CN101164378A - Led模块和具有多个led模块的led照明设备 - Google Patents

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Abstract

在一种LED模块(11)中，该LED模块(11)具有由多个LED芯片(2)组成的LED阵列和用于调节LED芯片(2)的工作电流的控制单元(7)，该控制单元(7)被布置在该LED模块(11)的载体(4)上，并且该控制单元(7)具有电子存储介质，用于存储LED芯片(2)的运行数据，其中规定根据所存储的运行数据来调节该工作电流。

Description

LED模块和具有多个LED模块的LED照明设备
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的LED模块以及一种具有多个这种LED模块的LED照明设备。
LED阵列的特点在于高效率、长使用寿命、快速的响应时间以及对于冲击和振动比较小的灵敏度。出于这种原因，LED阵列越来越频繁地被用于照明设备中，其中到目前为止常常使用白炽灯，尤其是在汽车前灯中使用白炽灯。
在为了照明目的所采用的LED模块中，尤其是在用于汽车前灯的LED模块中，所发射的光强在比较长的持续工作时间之后(例如在数千个小时的持续工作时间之后)也应当基本上不偏离在投入使用时所发射的光强。但是，由于随着持续工作时间的增加而出现的退化现象，由LED模块的LED芯片所发射的光强可能至少微小地减弱。
如果在包括多个LED模块的LED照明单元中在比较长的持续工作时间之后例如由于故障而必须更换单个LED模块，那么这种退化效应尤其是能产生干扰作用。一方面在此可能出现，尤其是当与剩余的LED模块相反还没有由老化引起的、光强的减弱时，替换模块的光强偏离剩余模块的光强。
虽然该LED照明设备的技术功能通常基本上不会由于单个LED模块的光强的微小差别而受损害，但是常常已经很微小的差别能被观察者察觉到并可能被感觉为有干扰。此外，例如在道路交通中必须遵守有关光强的法律规定。
为了避免同样的LED模块由于制造公差而造成的不同的亮度，LED模块通常以亮度组来供应。单个LED模块的亮度因此在制造之后被测量，并且每个LED模块被分配给对应于其亮度的一亮度组。在最后装配包括多个LED模块的LED照明设备时，有利地仅仅使用来自相同亮度组的LED模块。但是，在更换所述LED模块之一时，费事的是，确定要更换的模块的亮度分组，并由相同亮度组的LED模块来替换该LED模块。
为了尤其是抵制由于LED芯片的老化现象而使LED模块的亮度减弱，由文献EP 1 341 402 A2中公知，对由LED模块所发射的辐射的亮度进行测量并将测量信号输送给该LED模块的网络设备，以便调节流过该LED模块的电流，以致该LED模块的亮度恒定。
但是，在LED模块的若干应用中，这种调节电路的实现与比较高的技术花费相关联。常常也还没有设置分离的网络设备用于驱动LED模块，在该分离的网络设备上可能实现测量信号(例如所发射的亮度)的反馈，以调节供电。例如，如果在汽车前灯中所包含的LED模块由汽车电池来供电，那么这是这种情况。
本发明所基于的任务在于，给出一种改善的LED模块，该LED模块的特点尤其是在于所发射的光强的高的长时间稳定性以及一种预防措施，通过该预防措施简化由同样的LED模块来更换LED模块。
该任务通过一种按照权利要求1所述的LED模块而得到解决。该LED模块的有利的扩展方案和改进方案是从属权利要求的主题。
在具有LED阵列和控制单元的LED模块中，该LED阵列由多个LED芯片组成，该控制单元用于调节LED芯片的工作电流，根据本发明的至少一个实施方案，该控制单元被布置在该LED模块的载体上并包括用于存储LED芯片的运行数据的电子存储介质，其中规定根据所存储的运行数据来调节工作电流。
该控制单元(例如微控制器)有利地具有用于检测LED芯片的持续工作时间的装置，其中该持续工作时间被存储在该电子存储介质中。通过该控制单元对该LED阵列的LED芯片的持续工作时间的检测尤其是能够使该LED模块的运行参数与LED芯片的老化特性相匹配。
