода между первым состоянием управляющего тока и заданным вторым состоянием управляющего тока у одного или нескольких светоизлучающих элементов, причем упомянутое устройство содержит: модуль мониторинга, сконфигурированный для оценки первого состояния управляющего тока; систему регулирования, сконфигурированную для определения переходного состояния управляющего тока на основе первого состояния управляющего тока и заданного второго состояния управляющего тока, причем система регулирования дополнительно сконфигурирована для оценки переходного состояния управляющего тока для поддержания скорости изменения прямого напряжения через один или несколько светоизлучающих элементов в пределах заданного ограничения; и устройство регулирования управляющего тока, регулирующее управляющий ток, поданный на один или несколько светоизлучающих элементов в течение периода перехода в соответствии с переходным состоянием управляющего тока.

В соответствии с другой особенностью настоящего изобретения предоставляется способ для регулирования термического напряжения в одном или нескольких светоизлучающих элементах в течение периода перехода между первым состоянием управляющего тока и заданным вторым состоянием управляющего тока у одного или нескольких светоизлучающих элементов, причем упомянутый способ содержит этапы: мониторинга первого состояния управляющего тока; определения переходного состояния управляющего тока на основе первого состояния управляющего тока и второго состояния управляющего тока, причем упомянутое переходное состояние управляющего тока определяется для поддержки скорости изменения прямого напряжения на одном или нескольких светоизлучающих элементах в пределах заданного ограничения; и регулирования управляющего тока, поданного на один или несколько светоизлучающих элементов в течение периода перехода, в соответствии с переходным состоянием управляющего тока.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 иллюстрирует изменение температуры перехода с временным разрешением у зеленого LED после переключения управляющего тока с 400 мА на 10 мА (из Farkas и др., 2004), которое выводится из прямого напряжения, указанного на правой ординате.

Фиг.2 иллюстрирует методику гашения LED задней подсветки из предшествующего уровня техники, в которой LED задней подсветки гаснут синхронно с сигналами вертикального обратного хода.

Фиг.3 иллюстрирует переходные состояния управляющего тока у предшествующего уровня техники в импульсно-периодическом управляющем токе LED с использованием конденсатора, подключенного параллельно LED.

Фиг.4 иллюстрирует схематическую блок-схему системы регулирования согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 иллюстрирует схематическую блок-схему системы регулирования согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 иллюстрирует переходное состояние U _f(t) прямого напряжения согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 иллюстрирует формирование переходного состояния управляющего тока у аналогового управляющего тока согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 иллюстрирует переходную последовательность импульсов у управляющего тока с широтно-импульсной модуляцией согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 иллюстрирует формирование переходного состояния управляющего тока у импульсного управляющего тока согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 иллюстрирует блок-схему алгоритма для последовательности регулирования управляющего тока согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Определения

Термин "светоизлучающий элемент" (LEE) используется для определения устройства, которое выделяет излучение в области или сочетании областей электромагнитного спектра, например в видимой области, инфракрасной и/или ультрафиолетовой области, например, при активации с помощью приложения вдоль него разности потенциалов или пропускания через него тока. Поэтому светоизлучающий элемент может обладать монохроматическими, квазимонохроматическими, полихроматическими или широкополосными характеристиками спектрального излучения. Примеры светоизлучающих элементов включают в себя полупроводниковые, органические или полимер/полимерные светоизлучающие диоды, покрытые фосфором светоизлучающие диоды с оптической накачкой, нанокристаллические светоизлучающие диоды с оптической накачкой или другие аналогичные устройства, которые были бы легко понятны специалисту в данной области техники. Кроме того, термин "светоизлучающий элемент" используется для определения специального устройства, которое выделяет излучение, например кристалла LED, и может в равной степени использоваться для определения сочетания специального устройства, которое выделяет излучение, вместе с корпусом или контейнером, в котором размещаются специальное устройство или устройства.

