DE102009031403A1 - Light-emitting element for use in lamp, has sensors and controller formed as optical window and arranged on semiconductor substrate, and interface provided for adjustment of light intensity and/or chromaticity coordinates - Google Patents

Light-emitting element for use in lamp, has sensors and controller formed as optical window and arranged on semiconductor substrate, and interface provided for adjustment of light intensity and/or chromaticity coordinates Download PDF

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Abstract

The element has sensors provided for signal analysis of green LEDs (101-104), red LEDs (108, 109) and blue LEDs (110, 111). A controller controls one of the LEDs based on the signal analysis. The sensors and the controller are formed as an optical window (107) and arranged on a semiconductor substrate i.e. application-specific integrated circuit (ASIC) (105). An interface (112) is provided for adjustment of light intensity and/or chromaticity coordinates. The LEDs are arranged in separate LED-strands. An independent claim is also included for a method for operating a light-emitting element.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leuchtelement, eine Leuchte sowie ein Verfahren zum Betrieb des Leuchtelements.The The invention relates to a luminous element, a luminaire and a method for operation of the luminous element.

Abhängig von der Temperatur, der Alterung sowie abhängig von dem Herstellungsprozess können sich ein emittiertes Spektrum sowie eine abgegebene optische Leistung von Halbleiterleuchtelementen (auch bezeichnet als Leuchtdioden oder LEDs) verändern.Depending on the temperature, aging and depending on the manufacturing process can an emitted spectrum as well as an emitted optical power of semiconductor light-emitting elements (also referred to as light-emitting diodes or LEDs).

Werden mehrere LEDs in Form von Clustern gleicher oder unterschiedlicher Farbe(n) für Allgemein-, Spezial-, oder Effektbeleuchtung eingesetzt, ergeben sich unerwünschte Farbortverschiebungen bzw. Helligkeitsveränderungen.Become several LEDs in the form of clusters of the same or different Color (s) for General, special, or effect lighting used result unwanted Farbortverschiebungen or brightness changes.

Bei mehreren Cluster ergibt sich eine wahrnehmbare Inhomogenität, da das menschliche Auge unmittelbar einen Vergleich zwischen den emittierten Spektren nebeneinanderliegender Cluster herstellt und so eine verhältnismäßig geringe relative Veränderung des Farborts bzw. der Helligkeit umso mehr auffällt.at Several clusters result in a noticeable inhomogeneity, as the human eye directly makes a comparison between the emitted spectra juxtaposed cluster and so a relatively small relative change the color location or the brightness is more noticeable.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Möglichkeit zu schaffen, Schwankungen der Eigenschaften von emittierenden Halbleiterleuchtelementen weitgehend auszugleichen.The The object of the invention is the disadvantages mentioned above and in particular an efficient way to create fluctuations the properties of emitting semiconductor light elements largely compensate.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.These Task is performed according to the characteristics of independent claims solved. Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Leuchtelement vorgeschlagen

  • – mit mindestens einer Leuchtdiode;
  • – mit einer Sensorik zur Signalauswertung der mindestens einen Leuchtdiode;
  • – mit einer Steuerung, die abhängig von der Signalauswertung die mindestens eine Leuchtdiode ansteuert,
  • – wobei die Sensorik und die Steuerung als ein Bauelement ausgeführt sind.
To solve the problem, a luminous element is proposed
  • - With at least one light emitting diode;
  • - With a sensor for signal evaluation of the at least one light emitting diode;
  • With a control which, depending on the signal evaluation, drives the at least one light-emitting diode,
  • - Wherein the sensor and the controller are designed as a component.

Hierbei sei angemerkt, dass die Sensorik eine elektrische und/oder optische Signalauswertung der mindestens einen Leuchtdiode ermöglicht.in this connection It should be noted that the sensor system is an electrical and / or optical Signal evaluation of at least one light emitting diode allows.

Das vorstehend genannte Leuchtelement wird auch als Cluster bezeichnet.The The aforementioned luminous element is also referred to as a cluster.

Insbesondere kann die Steuerung eine Regelung sein oder umfassen.Especially For example, the controller may be or include a controller.

Die Leuchtdiode umfasst insbesondere ein Halbleiterleuchtelement mit oder ohne Gehäuse.The Light-emitting diode comprises in particular a semiconductor element with light or without housing.

Eine Weiterbildung ist es, dass die Sensorik und die Steuerung auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere einem ASIC, angeordnet sind.A Continuing education is that the sensors and the control on one Semiconductor substrate, in particular an ASIC, are arranged.

Eine andere Weiterbildung ist es, dass das Leuchtelement mehrere Leuchtdioden umfasst, die beispielsweise um das Bauelement herum, insbesondere im wesentlichen kreisförmig oder radial um das Bauelement angeordnet sind.A Another development is that the luminous element has a plurality of light-emitting diodes includes, for example, around the device around, in particular essentially circular or are arranged radially around the component.

Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass eine Optik vorgesehen ist, die zumindest einen z. B. vorgegebenen oder definierten Teil des von der mindestens einen Leuchtdiode emittierten Lichts auf die Sensorik reflektiert.Especially It is a development that provides an optic that at least a z. B. predetermined or defined part of the at least a light emitted light on the sensors reflected.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass das Bauelement und die mindestens eine Leuchtdiode auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind.Also It is a training that the component and the at least a light-emitting diode are arranged on a common carrier.

Ferner ist es eine Weiterbildung, dass das Leuchtelement Schnittstelle aufweist zur Einstellung einer Helligkeit und/oder eine Farborts.Further It is a training that the lighting element interface for adjusting a brightness and / or a color locus.

Bei der Schnittstelle kann es sich beispielsweise um eine analoge oder um eine digitale Schnittstelle, insbesondere um eine serielle oder um eine parallele Schnittstelle handeln.at the interface can be, for example, an analog or to a digital interface, in particular to a serial or to act as a parallel interface.

Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist die Steuerung derart eingerichtet, dass eine Helligkeit und/oder ein Farbort des Leuchtelements weitgehend über sich ändernde Umgebungsbedingungen, insbesondere Temperatur und/oder Umgebungshelligkeit, konstant gehalten werden.in the Framework of an additional Further development, the controller is set up so that a brightness and / or a color location of the luminous element largely changing over Ambient conditions, in particular temperature and / or ambient brightness, kept constant.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass das Leuchtelement eine Vielzahl von Leuchtdioden aufweist, die in separaten Leuchtdioden-Strängen angeordnet sind, wobei jeder Leuchtdioden-Strang mindestens eine Leuchtdiode aufweist, wobei in einem Zeitmultiplex-Verfahren das pro Leuchtdioden-Strang emittierte Licht ermittelbar ist.A next Further development is that the lighting element a variety of light-emitting diodes arranged in separate light-emitting diode strands are, each LED strand at least one light emitting diode having, in a time-division multiplexing method per light-emitting diode strand emitted light can be determined.

Insbesondere kann im Zeitmultiplex-Verfahren jeder Leuchtdioden-Strang separat angesteuert werden, so dass für die Zeitdauer der Ansteuerung das von dem betroffenen Leuchtdioden-Strang emittierte Licht ermittelbar ist. Abhängig davon kann eine kontinuierliche oder zeitdiskrete Einstellung (Steuerung bzw. Regelung) des emittierten Lichts pro Leuchtdioden-Strang anhand eines Vergleichs mit einer Sollvorgabe für beispielsweise Farbort und/oder Helligkeit erfolgen.Especially can in the time-division multiplexing process each light-emitting diode strand separately be controlled, so for the duration of the control that of the affected light-emitting diode strand emitted light can be determined. Depending on that, a continuous or discrete-time setting (control or regulation) of the emitted Light per light-emitting diode strand based on a comparison with a Target for for example, color location and / or brightness.

Eine Ausgestaltung ist es, dass abhängig von dem im Zeitmultiplex-Verfahren ermittelten Licht pro Leuchtdioden-Strang jeder Leuchtdioden-Strang entsprechend einer Vorgabe einstellbar ist.One embodiment is that, depending on the light detected in the time-division multiplex method each light-emitting diode strand each LED string is adjustable according to a specification.

Insbesondere kann die Ansteuerung der Leuchtdioden-Stränge derart vorgenommen werden, dass ein Soll-Farbort, durch die Verhältnisse der effektiven Bestromung der einzelnen Kanäle, eingestellt werden kann.Especially the control of the light-emitting diode strands can be made such that a desired color location, by the conditions the effective energization of each channel, can be adjusted.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass eine Integration eines Photostroms während einer aktiven Leuchtphase und während einer inaktiven Leuchtphase der mindestens einen Leuchtdiode (bzw. des mindestens einen Leuchtdioden-Strangs) durchführbar ist und anhand der Differenz der integrierten Photoströme eine Helligkeit der mindestens einen Leuchtdiode (bzw. des mindestens einen Leuchtdioden-Strangs) bestimmbar ist.A alternative embodiment is that integration of a photocurrent during a active light phase and during an inactive lighting phase of the at least one light emitting diode (or the at least one light-emitting diode strand) can be carried out and by the difference of the integrated photocurrents one Brightness of the at least one light-emitting diode (or the at least one Light-emitting diode string) can be determined.

Durch diese zweimalige Integration kann ein Umgebungslicht zumindest teilweise kompensiert werden.By This two-time integration can be an ambient light at least partially be compensated.

Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Sensorik zur Temperaturmessung eingerichtet ist, insbesondere mittels einer Vorwärtsspannung eines pn-Übergangs (z. B. mittels dedizierter Dioden in der Sensorik und/oder der Steuerung oder mittels des Übergangs des emittieren Halbleiters) in Durchlassrichtung.A next Embodiment is that the sensors set up for temperature measurement is, in particular by means of a forward voltage of a pn junction (eg by means of dedicated diodes in the sensor system and / or the controller or by means of the transition of the emitted semiconductor) in the forward direction.

Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Sensorik zur Helligkeitsmessung eingerichtet ist, insbesondere mittels einer Photoempfindlichkeit eines Sperrstroms eines pn-Übergangs.Also It is an embodiment that the sensors for brightness measurement is set up, in particular by means of a photosensitivity a reverse current of a pn junction.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass das Leuchtelement mindestens ein Mittel zur optischen Entkopplung von anderen Lichtquellen aufweist.A Further development is that the luminous element at least one Having means for optical decoupling of other light sources.

Beispielsweise kann als Mittel zur optischen Entkopplung mindestens eine Trennwand zu mindestens einem anderen Leuchtelement vorgesehen sein.For example can as a means of optical decoupling at least one partition be provided to at least one other light emitting element.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Leuchte oder ein Leuchtsystem umfassend mindestens ein Leuchtelement wie hierin beschrieben.The The above object is also achieved by a lamp or a lighting system comprising at least one luminous element as described herein.

Insbesondere kann die Leuchte eine Vielzahl von – auch unterschiedlichen – Leuchtelementen umfassen.Especially the lamp can a variety of - even different - lighting elements include.

