CN101365929A - 具有集成的温度传感器功能的光传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种特别用于基于LED的灯的光传感器。所述光传感器包括至少一个光电传感器(1)和温度传感器(2)。所述光电传感器(1)和温度传感器(2)被集成在公共外壳内的公共基板上。
Description
背景技术
灯和灯系统正越来越多地被基于发光二极管的灯和灯系统所取代。基于LED的灯的主要优点在于，发光二极管具有显著更高的效率和长得多的使用寿命。此外，美感因素在许多应用中起到了主导作用。在这里，由于基于LED的灯和灯系统提供了附加的设计选项，因此同样可以优选地使用基于LED的灯和灯系统。
发光二极管的最初的典型应用领域(比如信号灯)正在持续发展。已经使用多个LED互连来替代较大的信号灯(比如交通信号灯)。此外，在汽车领域中，发光二极管灯系统被用于倒车灯、停车灯和方向指示器系统。在前灯中使用LED正处于实验阶段。
未来还将把LED灯使用在专业灯系统的领域中(专业市场)和消费者领域中。在这些领域中，特别好的颜色质量以及根据用户的期望把灯颜色(或色温)适配于不同条件的可能性都是特别重要的。但是这又需要所述LED灯系统满足某些技术前提。
通常来说，白光例如由几种不同着色的发光二极管的组合产生。原则上白光由例如红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)发光二极管的颜色混合生成。各单独LED的光谱和亮度级受到控制，从而产生具有必要的特性特征的所期望的光。因此，除了白光的亮度和色温之外，例如还可以通过借助于特殊信号仅仅控制发光二极管的非常特殊的组合来设置不同颜色，以便例如仅仅生成红色(R)或黄色光(作为G和B的组合)。
这些设置可能性预示着对灯的各单独LED的特定电子控制。此外，传感器电子装置或传感器逻辑是必要的，其检测所述基于RGB的LED灯的特性，以便把该信息传送到所述控制电子装置，所述控制电子装置于是可以操纵对所述LED的控制从而达到所期望的操作点。因此，为了控制及设置LED灯的特性，电子调节是必要的。为此目的，可以使用检测灯的光谱和/或LED的温度的光敏组件和/或温度敏感元件，以便基于其信号来操纵所述LED的属性。
特别地，基于LED的灯系统的高温导致光谱的显著改变。在观察LED的光谱的典型温度行为时，除了在该处出现辐射最大值的波长的改变之外，可以确定的是该最大值的减小以及发光能力本身都是十分重要的，并且导致对RGB(A)灯的总光谱的强烈影响。为了补偿这一效应，电子调节是必要的。
光电传感器和/或温度传感器被使用在控制及设置基于RGB(A)的LED灯和灯系统的颜色或色温以及亮度的已知方法中。除了特定光谱组合的所期望的设置之外，所述传感器还被用来随着灯的老化和温度波动保持灯特性恒定，从而使得这些效应不会影响所述灯特性。为此目的，由所述传感器检测及评估所述LED特性，以便随后根据固定算法来影响各单独LED[RGB(A)]的控制电子装置。通常来说，通过幅度和/或脉冲宽度调制来减小或增大所述LED的各单独电流，从而使得所述灯的光谱取得所期望的值。
所述已知控制方法的缺陷在于，仅仅可能实现对所述LED的相对较不精确的温度检测。可以借助于所使用的光电传感器测量的光谱也被证明是成问题的。这可以归咎于无法测量LED半导体组件的实际温度这一事实，这是由于所述LED以及所述光电传感器和温度传感器的空间上不同的设置而导致的。此外，所述光电传感器被暴露于与将被检测的LED不同的另一温度。这样妨害了所述灯光谱随着灯温度的稳定性。在观察以不同紧密程度热耦合到散热器的RGB(A)灯的各单独组件(光电传感器、温度传感器、LED)时，在所述散热器与所述温度传感器、光电传感器和LED之间导致不同的热转变电阻(thermaltransition resistance)。
发明内容
本发明希望解决上述问题。本发明的一个目的是提供一种具有降低的温度敏感性的光传感器。根据本发明，该目的由权利要求1的特征实现。
本发明提供一种光传感器，其中光电传感器与温度传感器之间的温度电阻被最小化，并且其允许更高程度的小型化。
在本发明的另一种形式中，利用MOS或CMOS技术来制造所述光传感器。利用该技术可以制造全部两种传感器类型(即光电传感器和温度传感器)。
