具有诸如光感测的集成感测的照明装置的制作方法

1.本发明涉及包括有诸如光感测功能的感测功能的照明装置。


背景技术：

2.在照明器内集成感测和照明功能——特别是环境光感测——是众所周知。
3.led越来越成为用于家庭和商业照明应用的标准照明解决方案。在典型的led照明器中，led器件安装在所谓的二级板(l2板)上，该二级板作为光源安装在照明器中。驱动器连接到l2板，并将市电电压转换为适当的led电流。
4.在大多数情况下，l2板上的led串联连接在驱动器输出端子之间。传感元件通常是分开连接的，因此需要分开的安装和布线，并且通常需要驱动器的附加接触。对于环境光感测，光传感器设置在照明器中的专用开口处，使得可以接收环境光。环境光感测例如用于根据环境光条件提供自动照明控制。
5.需要一种允许环境光感测的简化布置。


技术实现要素：

6.本发明由权利要求限定。
7.根据本发明的一个方面的示例，提供了一种照明装置，该照明装置包括：
8.照明模块，包括：
9.端子装置，包括用于连接到照明驱动器的第一端子和第二端子；
10.串联在第一端子和第二端子之间的光源装置；以及
11.传感器元件，与该光源装置并联并且串联在该第一端子与第二端子之间；以及
12.测量系统，用于在所述端子装置处测量取决于所述传感器元件的信号。
13.这种照明装置组合了光源装置和诸如光敏部件的传感器元件，用于使用相同的端子装置连接到驱动器。因此，减少了实现感测功能(例如用于自动照明控制的光感测)的额外开销。
14.传感器元件是照明模块的一部分，而测量系统例如是照明模块所连接的驱动器或独立单元的一部分。
15.测量系统例如适于在光源装置被关断时通过传感器元件监测来自光源装置的放电的特性。
16.当接通时，电荷将存储在光源装置中。当关断时，产生光源装置未被照明驱动器供电的短暂时间，该电荷被允许通过传感器元件放电。对于光敏部件，这种放电的特性取决于光水平(即环境光水平，因为光源装置被关断)。这提供了使用用于驱动光源装置的相同端子装置来测量环境光水平的简单方式。
17.于是，测量系统可以包括测量单元和用于将测量单元连接到终端装置的连接开关。
18.测量单元以这种方式仅在需要时被供电。测量单元可以测量第一端子和第二端子
之间的电压，或者它可以测量流动的电流。
19.在一个示例中，测量系统可适于测量随时间变化的放电电压。
20.电容的电压放电函数取决于电容放电所通过的电阻，在这种情况下，该电阻取决于环境光水平。
21.在另一示例中，测量系统适于测量随时间变化的电流。
22.电容的电流放电功能还取决于电容通过其放电的电阻，其在这种情况下可能取决于环境光水平。然而，也可以测量光生电流，而不是利用依赖于光的阻抗变化。
23.该传感器元件可以包括光敏部件，该光敏部件包括：
24.光依赖电阻；或
25.光电晶体管；或
26.在第一端子和第二端子之间具有与光源装置相同极性的光电二极管；或
27.在第一端子和第二端子之间具有与光源装置相反极性的光电二极管。
28.因此，存在用于实现光感测功能的不同选项。在一组示例中，所选组件的阻抗作为入射光的函数而变化，并且这改变了从光源装置释放所存储的能量的方式。在另一组示例中，电流由入射光产生。
29.照明装置还可以包括与传感器元件串联的隔离开关，用于在光源装置接通时断开传感器元件。这减少了光感测功能的能量消耗。
30.隔离开关例如由端子装置的一个或多个电压控制。
31.这避免了对隔离开关的单独控制的需要，特别是因为照明模块仅连接到端子装置的两个端子。
32.所述隔离开关可以包括：
33.诸如mosfet的晶体管；或
34.光耦合开关；或
35.继电器。
36.照明装置还可以包括连接到传感器元件的放大器和调制电路，使得经调制放大的感测信号被提供给端子装置。
37.这种布置实现了更简单的测量功能(在驱动器侧)，因为调制电流可以简单地读取为电流感测电阻器两端的电压。
