CN101210665A

CN101210665A - Led发光单元

Info

Publication number: CN101210665A
Application number: CNA2007101948232A
Authority: CN
Inventors: 陈文杰; 潘国振
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: CN101210665B; US20080157698A1

Abstract

本发明公开了一种具有光产生部分和基座部分的发光单元。基座部分和光产生部分通过一系列匹配连接器可拆卸地连接。光产生部分包括多组LED以及混合结构。基座部分包括将发光单元连接到AC电插座的适配器，所述AC电插座被设计成容纳白炽灯或荧光灯。基座部分还包括对LED供电的控制器。发光单元还包括传感器，在发光单元正常工作期间，传感器周期性地测量与各组LED产生的光强度相关的参数。控制器使用该传感器来控制LED。发光部分还可以包括壳体，该壳体具有传统白炽灯或荧光灯结构或者灯泡的形状。

Description

LED发光单元

技术领域

本发明涉及LED发光单元。

背景技术

发光二极管(LED)是替代基于白炽灯和荧光灯的传统光源的有吸引力的候选对象。LED具有比白炽灯高得多的能量效率，并具有长得多的寿命。另外，LED不需要与荧光灯有关的高电压系统，并且能提供更接近“点光源”的光源。后一特征对于采用准直光学器件或其他成像光学器件的光源特别重要。

为了替代传统白炽灯，LED光源必须包括若干个LED以及对各个LED进行操作的控制电路以提供灯泡替代物，其能够维持恒定色彩并可以以响应于渐变控制的方式改变强度。

LED发射的光处于较窄的光谱段中。因此，为了提供可感受到任意色彩的光源，必须将来自若干个LED的光合并成单一的光结构，或者必须用某种形式的荧光转换层将窄带光转换成具有期望色彩的光。尽管这样使某些LED光源的结构复杂化，但是它也为具有可变色彩或可变强度的光源提供了基础，所述光源通过改变各种色彩的LED所发射光的比率来改变色彩，通过改变对所有LED的功率来改变强度。相比之下，基于荧光管的传统光源发射的光，其色彩和强度是固定的。

基于单个LED的光源在光源能产生的光量方面相对受到限制。通常，LED具有小于几瓦的功率耗散。因此，为了提供替代传统光结构的高强度光源，就必须在每个光源中使用较大数量的LED。

另外，LED会随着使用而老化。通常，光输出会随着使用而减弱，在某些情况下，LED发射的光谱会随着老化而漂移，造成色彩漂移。通常，发射不同色彩光的LED具有不同的老化特性，这是因为LED的老化曲线取决于制造工艺和材料，以及其他因素。在基于三种不同色彩LED的光源中，强度和/或光谱的漂移造成光源发射的光的色彩漂移。为了校正这些问题，许多LED光源包括某种形式的光检测器和控制器，光检测器测量LED产生的光，控制器调整各个LED的驱动电流以维持期望的色彩。

渐变功能和色彩维持功能通常是由某种形式的控制器和向LED提供电流的驱动电路来执行的。对从LED发射的光进行的强度控制通常包括以某个频率打开和关闭LED，该频率对于人类观察者而言过高而感觉不到。通过对LED处于打开状态的驱动周期所占比率来调整强度。维持预设色彩需要光检测器和对驱动电路进行操作的伺服器。另外，还提出了使用电线通信来对光源实现远程控制的其他功能。最后，为了取代传统的白炽灯，光源中必须包括交流(AC)到直流(DC)的转换器，因为LED是以DC方式工作的。所有这些电路在用基于LED的光源代替传统光源的成本中占据了很大比率。