Die vorstehende Aufgabe wird auch gelöst anhand eines Verfahrens zum Betreiben des Leuchtelements wie hierin beschrieben.The The above object is also achieved by a method for operating the light emitting element as described herein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.embodiments The invention are illustrated below with reference to the drawings and explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 einen beispielhaften Aufbau eines Clusters mit Leuchtdioden sowie einer integrierten Elektronik und einer integrierten Sensorik in einer Draufsicht; 1 an exemplary construction of a cluster with LEDs and an integrated electronics and integrated sensors in a plan view;

2 entsprechend einen Querschnitt durch den Aufbau gemäß 1; 2 according to a cross section through the structure according to 1 ;

3 ein Blockschaltbild mit einer integrierten Elektronik und einer integrierten Sensorik; 3 a block diagram with integrated electronics and integrated sensors;

4 eine mögliche Ansteuerung zweier Leuchtdioden-Stränge über die Zeit umfassend eine optische Vermessung des jeweiligen Leuchtdioden-Strangs im Zeitmultiplex-Verfahren; 4 a possible control of two light-emitting diode strands over time comprising an optical measurement of the respective light-emitting diode string in the time-division multiplex method;

5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Kompensation des Umgebungslichts mittels doppelter Integration während der Helligkeitsmessung eines Leuchtdioden-Strangs; 5 a diagram illustrating the compensation of the ambient light by means of double integration during the brightness measurement of a light-emitting diode strand;

6 einen beispielhaften Aufbau einer Leuchte bzw. einer Lichtquelle umfassend mehrere Cluster, wobei jedes Cluster autark einen weitgehend konstanten Farbort bzw. eine weitgehend konstante Helligkeit sicherstellt. 6 an exemplary construction of a light or a light source comprising a plurality of clusters, each cluster autonomously ensuring a largely constant color location or a largely constant brightness.

Die hierin gemachten Ausführungen beziehen sich beispielhaft auf ein Cluster umfassend eine Mehrzahl von Leuchtdioden. Das Cluster kann auch als Modul oder Leuchtelement bezeichnet werden.The remarks made herein refer by way of example to a cluster comprising a plurality of light emitting diodes. The cluster can also be used as a module or lighting element be designated.

Der hier vorgestellte Ansatz erlaubt eine Integration einer Elektronik sowie einer Sensorik auf einem Halbleitersubstrat, das zusammen mit Leuchtdioden auf einem gemeinsamen Träger (z. B. FR4, AlNi) angeordnet und mit diesen verdrahtet ist.Of the The approach presented here allows integration of electronics and a sensor on a semiconductor substrate that together arranged with light-emitting diodes on a common carrier (eg FR4, AlNi) and wired with these.

Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass ein Cluster aus den Komponenten Elektronik, Sensorik sowie den Leuchtdioden platzsparend aufgebaut werden kann. Somit können nach kurzer Entwicklungszeit neue Leuchten entstehen, die mehrere Cluster umfassen, wobei eine Helligkeit und ein Farbort für jedes einzelne Cluster unabhängig (von anderen Clustern) regelbar ist. Dies bedeutet, dass sich ein Cluster mit der integrierten Elektronik und Sensorik wie mindestens eine Leuchtdiode mit konstanten Farbort bzw. Spektrum und weitgehend konstanter Helligkeit verhält.A Such an arrangement has the advantage that a cluster of the components Electronics, sensors and light emitting diodes designed to save space can be. Thus, you can after a short development period, new luminaires emerge that contain several clusters comprising one brightness and one color location for each individual clusters independent (from other clusters) is controllable. This means that is a Cluster with the integrated electronics and sensors as at least a light-emitting diode with a constant color locus or spectrum and largely constant brightness behaves.

Ein anderer Vorteil besteht darin, dass ein kostenintensiver Aufbau der diskreten Elektronik auf unterschiedlichen Trägermaterialien sowie deren komplexe Anbindung oder Kontaktierung entfallen kann, da vorzugsweise die Sensorik in die Elektronik integriert ist und die gesamte Elektronik mit Sensorik als ein gemeinsames Bauteil herstellbar ist bzw. zusammengesetzt werden kann.Another advantage is that a costly construction of discrete electronics on different substrates and their complex connection or contact can be omitted, since preferably the sensor is integrated into the electronics and the entire electronics with sensors as a common component to produce or to can be composed.

Weiterhin ist es möglich, durch die vorhandene Sensorik eine indirekte Regelung eines Querstroms anhand der Helligkeit des Clusters zu realisieren. Damit kann ein Wirkungsgrad des Clusters erheblich gesteigert werden, da keine Messwiderstände im Hochstromzweig der Leuchtdiode benötigt werden.Farther Is it possible, by the existing sensors an indirect control of a cross-flow based on the brightness of the cluster. This can be a Efficiency of the cluster can be increased considerably, since no Sense resistors in the high current branch of the LED are needed.

Somit umfasst der hier vorgestellte Ansatz insbesondere die folgenden Vorteile:

  • – Es ergibt sich eine erhebliche Kostenreduktion durch die Integration der Sensorik (z. B. Temperatur- und Helligkeitssensoren) und der Elektronik in ein Halbleitersubstrat.
  • – Erhebliche Vereinfachung der Aufbaus des Clusters: Die Elektronik kann mit identischen Werkzeugen bestückt werden wie die Leuchtdioden (Wafer Level Packaging).
  • – Mittels eines digitalen Interfaces kann eine Ansteuerung des Clusters (insbesondere mehrerer Cluster) und somit der mindestens einen Leuchtdiode auf dem jeweiligen Cluster deutlich vereinfacht werden.
  • – Aufgrund des flexiblen Modulkonzepts (Cluster mit mindestens einer Leuchtdiode, der Elektronik und der Sensorik) ergibt sich eine kompakte (reduzierte) Abmessung für die Elektronik. Neue Leuchten oder Lichtquellen können durch beliebige Kombinationen von Clustern einfach und schnell zusammengestellt werden.
  • – Anhand der indirekten Messung des Querstroms über die detektierte Helligkeit kann der Wirkungsgrad deutlich erhöht werden (es sind keine Elemente außer einem Leistungstransistor und mindestens einer Leuchtdiode in dem aktiven Zweig nötig).
Thus, the approach presented here includes in particular the following advantages:
  • There is a considerable cost reduction due to the integration of the sensors (eg temperature and brightness sensors) and the electronics into a semiconductor substrate.
  • - Substantial simplification of the structure of the cluster: The electronics can be equipped with identical tools as the light-emitting diodes (wafer level packaging).
  • A control of the cluster (in particular several clusters) and thus of the at least one light-emitting diode on the respective cluster can be significantly simplified by means of a digital interface.
  • - Due to the flexible module concept (cluster with at least one light-emitting diode, the electronics and the sensors) results in a compact (reduced) dimension for the electronics. New lights or light sources can be easily and quickly assembled by any combination of clusters.
  • - The indirect measurement of the cross current over the detected brightness, the efficiency can be significantly increased (there are no elements except a power transistor and at least one light emitting diode in the active branch necessary).