38.根据第二方面，提供了一种照明装置，包括：
39.照明模块，包括：
40.端子装置，包括用于连接到照明驱动器的第一端子和第二端子；
41.串联在第一端子和第二端子之间的光源装置；以及
42.与所述光源装置并联的传感器电路，所述传感器电路包括传感器元件、放大器和用于将经调制的感测信号施加到所述端子装置的调制电路；以及
43.测量系统，用于在所述端子装置处根据所述经调制的感测信号测量取决于所述传感器元件的信号。
44.这种照明布置再次使得能够使用单对端子读出传感器元件，所述端子是用于连接到驱动器的端子。在这个方面，不需要中断光产生来实现感测功能，尽管当没有光输出时执行感测仍然是一种选择。
45.调制电路可以包括用于将放大的传感器元件信号耦合到端子装置的调制开关和用于控制调制开关的操作定时的定时电路。因此，放大的感测信号，例如放大的电流，可以以脉冲方式提供给端子装置。然后可以提供对流经光源装置的电流的修改，即调制。因此，它提供经调制的负载电流。这可以基于电流感测来检测。例如，驱动器可以使用感测的电流作为用于电流调节的反馈控制信号，然后可以检测电流的调制变化。例如，它们可能导致由恒定电流控制引起的本地振荡器设置的改变。
46.在所有示例中，光源装置可以包括led装置，并且照明驱动器包括led驱动器。
47.在一个示例中，提供了根据前述照明模块中的任一个照明模块的照明模块，并且该照明模块用于前述照明装置中的任一个中。
48.照明模块能够在端子装置上提供传感器信号，该传感器信号可以由连接到相同端子装置的照明驱动器读出。
49.在一个示例中，提供了根据前述测量系统中的任一个测量系统的测量系统，该测量系统用于前述照明装置中的任一个中。
50.led装置可以包括led串和与led串并联的存储电容器装置。存储电容器可以执行电压平滑和存储将通过传感器元件放电的电荷的双重功能。
51.本发明还提供了一个照明系统，包括：
52.照明驱动器；以及
53.如上限定的照明装置，其中所述照明驱动器的输出能够连接到所述端子装置，并且其中所述测量系统是所述照明驱动器的一部分。
54.在某些示例中，照明驱动器包括：
55.第一开关，用于将所述照明驱动器的输出连接到所述端子装置或从所述端子装置断开；以及
56.第二开关，用于将该测量系统连接到该端子装置上或将其断开连接，其中该第一和第二开关是以互补的方式控制的。
57.因此，照明驱动器在光输出模式和光感测模式之间交替。
58.照明驱动器例如适于控制第一和第二开关以提供周期性的光感测周期。光感测例如发生在pwm驱动信号的截止周期期间。
59.参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并且得以阐明。
附图说明
60.为了更好地理解本发明，并且为了更清楚地示出可以如何实现本发明，现在将仅通过示例的方式参考附图，其中：
61.图1示出了照明装置的第一示例，其包括照明模块和包括测量系统的照明驱动器；
62.图2示出了用于实现参考图1解释的方法的模拟电路的示例；
63.图3示出了图2的电路对不同光水平的响应；
64.图4示出了其中隔离开关与光敏部件串联设置的一种变型；
65.图5示出了一种替代的照明模块设计，其中光敏部件包括光电二极管；
66.图6示出了连接到照明驱动器的图5的电路；
67.图7示出了可替换的照明模块设计，其中光敏部件包括不同配置的光电二极管；
68.图8示出了允许移除驱动器侧开关的第一修改；
69.图9示出了允许移除驱动器侧开关的第二修改；以及
70.图10示出了感测设备可以与l2电路板分离。
具体实施方式
71.将参照附图描述本发明。