在本发明的优选实施方案中，LED芯片的工作电流借助该控制单元根据该持续工作时间来调节。尤其是规定随着持续工作时间的增加而提高LED芯片的工作电流。以这种方式来抵制由LED芯片所发射的辐射的亮度由于LED芯片的退化现象随着持续工作时间的增加而减弱。
优选地实现工作电流的提高，以致不低于预定的最小亮度。特别优选地实现对LED芯片的工作电流的调节，以致所发射的辐射的亮度至少近似恒定。因此，有利地实现了不能察觉到在其他方面同样的LED模块的亮度差别，这些同样的LED模块通过LED芯片的持续工作时间相互区分。
优选地在该控制单元中所存储的预置时刻来实现LED芯片的工作电流的提高。例如可以在持续工作时间的之前确定的时间间隔之后实现工作电流的提高。在其之后提高工作电流强度的时间间隔不必是相同长度的。此外，在所述预定时间间隔之后也不必将电流强度相应提高相同的量。相反地，确定在其之后相应提高电流强度的时间间隔，并有利地按照LED芯片的退化特性的经验值来确定相应提高电流强度的量。
在该电子存储介质中所存储的运行数据例如可以由控制单元来进一步处理，以便根据到目前为止的运行数据来调节工作电流。所存储的运行数据尤其是可以由控制单元用于确定时间间隔或者用于确定相应提高电流强度的量，在这些时间间隔之后应当提高用于补偿退化现象的工作电流强度。除了持续工作时间之外，在该控制单元的存储器中还存储了其他的工作参数，并且这些其他的工作参数被考虑用于这样的计算。尤其是，在LED模块中也能以单个操作方式来存储工作时间，在这些LED模块中，规定以具有不同的工作电流强度的多种操作方式来操作LED阵列的LED芯片。例如，在用于汽车前灯中的LED模块中，可规定以具有不同的电流强度的操作方式“停车灯”、“车头的短焦距光”或“前照灯光”来操作LED芯片。
此外还有利地在该控制单元的电子存储介质中存储了LED芯片的亮度分组。在此，亮度分组被理解为参考电流强度下对亮度的说明。为了实现某一亮度而必要的电流强度即使在其他方面同样的芯片中也可以至少微小地变化。出于这个原因，LED通常以所谓的亮度分组被供应给客户，以便避免在以相同的电流强度来操作时在相邻布置的LED中出现亮度差别。
在LED模块的控制单元的电子存储介质中对亮度分组进行存储具有以下优点，即能借助该信息将LED芯片的工作电流自动地调节到对于所规定的亮度必要的值。因此，除了其他同样的LED模块以外能有利地在不用考虑亮度分组的情况下使用该LED模块，而不会在此出现亮度上的差别。
该LED模块优选地具有接口，用于读出所存储的运行数据和/或用于对该控制单元进行编程。在本发明的优选实施方案中，该接口是串行接口。尤其是能借助该接口在包括多个同样的LED模块的照明设备中更换一LED模块时将要更换的LED模块的持续工作时间读出，并且因此在应当替换要更换的LED模块的那个LED模块中调节工作电流，以使亮度与剩余的LED模块相匹配。
LED模块的载体优选的是印刷电路板，例如是金属芯印制板。在优选的实施方案中，该载体的宽度为12mm或更小。该载体有利地充当由LED芯片所产生的热量的散热片。该载体优选地包含至少一个电连接点，借助该电连接点尤其是能电接触该控制装置。例如，插头被设置为连接点。优选地通过该载体上的印制导线来实现LED模块的、被布置在载体上的元件的电连接，尤其是实现控制单元与LED芯片的电连接。
既可以利用直流电压又可以利用交流电压来实现LED模块的供电。在优选的实施方案中，LED模块利用在8V(包括8V在内)与24V(包括24V在内)之间的供电电压来驱动。所述供电电压尤其是可以是例如约为12V的、汽车电池的电压。
优选地，在LED模块的载体上包含一装置，用于将所述供电电压变换到为了驱动LED阵列所设置的工作电压。LED芯片的工作电压尤其是与所使用的LED芯片的数量有关，并例如为18.5V或更低，所使用的LED芯片优选地串联连接。
