CN101182909B - 智能led照明灯泡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效节能的智能LED照明灯泡，由内置有智能控制电路板和蓄电池的铝制散热器外壳和设在该散热器外壳前部的发光体组成，发光体具有一块表面厚膜封装有LED发光芯片灯阵的镀镍铝基电路板，在该电路板前环绕LED发光芯片装有荧光粉杯；本发明的控制电路由桥式整流电路、开关恒流源电路和信号反馈电路等组成。实际制作中，通过将具有宽输入电压范围、自动温度亮度控制、开关恒流源主变换器、等效负载扩容控制、应急照明控制等功能电路一并封装于灯泡内的方式，将LED板、散热器、控制电源、蓄电池、应急照明控制等各部件统一设计，形成一体化结构的LED照明灯泡，满足了LED光源的特殊要求并可与传统灯具配套通用。

Description

智能LED照明灯泡 

所属技术领域 

本发明内容属于半导体照明灯具(LED)技术领域，涉及一种高效节能的智能LED照明灯泡。 

背景技术

迄今在各类电器设备中用电量最大的是照明设备。目前我国每年照明用电量占全国年度总发电量的20％左右，采用可节约电能的半导体照明灯无疑是构建节能型社会的重要因素。近年来，随着国家绿色照明工程启动，国家发展和改革委员会等多部门共同组织实施了旨在节约电能、保护环境、改善照明质量的活动，半导体照明灯已经作为“国家绿色照明工程”中明确推广应用的主要产品。 

目前LED照明领域公知的LED灯泡的发光体都采用由多只LED灯珠组成的阵列，LED灯珠由发光芯片、电源引线、封装透镜等部件组成，产品虽具有能耗较小、寿命较长、环保性能好等优点，但其在实际使用过程中仍存在有如下归结的问题。 

1、由于LED灯珠选用引线插件结构，散热全靠两根金属线，工作过程中，LED发光芯片产生的热量不能有效的散发，长期的热积累会降低LED的发光效率，使LED产生快速光衰。在实际工程使用中为了降低LED温度，不得不采用减小LED使用电流及LED发光功率的方法，这样也就在相当程度上降低了LED的光利用率和配光效果。 

2、LED需要直流低压恒流供电，在输入电源电压较高时为了提高供电效率，一般都采用开关电源为LED提供低压恒流电源。以往常采用的开关电源工作方式有：反激式、正激式、斩波式等降压方式，上述方式在用于小功率LED供电时，存在有电路较复杂、成本较高、控制功耗较高、功率器件反压较高、输入电压范围较低等不足。 

3、在由多只LED串联组成的阵列中，由于各LED元件参数不完全一样，其中承受功耗较大元件的芯片的发光部位就会因为过热而 损坏，而当LED温度过高时，也会使其发光效率急剧降低，产生严重的半导体光衰，缩短LED的寿命。 

4、目前公知的LED照明灯不能进行亮度控制，不利于更好地节能和延长LED的使用寿命。 

5、现有技术中，由于单只LED灯的功率较小(3W以下)，尚达不到多数场合的照明要求，所以由LED灯组成照明灯具时，单只LED灯必须通过串联、并联方式组成阵列，这样使用过程中就会出现在一个串联支路中只要有一只LED灯开路便导致该支路LED灯全部熄灭的现象，同时当一个支路断开时，其它支路电流将会增大，严重影响照明效果。此外，由多个LED灯通过串联或并联方式组合而成的LED阵列灯在工作过程中，由于LED的正向压降具有一定的分散性，为使其正向电流保持不变，目前LED灯阵一般都采用恒流驱动模式供电，常见的组合方式为串并混联，在这种混联电路中，为实现每只LED恒流驱动，一般是在每个并联支路中串入电流采样电阻，然后把每一支路的电流采样信号送到比较器中与基准信号比较，误差信号经放大后经PWM控制器和功率开关管构成的恒流源控制器控制每一支路的电流，从而实现恒流驱动，但采用这种控制方式时，每一并联电路都需要独立的驱动电路。因此并联支路越多，驱动电路的成本越高，产生故障的概率也越高。 