72.应当理解，该具体实施方式和特定示例虽然指示了装置、系统和方法的示例性实施例，但是仅用于说明的目的，而不旨在限制本发明的范围。本发明的装置、系统和方法的这些和其它特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求和附图中变得更好理解。应当理解，附图仅仅是示意性的并且没有按比例绘制。还应当理解，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。
73.本发明提供一种具有照明模块的照明装置，该照明模块在模块端子之间具有与光源装置并联的传感器元件。提供了一种测量系统，用于在光源装置关断时在模块端子处测量取决于传感器元件的信号。因此，感测被集成到或连接到照明模块，诸如led模块。
74.图1示出了照明装置10的第一示例，其包括照明模块20和包括测量系统32的照明驱动器30。
75.照明模块20包括端子装置，该端子装置包括用于连接到照明驱动器30的第一端子22和第二端子23。
76.光源装置24串联在第一端子22和第二端子23之间，并且传感器元件(优选地为光敏部件26)与光源装置24并联。
77.光源装置被示为led的串联串，但是可以存在led的串联和并联组合，并且实际上本发明更一般地适用于任何类型的光源。
78.光敏部件26例如响应于入射光产生电流，或者具有作为入射光的函数而变化的阻抗。它可以包括光依赖电阻、光电晶体管或光电二极管。因此，存在用于实现光感测功能的不同选项。例如，部件26的阻抗作为入射光的函数而变化，并且这改变了存储的能量从光源装置释放的方式。该存储的能量例如存储在led的被表示为电容器28的自电容中，和/或存储在附加电容器29中。
79.测量系统32用于当光源装置24关断时在第一端子22和第二端子23的端子装置处测量取决于光敏部件26的信号。
80.照明装置因此组合了光源装置24和光敏部件，用于使用相同的端子装置22，23连接到驱动器。因此，减少了实现例如用于自动照明控制的光感测的额外开销。
81.当光源装置24接通时，电荷将存储在与光源装置相关联的所示电容28，29中。当关断时，允许该电荷通过光敏部件26放电。该放电的特性取决于光水平(即环境光水平，因为光源装置被关断)。这提供了使用用于驱动光源装置的相同端子装置来测量环境光水平的简单方式。
82.图1示出了测量系统32的一个示例，其具有串联在照明驱动器30的驱动器电路34的第一输出35和第一端子22之间的第一开关s1。因此，当开关s1断开时，通过照明模块20的电流路径被中断，并且光源装置24被关断。
83.测量系统32的第二开关s2与第一端子22和第二端子23之间的测量单元33串联。
84.第二开关s2是用于将测量单元33连接到端子装置的连接开关。测量单元33因此仅在需要时被供电。测量单元33可以测量第一端子和第二端子之间的电压，或者它可以测量流动的电流。
85.控制器36提供开关s1，s2的控制。
86.照明模块20具有照明模式和感测模式。在照明模式中，开关s1闭合而开关s2断开。照明模块20(其为l2板)连接到在端子35处提供的驱动电压并产生光。此外，电容器28，29被充电。
87.在感测模式中，开关s1断开而开关s2闭合。断开驱动器电压，因此不产生光，而是使用测量系统32来测量照明水平。
88.在第一示例中，光敏部件是光依赖电阻(ldr)，其具有依赖于光水平的电阻。在这种情况下，测量系统可以根据电容器电压的放电曲线进行测量。
89.取决于根据光水平，光依赖元件的电导率改变，这影响放电曲线。ldr例如可以具有从黑暗时的兆欧到照明时千欧的量级变化的电阻。
90.为了最小化由测量操作引起的照明伪像，测量持续时间(当s1断开而s2闭合时)应该尽可能短并且开关频率尽可能高。
91.ldr的响应时间相对较长，例如电阻对于黑暗之后所施加的光的响应，下降时间高达10ms，而电阻对于完全去除光的响应，上升时间高达1秒。