例如利用被布置在LED模块的载体上的升压型转换器来将供电电压变换到工作电压。通过被布置在载体上的元件来将供电电压变换到LED阵列的工作电压尤其是具有以下优点，即LED模块不用其他预防措施就可以直接连接到供电电压，例如连接到汽车中的电池电压。
LED阵列的LED芯片优选地被安装在芯片载体上，该芯片载体被固定在该载体上。在此，该载体和该芯片载体优选地相互粘和。该芯片载体例如由陶瓷、优选地由A1N来制造。该芯片载体有利的是由LED芯片所发射的热量的散热片。
LED芯片优选地包含III-V化合物半导体材料，尤其是包含InxAlyGa1-x-yN、InxAlyGa1-x-yP或InxAlyGa1-x-yAs，其中总是0≤x≤1、0≤y≤1和x+y≤1。在此，该III-V化合物半导体材料不必强制性地具有如上述公式之一所述的在数学上确切的成分。相反地，该III-V化合物半导体材料可以具有基本上没有改变材料的物理特性的一种或多种掺杂物以及附加的组成部分。可是，为了简单起见，上述公式仅仅包含晶格的基本组成部分，即使这些组成部分能部分地由少量的其他物质来替换。
LED芯片特别优选的是所谓的薄膜发光二极管芯片，其中，功能性半导体层序列首先外延地在生长衬底上生长，接着，新的载体被涂敷到与生长衬底相对的、半导体层序列的表面上，并随后隔开该生长衬底。这尤其是具有以下优点，即该生长衬底可被再使用。
薄膜发光二极管芯片的基本原理例如在I.Schnitzer等人在Appl.Phys.Lett.63(16)(1993年10月18，第2174-2176页)中的文章中说明，该文献就这方面而言的公开内容在此引入作为参考。
薄膜发光二极管芯片良好地近似于朗伯表面辐射器，并因而特别好地适于用在前灯中。
LED模块的优选实施方案包含温度传感器，并规定根据由该温度传感器所检测到的温度来调节LED芯片的工作电流。为此，该温度传感器例如通过载体上的印制导线与控制单元相连接。通过对LED阵列的LED芯片的工作电流进行与温度相关的调节，可以避免由于热过载而引起的功能损害或甚至LED芯片的故障。由该温度传感器所检测到的温度尤其是由该控制单元来进行评估，并且只要由该温度传感器所检测到的温度达到了一临界值，就减小LED芯片的工作电流。以这种方式，LED芯片可以有利地在长的工作时间上在其热承载能力的极限范围内运行。
如果该LED阵列包含多个LED芯片，那么借助温度传感器的温度监控是尤其有利的，因为发热也随着LED芯片的数量而上升。
在本发明的优选实施方案中，该LED阵列包含至少四个LED芯片。例如，该LED阵列具有六个LED芯片。
该温度传感器例如是NTC或PTC电阻、半导体器件或热电偶。如果该LED阵列的LED芯片被装配在芯片载体上，那么该温度传感器优选地被固定在该芯片载体上。可替换地，该温度传感器也被布置在该载体上。该温度传感器在该芯片载体或在该载体上的固定优选地通过焊接或粘结来实现。
为了在由该温度传感器所检测到的温度与LED芯片的发射辐射活性层(strahlungsemittierende aktive Schicht)的温度之间达到尽可能良好的一致性，如果该温度传感器与至少一个LED芯片具有尽可能微小的间距，那么这是有利的。该温度传感器与该LED阵列的至少一个LED芯片之间的间距优选地为5mm或更小，特别优选地为3mm或更小。
在另一优选的实施方案中，该LED模块包含光探测器，例如为光电二极管。有利地规定通过该控制单元根据由该光探测器所测量的光强来调节LED芯片的工作电流。为此，该光探测器优选地例如通过载体上的印制导线与该控制单元相连接。
在优选的实施方案中，该光探测器被布置，以致该光探测器接收由LED芯片所发射的辐射(例如杂散辐射)中的至少一部分。在这种情况下，该光探测器的信号由该控制单元来评估，以致通过理论值/实际值比较来将由LED芯片所发射的亮度调节到预定值。
在另一实施方案中，该光探测器适于检测环境亮度。为此，该光探测器优选地被布置和/或对准，以致该光探测器首先检测该LED模块外部的光。在这种情况下，由该LED模块的LED芯片所发射的辐射中的至少仅仅一微小部分有利地投射到该光探测器上。与环境光强相关的信号(该信号由该光探测器提供给该控制单元)可以由该控制单元尤其是用于调节LED芯片的工作电流，以致由该LED模块所发射的光强与环境光状况相匹配。