6、现在各种场所的应急照明系统功率都很大，所以EPS应急照明电源必须输出足够大的功率，并且要保持一定的应急照明时间，因此所需的蓄电池的容量很大，充电器和逆变器的输出功率也很大。当EPS系统功率较大且应急照明覆盖面积较大时，LED灯系统的造价、工程成本及维护成本都很高；另一方面，当应急照明覆盖面积较大时，一旦EPS照明系统出现故障，将会导致大面积照明中断，造成极大的经济损失。此外，在目前LED灯系统的工作过程中，交流市电首先通过充电器对电池充电，再通过逆变器给照明灯具供电，能量经过多次转换后损耗较大，转换效率很低。 

7、除上述问题外，现有LED照明灯还存在有成本较高、安全绝缘性差、不利于日常维护清理等不足。 

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的不足，进而提供一种结构新颖、同等照度下耗电量低、散热性能好、成本低、易于安装和日常维护清理、可与传统灯具配套通用且照明效果好、用途广泛的智能LED照明灯泡。 

本发明的目的是通过以下所述的技术解决方案实现的：所提供的智能LED照明灯泡由内置有智能控制电路板和蓄电池的铝制散热器外壳以及装设在铝制散热器外壳内前部的发光体组成，在铝制散热器外壳的前端装有高导光率透镜，在铝制散热器外壳的后部装有绝缘灯座和导电灯头，其中的发明点包括：一、所说的发光体具有一块可紧固装在铝制散热器外壳上的镀镍铝基LED封装电路板，在LED封装电路板前表面处厚膜封装有多颗组成行列式灯阵的LED发光芯片，在LED封装电路板前环绕LED发光芯片安装有荧光粉杯，在荧光粉杯内涂有用以配色、配光及保护LED发光芯片的荧光粉和硅橡胶混合物，在LED封装电路板上同时焊装有感光器；二、智能控制电路板的输入端外接至交流或直流电源，蓄电池并联在智能控制电路板的电池控制输出端，镀镍铝基LED封装电路板上所设LED灯阵列的输入端并联在智能控制电路板的LED封装板控制输出端上。具体实施中，通过将具有宽输入电压范围、自动温度控制、自动亮度控制、开关恒流源主变换器、等效负载扩容控制、蓄电池维护控制电路、应急照明控制、开关识别控制等功能的电路以及LED封装板、散热器式外壳、蓄电池等各部件一并封装于灯泡铝制散热器壳体内的方式，形成一体化结构的智能LED照明灯泡。这种一体化结构的智能LED照明灯泡满足了LED光源的特殊要求，同时具有通用性，可与传统灯具配套通用，极大程度地拓展了LED照明的工程应用范围。 

附图说明

图1为本发明一种实施例的安装结构示意图。 

图2为LED封装板的结构示意图。 

图3为本发明采用的电路结构示意图。 

图4为本发明的智能控制电路原理框图。 

图5为本发明的LED等阵列电路原理图。 

图6为带有稳压管的LED原理图。 

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的内容做进一步说明，但本发明的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。 

参见图1～图2，本发明所述的智能LED照明灯泡由铝制散热器外壳2、智能控制电路板3、应急照明用蓄电池4、绝缘灯座5、高导光率透镜6、反光杯7、导电灯头8和灯泡发光体等部分组成。其中的灯泡发光体由其上封装有多颗LED发光芯片9的LED灯阵列的镀镍铝基LED封装电路板1构成，在LED封装电路板1前环绕LED发光芯片9安装有荧光粉杯10，在荧光粉杯10内涂有荧光粉和硅橡胶混合物，在LED封装电路板1上同时焊装有感光器11。智能控制电路板3上设置的控制电路包括宽输入电压范围、自动亮度控制、自动温度控制，开关恒流源主变换器，等效负载扩容控制，蓄电池维护控制，应急照明控制，开关灯识别控制等控制功能电路。 