Термин "система регулирования" используется для определения системы, которая может принимать входные сигналы, параметрически обрабатывать входные сигналы в выходные сигналы и предоставлять выходные сигналы. Система регулирования может функционально подключаться к одному или нескольким периферийным устройствам посредством интерфейсов ввода и/или вывода в системе регулирования. Периферийные устройства могут предоставлять входные сигналы или принимать выходные сигналы от системы регулирования. Система регулирования может содержать аналоговое или цифровое вычислительное устройство, например микроконтроллер, центральный процессор (CPU) или устройства сопряжения ввода/вывода. Устройства сопряжения могут включать в себя аналого-цифровые (A/D) или цифроаналоговые (D/A) преобразователи для приема или предоставления входных и выходных сигналов в соответствующем периферийным устройствам виде. Периферийные устройства могут включать в себя пользовательские устройства ввода/вывода для обмена необходимыми запросами пользователя или параметрами системы регулирования между пользователем и системой регулирования. Система регулирования может включать в себя одно или несколько запоминающих устройств. Запоминающие устройства могут иметь энергозависимую и энергонезависимую особенность хранения и могут включать в себя компьютерное запоминающее устройство, такое как RAM, PROM, EPROM и EEPROM, дискеты, компакт-диски, оптические диски, магнитную пленку или т.п., в которых управляющие программы (например, программное обеспечение, микрокод или микропрограммное обеспечение) для мониторинга или регулирования устройств, соединенных с системой регулирования и/или данные, могут храниться и исполняться, например, с помощью CPU. Система регулирования предоставляет средство для регулирования рабочими условиями некоторых периферийных устройств в соответствии с заданными пользователем рабочими условиями. Система регулирования может принимать заданные пользователем команды посредством интерфейса пользователя, например клавиатуры, сенсорной панели, сенсорного экрана, консоли, устройства звукового или визуального ввода или других форм пользовательских устройств ввода, хорошо известных специалистам в данной области техники.

Термин "устройство регулирования управляющего тока" используется для определения устройства, которое конфигурируется для регулирования управляющего тока, поданного на один или несколько светоизлучающих элементов. Устройство регулирования управляющего тока может содержать соленоид управляющего тока или другой привод, который был бы известен специалисту в данной области техники. Устройство регулирования управляющего тока может быть встроено в систему регулирования, или оно может быть отдельным компонентом, принимающим параметры работы от системы регулирования.

При использовании в данном документе термин "около" относится к ±10% отклонения от номинального значения. Нужно понимать, что такое отклонение всегда включается в любое заданное значение, предоставленное в этом документе, ссылаются ли на него специально или нет.

Пока не оговорено иное, все технические и научные термины, использованные в этом документе, имеют тот же смысл, который в большинстве случаев понимается специалистом в области техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение предоставляет способ и устройство для регулирования температурными градиентами и, следовательно, термическим напряжением в светоизлучающих элементах, которые должны подвергаться изменяющимся условиям управляющего тока. Описанные способ и устройство могут снизить термическое напряжение на светоизлучающих элементах путем адаптивного определения переходного состояния управляющего тока между первым состоянием управляющего тока и вторым состоянием управляющего тока. Прямое напряжение на одном или нескольких светоизлучающих элементах может использоваться в качестве указания общей температуры светоизлучающих элементов, где для известного управляющего тока может быть получено представление о температурных градиентах внутри светоизлучающего элемента по прямому напряжению в рабочих условиях. Прямое напряжение в достаточной мере соответствует температуре светоизлучающего элемента, при условии, что прошло достаточное время для уравновешивания профиля температуры светоизлучающего элемента. Неизменный температурный режим в светоизлучающем элементе может существовать в сроках от доли микросекунды до доли секунды, в зависимости от размера светоизлучающего элемента и его теплового взаимодействия с окружающей средой.

Согласно настоящему изобретению переходное состояние управляющего тока определяется для того, чтобы снизить скорость изменения в прямом напряжении на одном или нескольких светоизлучающих элементах, когда управляющий ток изменяется между первым управляющим током и вторым управляющим током. Устройство регулирования управляющего тока соединяется с одним или несколькими светоизлучающими элементами и системой регулирования, где устройство регулирования управляющего тока конфигурируется для регулирования управляющего тока, приложенного к одному или нескольким светоизлучающим элементам в течение переходного периода, в соответствии с определенным переходным состоянием управляющего тока. Таким образом, устройство предоставляет средство для регулирования термического напряжения в одном или нескольких светоизлучающих элементах в течение переходного периода.