有利地，该光探测器的信号也可以由该控制单元来评估，用于引起自动的接通或关断过程。例如，以这种方式能在汽车前灯中所使用的LED模块中在环境亮度降低的情况下、例如在驶入隧道时或者在夜幕降临时引起自动的接通过程。
至少一个射束成形光学元件在LED芯片的辐射方向上优选地被连接在该LED阵列的LED芯片之后。有利地，通过这个射束成形光学元件减小由LED芯片所发射的辐射的发散。
所述射束成形光线元件优选的是空心体，该空心体具有朝向LED芯片的光线入口和与该光线入口相对的光线出口，其中由一个或多个LED芯片所发射的辐射中的至少一部分在该空心体的壁上朝光线出口反射。
所述射束成形光学元件的有利的实施方案在于，从该光线入口到相对的光线出口，该空心体的横截面变大。此外，该空心体具有对称轴，该对称轴平行于LED芯片的主辐射方向。
所述射束成形光学元件例如可以是填充有填料的空心体。该填料优选的是UV稳定的材料，诸如是硅树脂。
该空心体的壁优选地具有一曲率，以便实现所期望的光学功能。该空心体的壁尤其是可以非球面地弯曲，例如抛物线弯曲、椭圆形弯曲或者双曲线弯曲。
在另一优选的实施方案中，所述射束成形光学元件被构造为CPC型、CEC型或CHC型的光学聚能器(在此以及在下文中称作聚光器)，该光学聚能器的反射侧面至少部分地和/或至少最大程度地具有复合抛物线聚光器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)、复合椭圆形聚光器(Compound Elliptic Concentrator，CEC)或复合双曲线聚光器(Compound Hyperbolic Concentrator，CHC)的形状。在此，遮盖体(Abdeckkoerper)的朝向LED芯片的表面是实际聚光器输出端，以致与用于聚焦的聚光器的通常应用相比，辐射在相反的方向上穿过该聚光器并因此不被聚光，而是以减小的发散通过相对的表面离开该遮盖体。
根据本发明的LED照明设备包括多个前述的LED模块。根据本发明的LED模块尤其是汽车前灯的一部分，其中该汽车前灯有利地包含有多个这种LED模块。
下面借助一实施例结合图1和2来详细解释本发明。
其中：
图1示出了根据本发明的LED模块的实施例的示意性示出的俯视图，以及
图2示出了沿着图1中所示的本发明实施例的线I-II的横截面的示意图。
相同的或者功能相同的元件在这些图中配备有相同的参考符号。
在图1和2中示意性示出的、根据本发明的LED模块11的实施例包含LED阵列，其中，六个LED芯片2被安装在共同的芯片载体1上。
LED芯片2具有活性区，该活性区优选地包含III-V化合物半导体材料，尤其是包含InxAlyGa1-x-yN、InxAlyGa1-x-yP或InxAlyGa1-x-yAs，其中0≤x≤1、0≤y≤1并且x+y≤1。该活性区可被构造为单异质结构、双异质结构、单量子阱结构或多量子阱结构。所述名称“量子阱结构”在本申请的范围内包括其中载流子通过约束(“confinement”)而经历其能量状态的量子化的任何结构。所述名称“量子阱结构”尤其是不包含关于量子化的量纲的说明。因此，所述名称“量子阱结构”尤其包括量子势阱、量子线和量子点以及这些结构的任意组合。
该芯片载体1优选地由陶瓷来构成。该芯片载体1尤其是可以包含A1N。该LED阵列的LED芯片2优选地串联连接。可替换地，LED芯片2也可以并联连接。
该LED模块11具有载体4，在该载体4上尤其是安装具有LED芯片2的芯片载体1。该载体4优选地具有为12mm或更小的宽度b。该载体4尤其是金属芯印制板，该金属芯印制板有利地充当由LED芯片2所产生的热量的散热片，其中由LED芯片2所产生的热量通过该芯片载体1而向该金属芯印制板4发出。在该载体4中可以设置孔，以便例如借助螺丝钉或定位销将该LED模块安装在照明设备中。