发明内容

本发明包括具有光产生部分和基座部分的发光单元。光产生部分包括多组LED，其每组发射与其他组相比光谱不同的光，一个组包括多个LED。光产生部分还包括光混合结构，光混合结构对LED产生的光进行散射，以产生比LED所产生的光在色彩和强度方面更均匀的光。光产生部分还包括向LED供电的多个光产生部分连接器。各组LED以由光产生部分连接器上接收到的相应信号确定的强度产生光。基座部分包括将发光单元连接到AC电插座的适配器，该AC电插座被设计成容纳白炽灯或荧光灯。基座部分还包括控制器和电能变换器，控制器产生信号并将信号耦合到LED，电能变换器将来自适配器的AC电能转换成对控制器供电的DC电能。基座部分包括连接到控制器的多个基座部分连接器，每个基座部分连接器与光产生部分连接器中相应的一个可拆卸地匹配。发光单元还包括传感器，在发光单元正常工作期间，该传感器周期性地测量与各组LED产生的光强度相关的参数。控制器根据测量参数产生耦合到LED的信号。在本发明的一个方面，传感器包括光检测器，光检测器对各组LED产生的光强度进行测量。在本发明的另一个方面，传感器测量与LED温度相关的温度。传感器可以位于光产生部分或基座部分中。在本发明的另一个方面，基座部分还包括通信接口，用于在控制器与连接到AC电插座的装置之间发送和接收信息。在本发明的另外一个方面，光产生部分包括壳体，壳体容纳LED和混合结构，并且壳体具有与相应的商业可获取的白炽灯或荧光灯匹配的形状和尺寸。

附图说明

图1是现有技术中三色光源40的一个实施例的框图，该光源被建议来替代传统光源(例如白炽灯)。

图2是根据本发明的光源的一个实施例的剖视图。

图3是图2所示光源30一部分的放大剖视图。

图4是根据本发明的光源另一个实施例的剖视图。

图5是图4所示根据本发明另一个实施例的光源80一部分的放大剖视图。

具体实施方式

参考附图1可以更容易地理解本发明获得其优点的方式，附图1是三色光源40的现有技术实施例的框图，该光源被建议来代替传统光源(例如白炽灯)。光源40包括标号50所示的三组LED。红色、蓝色和绿色LED分别用标号42-44表示，并由色彩控制器控制。为了简化附图，每组LED用单个LED表示；但是应当明白，标号42-44所示的每个LED通常是串连连接的各个LED的串。每串中LED的数量取决于光源所要提供的最大功率。LED串通常设有某种形式的混合室，以确保光源射出的光看起来是具有与视角无关的相同色彩的均匀光源，而不是点光源的集合。

光源40包括色彩传感器46，色彩传感器46对LED产生的光在光混合之后进行采样。色彩传感器46产生三个信号，这些信号表示每串LED所产生的光的强度。本领域公知多种不同的LED强度测量方案，因此这里将不详细讨论各种方案的细节。为了此处讨论的目的，将假定色彩传感器46由三个光电二极管组成的组及处理器构成，每个光电二极管具有相应的带通滤波器，带通滤波器将到达该光电二极管的光限制在三个光谱段之一，处理器根据这些光电二极管的输出计算各串LED产生的光强度。但是，也可以采用本领域公知的许多其他形式的色彩传感器。

LED以对于人眼而言过快而不能感觉到的速率打开和关闭。观察者只能看到LED所产生的平均的光。通过设定各个周期中LED处于打开状态的时间所占百分比来设定经过LED的平均电流，而不是通过改变经过LED的恒定电流大小来设定。设定占空循环将光源的色彩维持在目标值并设定光源产生的光的总强度。

通过伺服环路来维持光源40的色彩，所述伺服环路将色彩传感器46的输出与光源控制器48提供的目标值进行比较。差值电路47产生观察到的信号与目标信号之间的差，该电路的输出供给脉宽调制发生器49。脉宽调制发生器49调整各组LED的占空因子以将误差信号减至最小。一组电流驱动器51-53向各组LED提供电流。