在图1所示的实施例结构中，采用将蓝光发光芯片(BLED)9直接厚膜封装在表面镀镍铝基电路板上，制作成镀镍铝基电路板BLED发光板1，再将BLED发光板紧固在铝制散热器外壳2上，这样可使产品散热性能提高了6倍以上，大大降低了BLED温度，延长了BLED的使用寿命，工作中可加大单颗BLED的通过电流，增大BLED发光功率，有效提高了BLED光利用率，而且在相同亮度条件下减少了BLED使用数量，降低了BLED光源的成本。另外采用在普通铝基电路板铜箔表面电镀10μm镍箔，把单颗BLED直接焊接在镍箔表面，在BLED表面涂上一层荧光粉和硅橡胶混合物，用以配色、配光，在LED封装电路板1前环绕LED发光芯片9安装有荧光粉杯10，在LED芯片后的荧光粉杯内涂有硅橡胶物，对BLED及焊点进行保护，提高抗拉强度和防止氧化。和常用铝基电路板铜箔表面镀金工艺比较，这种工艺能够极大程度地降低电路板成本。由多颗BLED组合的BLED光源板产生的是蓝光，表面是颗粒状，其泛光效果是不连续的，而表面的颗粒状也不利于日常维护清理，安全绝缘性差，本发明采用在BLED铝基发光 板前方封装荧光粉杯10。将该荧光粉杯内部制作成深度1mm直、径25mm圆形荧光粉槽，在该槽内按白光LED(WLED)色温要求(4000～6500K)均匀加入适当剂量的黄光荧光粉混合硅胶，使LED灯泡发出符合色温要求的白光。本发明设计的荧光粉杯的结构限制了荧光粉外泄，方便控制荧光粉剂量以控制LED灯管色温；有利于荧光粉黄光激发；荧光粉杯10内荧光粉是均匀的，可以把BLED产生的蓝色点光源转化为连续白光；透镜内外表面是光滑的，外表面为圆面凸透镜形式，可以把LED灯管光强较强的中心白光带散射为光强柔和的大面积连续白光，大大改善配光效果；另外光滑的透镜外表面也有利于日常维护清理。 

该灯泡的散热器外壳2采用铝材料制作，除具有良好的散热特性外，它还具有制作成本低、刚性和耐用性好、可方便拆卸以及易于与BLED铝基电路板结合、重量轻等特点。灯泡末端的灯座5采用绝缘强度高、耐高温、耐老化的工程塑料制成，可与普通白炽灯、节能灯的灯座完全兼容，安装非常方便。 

为克服现有技术中存在的在一个LED灯串联支路中只要有一只LED灯开路便导致该支路LED灯全部熄灭的缺陷，本发明在构成LED发光芯片阵列的每只半导体照明灯9a的两端各并联一只稳压管9b，形成一种如图6所示的自我保护型半导体照明灯9。LED导通压降2.8～3.6V，采用4V稳压管。这样，当LED灯9a正常工作时，正向电压小于稳压管9b的击穿电压，稳压管9b对照明电路无任何影响；当其中的一只LED灯9a开路时，与其并联的稳压管9b因承受的电压较高而击穿，从而使该串联支路中的其他LED照常工作，从而保证照明效果不受影响。在工作过程中，当驱动电压过高时，LED灯承受的电压过高，有可能损坏LED灯，而采用上述保护技术后，便可将每一只LED灯的电压限制在4V以下，确保LED灯的安全工作。为了降低保护电路的成本，也可以采用将多只串联LED灯用一只稳压管保护的结构。 