此外，在该LED模块11的载体4上还布置控制单元7。该控制单元7例如是电子芯片，该电子芯片优选地使用倒装技术被安装到该载体4上。该控制单元7有利地具有电子存储介质8，用于存储LED芯片2的运行数据。LED芯片2的工作电流由该控制单元7根据所存储的运行数据来调节。
尤其是规定，该控制单元7具有用于检测LED芯片2的持续工作时间的装置，其中该持续工作时间被存储在该电子存储介质8中，并且LED芯片2的工作电流根据该持续工作时间来调节。
在此优选地根据持续工作时间来调节LED芯片2的工作电流，以致该工作电流随着持续工作时间的增加而提高，以便抵消由于LED芯片2的退化现象所引起的亮度减弱。以这种方式尤其是能够实现，由LED芯片2所发射的辐射的亮度在例如数千个小时的长的持续工作时间之后至少基本上没有偏离投入运行时的输出值。
由该LED模块11所发射的辐射的亮度因此有利地在时间上是恒定的。例如可以规定维持4001m的光通量。
为了补偿LED芯片的老化现象而相应地提高LED芯片2的工作电流强度的时刻优选地被存储在该控制单元7的电子存储介质8中。如果由该控制单元7所检测到并累加的、LED芯片2的持续工作时间与预置的时刻相一致，那么因此自动地相应提高工作电流强度。提高的量以及在其之后相应进行提高的时间间隔有利地根据LED芯片2的老化特性的经验值来确定，例如根据所测量的光强根据时间的变化来确定。
代替对工作电流强度进行这种逐步的提高之外，可替换地也可以规定根据LED芯片2的持续工作时间来对工作电流强度进行连续的提高。
此外，有利地在该控制单元7的电子存储介质8中存储了LED芯片2的亮度分组。尤其有利的是，LED芯片2的工作电流可以借助该信息由该控制单元7自动地调节到所规定的亮度必需的值。由此，如果该LED模块11被布置在其他同样的LED模块旁边，则有利地不会出现可察觉到的、亮度上的差别。
为了读出所存储的运行数据，该控制单元7有利地具有接口(未示出)。该接口尤其是串行接口。通过该串行接口也能实现该控制单元7的编程。
插头6被设置为外部连接，例如被设置为用于该串行接口或该控制单元7的供电的外部连接。
按照该LED模块11的应用目的，或者设置交流电压(例如电网电压)或者设置直流电压(例如电池电压、尤其是汽车电池的电池电压)来进行供电。为了例如利用升压型转换器来变换供电电压，可以在该载体4上布置对此必需的电子部件，例如布置扼流圈9和电容器10。
此外，在该LED模块11的载体4上还有利地布置一温度传感器3，该温度传感器3与该控制单元7相连接。例如通过该载体4上的印制导线(未示出)来连接在该载体4上所包含的电子部件。该温度传感器3(例如与温度相关的电阻、热电偶或者具有与温度相关的特性的半导体器件)与LED芯片2例如通过热传导或热对流来保持热接触。该温度传感器尤其是用于在超过临界温度的情况下通过该控制单元7来引起LED芯片2的工作电流的减小。
此外，该LED模块11还优选地包含光探测器5，该光探测器5例如被布置在该芯片载体1上并与该控制单元7相连接。该光探测器5例如被布置在该芯片载体1上，以便接收由LED芯片2所发射的辐射中的至少一部分。尤其是可以规定，该光探测器5的信号由该控制单元7来评估，以致通过理论值/实际值比较来将由LED芯片2所发射的亮度调节到预定值。
可替换地，该光探测器5也可被安装在该载体4上的其他位置，以便例如接收环境亮度或者接收由可能存在的相邻LED模块所发射的辐射中的至少一部分。在这种情况下，由该光探测器5所产生的信号由该控制单元7来评估，以致调节LED芯片2的工作电流，使得由该LED模块11所发射的光强与环境光状况相匹配。
为了对由LED芯片2所发射的辐射进行射束成形，有利地设置至少一个光学元件12。尤其是可以设置光学元件12，该光学元件12减小了由LED芯片2所发射的辐射的发散。例如，该光学元件12可以是不成像的光学聚能器，该不成像的光学聚能器优选地非常靠近LED芯片2来布置，或者甚至被置于LED芯片2上。