92.因此，当由ldr监视的光水平基本上不受led光影响时，ldr的使用是特别感兴趣的。这例如将在(led光的)反射表面较远并且日光水平较高时应用。然后ldr和led输出的光学安装被布置为使得没有led的直射光或杂散光到达ldr。当ldr不暴露于led光时，恢复时间不是问题，并且ldr暴露于主要恒定的环境光水平。该环境光水平可以由日光或附近的其它人造光源的光支配。
93.图2示出了用于实现参考图1解释的方法的模拟电路的示例。
94.电容28、29由单个电容器c1表示。光敏部件26由固定电阻r5和可变电阻r1表示。第一开关si由两个晶体管实施；mosfet m2(开关s1a)和bjt q1(开关s1b)。
95.对于该模拟，如由测量单元33表示的那样连续地监视电压vled。因此，电压监控在开关m2的led侧，使得电源电流被去除并且电容器c1处的电压自由衰减。
96.开关s1b的控制是通过向bjt q1施加脉冲波形的电压源v2而进行的。驱动电路34由电压源v1表示。
97.当q1导通时，m2的基极电压被下拉，使得m2(在该电路中是p型器件)导通。因此，q1和m2实现开关s1。
98.举例来说，v1＝20v，并且v2具有占空比为90％的1khz频率。因此，对于90％的时间，v2为高，q1导通并且m2导通。m2的栅极电压在此时间期间被电阻器分压器拉低，因此m2的栅极－源极电压高于阈值电平且m2导通。
99.当v2为低时，q1断开，且m2的栅极电压等于源极连接的电压电平，因此m2断开。
100.图3示出了电路对不同光水平的响应。
101.曲线40是电容器c1两端的电压，即由测量单元33测量的vled，曲线42是开关电压v2，其中对于高电压，s1a导通并且s1b导通，并且对于低电压，s1a断开，s1b断开。
102.区域44示出了在黑暗44a(高电阻，因此大时间常数)和最大亮度44b(低电阻，因此小时间常数和快速电压衰减)之间的可能的电压衰减函数的范围。在区域44期间，光源装置24被关断，这意味着光源装置24不产生光。例如，可以在该区域中关断光源，因为电容器c1两端的电压下降到阈值以下，这导致电压太低而不能关断光源装置24。这例如是当光源装置是led模块时的情况。
103.沿x轴的每个时间分割是0.1ms。因此，存在用于驱动led的初始0.4ms，并且接下来的0.1ms是取决于光水平的放电曲线。
104.因此，通过随时间测量(vled的)放电电压，光水平得以测量。
105.图4示出了一种变型，其中隔离开关s3与光敏部件26串联设置，用于在光源装置导通时断开光敏部件。这减少了光感测功能的能量消耗。
106.隔离开关s3例如由控制器50控制。然而，该控制器可以处理端子装置22，23的一个或多个电压，从而不需要到驱动器的附加连接。
107.图5示出了可替换的照明模块设计，其中光敏部件包括光电二极管26'。其具有与第一端子和第二端子22，23之间的led相同的极性，使得光电二极管26'的阴极连接到led串的阴极，并且光电二极管的阳极连接到led串的阳极(通过开关s3)。
108.可以设计光电二极管的响应时间(上升时间和下降时间)而没有上面结合ldr所讨论的时滞问题。几百纳秒的上升时间和下降时间是可能的。因此，即使在led照明期间暴露于led光时，它们也可用于环境光感测。
109.在光电二极管的光电模式中，光电流通过到阴极的短路电路流出阳极(即，在相反方向上)。可以测量该电流以获得关于光水平的信息。如果电路被断开或具有负载阻抗，这限制光电流离开器件，则在正向偏置二极管的方向上建立电压，使得阳极相对于阴极为正。因此，电压测量也可用作光水平的指示。
110.在光电模式中，可以施加固定的反向偏置电压并且可以测量电流，或者可以形成开路并且可以测量光电二极管电压。光电二极管可以几乎短路(即，在阳极和阴极之间具有低电阻耦合)，并且可以监测电流。
111.在光电导模式中，光电二极管被反向偏置(阴极相对于阳极被驱动为正)。这给出比光电模式更快的响应，但是测量到更多的噪声。