Aufbau des Clusters:Structure of the cluster:

Nachfolgend wird ein beispielhafter Aufbau eines Clusters beschrieben. Das Cluster kann auch als ein Modul bezeichnet werden. Eine Leuchte oder ein Leuchtsystem kann mindestens ein Cluster, insbesondere eine Vielzahl von Clustern aufweisen. Jedes Cluster umfasst mindestens eine Leuchtdiode, insbesondere eine Vielzahl von Leuchtdioden. Dabei können die einzelnen Leuchtdioden unterschiedliche Farben und/oder Helligkeiten aufweisen. Insbesondere können in einem Leuchtsystem Cluster mit unterschiedlichen Farben und/oder Helligkeiten kombiniert werden.following An example structure of a cluster will be described. The cluster can also be referred to as a module. A light or a Illumination system can be at least one cluster, especially a variety of clusters. Each cluster comprises at least one light-emitting diode, in particular a variety of light emitting diodes. In this case, the individual light-emitting diodes have different colors and / or brightnesses. Especially can in a lighting system clusters with different colors and / or Brightnesses are combined.

1 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Clusters mit Leuchtdioden sowie einer integrierten Elektronik und einer integrierten Sensorik in einer Draufsicht. 2 zeigt entsprechend einen Querschnitt durch den Aufbau gemäß 1. 1 shows an exemplary structure of a cluster with LEDs and an integrated electronics and integrated sensors in a plan view. 2 shows according to a cross section through the structure according to 1 ,

Auf einem gemeinsamen Substrat 106 (z. B. AlNi) ist ein ASIC 105 vorgesehen, umfassend die Elektronik sowie die Sensorik, wobei die Sensorik ein optisches Fenster 107 umfasst. Die Sensorik ist vorzugsweise in etwa in der Mitte des Clusters angeordnet.On a common substrate 106 (eg AlNi) is an ASIC 105 provided, comprising the electronics and the sensor system, wherein the sensor system is an optical window 107 includes. The sensor is preferably arranged approximately in the middle of the cluster.

Grüne Leuchtdioden 101, 102, 103 und 104, rote Leuchtdioden 108, 109 und blaue Leuchtdioden 110, 111 sind um den ASIC 105 herum angeordnet und jeweils mit diesem über Bonddrähte verbunden.Green LEDs 101 . 102 . 103 and 104 , red LEDs 108 . 109 and blue LEDs 110 . 111 are around the ASIC 105 arranged around and each connected to this via bonding wires.

Weiterhin ist der ASIC über ein serielles Interface 112 mit einer zentralen Einheit (nicht dargestellt) verbunden. Auch weist der ASIC 105 eine Verbindung 113 zu Masse und eine Verbindung 114 zu einer Versorgungsspannung auf.Furthermore, the ASIC is via a serial interface 112 connected to a central unit (not shown). Also, the ASIC rejects 105 a connection 113 to earth and a connection 114 to a supply voltage.

Die einzelnen Leuchtdioden sind beispielsweise auf dem gemeinsamen Substrat 106 aufgebracht und mit Leiterbahnen des gemeinsamen Substrats 106 über Bonddrähte elektrisch verbunden.The individual LEDs are, for example, on the common substrate 106 applied and with tracks of the common substrate 106 electrically connected via bonding wires.

Die Anzahl der für ein Cluster verwendeten Leuchtdioden als auch deren Farben hängen von der Art der Anwendung ab. Für Allgemeinbeleuchtung könnte ein Cluster aus weißen und roten LEDs verwendet werde, für Effekt- oder Spezialbeleuchtung können beispielsweise rote, grüne und blaue LEDs eingesetzt werden.The Number of for a cluster of light emitting diodes used as well as their colors depend on the type of application. For General lighting could a cluster of white and red LEDs, for example, for effect or special lighting red, green and blue LEDs are used.

Wie in 1 und 2 gezeigt, erfolgt die elektrische Verbindung der einzelnen LED-Stränge mit der Regelung/Steuerung auf dem gemeinsamen Substrat. Lediglich die Verbindungen 113, 114 für die Versorgungsspannung und die Masseverbindung als auch die Leitungen 112 für die serielle Steuerung des Clusters werden von dem Substrat weggeführt.As in 1 and 2 shown, the electrical connection of the individual LED strands with the control / control on the common substrate. Only the connections 113 . 114 for the supply voltage and the ground connection as well as the lines 112 for the serial control of the cluster are led away from the substrate.

Da als Leuchtdioden LED-Chips ohne Gehäuse, also bloße Halbleiterleuchtelemente (auch ”bare die” genannt), assembliert werden können, ist es auch möglich, die Elektronik und/oder die Sensorik in Form bloßer Halbleiterbauelemente zu assemblieren.There as light-emitting diode LED chips without housing, so bare semiconductor light elements (also "bare called the "), can be assembled it is also possible the electronics and / or the sensor in the form of bare semiconductor devices assemble.

Elektronik/Sensorik:Electronics / Sensors:

Hierbei sei angemerkt, dass die Elektronik insbesondere eine Möglichkeit zur Steuerung und/oder Regelung der mindestens einen Leuchtdiode des Clusters umfasst.in this connection It should be noted that the electronics in particular a possibility for controlling and / or regulating the at least one light-emitting diode of the cluster.