В вариантах осуществления настоящего изобретения управляющие токи светоизлучающих элементов могут регулироваться, как правило, с помощью разных механизмов, например широтно-импульсной модуляции (PWM), импульсно-кодовой модуляции (PCM) или других механизмов, включая аналоговые формы регулирования. Состояние управляющего тока поэтому может описываться, например, с помощью амплитуды PWM и коэффициента заполнения PWM, амплитуды PCM и плотности импульсного кода или амплитуды управляющего тока. Термин "состояние управляющего тока" по существу описывает скользящее среднее управляющего тока за интервал времени, который является достаточно коротким для принятия решения о тепловых характеристиках светоизлучающего элемента.

В основном неизменные температурные рабочие условия могут достигаться путем выбора подходящих параметров регулирования, например, достаточных частот импульсов или плотностей импульсов для систем регулирования PWM и PCM. Частоты возбуждения PWM ниже порядков 1 кГц обычно достаточны для поддержания температурных градиентов внутри светоизлучающего элемента в приемлемых пределах. Однако температурные градиенты могут чрезмерно увеличиваться, когда возникают значительные изменения коэффициента заполнения в небольшом количестве последовательных рабочих циклов. Вообще, изменения между состояниями управляющего тока на скоростях, которые в несколько раз быстрее тепловой постоянной времени у светоизлучающих элементов, могут подвергнуть устройство избыточным количествам термически вызванного напряжения. Отметим, что разное тепловое взаимодействие одного и того же светоизлучающего элемента может вызывать разные температурные градиенты, и поэтому для разных реализаций настоящего изобретения, наряду с применением одного и того же светоизлучающего элемента, могут быть применимы разные переходные состояния управляющего тока, чтобы снизить эти температурные градиенты.

Понятно, что скорость, с которой управляющий ток может меняться с исходного на следующее установившееся состояние, может зависеть от параметров, таких как конкретная конструкция и свойства дисплея, системы освещения или осветительной системы, в которых реализуется настоящее изобретение. Например, тип светоизлучающего элемента и способ, которым он соединяется или прикрепляется, и/или тип теплоотвода, относящийся к системе, может влиять на максимальную скорость, с которой может меняться управляющий ток для поддержания необходимых температурных градиентов.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения регулируется термическое напряжение в светоизлучающих элементах у системы отображения на основе задней подсветки с LED, в которой управляющий ток и, следовательно, температуры кристаллов у светоизлучающих элементов меняются со временем примерно в миллисекунды. Отметим, что настоящее изобретение может использоваться в дисплее, системе освещения, осветительной системе или другой системе освещения, которая требует соответствующего регулирования термического напряжения для светоизлучающих элементов.

Имеющие определенное отношение к системам задней подсветки, например, для системы отображения светоизлучающие элементы, связанные с этим форматом системы, могут нуждаться во включении и выключении синхронно с вертикальными или горизонтальными сигналами обратного хода, в зависимости от состава видеосигнала, который используется для регулирования системой отображения. Яркость системы задней подсветки поэтому может регулироваться с использованием контроллера PWM с постоянным рабочим циклом. Частота кадров обычных видеосигналов находится в диапазоне от 50 Гц до 100 Гц с сигналами вертикального обратного хода длительностью от долей миллисекунд до миллисекунд. Соответствующие коэффициенты заполнения для задней подсветки поэтому были бы близки к единице.

Устройство освещения содержит один или несколько светоизлучающих элементов для формирования света. Устройство регулирования управляющего тока соединяется с ним и может выборочно подавать электрический управляющий ток на каждый из одного или нескольких светоизлучающих элементов, где устройство регулирования управляющего тока чувствительно к управляющим сигналам, принятым от системы регулирования. Система регулирования конфигурируется для формирования одного или нескольких управляющих сигналов для передачи их устройству регулирования управляющего тока в ответ на собранную информацию, которая может быть связана с рабочими условиями устройства освещения. Управляющие сигналы конфигурируются в соответствии с настоящим изобретением, в котором во время переходов управляющего тока между первым состоянием управляющего тока и вторым состоянием управляющего тока термическое напряжение в одном или нескольких светоизлучающих элементах смягчается с помощью адаптивного изменения сигналов управляющего тока путем оценки переходного состояния управляющего тока между первым состоянием управляющего тока и вторым состоянием управляющего тока.