112.为了在光电导模式中使用光电二极管，在读出期间施加反向偏置电压。如果建立了合理的读取电流，则电压显示出与光通量的线性关系。然而，在读出期间施加的电压电平被选择为远低于并联保护二极管60的正向电压。
113.可以施加固定的反向偏置电压并测量电流，或者可以驱动固定的电流通过光电二极管并测量电压。
114.施加电压和测量电流是最直接的方法，因为电流在所谓的光电二极管模式(具有反向偏置)中是高度依赖光的。然而，向光电二极管施加限定的电压可能是不切实际的，因此优选的选择是向光电二极管和串联电阻器的组合施加固定电压，并监测电阻器上的电压降。这直接取决于由于光子撞击光电二极管而流动的电流。
115.在该示例中需要开关s3，因为在正常的led驱动电压下，光电二极管26'即使在黑暗条件下也将导通。此外，led串的正向电压比光电二极管26'的正向电压高得多，使得所有驱动电流将循环通过光电二极管，并且没有电流将到达led。
116.开关s3自动断开。例如，开关s3适于在正施加电压时断开，而在负施加电压时导通。开关s3可以是诸如mosfet的晶体管，或者光耦合开关，或者可以使用继电器。
117.开关优选地设计成使得用于开关s3的控制电流仅在led驱动信号的正极性期间流动，因为该电流由驱动器提供，否则将使光电二极管电流失真。
118.对于此实例，驱动器允许输出处的电压反转以启用感测模式和照明模式的实施。可以使用串联电阻来确保存在合理的读取电流。
119.图6示出了连接到照明驱动器30的图5的电路。通过专用电流吸收器70(例如负载阻抗或跨阻放大器)产生读取电流，仅在led驱动电流被第一开关s1中断时连接该电流吸收器70。两个开关s1，s2的控制信号由驱动器定时电路产生。当开关s2和s3闭合并且产生由控制器34读取的电压时，来自光电二极管的光致电流流过电流吸收器70。
120.参考图6，光电流读数是利用负电流i_ph获得的，并且led驱动是利用正电流iled。
121.读取周期可以与pwm调光信号同步。因此，开关s1可以用作pwm调光开关。
122.图6还示出了光敏部件和led串24之间的可选串联二极管72。由于读取电压远低于led正向电压，因此在读取周期期间不需要绝对隔离led。然而，为了防止在读取周期期间通过led驱动器电子器件和任何照明板保护部件(如电容器)的任何泄漏电流，可以使用一个或多个串联二极管。这保证了没有独立于光通量的电流流动。
123.在图6的电路中，被监视的光电流具有与驱动电流相反的极性。图7示出了其中读取电流具有与驱动电流相同的极性的示例。这可能是有益的，因为驱动器不需要适应负电流插入。
124.在图7中，光敏部件包括光电二极管26"，其具有与第一端子和第二端子之间的led相反的极性，使得光电二极管的阴极连接到led串的阳极(通过二极管72)，并且光电二极管的阳极连接到led串的阴极(通过开关s3)。
125.在这种情况下，电流测量可以在降低的驱动电压下实现。将电压调节到低于例如2v，其中通过led串的电流将为零。该低电压条件是使串联开关s3被激活以将光电二极管26"反向并联连接到led串的触发。正光电二极管电流i_ph流动。在黑暗状况下，光电二极管不会传导任何电流。
126.可选的隔离二极管72再次确保保护装置(例如图5中的保护二极管60)的电容不会减慢电压斜坡以加速读取过程。
127.在该示例中，电流流向电流吸收器80(也是负载阻抗或跨阻放大器)，电流吸收器80仅在led驱动电流被开关s1中断时再次连接。当开关s2和s3闭合并且产生由控制器34读取的电压时，来自光电二极管的光致电流流过电流吸收器80。用于两个开关s1，s2的控制信号可以再次由驱动器定时电路产生，并且可以例如用作用于led调光的pwm开关。
128.以上示例需要照明驱动器中的附加硬件，例如开关s2。
129.例如，如果负载或跨阻放大器70，80能够承受led模块的驱动电压，则可以省略开关s2。读取电流比led驱动电流小得多，并且当其另外流动时不会引起任何问题。