LED和控制电路需要DC电能。因此，光源40必须包括某种形式的DC电源56，该电源56将普通的AC电线电能转换成DC。为了简化附图，略去了电源56与由其供电的部件之间的各种电能连接器件。

由于光源40已经包括了相当大量的计算和控制电路，所以建议控制电路应该利用通信接口55，该通信接口55使光源可以直接从用户或通过AC电线从某些主控制装置接收命令。这些命令可以对光源提供的光的色彩进行设定、提供光源的渐变功能、或者打开和关闭光源。

本发明基于这样的观点：在单个“灯泡”封装中提供上述所有功能在经济上是低效的。首先，应当注意，控制电路和电源部件具有比LED部件长得多的寿命。这在高功率LED的情况下特别相符。因此，抛弃整个灯泡造成了长寿命部件的损失。这些长寿命部件占据了灯泡成本中很大的比例，因此在它们的可用寿命结束之前就抛弃它们增加了发光系统的成本。

现在参考图2，图2是根据本发明的光源的一个实施例的剖视图。光源30包括两个单独的部件，即基座单元31和光产生单元32。基座单元31包括与传统灯泡插口匹配的适配器33。基座单元31还包括电能变换器34和控制器35，控制器35设有驱动器、伺服环路、光检测器，在带有通信接口的情况下，通信接口也设在控制器35中。控制器35设置成使得在对光源通电时，光检测器接收到来自光产生部分32的光。

光产生部分32包括LED 37和光混合结构39。光产生部分32还可以包括壳体38，壳体38提供传统灯泡的外观。壳体38还可以用于确保光源30具有与传统灯泡相同的外部尺寸，以使为传统灯泡设计的灯罩或其他装置可以用于光源30。

最后，光产生部分32包括若干个插头，这些插头与基座部分31中相应的插口匹配。如果光源30被设计成提供了色彩可变的光源，则通常对于每种色彩的光会有一个插头36，再加上一个提供公共接地的插头。但是也可以采用其他数量的插头。

现在参考图3，图3是光源30一部分的放大剖视图。光产生部分32包括多个LED 37，这些LED安装在衬底62上并连接到衬底62，衬底62包括为各个LED供电的电迹线。为了简化附图，已经略去了LED到衬底62的电连接结构。通常，混合结构39是通过将这些LED包封在带有散射中心的透明材料中实现的，所述透明材料例如环氧树脂或硅酮，所述散射中心对LED产生的光进行散射。因此，光源看起来像是具有混合结构尺寸的扩大的光源，而不是单个的LED。反射器61将沿侧向散射的光重定向到向前的方向。

衬底62包括透明窗口66，透明窗口允许混合结构中的一小部分光到达光检测器64。根据LED产生的光的色彩对这些LED进行分组。一种特定色彩的所有LED都连接为一个或多个LED串中。在各个串中，LED串联连接，使每个LED接收到相同的电流。光源中存在多种色彩的LED。光检测器64提供多个强度信号，每个信号测量了特定波长段中的光。伺服控制器65保持经过各个串的电流，使得离开光源30的光感觉上是与LED老化无关的预定色彩。伺服控制器65包括用于各个串的驱动器，并经过与插头36匹配的插座63将电能耦合到光产生部分32。

为了简化图3，图中已经略去了电源和可选的通信接口。通信接口可以包含在伺服控制器65中。应当注意，光检测器64可以是与伺服控制器65同一芯片的一部分，因为这两个部件都可以构造为CMOS。

在上述实施例中，光检测器包括在基座部分而不是光产生部分中。但是，也可以构造成光检测器包括在光产生部分中那样的实施例。现在参考图4，图4是根据本发明的光源的另一个实施例的剖视图。光源80类似于上述光源30。但是，图2所示控制器35已经被分为不带光检测器功能的控制器71以及作为光产生部分一部分的光检测器72。光检测器72连接到两个或多个以标号36表示的插头。