Устройство

Настоящее изобретение предоставляет устройство для регулирования термического напряжения в одном или нескольких светоизлучающих элементах в течение переходного периода, который продолжается между первым состоянием управляющего тока и заданным вторым состоянием управляющего тока. Устройство содержит модуль мониторинга, который оценивает первое состояние управляющего тока, и систему регулирования, сконфигурированную для определения переходного состояния управляющего тока на основе первого состояния управляющего тока и заданного второго состояния управляющего тока. Система регулирования дополнительно конфигурируется для оценки переходного состояния управляющего тока, чтобы поддерживать скорость изменения прямого напряжения на одном или нескольких светоизлучающих элементах в заранее установленном пределе. Устройство дополнительно содержит устройство регулирования управляющего тока для регулирования управляющего тока, поданного на один или несколько светоизлучающих элементов в течение переходного периода в соответствии с переходным состоянием управляющего тока.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения модуль мониторинга для сбора информации, указывающей первое состояние управляющего тока, является датчиком управляющего тока. Данная конфигурация модуля мониторинга может обеспечивать практически непрерывную индикацию состояния управляющего тока. Например, датчик управляющего тока может быть постоянным резистором, переменным резистором, индуктором, датчиком тока на эффекте Холла или другим элементом, который обладает известной вольт-амперной характеристикой и может обеспечивать измерение тока, проходящего через один или несколько светоизлучающих элементов.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения модуль мониторинга является датчиком прямого напряжения, который используется для оценки прямого напряжения, поданного на один или несколько светоизлучающих элементов, посредством этого предоставляя возможность определения поданного на них первого управляющего тока.

В другом варианте осуществления модуль мониторинга конфигурируется для обнаружения некоторых параметров PWM или PCM или других механизмов, которые указывают мгновенные рабочие условия, а именно состояние управляющего тока. Например, первое состояние управляющего тока может быть определено или выведено из сочетания амплитуды, коэффициента заполнения или плотности импульсов.

Для общей регулировки яркости может быть реализован механизм для формирования постоянной амплитуды PWM и изменяющегося коэффициента заполнения PWM, чтобы предоставить обычно заданный управляющий ток для одного или нескольких светоизлучающих элементов.

Регулирование переходного состояния управляющего тока может быть реализовано с помощью одного механизма или сочетания механизмов. В одном варианте осуществления переходное состояние управляющего тока в начале и в конце импульса PWM может быть сконфигурировано с помощью регулирования амплитуды PWM. В другом варианте осуществления, когда частота PWM достаточно высока, переходное состояние управляющего тока может быть сконфигурировано с помощью постепенно изменяющегося коэффициента заполнения PWM. В другом варианте осуществления настоящего изобретения и в зависимости от необходимого применения соответствующее регулирование амплитуды у переходного состояния управляющего тока может продолжаться более чем в одном рабочем цикле PWM.

Фиг.4 - блок-схема системы 675 освещения, имеющей систему регулирования согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Система 654 регулирования принимает информацию обратной связи от модуля 655 мониторинга, который предоставляет информацию, указывающую первое состояние управляющего тока. На основе первого состояния управляющего тока и заданного второго состояния управляющего тока система 654 регулирования оценивает переходное состояние управляющего тока, чтобы поддерживать скорость изменения прямого напряжения через один или более светоизлучающих элементов 656 в пределах заданного ограничения. Система 654 регулирования предоставляет управляющие сигналы приводу 652, который управляет подачей тока на один или несколько светоизлучающих элементов 656 на основе оцененного переходного состояния управляющего тока. Таким образом, исходя из оценки переходного состояния управляющего тока, привод 652 может обеспечивать регулирование управляющего тока во время переходного периода, чтобы минимизировать изменение напряжения со временем во время переходного периода.