3 zeigt ein Blockschaltbild mit einer integrierten Elektronik und einer integrierten Sensorik. 3 shows a block diagram with integrated electronics and integrated sensors.

Eine Photodiode 301 liefert z. B. eine Farbortinformation und/oder ein Helligkeitssignal an ein Color-Management 304. Ein Temperatursensor 303 liefert eine Temperaturinformation an das Color-Management 304. Auch kann das Color-Management 304 über eine serielle Schnittstelle 302 angesteuert werden.A photodiode 301 delivers z. B. a color location information and / or a brightness signal to a color management 304 , A temperature sensor 303 provides temperature information to the color ma management 304 , Also, the color management can 304 via a serial interface 302 be controlled.

Bei dem Color-Management 304 handelt es sich beispielsweise um eine Steuer- und/oder Regeleinheit für das hierin beschriebene Cluster.In the color management 304 For example, it is a control unit for the cluster described herein.

Das Color-Management 304 steuert einen Treiber 305 zur Versorgung eines Leuchtdioden-Stranges 306 (umfassend z. B. mehrere Leuchtdioden derselben Farbe oder desselben Typs). Entsprechend werden ein Treiber 307 mit einem Leuchtdioden-Strang 308 und ein Treiber 309 mit einem Leuchtdioden-Strang 310 über das Color-Management 304 angesteuert.The color management 304 controls a driver 305 for supplying a light-emitting diode strand 306 (including, for example, multiple light emitting diodes of the same color or the same type). Accordingly, a driver 307 with a light-emitting diode strand 308 and a driver 309 with a light-emitting diode strand 310 about the color management 304 driven.

Vorteilhaft kann auf Basis eines auf Silizium basierenden CMOS-Prozesses der Temperatursensor 303 sowie die Photodiode 301 implementiert werden. So ist es möglich, eine Vorwärtsspannung eines pn-Übergangs (innerhalb eines Si-Verarbeitungsprozesses) in Durchlassrichtung für eine Temperaturmessung zu verwenden. Auch kann eine Photo-Empfindlichkeit eines Sperrstromes des pn-Übergangs in dem Silizium wirkungsvoll als ein Helligkeitssensor genutzt werden. Beispielhaft liegt ein möglicher Wellenlängenbereich des Photosensors in Silizium zwischen 400 nm und 1000 nm.Advantageously, the temperature sensor can be based on a silicon-based CMOS process 303 as well as the photodiode 301 be implemented. Thus, it is possible to use a forward voltage of a pn junction (within a Si processing process) in the forward direction for a temperature measurement. Also, a photo-sensitivity of reverse current of the pn junction in the silicon can be effectively utilized as a brightness sensor. By way of example, a possible wavelength range of the photosensor in silicon is between 400 nm and 1000 nm.

Die in 3 dargestellte serielle Schnittstelle 302 kann zur Parametrisierung möglicher Algorithmen des Color-Managements 304 eingesetzt werden. So können z. B. Parameter wie eine absolute Helligkeit oder ein gewünschter Farbort mittels der seriellen Schnittstelle 302 vorgegeben werden, welcher intern durch Abänderung der effektiven Ströme der jeweiligen Kanäle eingestellt werden kann.In the 3 illustrated serial interface 302 can be used to parameterize possible algorithms of color management 304 be used. So z. B. parameters such as an absolute brightness or a desired color location by means of the serial interface 302 which can be set internally by modifying the effective currents of the respective channels.

Der Ausgangsstrom der dargestellten Treiber 305, 307 und 309 kann durch analog geregelte Stromtreiber oder mittels einer Pulsweiten-Modulation (PWM) eines weitgehend konstanten parametrisierbaren Stromes eingestellt werden.The output current of the driver shown 305 . 307 and 309 can be set by analog current regulators or by means of a pulse width modulation (PWM) of a largely constant parametrizable current.

Beispielsweise kann als Stellgröße der Querstrom eines Leuchtdioden-Stranges dienen und eine Regelgröße kann die Helligkeit dieses Leuchtdioden-Stranges (bestimmt anhand der Photodiode 301) sein. Durch die Auswertung der Helligkeit des LED-Stranges ist es nicht notwendig, gesonderte widerstände zur Bestimmung des Stroms in einem Hochstrompfad der Leuchtdiode bzw. des Leuchtdioden-Stranges vorzusehen. Entsprechend erhöht sich der Wirkungsgrad der hier vorgeschlagenen Lösung.For example, can serve as a manipulated variable, the cross-flow of a light-emitting diode strand and a controlled variable, the brightness of this light-emitting diode strand (determined using the photodiode 301 ) be. By evaluating the brightness of the LED string, it is not necessary to provide separate resistors for determining the current in a high current path of the light emitting diode or of the light emitting diode strand. Accordingly, the efficiency of the solution proposed here increases.

Differenzierung der Einzelelemente:Differentiation of the individual elements:

Insbesondere kann es von Nachteil sein, dass emittiertes Licht aller Leuchtdioden-Stränge eines Clusters, emittiertes Licht anderer Cluster sowie Umgebungslicht von dem optischen Sensor des Clusters detektiert wird und damit die Regelung des aktuellen Clusters beeinflussen kann.Especially it can be disadvantageous that emitted light of all light-emitting strands of a Clusters, emitted light of other clusters as well as ambient light is detected by the optical sensor of the cluster and thus influence the regulation of the current cluster.

Die einzelnen Cluster können optisch voneinander entkoppelt werden, indem sichergestellt wird, dass eine von einem benachbarten Cluster einwirkende Lichtleistung wesentlich geringer ist als die emittierte und von einer Optik reflektierte Lichtleistung des aktuellen Moduls. Das von dem aktuellen Cluster emittierte Licht wird von der Optik reflektiert und von dem optischen Sensor (z. B. der Photodiode 301 gemäß 3) detektiert. In so einem Fall kann eine optische Überkopplung vernachlässigt werden. Beispielhaft können die Cluster mittels geeigneter Trennwände voneinander optisch weitgehend entkoppelt werden.The individual clusters can be optically decoupled from each other by ensuring that a light power applied by an adjacent cluster is substantially less than the emitted and optically reflected light power of the current module. The light emitted by the current cluster is reflected by the optics and by the optical sensor (eg, the photodiode 301 according to 3 ) detected. In such a case, an optical coupling can be neglected. By way of example, the clusters can be optically largely decoupled from one another by means of suitable partitions.