不成像的光学聚能器优选的是CPC型、CEC型或CHC型的光学聚能器，该光学聚能器的反射侧面至少部分地和/或至少最大程度地具有复合抛物线聚光器(CPC)、复合椭圆形聚光器(CEC)和/或复合双曲线聚光器(CHC)的形状。
本发明并不限于借助实施例所进行的说明。相反地，本发明包括任何新的特征以及这些特征的任意组合，这尤其是包括权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者该组合本身没有明确地在权利要求中或者实施例中被说明。例如也可以在该载体4上布置多个LED阵列和多个控制装置7。

Claims (19)

1.LED模块(11)，其具有至少一个LED阵列和至少一个控制单元(7)，所述至少一个LED阵列由多个LED芯片(2)组成，所述至少一个控制单元(7)用于调节所述LED芯片(2)的工作电流，
其特征在于，
所述至少一个控制单元(7)被布置在所述LED模块(11)的载体(4)上，并且所述至少一个控制单元(7)具有电子存储介质(8)，用于存储所述LED芯片(2)的运行数据，以及规定根据所存储的运行数据来调节所述工作电流。
2.根据权利要求1所述的LED模块，
其特征在于，
所述至少一个控制单元(7)具有用于检测所述LED芯片(2)的持续工作时间的装置，其中所述持续工作时间被存储在所述电子存储介质(8)中，并且根据所述持续工作时间来调节所述LED芯片(2)的工作电流。
3.根据权利要求2所述的LED模块，
其特征在于，
规定随着持续工作时间的增加而提高所述LED芯片(2)的工作电流。
4.根据前述权利要求之一所述的LED模块，
其特征在于，
在所述电子存储介质(8)中存储所述LED芯片(2)的亮度分组。
5.根据前述权利要求之一所述的LED模块，
其特征在于，
所述LED模块(11)具有接口，用于读出所存储的运行数据和/或用于对所述至少一个控制单元(7)进行编程。
6.根据前述权利要求之一所述的LED模块，
其特征在于，
在所述LED模块(11)的载体(4)上布置一装置，用于将供电电压变换为被设置用于驱动所述LED阵列的工作电压。
7.根据前述权利要求之一所述的LED模块，
其特征在于，
所述LED模块(11)包含温度传感器(3)。
8.根据权利要求7所述的LED模块，
其特征在于，
规定根据由所述温度传感器(3)所测量的温度来调节所述LED芯片(2)的工作电流。
9.根据权利要求7或8所述的LED模块，
其特征在于，
所述LED芯片(2)中的至少一个与所述温度传感器(3)之间的间距为5mm或更小。
10.根据前述权利要求之一所述的LED模块，
其特征在于，
所述LED模块包含光探测器(5)。
11.根据权利要求10所述的LED模块，
其特征在于，
所述光探测器(5)是环境光探测器。
12.根据权利要求10或11所述的LED模块，
其特征在于，
规定根据由所述光探测器(5)所测量的光强来调节所述LED芯片(2)的工作电流。
13.根据前述权利要求之一所述的LED模块，
其特征在于，
所述至少一个LED阵列包含芯片载体(1)，在该芯片载体(1)上布置所述LED芯片(2)，其中所述芯片载体(1)被布置在所述载体(4)上。
14.根据前述权利要求之一所述的LED模块，
其特征在于，
所述载体(4)具有12mm或更小的宽度。
15.根据前述权利要求之一所述的LED模块，
其特征在于，
所述至少一个LED阵列包含有至少4个LED芯片(2)。
16.根据前述权利要求之一所述的LED模块，
其特征在于，
所述至少一个LED阵列具有至少一个光学元件(12)，用于对由所述LED芯片(2)所发射的辐射进行射束成形。
17.根据权利要求16所述的LED模块，
其特征在于，
所述光学元件(12)是不成像的光学聚能器。
18.根据前述权利要求之一所述的LED模块，
其特征在于，
该LED模块是汽车前灯的部分。
19.LED照明设备，
其特征在于，
该LED照明设备包括多个根据权利要求1至18之一所述的LED模块(11)。
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