Фиг.5 - блок-схема системы 700 освещения, сконфигурированной вместе с системой регулирования согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, которая может использоваться для устройства задней подсветки в качестве системы регулирования, которая дополнительно чувствительна к сигналу гашения. Система 704 регулирования проводит мониторинг линии 712 сигнала гашения для определения, когда инициировать и регулировать переходное состояние управляющего тока у светоизлучающего элемента посредством подключенного привода 702. Кроме того, система 704 регулирования принимает информацию обратной связи от модуля мониторинга, который предоставляет информацию, указывающую первое состояние управляющего тока. На основе первого состояния управляющего тока и заданного второго состояния управляющего тока система 704 регулирования может оценить переходное состояние управляющего тока, чтобы поддерживать скорость изменения прямого напряжения на одном или нескольких светоизлучающих элементах 706 в пределах заданного ограничения. Один или несколько светоизлучающих элементов 706 подключены к заземлению 708 и через привод 702 к источнику 710 энергии. Таким образом, исходя из оценки заранее установленного переходного состояния управляющего тока, устройство регулирования управляющего тока может обеспечивать регулирование управляющего тока во время переходного периода, чтобы минимизировать изменение напряжения со временем во время переходного периода.

На основе вышеизложенного специалисту в данной области было бы понятно, как изменить блок-схему, которая проиллюстрирована на фиг.4 или 5, чтобы снизить термическое напряжение в светоизлучающих элементах в рабочих условиях.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения можно позволить изменение управляющего тока, поданного на один или нескольких светоизлучающих элементов, с помощью, например, управляемого переменного источника питания, управляемого переменного резистора для регулировки тока постоянного источника тока и/или широтно-импульсной или импульсно-кодовой модуляции иного постоянного управляющего тока, или другого способа, который легко понятен специалисту в данной области техники.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения для цифрового регулирования тока, поданного на один или нескольких светоизлучающих элементов, коэффициент заполнения или плотность импульсов у последовательности импульсов с достаточно высокой частотой могут поддерживаться постоянными, тогда как амплитуда импульса плавно изменяется в соответствующем интервале времени, который может определять переходное состояние управляющего тока, дающее возможность перехода между первым состоянием управляющего тока и вторым состоянием управляющего тока.

Оценка переходного состояния управляющего тока

Переходное состояние управляющего тока адаптивно определяется для переходного периода между первым состоянием управляющего тока и вторым состоянием управляющего тока, в котором переходное состояние управляющего тока определяется для того, чтобы поддерживать скорость изменения прямого напряжения в пределах заданного ограничения во время переходного периода. Предоставление возможности адекватного регулирования изменения в прямом напряжении в течение периода перехода между первым состоянием управляющего тока и вторым состоянием управляющего тока может снизить термическое напряжение, вызванное на светоизлучающих элементах во время переходного периода.

Оценка переходного состояния управляющего тока выполняется путем оценки в начале текущего или первого состояния управляющего тока у одного или нескольких светоизлучающих элементов. Как описано выше, первое состояние управляющего тока может быть непосредственно обнаружено или может быть выведено, например, из сочетаний амплитуды, коэффициента заполнения или плотности импульсов. Впоследствии на основе оцененной информации, относящейся к текущим рабочим характеристикам светоизлучающих элементов, и вместе с информацией, относящейся к характеристикам самого устройства освещения, например схема терморегулирования, тип светоизлучающего элемента и т.п., система регулирования может оценить переходное состояние управляющего тока для периода перехода между первым состоянием управляющего тока и вторым состоянием управляющего тока.

Исходя из оценки переходного состояния управляющего тока, система регулирования предоставит сигналы управляющего тока устройству регулирования управляющего тока, чтобы управляющий ток или рабочий цикл управляющего тока временно регулировался в соответствии с определенным переходным состоянием управляющего тока. Регулировка может быть либо увеличением, либо уменьшением управляющего тока в зависимости от соотношения между первым состоянием управляющего тока и вторым состоянием управляющего тока.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения фиг.6 схематически иллюстрирует пример переходного состояния управляющего тока для необходимого перехода U _f(t) прямого напряжения. Изменение прямого напряжения может иметь, например, сигмовидную временную зависимость, U _f(t)∝(1+exp(-t/α))^-1 или другой в основном плавный переход, который может снизить температурные градиенты внутри светоизлучающего элемента, где параметр α может быть соответствующим образом выбран как положительное число и назван константой скорости перехода.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения переходное состояние U _f(t) управляющего тока может быть определено путем решения уравнения теплообмена для реализации настоящего изобретения. Этапы для оценки и применения необходимого переходного состояния управляющего тока могут определяться в зависимости от того, регулируется ли управляющий ток аналоговым или цифровым способом.