本发明所述智能LED照明灯泡的控制电路的工作原理如图3所示，智能控制电路板3输入端外接至交流或直流电源12，蓄电池4 并联在智能控制电路板的电池控制输出端，镀镍铝基LED封装电路板1上所设LED灯阵列I的输入端并联在智能控制电路板的LED封装板控制输出端上。在图4所示的实施例结构中，智能控制电路板3上设置的主控制电路由桥式整流电路、开关恒流源电路和信号反馈电路组成，电源输出信号经桥式整流电路通至开关恒流源电路的电压输入端，开关恒流源电路的输出端电压加在LED灯阵列I上，信号反馈电路的输入端与LED灯阵列I的采样信号输出端联接，信号反馈电路的反馈信号输出端联接至开关恒流源电路的控制输入端。 

本发明通过图4所示的实施例赋予了该LED照明灯泡多种实用性功能结构，包括宽输入电压范围、自动温度控制、自动亮度控制、开关恒流源主变换器、等效负载扩容控制、蓄电池维护控制电路、应急照明控制、开关识别控制等功能结构，以下将对之择要进行归类描述。 

1、宽输入电压范围开关恒流源 

如图4所示：电源输入端接入由D1、D2、D4、D5、C2等组成的桥式整流电路，不仅可对交流电源进行整流，也能对直流电源进行极性定向，可自适应交流和不同极性直流供电系统。整流后的直流电压(Ui)通过内置功率开关管的PWM控制电路U1(ZH888)、光电隔离器U2、变压器T1、二极管D5、D7、D3、电解电容C6组成宽输入电压范围开关恒流源电路。该电路能在输入直流36V～400V DC，及输入交流36V～300V AC电压时保证正常工作，其输入电压范围能适应全球任何国家和地区交直流供电环境的要求。另外为了提高安全性，满足IEC按规指标的要求，恒流源输入和输出电气隔离。 

2、自动温度亮度控制功能 

在本发明设计电路中加入了恒流源自动温度亮度控制电路。如图4所示：内置功率开关管的PWM控制电路U1的反馈控制电路由U2、N1、R3、R5、R7、R25、R31、LX1、TX1、Z1组成，感温器件TX1为负温度系数。当灯体温度升高时，TX1阻值减小反馈电压增大，闭环控制恒流源输出电流减小。采用自动温度控制后，可以把LED灯板的温度控制在更合理的范围内，降低光衰、大幅度延长LED照明灯使用寿命；当亮度变化时，感光器件LX1的阻值变化，反馈电压变化， 闭环控制恒流源输出电流。采用自动亮度控制技术后，半导体照明灯的工作电流可随环境亮度改变，进一步提高LED的节能效果。当环境光线较亮时，可以自动降低LED的工作电流，这样，不但节能，还可以提高LED的工作可靠性，延长使用寿命。当环境光线较暗时，自动增加LED的工作电流，保证照明效果。而在LED因长期使用而产生光衰时，自动加大LED的工作电流，保证照明质量，这样可以延长LED的使用寿命。 

3、主变换器输出过压及短路保护功能 

在本发明设计电路中加入了主变换器输出过压及短路保护电路。如图4所示：在PWM控制器U1的反馈控制电路中接入稳压管Z1、，当输出电压U0过高时，稳压管Z1、被击穿，反馈电压改变，从而可使恒流源的输出电压限制在规定数值(UZ1)，确保LED可靠工作；此外PWM控制器U1具有完善的限流、过流及过温保护功能，能保证恒流源在长期输出短路状态下不损坏。 

4、等效负载扩容功能 

在本发明设计电路中加入了等效负载扩容恒流源电路。如图5所示：LED发光芯片阵列由多只按先串再并混联方式联接的LED灯组成，宽输入电压范围开关恒流源的输出控制端加在LED发光芯片阵列上。在LED发光芯片阵列内的各并联LED发光芯片灯支路上均串联一个由采样电阻(图中R1、R2、Rn)构成的采样电路，LED发光芯片阵列的采样信号输出端通过一个采样信号比较器接至开关恒流源的输入端，采样信号比较器的信号输入端取自在LED发光芯片阵列内一路采样电路的输出端。工作中，采样LED支路电流(IS)采样信号(US)输出端通过采样信号比较器反馈控制开关恒流源输出电流。因为LED灯阵上的其它支路和采样支路负载特性完全等效，且其又并联于同一电源上，因此其它支路通过的电流和采样支路电流IS相等且恒流。开关恒流源输出电流(IO)为各并联支路输出电流之和。可很方便的增加或减少串联LED支路，以改变LED灯阵的总功率，从而达到提高LED灯工作可靠性，方便改变LED灯阵的输出功率的作用。采用等效负载扩容技术后，把LED发光板上的并联支路增加，把各支路串联的LED 芯片数减少，一方面降低了开关恒流源输出电压，有利于提高LED芯片的可靠性，另一方面，即使某串联支路损坏，不影响其它支路电流，对LED灯板的整体照明影响也很小。 