光检测器72优选地安装在这样的位置：在该位置处它可以以相同的效率对所有LED产生的光进行采样。在光源80中，光检测器72安装在壳体38内部。但是，也可以构造成光检测器安装在混合结构39中那样的实施例。

在本发明的上述说明中，混合结构39与壳体38分开。但是，也可以构造成壳体38还具有混合功能这样的实施例。例如，壳体38的表面可以包括散射中心，所述散射中心以类似于毛玻璃灯泡的方式执行混合功能。或者，混合结构39也可以由固体材料(例如环氧树脂)构成，其形状设置成模拟了传统灯泡的形状。

应当注意，根据本发明，基座部分可以与多个不同的光产生部分一起使用。因此，减小了必须保留的单独零件的数目。另外，由于基座部分中的部件具有比光产生部件中的LED更长的寿命，所以在更换光产生部分时可以反复利用基座部分。

如上所述，在本发明的一个实施例中，基座部分包括通信接口，该通信接口通过电线连接来发送和接收信息。这种电线数据通信是本领域公知的，因此将不在这里详细说明。在本发明中，可以用通信接口来设定由光源产生的光的色彩。用于指定要维持的色彩的一种方法是储存针对检测器信号的目标值。在此情况下，控制器对LED电流进行修正，使得光检测器信号与所储存的目标值匹配。

如果基座部分被设计成只对一种光产生部分有效，则可以用所要保持的目标值对控制器进行预编程。但是，如果要将基座部分用于多种光产生部分，或者需要色彩在光源工作期间处于用户控制之下，则需要某些方式来输入所要采用的目标值。可以用适当的控制台或计算机接口来为这种编程功能使用通信接口。另外，可以通过与使用电线通信接口的家用自动化系统中所用方式类似的方式，用通信接口由家用控制器对光进行控制。在这样的方案中，用户可以在光源工作期间对光源的色彩和强度都进行变更。

本发明的上述实施例使用了光传感器来校正由老化造成的色彩漂移。但是，热效应也可能造成色彩漂移。随着LED受热，电能向光能的转换效率下降。对于不同色彩的LED，转换效率下降不同。因此，即使没有老化现象，也需要某种形式的色彩校正将来自光源的光的色彩保持在期望的色彩点。

与色彩传感器相比，由于热效应造成的色彩漂移原则上可以通过使用温度传感器来进行校正。与老化造成LED输出减小所经历的时间相比，热效应造成发生色彩漂移所经历的时间通常较短。因此，可以对由于发热造成的改变进行标定来为各个LED确定光输出随温度变化的曲线。该曲线对于光源打开后某个预定长度的时间是有效的。另外，也可以对具体种类的LED的老化速率也可以标定为LED在特定电流下打开的时间量的函数。因此，如果已知各个LED的温度和总工作时间，则控制器可以对发往各个LED的电流进行校正，从而将LED老化和光源的电流温度这些因素考虑进来。应当注意，由于控制器已经包括了某种形式的时钟来对发往LED的波形进行定时，所以控制器可以跟踪各个LED的工作时间。

现在参考图5，图5是根据本发明另一个实施例的光源80一部分的放大剖视图。光产生部分82包括多个LED87，这些LED安装在衬底90上并连接到衬底90，衬底90包括用于对各个LED供电的电迹线。LED还与导热层83接触，该导热层将来自LED的热量传递到热辐射表面(例如表面85)。可以通过测量层83或表面85的温度来测量这些LED的温度。例如，热传感器84可以设置在层83上并通过标号91所示的插头中的两个连接到控制器89。或者，基座部分81中可以包括红外传感器88。传感器88可以监视表面85并产生与表面85的温度相关的信号。传感器88也可以由对表面85的温度进行测量的热敏电阻代替。