Могут использоваться другие конфигурации переходного состояния управляющего тока, и они могут иметь форму, включающую, например, линейную, параболическую, криволинейную, экспоненциальную или иную форму, которая понятна, если скорость изменения прямого напряжения поддерживается в заранее установленном диапазоне, посредством этого смягчая термическое напряжение в одном или нескольких светоизлучающих элементах.

Аналоговое регулирование тока

Аналоговое регулирование тока относится к регулированию постоянного тока, здесь используется синонимично аналоговому току, через светоизлучающие элементы, независимо от того, выполняется ли регулирование в цифровом или аналоговом виде.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения устройство аналогового регулирования управляющего тока на светоизлучающем элементе может регулировать переходные состояния управляющего тока в соответствии с заранее установленной формой переходного состояния, например линейной, экспоненциальной, сигмовидной или иной формой переходного состояния, которая может снизить термическое напряжение, наведенное управляющим током в одном или нескольких светоизлучающих элементах путем существенной минимизации скорости изменения в приложенном прямом напряжении. Система регулирования для регулирования формы переходного состояния управляющего тока может содержать, например, заранее установленную аппаратную электронную схему возбуждения или программируемую аналоговую схему возбуждения с цифровым регулированием.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения используется аналоговая схема возбуждения с цифровым регулированием. Аналоговая схема возбуждения с цифровым регулированием может обеспечивать большую гибкость и приспособляемость, однако эта конфигурация может быть сложнее и менее экономична.

Фиг.7 иллюстрирует пример временной зависимости аналогового управляющего тока, который обеспечивает практически плавные переходные состояния 70 у управляющего тока между различными непрерывно изменяющимися управляющими токами с высоким и низким уровнем согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Когда управляющий ток регулируется аналоговым способом, устройство и способ согласно настоящему изобретению могут определять переходное состояние управляющего тока на основе текущего, или первого, состояния управляющего тока и заданного, или второго, состояния управляющего тока. В качестве альтернативы, в основном внезапные изменения управляющего тока могут быть растянуты системой регулирования, чтобы ожидаемо следовать плавному переходному состоянию 70 управляющего тока для того, чтобы ограничить температурные градиенты и напряжение внутри одного или нескольких светоизлучающих элементов. Затем регулирующие сигналы управляющего тока формируются и предоставляются устройству регулирования управляющего тока, чтобы оказать воздействие на соответствующее переходное состояние управляющего тока.

Например, когда система регулирования замкнутого цикла, использующая оптические датчики, дополнительно оборудуется датчиками прямого напряжения, то система регулирования может быть сконфигурирована для поддержки заданной яркости светоизлучающего элемента, наряду с ограничением скоростей изменения прямого напряжения. Эта конфигурация может предоставить системе регулирования возможность регулировать один или несколько светоизлучающих элементов, чтобы быстро и устойчиво выполнить рабочие регулировки одного или нескольких светоизлучающих элементов без нежелательных отклонений яркости.

Цифровое регулирование тока

Цифровое регулирование тока относится к регулированию непостоянным током, например пульсирующим током, здесь используется синонимично цифровому току, через светоизлучающие элементы, независимо от того, выполняется ли регулирование в цифровом или аналоговом виде.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения устройство цифрового регулирования управляющего тока на светоизлучающем элементе используется для регулирования переходными состояниями управляющего тока с помощью, например, регулировки коэффициентов заполнения PWM или частоты импульсов PCM у последовательности импульсов PWM или PCM соответственно, чтобы средний ток PWM или PCM следовал определенной форме переходного состояния управляющего тока, например линейной, сигмовидной, экспоненциальной или другой форме переходного состояния, которая может снизить термическое напряжение, наведенное управляющим током в одном или нескольких светоизлучающих элементах. Подразумевается, что система цифрового регулирования управляющего тока может использовать методики цифрового регулирования, отличие от PWM или PCM.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения, когда разрешается регулирование управляющего тока с помощью устройства цифрового регулирования управляющего тока, устройство согласно настоящему изобретению может определять первое состояние управляющего тока, например, с помощью текущего коэффициента заполнения или его [состояния] непосредственного измерения. Система регулирования впоследствии оценивает последовательность переходных состояний управляющего тока для перехода к усредненному по времени управляющему току от текущего коэффициента заполнения, указывающего первое состояние управляющего тока, до заданного коэффициента заполнения, указывающего заданное второе состояние управляющего тока. Затем управляющие сигналы предоставляются устройству регулирования управляющего тока, чтобы соответственно увеличивать или уменьшать рабочий цикл или плотность импульсов в заранее установленном периоде времени.