5、可变功率LED应急照明功能 

在本发明设计电路图4中加入了可变功率LED应急照明功能。参见该图，在开关恒流源输出上并联充放电控制电路、蓄电池(BAT)、应急照明控制电路组成应急照明电路。蓄电池可以根据应急照明的功率及时间要求，选用多节串联或并联，以提高电压和容量等级。蓄电池充放电控制电路的输入端并结在主变换器输出端，因为主变换器采用了等效负载扩容技术，在主变换器功率容限范围内，给蓄电池充电不影响LED发光板的恒流供电。充放电控制电路的输出端通过应急照明控制电路联接在LED灯阵上。在灯体内加入小体积、高容量、长寿命、安全可靠性高的磷酸铁锂电池，充放电控制器对锂电池进行控制，延长电池使用寿命。实际使用中，当市电正常时，开关恒流源给LED灯阵供电，LED灯阵全功率照明，同时通过充放电控制器为蓄电池充电；当市电中断且满足应急照明条件时，应急照明控制器控制蓄电池为LED阵列供电。根据应急照明亮度、时间的要求，调整应急照明电流大小，使应急照明功率可变。LED要求直流供电，蓄电池输出直流电压不需要经逆变器转换为交流电压，转换效率较高，因此可以用体积小、重量轻的小容量电池置于灯体内部，进行较长时间的应急照明，进而实现从EPS应急照明系统到“可变功率LED应急照明灯”的转化。采用上述方案的技术具有设计结构简单合理、使用性能可靠、能量转换效率高等优点，它较好地解决了EPS应急照明系统造价很高、工程成本和维护成本很高以及一旦EPS照明系统出现故障而造成大覆盖面积应急照明区域中断照明等问题，提高了应急照明的可靠性，降低了成本。 

图4所示电路的工作结构还包括充电控制、放电及应急照明智能控制、应急照明恒流源，开关灯识别控制等控制功能部分，以下结合该附图对各部分的工作过程加以简要说明。 

5.1充电控制 

充电控制器由U3(MC34063)、L1、C8、C7、C9、R10、R12、R14、D6、D9和磷酸铁锂蓄电池(BAT)组成。采用开关降压式恒流转恒压充电模式。充电开始时，充电控制电路以恒定电流对锂电池充电，当单节磷酸铁锂电池充电压达到最高充电电压3.65V后，充电电路自动转换为恒压充电，锂电池充电电流减到零，进入浮充电状态。 

5.2、放电控制、应急照明控制、开关灯识别控制 

放电控制、应急照明控制、开关灯识别控制由U5(MC14024)、M1、N2、N3、N4、P1、LX2及其外围器件组成。当单节磷酸铁锂电池放电电压达到最低电压2.5V时，放电控制电路自动关闭使放电输出电压(UE)为零，且锁定关闭状态。仅在下次锂电池充电后且符合应急照明条件时才打开放电回路。本发明设计结构的允许应急照明条件是：仅当单节电池电压高于2.5V；市电条件为(0)；亮度条件为(0)；无关断应急照明全满足时，放电及应急照明智能控制器有电压输出，其输出电压和电池电压基本相等。本发明设计结构的关断应急照明条件是：当市电开关在3S内连续关断两次时智能关断应急照明，且自锁关断状态，当下一次有市电时复位。 