Die Trennung der emittierten Lichtleistung der einzelnen Leuchtdioden-Stränge innerhalb eines Clusters kann effizient mittels eines Zeitmultiplex-Verfahrens erfolgen: Beispielsweise wird nach einer vorgegebenen Anzahl von PWM-Zyklen jeder Leuchtdioden-Strang des Clusters einzeln (z. B. nacheinander) angesteuert und während dieser Ansteuerung das von dem Leuchtdioden-Strang emittierte Licht von dem optischen Sensor detektiert. Während der Ansteuerung eines Leuchtdioden-Strangs sind die anderen Leuchtdioden-Stränge entsprechend abgeschaltet, so dass nur das von dem angesteuerten Leuchtdioden-Strang emittierte Licht von dem optischen Sensor erfasst wird. Nachdem alle Leuchtdioden-Stränge eines Clusters vermessen sind, wird die gemeinsame Ansteuerung der Leuchtdioden-Stränge z. B. im PWM-Betrieb fortgesetzt. Diese Ausmessung der einzelnen Leuchtdioden-Stränge im Zeitmultiplex-Verfahren kann zu vorgegebenen Zeitpunkten (z. B. regelmäßig) wiederholt werden. Entsprechend des pro Leuchtdioden-Strang detektierten Lichts wird dieser angesteuert bzw. werden Veränderungen kompensiert. Dies erlaubt ein konstantes Leuchtverhalten für jeden einzelnen Leuchtdioden-Strang des Clusters.The Separation of the emitted light output of the individual light-emitting diode strands within of a cluster can efficiently by means of a time division multiplex method For example, after a predetermined number of PWM cycles each light-emitting diode strand of the cluster individually (eg sequentially) and during this Driving the light emitted by the light-emitting diode strand of the optical sensor detected. While controlling a Light-emitting diode strings are the other light-emitting diode strands accordingly switched off, so that only that of the controlled light-emitting diode strand emitted light is detected by the optical sensor. After all Light-emitting diode strands one Clusters are measured, the common control of the light-emitting diode strands z. B. continued in PWM mode. This measurement of the individual light-emitting diode strands in the time-division multiplex method can be repeated at predetermined times (eg regularly). Corresponding of the light detected per light-emitting diode strand this is controlled or changes compensated. This allows a constant lighting behavior for everyone single light-emitting diode strand of the cluster.

Da jedes Cluster separat nach dem hier beschriebenen Ansatz betrieben werden kann, können jeweils Temperaturveränderungen, Alterungen oder sonstige unterschiedliche Voraussetzungen effizient kompensiert werden und einem Benutzer wird ein gleichbleibender Leuchteindruck auch bei Verwendung mehrerer Cluster vermittelt.There each cluster operated separately according to the approach described here can be, respectively Temperature changes, Aging or other different conditions efficiently compensated become a user and a consistent lighting impression mediated even when using multiple clusters.

4 zeigt beispielhaft eine mögliche Ansteuerung zweier Leuchtdioden-Stränge (Kanal 0 und Kanal 1) über die Zeit t umfassend eine optische Vermessung des jeweiligen Leuchtdioden-Strangs im Zeitmultiplex-Verfahren. 4 shows by way of example a possible control of two light-emitting diode strands (channel 0 and channel 1) over the time t comprising an optical measurement of the respective light-emitting diode string in the time-division multiplex method.

Während eines Zeitbereichs 401 werden die Leuchtdioden-Stränge nacheinander exklusiv angesteuert und vermessen: Zunächst wird der Kanal n angesteuert mittels eines Signals 402, anschließend wird der Kanal 1 angesteuert mittels eines Signals 403. Die Ansteuerung erfolgt im Zeitbereich 401 exklusiv für je einen Kanal, d. h. eine Photodiode des Clusters detektiert während der Dauer des Signals 402 das von dem Kanal n emittierte Licht und während der Dauer des Signals 403 das von dem Kanal 1 emittierte Licht. Ausgehend von der jeweils detektierten Signalen kann eine Einstellung bzw. Regelung des jeweiligen Kanals erfolgt, so dass beispielsweise ein Eindruck eines konstanten Farborts bei konstanter Helligkeit entsteht. Hierzu sind vorzugweise regelmäßig Wiederholungen des Zeitbereichs 401 vorgesehen zur Einstellung bzw. Nachregelung der einzelnen Kanäle bzw. Leuchtdioden-Stränge.During a time period 401 will the Light-emitting diode strings are controlled and measured one after the other: First of all, channel n is activated by means of a signal 402 , then the channel 1 is driven by means of a signal 403 , The control takes place in the time domain 401 exclusively for one channel each, ie a photodiode of the cluster detected during the duration of the signal 402 the light emitted by the channel n and during the duration of the signal 403 the light emitted from the channel 1. Starting from the respective detected signals, an adjustment or regulation of the respective channel takes place, so that, for example, an impression of a constant color location at constant brightness is produced. For this purpose, it is preferable to regularly repeat the time range 401 provided for setting or readjustment of the individual channels or light-emitting diode strands.

Hierbei sei angemerkt, dass jeder Leuchtdioden-Strang mindestens eine Leuchtdiode aufweist. Insbesondere können pro Leuchtdioden-Strang unterschiedliche Anzahlen von Leuchtioden vorgesehen sein. Besagte Leuchtdioden können Leuchtdioden mit oder ohne (”bare die”) Gehäuse umfassen.in this connection It should be noted that each light-emitting diode strand at least one light emitting diode having. In particular, you can per LED string different numbers of LEDs be provided. Said LEDs can light emitting diodes with or without ("bare the") casing include.