Например, фиг.8 иллюстрирует последовательность возбуждающих импульсов PWM с увеличивающимся рабочим циклом в интервале 62 времени согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Это может рассматриваться как форма по существу плавного переходного состояния управляющего тока, так как она конфигурируется для существенного избегания внезапных скачков в среднем управляющем токе с помощью плавного перемещения среднего управляющего тока и поэтому избегания внезапных скачков в температурном градиенте и термически вызванном напряжении от одного рабочего цикла к следующему.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения, когда частота импульса достаточно высока, так что температурные градиенты внутри светоизлучающего элемента только незначительно колеблются, будучи при этом повторно активированы и деактивированы посредством импульсов, точные формы поднимающихся и опускающихся изгибов импульсов, как правило, не будут вызывать значительных количеств термически вызванного напряжения.

В одном варианте осуществления поднимающиеся и опускающиеся изгибы импульсов управляющего тока могут быть сконфигурированы для следования переходным состояниям всегда, когда периоды выключения длительны по сравнению с характерной тепловой динамикой светоизлучающего элемента. Сравнительно длительные периоды выключения могут возникать всякий раз, когда частоты импульсов или плотности импульсов в основном низкие. Пример импульсов управляющего тока с плавными переходными состояниями управляющего тока иллюстрируются на фиг.9, которая показывает плавный подъем 72 и спад 74 переходных состояний управляющего тока.

Фиг.10 иллюстрирует блок-схему алгоритма для последовательности 600 регулирования управляющего тока согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Последовательность 600 регулирования управляющего тока регулирует управляющий ток опережающим способом. Отметим, что переходные состояния управляющего тока могут также контролироваться опережающим способом путем использования, например, оптических датчиков и датчиков прямого напряжения. Последовательность инициализируется на этапе 602, где параметр i исходно устанавливается в 1, и сигнал изменения управляющего тока, например сигнал вертикального обратного хода, проходит мониторинг на этапе 604. Текущее значение управляющего тока сравнивается с заданным новым значением управляющего тока на этапе 606. Если значения нового управляющего тока и текущего управляющего тока отличаются, то текущий управляющий ток устанавливается в новое значение управляющего тока на этапе 608 согласно заранее установленному или адаптивному переходному состоянию управляющего тока. Изменение управляющего тока во время переходного периода, а именно переходного состояния управляющего тока, может быть определено на основе заранее установленной линейной или нелинейной временной функции, которая выбирается таким образом, чтобы скорость изменения прямого напряжения оставалась в пределах заданного ограничения во время переходного периода и управляющий ток мог переходить из первого состояния управляющего тока во второе состояние управляющего тока, наряду с существенным снижением термического напряжения, вызванного в одном или нескольких светоизлучающих элементах.

Очевидно, что вышеупомянутые варианты осуществления изобретения являются примерами и могут меняться во многих отношениях. Такие настоящие или будущие изменения не должны рассматриваться как отклонение от сущности и объема изобретения, и все такие модификации, которые были бы очевидны в данной области техники, предназначаются для включения в объем нижеследующей формулы изобретения.