在本发明的一个实施例中，所述温度传感器是基于半导体的热电元件(thermo-element)。这种所谓的热敏电阻器是与温度相关的多晶体半导体电阻器，其具有负温度系数(负温度系数电阻器；NTC电阻器)或正温度系数(正温度系数电阻器；PTC电阻器)。热敏电阻器使得精确的测量成为可能，并且可以按照成本有效的方式制造。
在本发明的另一个实施例中，所述温度传感器和光电传感器被串联，其中所述温度传感器是具有PTC行为的热电元件。这与适当尺寸的热电元件相组合允许获得光电流关于温度的恒定行为，其结果是可以补偿所述光电传感器的温度依赖性。
在本发明的另一种形式中，在所述光电传感器与温度传感器之间提供抽头，该抽头被设置成相对于外壳指向外部，以便检测环境温度。
可以在所述光传感器中附加地提供放大器元件。通过利用相同的半导体技术(MOS或CMOS)来集成放大器元件，可以扩展所述组合式光电-温度传感器的功能。所述放大器元件有利地是跨导转换器。
在本发明的另一个实施例中，在所述放大器的输出端后方附加地提供信号滤波器模块。借助于该信号滤波器模块可以滤除HF开关信号(LED通常由脉冲宽度调制(PWM＝脉冲宽度调制)驱动)，从而可以在该输出端处抽得高质量传感器信号。该信号滤波器模块优选地是低通滤波器。
在另外的从属权利要求中指出了本发明的其他形式和实施例。在附图中示出了本发明的一个实例，并且将在下面详细描述。
附图说明
在附图中：
图1示出了具有集成的光电和温度传感器的光传感器的原理的示意性表示；
图2示出了根据图1的原理的示意性表示，其具有多传感器设计；
图3示出了具有受传感器监督的LED灯的温度转变电阻的基本方框图，其中：
a)具有单独的光电和温度传感器(现有技术)；
b)具有被设置成紧邻所述LED的集成的光电和温度传感器；
c)具有被设置成与所述LED相距一定距离的集成的光电和温度传感器；
图4示出了根据图1的光传感器的原理的示意性表示，其在光电传感器与温度传感器之间具有抽头以用于确定环境温度；
图5示出了根据图1的光传感器的原理的示意性表示，其具有对光电流的集成放大；以及
图6示出了根据图5的光传感器的原理的示意性表示，其具有附加的滤波器功能。
具体实施方式
被选择为一个示例性实施例的光传感器包括处在公共基板上并且处在公共外壳中的至少一个光电传感器1以及至少一个温度传感器2。MOS或CMOS技术本身是一种可能的半导体技术，这是因为所述两种传感器类型(光电和温度传感器)都可以通过这些技术来制造。图1示出了组合光传感器的原理。在基板上并且外壳内容纳温度传感器2以及光电传感器1，从而使得该光电传感器1与该温度传感器2之间的温度转变电阻小到可以忽略。在图1中示出了简单的最简解决方案。两个传感器1、2都具有单独可抽头的接触件3以用于光电二极管信号(通常是光电流)以及用于温度传感器信息(通常是欧姆电阻值)。所述光电传感器1是覆盖某一应用的整个光谱(例如可见光、UV、IR等等)的简单的相对宽带的传感器，或者可替换的是仅仅检测频谱的较小的各子部分的相对窄带的传感器。为了生成具有相应属性的滤光器，本领域技术人员已经知道足够多的可能性。通常可以适当地使用滤色器以及干涉滤光器，其被设置在所述光敏半导体结构的上方。
图2示出了具有几个光电传感器1的解决方案，所述光电传感器分别被调谐到特定频率范围。在这里可以适当地使用三种基色RGB。对应于人眼的敏感性的彩色传感器具有特别的重要性。同样可以设想被调谐到这里没有提到的频率的其他光电传感器设置和组合。此外，具有相同光谱敏感性的多个光电二极管可以在空间上彼此分开并且同时并联连接，以便最小化光学失配并且增大光电流。原则上还可以使用其他光敏元件(比如光电晶体管、太阳能电池、光敏电阻器等等)来替换所示出的光电二极管。
基于半导体的热电元件可以被适当地用作温度传感器2；其通常具有正温度系数，因此展现出PTC(正温度系数)或PTC电阻器行为。使用基于半导体的负温度系数(NTC)电阻器同样是可能的。但是，原则上还可以使用被安装在所述光电二极管的载体基板上的NTC或PTC电阻器(金属层温度传感器)。
在图3中示出了通过使用具有集成的光电和温度传感器的光传感器而获得的基于LED的灯的方框图。图3b)涉及到其中所述光传感器被设置成紧邻所述LED的情况。这样做的优点在于可以很好地检测所述LED的温度，并且在所述LED与(多个)传感器之间仅有很小的温度转变电阻(RT1)。但是利用该设置，在必要时所述光电传感器1可以仅仅检测整个光谱的各部分。图3c)示出了所述光传感器被设置成与所述LED相距一定距离的情况，其结果是在所述LED与(多个)传感器1、2之间有较大的温度转变电阻(RT1)。但是这种设置的优点在于该光传感器的光电传感器部分可以更好地捕获所述光谱。