Weiterhin ist es möglich, den Einfluss des Umgebungslichtes durch doppelte Integration des Photostroms durch den optischen Sensors zu dämpfen. Wird der Photostrom in einem PWM ”High”-Zustand (d. h. der Leuchtdioden-Strang wird aktiv bestromt) ”auf”-integriert und in dem folgenden PWM ”Low”-Zustand (d. h. der Leuchtdioden-Strang wird nicht bestromt) ”ab”-integriert, entspricht das Ergebnis dieser zweimaligen Integration der tatsächlich emittierten Lichtmenge des Leuchtdioden-Strangs ohne einen durch das Umgebungslicht bedingten ”Offset”.Farther Is it possible, the influence of ambient light by double integration of the photocurrent to attenuate by the optical sensor. When the photocurrent is in a PWM "high" state (i.e., the light emitting diode strand is actively energized) "integrated" and in the following PWM "low" state (i.e. Light-emitting diode strand is not energized) "integrated", corresponds to that Result of this twice integration of the actually emitted light quantity of the light-emitting diode strand without an "offset" caused by the ambient light.

5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Kompensation des Umgebungslichts mittels doppelter Integration während der Helligkeitsmessung eines Leuchtdioden-Strangs. 5 shows a diagram for illustrating the compensation of the ambient light by means of double integration during the brightness measurement of a light-emitting diode strand.

Während einer Zeitdauer 501 ist der Leuchtdioden-Strang angesteuert, der Photostrom wird integriert von einem Wert Iphl zu einem Wert Iph2. Anschließend wird der Leuchtdioden-Strang für eine Zeitdauer 502 abgeschaltet. Der Photostrom wird abintegriert und reduziert sich auf einen Wert Iph3. Die Differenz Iph3 – Iph1 entspricht der tatsächlichen Helligkeitsänderung während der Zeitdauer 501 bereinigt um den Beitrag des Umgebungslichts.During a period of time 501 If the light-emitting diode string is activated , the photocurrent is integrated from a value I phl to a value I ph2 . Subsequently, the light-emitting diode strand for a period of time 502 off. The photocurrent is disintegrated and reduced to a value I ph3 . The difference I ph3 - I ph1 corresponds to the actual brightness change during the time period 501 adjusted for the contribution of ambient light.

Modulkonzept:Module concept:

6 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Leuchte bzw. einer Lichtquelle umfassend mehrere Cluster 601 bis 606, wobei jedes Cluster autark einen weitgehend konstanten Farbort bzw. eine weitgehend konstante Helligkeit sicherstellt. 6 shows an exemplary construction of a light or a light source comprising a plurality of clusters 601 to 606 Each cluster autonomously ensures a largely constant color location or a largely constant brightness.

Die Anordnung von 6 umfasst Trennwände 607 zwischen den Clustern, die eine direkte Bestrahlung durch die Nachbarmodule reduzieren bzw. kompensiert.The arrangement of 6 includes partitions 607 between the clusters that reduce or compensate for direct irradiation by the neighboring modules.

Vorzugsweise umfasst jedes Cluster 601 bis 606 eine Optik, die zumindest teilweise eine Reflexion des emittierten Lichts in Richtung des optischen Sensors des jeweiligen Clusters erlaubt.Preferably, each cluster comprises 601 to 606 an optic that at least partially allows reflection of the emitted light in the direction of the optical sensor of the respective cluster.

Beispielhaft können unterschiedliche Cluster-Typen miteinander kombiniert werden. So sind die Cluster 601 und 603 vom Typ ”RGB”, die Cluster 602 und 605 sind vom Typ ”WR” und die Cluster 604 und 606 sind vom Typ ”RYB”; hierbei bezeichnen die Abkürzungen:

R
rot,
G
grün,
B
blau,
W
weiß,
Y
gelb.
By way of example, different cluster types can be combined with each other. Such are the clusters 601 and 603 of type "RGB", the clusters 602 and 605 are of type "WR" and the clusters 604 and 606 are of the type "RYB"; here the abbreviations designate:
R
red,
G
green,
B
blue,
W
White,
Y
yellow.

Das Cluster vom Typ RGB weist z. B. zwei rote, zwei grüne und zwei blaue Leuchtdioden auf. Das Cluster vom Typ WR umfasst z. B. sechs weiße und zwei rote Leuchtdioden. Das Cluster vom Typ RYB weist zwei rote, zwei gelbe und zwei blaue Leuchtdioden.The Cluster of type RGB has z. B. two red, two green and two blue LEDs on. The cluster of type WR includes z. Six white and two red LEDs. The cluster of type RYB has two red, two yellow and two blue LEDs.

Entsprechend können beliebige Cluster mit unterschiedlichen Anzahlen von Leuchtdioden in verschiedenen Farben zusammen in einer Leuchte eingesetzt werden.Corresponding can any cluster with different numbers of LEDs be used in different colors together in one lamp.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