Изобретение предоставляет способ и устройство для регулирования температурного градиента и, следовательно, термического напряжения в светоизлучающих элементах, в которых светоизлучающие элементы подвергаются температурным градиентам, вызванным изменяющимся управляющим током в рабочих условиях. Способ и устройство обеспечивают снижение термического напряжения в светоизлучающем элементе с помощью адаптивного определения переходного состояния управляющего тока для требуемого изменения в управляющем токе из первого состояния управляющего тока в заданное второе состояние управляющего тока, где переходное состояние управляющего тока адаптивно определяется для того, чтобы существенно минимизировать изменение в приложенном напряжении со временем, во время переходного периода. Технический результат - повышение срока службы светоизлучающих элементов. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство для регулирования термического напряжения в одном или нескольких светоизлучающих элементах в течение периода перехода между первым состоянием управляющего тока и заданным вторым состоянием управляющего тока у одного или нескольких светоизлучающих элементов, причем упомянутое устройство содержит:
a) модуль мониторинга, сконфигурированный для оценки первого состояния управляющего тока;
b) систему регулирования, сконфигурированную для определения переходного состояния управляющего тока на основе первого состояния управляющего тока и заданного второго состояния управляющего тока, причем система регулирования дополнительно сконфигурирована для оценки переходного состояния управляющего тока для поддержания скорости изменения прямого напряжения через один или более светоизлучающих элементов в пределах заданного ограничения; и
c) устройство регулирования управляющего тока, регулирующее управляющий ток, поданный на один или более светоизлучающих элементов в течение периода перехода в соответствии с переходным состоянием управляющего тока.

2. Устройство по п.1, в котором устройство регулирования управляющего тока конфигурируется для регулирования управляющего тока с использованием широтно-импульсной модуляции или импульсно-кодовой модуляции либо аналогового регулирования.

3. Устройство по п.1, в котором модуль мониторинга является датчиком управляющего тока.

4. Устройство по п.3, в котором датчик управляющего тока выбирается из группы, содержащей постоянный резистор, переменный резистор, индуктор и датчик тока на эффекте Холла.

5. Устройство по п.1, в котором модуль мониторинга является датчиком прямого напряжения.

6. Устройство по п.1, в котором устройство регулирования управляющего тока конфигурируется для регулирования управляющего тока с использованием широтно-импульсной модуляции или импульсно-кодовой модуляции, и в котором модуль мониторинга конфигурируется для обнаружения параметров широтно-импульсной модуляции или импульсно-кодовой модуляции.

7. Устройство по п.1 для использования в устройстве задней подсветки, в котором система регулирования конфигурируется быть чувствительной к сигналу гашения, в котором регулирование одного или более светоизлучающих элементов осуществляется синхронно с сигналом гашения.

8. Устройство по п.1, в котором переходное состояние управляющего тока имеет форму, выбранную из группы, содержащей линейную, параболическую, криволинейную, экспоненциальную и сигмовидную.

9. Способ для регулирования термического напряжения в одном или более светоизлучающих элементах в течение периода перехода между первым состоянием управляющего тока и заданным вторым состоянием управляющего тока у одного или более светоизлучающих элементов, упомянутый способ содержит этапы:
a) мониторинга первого состояния управляющего тока;
b) определения переходного состояния управляющего тока на основе первого состояния управляющего тока и второго состояния управляющего тока, причем упомянутое переходное состояние управляющего тока определяется в порядке поддержания скорости изменения прямого напряжения через один или более светоизлучающих элементов в пределах заданного ограничения; и
с) регулирования управляющего тока, поданного на один или более светоизлучающих элементов в течение периода перехода, в соответствии с переходным состоянием управляющего тока.

10. Способ по п.9, в котором переходное состояние управляющего тока имеет форму, выбранную из группы, содержащей линейную, параболическую, криволинейную, экспоненциальную и сигмовидную.

11. Способ по п.9, в котором этап мониторинга первого состояния управляющего тока содержит этап, на котором собирают данные об управляющем токе.

12. Способ по п.9, в котором мониторинг первого состояния управляющего тока содержит этап, на котором собирают данные о прямом напряжении.

13. Способ по п.9, в котором регулирование управляющего тока выполняется с использованием широтно-импульсной модуляции или импульсно-кодовой модуляции и в котором мониторинг первого состояния управляющего тока содержит этап, на котором детектируют параметры широтно-импульсной модуляции или импульсно-кодовой модуляции.

14. Способ по п.9, в котором регулирование управляющего тока выполняется с использованием широтно-импульсной модуляции, или импульсно-кодовой модуляции, или аналогового регулирования.