5.3应急照明恒流源 

应急照明恒流源由U4(ZH885)、L12、D8、D4、C5、C21、Z2、Z4、R1、R20、R24及其外围器件组成。采用开关升压式恒流输出方式。当智能控制允许有UE输出时，U4升压输出VE。VE通过图4上D8为LED灯阵供电，采样电阻R1上产生采样电压US反馈给U4控制端5端，闭环控制使IS恒定，进而使其它等效负载电流恒定。本发明设计中主电流源和应急电流源不会同时工作，因此共用一个取样支路。电路中Z2、起到钳位防止输出开路产生高压的作用，升压恒流源设计成为具有输出短路、过流保护功能模式。 

Claims (6)

1.一种智能LED照明灯泡，其特征在于由内置有智能控制电路板(3)和蓄电池(4)的铝制散热器外壳(2)以及装设在铝制散热器外壳(2)内前部的发光体组成，在铝制散热器外壳(2)的前端装有内外表面光滑的高导光率透镜(6)，在铝制散热器外壳(2)的后部装有绝缘灯座(5)和导电灯头(8)，其中：

1.1所说的发光体具有一块可紧固装在铝制散热器外壳(2)上的镀镍铝基LED封装电路板(1)，在LED封装电路板(1)前表面处厚膜封装有多颗组成行列式灯阵的LED发光芯片(9)，在LED封装电路板(1)前环绕LED发光芯片(9)安装有荧光粉杯(10)，在荧光粉杯(10)内涂有荧光粉和硅橡胶混合物，在LED封装电路板(1)上同时焊装有感光器(11)；

1.2智能控制电路板(3)输入端外接至交流或直流电源(12)，蓄电池(4)并联在智能控制电路板的电池控制输出端，镀镍铝基LED封装电路板(1)上LED灯阵列(I)的输入端并联在智能控制电路板的LED封装板控制输出端上。

2.根据权利要求1所述的智能LED照明灯泡，其特征是在镀镍铝基LED封装电路板(1)前表面处厚膜封装有多颗组成行列式灯阵的LED发光芯片(9)，其为BLED发光芯片(9)，在荧光粉杯(10)内涂有黄色荧光粉和硅橡胶混合物。

3.根据权利要求2所述的智能LED照明灯泡，其特征是在镀镍铝基LED封装电路板(1)表面电镀10μm镍箔，将单颗BLED发光芯片(9)直接焊接在镍箔表面，在BLED发光芯片(9)及焊点表面涂敷一层荧光粉和硅橡胶混合物。

4.根据权利要求1所述的智能LED照明灯泡，其特征在于LED发光芯片阵列包括多只通过串、并联组成阵列的自保护型半导体照明灯(9)，每只自保护型半导体照明灯(9)均由一只半导体照明灯(9a)和一只与该半导体照明灯(9a)并联的稳压管(9b)组成。 

5.根据权利要求1所述的智能LED照明灯泡，其特征在于智能控制电路板(3)上设置的主控制电路由桥式整流电路、开关恒流源电路和信号反馈电路组成，电源输出信号经桥式整流电路通至开关恒流源电路的电压输入端，开关恒流源电路的输出端电压加在LED灯阵列(I)上，信号反馈电路的输入端与LED灯阵列(I)的采样信号输出端联接，信号反馈电路的反馈信号输出端联接至开关恒流源电路的控制输入端。 

6.根据权利要求5所述的智能LED照明灯泡，其特征在于LED灯阵列(I)由多只按先串再并混联方式联接的LED灯组成，开关恒流源电路的输出控制端加在LED灯阵列(I)上，在LED灯阵列(I)内的各并联LED发光芯片灯支路上均串联一个由采样电阻构成的采样电路，LED灯阵列(I)的采样信号输出端通过一个采样信号比较器接至开关恒流源电路的输入端，采样信号比较器的信号输入端取自在LED灯阵列(I)内一路采样电路的输出端。 

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