101101
Leuchtdiode (grün)led (green)
102102
Leuchtdiode (grün)led (green)
103103
Leuchtdiode (grün)led (green)
104104
Leuchtdiode (grün)led (green)
105105
ASICASIC
106106
Substratsubstratum
107107
optisches Fenster für Sensorikoptical Window for sensors
108108
Leuchtdiode (rot)led (red)
109109
Leuchtdiode (rot)led (red)
110110
Leuchtdiode (blau)led (blue)
111111
Leuchtdiode (blau)led (blue)
112112
serielle Schnittstelleserial interface
113113
Verbindung zu Masseconnection to earth
114114
Verbindung zur Versorgungsspannungconnection to the supply voltage
301301
Photodiodephotodiode
302302
serielle Schnittstelleserial interface
303303
Temperatursensortemperature sensor
304304
Color-ManagementColor Management
305305
Treiberdriver
306306
Leuchtdioden-StrangLEDs strand
307307
Treiberdriver
308308
Leuchtdioden-StrangLEDs strand
309309
Treiberdriver
310310
Leuchtdioden-StrangLEDs strand
401401
Zeitbereichtime range
402402
Ansteuersignal für Kanal ncontrol signal for channel n
403403
Ansteuersignal für Kanal 1control signal for channel 1
501501
Zeitdauer (für ”Auf”-Integration)time (for "on" integration)
502502
Zeitdauer (für ”Ab”-Integration)time (for "down" integration)
601601
RGB ClusterRGB cluster
602602
WR ClusterWR cluster
603603
RTB ClusterRTB cluster
604604
RYB ClusterRYB cluster
605605
WR ClusterWR cluster
606606
RYB ClusterRYB cluster
607607
Trennwändepartitions

Claims (15)

Leuchtelement – mit mindestens einer Leuchtdiode (306, 308, 310); – mit einer Sensorik (302, 303) zur Signalauswertung der mindestens einen Leuchtdiode; – mit einer Steuerung (304), die abhängig von der Signalauswertung die mindestens eine Leuchtdiode ansteuert, – wobei die Sensorik und die Steuerung als ein Bauelement (105, 107) ausgeführt sind.Light-emitting element - with at least one light-emitting diode ( 306 . 308 . 310 ); - with a sensor system ( 302 . 303 ) for signal evaluation of the at least one light emitting diode; - with a controller ( 304 ), which activates the at least one light-emitting diode depending on the signal evaluation, - the sensor system and the control being used as one component ( 105 . 107 ) are executed. Leuchtelement nach Anspruch 1, bei dem die Sensorik und die Steuerung auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere einem ASIC, angeordnet sind.Luminous element according to claim 1, wherein the sensor and the controller on a semiconductor substrate, in particular a ASIC, are arranged. Leuchtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mehrere Leuchtdioden, die um das Bauelement angeordnet sind.Luminous element according to one of the preceding claims, comprising a plurality of light-emitting diodes which are arranged around the component. Leuchtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Optik vorgesehen ist, die zumindest einen Teil des von der mindestens einen Leuchtdiode emittierten Lichts auf die Sensorik reflektiert.Luminous element according to one of the preceding claims, at an optics is provided which at least a part of the light emitted by at least one light-emitting diode is reflected onto the sensor system. Leuchtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauelement und die mindestens eine Leuchtdiode auf einem gemeinsamen Träger (106) angeordnet sind.Luminous element according to one of the preceding claims, wherein the component and the at least one light-emitting diode on a common carrier ( 106 ) are arranged. Leuchtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Schnittstelle zur Einstellung einer Helligkeit und/oder eine Farborts.Luminous element according to one of the preceding claims, with an interface for setting a brightness and / or a Color location. Leuchtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerung derart eingerichtet ist, dass eine Helligkeit und/oder ein Farbort des Leuchtelements weitgehend konstant gehalten werden.Luminous element according to one of the preceding claims, at the controller is set up such that a brightness and / or a color location of the luminous element are kept substantially constant. Leuchtelement nach Anspruch 7, mit einer Vielzahl von Leuchtdioden, die in separaten Leuchtdioden-Strängen angeordnet sind, wobei jeder Leuchtdioden-Strang mindestens eine Leuchtdiode aufweist, wobei in einem Zeitmultiplex-Verfahren das pro Leuchtdioden-Strang emittierte Licht ermittelbar ist.Luminous element according to claim 7, with a plurality of light-emitting diodes arranged in separate light-emitting diode strands wherein each light-emitting diode strand has at least one light-emitting diode, wherein in a time-division multiplexing method per light-emitting diode strand emitted light can be determined. Leuchtelement nach Anspruch 8, bei dem abhängig von dem im Zeitmultiplex-Verfahren ermittelten Licht pro Leuchtdioden-Strang jeder Leuchtdioden-Strang entsprechend einer Vorgabe einstellbar ist.Luminous element according to claim 8, wherein depending on the time-multiplexed light per light-emitting diode strand each light-emitting diode string is adjustable according to a specification. Leuchtelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem eine Integration eines Photostroms während einer aktiven Leuchtphase (501) und während einer inaktiven Leuchtphase (502) der mindestens einen Leuchtdiode durchführbar ist und anhand der Differenz der integrierten Photoströme eine Helligkeit der mindestens einen Leuchtdiode bestimmbar ist.Luminous element according to one of claims 7 to 9, wherein an integration of a photocurrent during an active lighting phase ( 501 ) and during an inactive lighting phase ( 502 ) of the at least one light emitting diode is feasible and based on the difference of the integrated photocurrents a brightness of the at least one light emitting diode can be determined. Leuchtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sensorik zur Temperaturmessung eingerichtet ist, insbesondere mittels einer Vorwärtsspannung eines pn-Übergangs in Durchlassrichtung.Luminous element according to one of the preceding claims, at the sensor is set up for temperature measurement, in particular by means of a forward voltage of a pn junction in the forward direction. Leuchtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sensorik zur Helligkeitsmessung eingerichtet ist, insbesondere mittels einer Photoempfindlichkeit eines Sperrstroms eines pn-Übergangs.Luminous element according to one of the preceding claims, at in which the sensors for brightness measurement is set up, in particular by means of a photosensitivity of a reverse current of a pn junction. Leuchtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem Mittel zur optischen Entkopplung von anderen Lichtquellen.Luminous element according to one of the preceding claims with at least one means for optical decoupling from other light sources. Leuchte umfassend mindestens ein Leuchtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Luminaire comprising at least one luminous element after one of the preceding claims. Verfahren zum Betreiben eines Leuchtelements nach einem der Ansprüche 1 bis 13.Method for operating a lighting element after one of the claims 1 to 13.
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