130.图8示出了允许移除开关s2的替代方法。
131.图8示出了本地振荡器90，用于产生控制开关s3的信号，从而用来自传感器元件的电流调制驱动器输出电流。振荡器用于以特定频率驱动调制器开关s3。这简化了驱动器电路34中的解调过程，因为光电流被观察为相对于稳态led电流的变化。具有使调制信号通过
的截止频率的高通滤波器可用于此目的。
132.放大器92放大由光电二极管26'传递到其的光电流，使得其大到足以使用感测电阻器94来检测。在驱动器电路34中检测感测电压并将其转换为等效的lux(勒克斯)水平。
133.在照明模式期间，开关s3在振荡器90的控制下是隔离的。为了感测，开关s3闭合。根据本发明的一个方面，当开关s3闭合时，led在感测时间期间被关断。
134.因为此时的(以振荡器90定时的)驱动电压低于组合的led阈值电压，所以在该时间期间led可以关断。当驱动电压以这种方式(因此它们是关断的)低于led的稳定电压(burning voltage)时，在所测量的电流中将存在较少的噪声，并且可以更容易地测量所感测的信号。在这种情况下，所测量的电流仅来自感测元件。
135.根据另一方面，可以在光源装置发射输出光的同时测量电流。为此，放大器用于使光电流的影响大到足以在总负载电流中被检测。然后驱动器可以监视其电流(这是led驱动器的常见功能)，并且驱动器中的本地振荡器的频率变化是由于放大的光电流引起的。
136.因此，当使用图8的电路时，可以在led的导通或截止周期期间读取电流波动。因此，l2板可以在经由光电二极管感测入射照明水平的同时保持产生光。这不同于参考利用了光产生的临时中断的图1到图7所描述的方法。
137.开关s3用于使用放大的光电流来调制led电流。
138.该方面还可以利用其他传感器元件，而不仅仅是图8所示的光电二极管。其它传感器元件可以例如响应射频信号rf，其例如由微波或雷达信号产生。
139.图9示出了第一开关s1与读出电阻器96并联的示例。通过断开第一开关s1来激活感测模式。led驱动电压与电阻器96一起形成电流源。
140.当开关s1断开时，使用减小的驱动电压将电流递送到光电二极管。驱动电压不足以接通led串，并且该降低的电压还导致开关s3的关断。在端子98处测量电阻器96两端的电压降，并且这指示光电二极管电流。当有未知的串联电阻(如连接l2板所引起)时测量电压。因此，基于在端子98处监测的电阻器96两端的相关电压降，以此方式监测电流是优选的。
141.图10示出了感测设备100可以与l2电路板102分离，并且可以用菊花链连接连接在l2电路板102和照明驱动器之间。然而，l2电路板102和感测设备100可以一起被认为包括照明模块。
142.感测设备可以替代地与贪心包(piggy pack)中的l2电路板并联连接。
143.照明模块可以包括诸如温度传感器的附加传感器。
144.上述方法可用于高压和低电压驱动器。
145.从上面的示例可以清楚地看出，光敏部件可以安装在l2电路板上或单独的pcb上，该单独的pcb通过导线连接到l2板或位于驱动器中。
146.上述示例基于光感测。然而，该装置可以应用于其它传感器元件(例如温度，湿度，占用检测等)。通过用光源装置的关断周期对传感器读出定时，降低了从驱动信号到光源装置的干扰。
147.通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
148.在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不表示不能有利地使
用这些措施的组合。
149.如果在权利要求或说明书中使用术语“适于”，则应注意，术语“适于”旨在等同于术语“被配置成”。
150.权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。