实际上，与使用基于光检测器的伺服系统相比，基于测量光源的温度并使用标定曲线来改变供给各个LED的平均电流这样的控制策略需要的计算资源更少。在基于伺服的系统中，光检测器必须测量光源中各串LED的光输出。通常，光检测器包括三个光电二极管，每个光电二极管上带有带通滤波器。实际上，即使带有带通滤波器，每个光电二极管也会从超过一种色彩的LED接收到光。因此，控制器必须对光电二极管输出信号进行数学校正，以提供与各串LED的光输出相关的信号。这需要相当多的计算资源。

另一方面，温度传感器可以用与装有LED的衬底相连的热敏电阻来实现，或者通过用红外光电二极管监视衬底来实现。可以用红外光电二极管来代替图3所示的光检测器64。在此情况下，因为红外检测器只需监视衬底62的底表面，所以不需要窗口66。因此在通过测量温度而控制的系统中，传感器更简单、更便宜。其次，与对光电二极管信号进行校正所需的计算资源相比，实现对照表所需的计算资源要少得多，所述对照表是保存了对于各种LED而言，温度随着效率的变化数据。

因此，可以对成本因素以及对由于老化和温度造成的色彩漂移进行校正的精度二者进行权衡。对于照明目的，改善色彩控制并不一定总是值得付出额外代价。

根据前述说明以及附图，本领域技术人员可以明白对本发明的各种变更。因此，本发明仅由权利要求的范围来限定。

Claims

1.一种发光单元，包括：

光产生部分，包括：

一组或多组LED，其每组发射与其他组相比光谱不同的光；和

多个光产生部分连接器，其向所述LED提供电能，每组LED以由所述光产生部分连接器上接收到的相应控制信号所确定的强度产生光；以及

基座部分，包括：

控制器，其产生所述控制信号并将所述控制信号耦合到所述光产生部分连接器；和

多个基座部分连接器，其连接到所述控制器，每个基座部分连接器与所述光产生部分连接器中的相应一个可拆卸地匹配。

2.根据权利要求1所述的发光单元，还包括适配器，所述适配器将所述发光单元连接到AC电插座，所述AC电插座被设置成容纳白炽灯或荧光灯；以及

电能变换器，将来自所述适配器的AC电能转换成对所述控制器供电的DC电能。

3.根据权利要求1所述的发光单元，还包括光混合结构，所述光混合结构产生的光输出比所述LED组所产生的光输出在色彩和强度方面更加均匀。

4.根据权利要求1所述的发光单元，还包括传感器，在所述发光单元正常工作期间，所述传感器周期性地测量与各组LED产生的光的所述强度相关的参数，所述控制器利用所述参数来产生所述控制信号。

5.根据权利要求4所述的发光单元，其中，所述传感器包括光检测器，所述光检测对所述组LED各自产生的光的所述强度进行测量。

6.根据权利要求5所述的发光单元，其中，所述传感器位于所述光产生部分中。

7.根据权利要求5所述的发光单元，其中，所述传感器位于所述基座部分中。

8.根据权利要求4所述的发光单元，其中，所述传感器包括用于测量与所述LED相关的温度的装置。

9.根据权利要求8所述的发光单元，其中，所述LED与热传播层进行热接触，所述热传播层具有与所述LED之一的温度相关的温度，并且其中，所述传感器测量所述热传播层的所述温度。

10.根据权利要求9所述的发光单元，其中，所述传感器包括温度传感器，所述温度传感器附装到所述热传播层并通过所述光产生部分连接器连接到所述控制器。

11.根据权利要求9所述的发光单元，其中，所述传感器包括所述基座部分中的红外检测器。

12.根据权利要求2所述的发光单元，其中，所述基座部分还包括通信接口，所述通信接口用于在所述控制器与连接到所述AC电插座的装置之间发送和接收信息。

13.根据权利要求3所述的发光单元，其中，所述光产生部分还包括壳体，所述壳体容纳所述LED和所述混合结构，所述壳体具有与相应的商业可获取的白炽灯或荧光灯匹配的形状和尺寸。