但是抛开所述光传感器关于所述LED的设置，也可以很清楚地认识到与图3a)中示出的传统的单独传感器解决方案相比的优点。取代两个不同的温度转变电阻(RT1和RT2)，现在仅仅存在一个温度转变电阻。这样简化了对所述灯的颜色控制，这是由于少了一个未知量，从而可以生成更为精确并且更加快速的颜色调节。此外，可以精确地检测并且从而很容易补偿所述光电传感器1本身的温度敏感性。结果，所述传感器数据更为精确，并且因此可以实施对所述(多个)单独LED的控制电子装置的更加精确的颜色设置或校正。
此外还减少了组件的数目，从而导致更小的组装和布线开销，这样允许制造更小、更简单并且因此更加经济的基于LED的RGB(A)灯。
在根据图1和2的实施例中，所述热电元件2与所述光电传感器1串联连接。由于所述半导体光电传感器1的本征导电率随着温度而提高(反向电流变得更大、前向电阻变得更小)，因此所述光电传感器展现出NTC行为，从而适当的串联温度补偿元件是展现出PTC行为的温度补偿元件。通过适当地确定在图1和2中示出的所述设置中的热电元件的尺寸，可以实现所述光电流关于温度的恒定行为，从而补偿了所述光电传感器的总体温度依赖性。
此外，存在使用所述光传感器来检测实际环境温度的可能性，这是通过在光电传感器1与温度传感器2之间设置适当的抽头3从而使其(相对于外壳)指向外部而实现的。因此允许进行温度补偿。可以使用大多数不同的连接组合(串联、并联连接以及几个温度传感器的混合电路)。
可以通过(利用相同的半导体技术，即MOS或CMOS)集成放大器元件4来扩展组合在所述光传感器中的所述光电和温度传感器的功能。必须加强由于光入射而生成的通常极小的光电流，从而可以进一步处理所述信号。为此目的，可以适当地使用具有相对较高的放大因数的所谓的跨导转换器，在专业文献中已经对所述跨导转换器做了足够多的描述。如果所述放大器4被设置成紧邻所述光电传感器1，则由于显著更短的传导路径而大大减少了乱真信号，从而该放大器4的操作具有显著更低的噪声级以及显著降低的敏感性。在图5中示意性地示出了这种扩展。
此外，可以在所述放大器的输出端后方附加地放置信号滤波器模块5，从而滤除HF开关信号((多个)LED通常由PWM驱动)，并且可以在该输出端处抽得高质量传感器信号。该高质量传感器信号随后可以被直接提供到所述基于LED的RGB(A)灯的控制电子装置。图6示出了相应的基本图示。在专业文献中已经描述了可以适当地被用作低通滤波器的滤波器组件的大多数不同拓扑。
在另一个实施例中，除了操作电压连接之外，上述放大器还可以具有附加的端子，以便例如定义所述放大系数以及/或者最小和最大输出电压。这是通过附加的组件(例如欧姆电阻器)进行的，所述附加组件被附着到为此目的所提供的连接。可以按照相同的方式(通过欧姆电阻器和/或电容器和/或电感器)修改所述低通滤波器的滤波器特性。
Claims (9)
1、一种特别用于基于LED的灯的光传感器，其包括至少一个光电传感器(1)和温度传感器(2)，其中，光电传感器(1)和温度传感器(2)被集成在公共外壳内的公共基板上。
2、如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，所述光传感器是用MOS或CMOS技术制造的。
3、如权利要求1或2所述的光传感器，其特征在于，所述温度传感器(2)是基于半导体的热电元件。
4、如任一条在前权利要求所述的光传感器，其特征在于，所述温度传感器(2)和光电传感器(1)被串联连接，该温度传感器(2)是具有PCT行为的热电元件。
5、如任一条在前权利要求所述的光传感器，其特征在于，在光电传感器(1)与温度传感器(2)之间提供抽头(3)，该抽头被设置成相对于所述外壳指向外部以便检测环境温度。
6、如任一条在前权利要求所述的光传感器，其特征在于，在所述光传感器中附加地提供放大器元件(4)。
7、如权利要求6所述的光传感器，其特征在于，所述放大器元件(4)是跨导转换器。
8、如权利要求6或7所述的光传感器，其特征在于，在所述放大器(4)的输出端后方附加地提供信号滤波器模块(5)。
9、如权利要求8所述的光传感器，其特征在于，所述信号滤波器模块(5)是低通滤波器。
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