CN102440070B - 光模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电和热附连到具有至少一个电源的能量设施的光模块，每个电源包括两个电极，所述光模块包括：光源从而发射光，其中该光源在发射光时是热源；两个电接触从而接触该至少一个电源的电极并且由此建立该光模块和该能量设施之间的电附连；控制系统，其布置在该光源和该电接触之间以控制供应到该光源的功率，其中该光模块包括测量系统从而测量在建立电附连时该光模块和该能量设施之间的热附连的热阻，以及其中该控制系统配置成在热阻高于预定值时减小供应到该光源的功率以保护该光模块防止过热。本发明还涉及用于保护光模块防止过热的方法。

Description

光模块

技术领域

本发明涉及光模块领域，且更具体地涉及用于电和热附连到能量设施的光模块。

背景技术

光模块包括光源从而发射光，并且优选地可以容易地附连到具有至少一个电源的能量设施，其中每个电源包括两个电极。能量设施可以采用公知的卤素灯丝系统或2D电极配置的形式。

优选地，例如通过夹紧和/或磁性贴合，通过手而不使用任何附加工具来进行光模块到能量设施的附连。这允许没有技术知识的用户将光模块附连到能量设施。然而，使用螺丝或者使用螺栓也是有可能的。

光源在发射光时通常也是热源，并且为了保持小的光模块，期望将生成的热量传递到能量设施，而不是为光模块配备其自己的热沉。因此重要的是，除了用于电源的电附连之外，在光模块和能量设施之间也建立热附连。

当前光模块的缺点在于，当用户定位或重新定位光模块时，存在热接触不充分的风险，该热接触不充分导致热附连较高的热阻。光模块于是将过热，这降低了光输出并且会甚至导致对光模块的永久损伤。

提出方案来测量光模块的温度，由此监测光模块是否过热并采取恰当措施。然而，这些方案的缺点是当测量到过热时，光模块已经具有一些在提升温度的所谓燃烧时间，这仍会对光模块造成损伤。另一个缺点会是用户没有得到光模块和能量设施之间的热接触不充分的即时反馈。

WO2009/044340公开了一种用于确定发光二极管（LED）的光输出水平的方法，该LED利用该LED上的电压和通过该LED的电流来工作。该方法涉及获得到该LED的LED输入电功率值，获得热功率值，以及至少根据该输入电功率值和该热功率值确定LED输出功率。

Farkas等人IEEE 2004年3月9日，第169-177页涉及研究高功率LED中的电学和热学瞬态并且提出适合于正确模拟板级模拟环境中的单个装置以及LED阵列的多域“紧凑”模型。

Lan Kim等人IEEE，2006年3月14日，第186-190页涉及具有多芯片设计的高功率GaN基LED的热学瞬态测量。

WO2004/068909公开了一种接连器和通过模块插座中的引线来连接的连接器以及经由该引线相对于恒压电路单元并联连接的三个LED模块。

发明内容

将期望提供一种改进的光模块，其被保护防止过热。还将期望提供一种改进的光模块，其向用户给出关于热附连的充分性的即时反馈。

为了更好地解决一个或多个这些顾虑，在本发明的第一方面，一种用于电和热附连到具有至少一个电源的能量设施的光模块，每个电源包括两个电极，所述光模块包含：光源从而发射光，其中该光源在发射光时是热源；两个电接触从而接触该至少一个电源的电极并且由此建立该光模块和该能量设施之间的电附连；控制系统，其布置在该光源和该电接触之间以控制供应到该光源的功率，其中该光模块包括测量系统从而测量在建立电附连时该光模块和该能量设施之间的热附连的热阻，以及其中该控制系统配置成在热阻高于预定值时减小供应到该光源的功率以保护该光模块防止过热。

还提供一种保护光模块防止过热的方法，所述方法包括下述步骤：

- 将该光模块连接到该能量设施，由此建立该光模块和能量设施之间的电附连；

- 由测量系统测量该光模块和该能量设施之间的热附连的热阻；

- 在该热阻高于预定值时，由控制系统减小供应到该光源的功率从而保护该光模块防止过热。

另外，提供了一种用于电和热附连到能量设施的光模块和该能量设施的组合，所述能量设施具有至少一个电源，每个电源包括两个电极，并且所述光模块包括：光源从而发射光，其中该光源在发射光时是热源；两个电接触从而接触该至少一个电源的电极并且由此建立该光模块和该能量设施之间的电附连；控制系统，其布置在该光源和该电接触之间以控制供应到该光源的功率，其中该光模块包括测量系统从而测量在建立电附连时该光模块和该能量设施之间的热附连的热阻，以及其中该控制系统配置成在热阻高于预定值时减小供应到该光源的功率以保护该光模块防止过热。

参考下述详细描述并且结合附图进行考虑，将更容易意识到和更好理解本发明的这些和其它方面，在附图中相同附图标记表示相同部分。

附图说明

图1描述根据本发明的实施例的光模块的示意性表示；

图2描述根据本发明的实施例的光模块的测量系统的详细视图；

图3描述根据本发明的另一实施例的光模块的示意性表示；

图4描述温度差异路径，其中一条是热接触充分的情形以及两条是热接触不充分的情形；以及

图5描述两条温度路径，其中一条是热接触充分的情形以及一条是热接触不充分的情形。

具体实施方式

图1描述用于电和热附连到具有至少一个电源PS的能量设施EI的光模块LM，其中每个电源包括两个电极E1、E2。光模块LM包括：光源LS从而发射光L，该光源在发射光L时是热源；两个电接触EC1、EC2从而接触该至少一个电源PS的电极E1、E2并且由此建立光模块LM和能量设施EI之间的电附连；控制系统CS，其布置在光源LS和电接触EC1、EC2之间以控制供应到光源LS的功率；以及测量系统MS从而测量在建立电附连时光模块LM和能量设施EI之间的热附连的热阻TR。控制系统CS配置成在热阻TR高于预定值时减小供应到光源LS的功率以保护光模块LM防止过热。

在一实施例中，由功率的占空比，即光源的占空比控制供应到光源LS的功率。占空比为功率被传递到光源LS从而发射光L的时间份额。两个极点为：0%或0的占空比，其中光源根本不发射光；以及100%或1的占空比，其中光源LS连续地发射光。在两个极点之间，光源交替地发射和不发射光L。优选地，使用矩形波形控制该光源，使得占空比交替地可以限定为光源发射光的“接通”状态和光不发射光的“切断”状态之间的比例。

光模块示为处于一种状态，其中它连接到能量设施并且电接触EC1、EC2分别与电极E1、E2电接触。传递到光源的功率的占空比由控制系统控制，在此实施例中该控制系统控制开关SW。闭合开关SW将闭合电路使得电源PS能够供应功率到光源并且光源将发射光L。断开开关将使电源从光源断开，由此防止电源供应功率到光源使得不发射光L。

控制系统可以配置成在热阻高于该预定值时，通过减小功率的占空比而减小供应到光源的功率。控制系统可以附加地或者可替换地配置成，通过减小传递到光源的功率的幅值而减小供应到光源的功率。

在此实施例中，散热器HS布置在光源LS和电接触EC1之间。散热器由电隔离材料制成从而将散热器从电接触EC1电隔离。经由散热器、电接触EC1和电极E1，由热源生成的热量能够从光源传递到能量设施。此热附连的热阻用热阻TR表示。优选地，散热器的热阻比较低，使得关键热阻为电接触EC1和电极E1之间的热阻。

电极E1和相应电接触EC1均分别大于电极E2和电接触EC2。这在建立良好的热接触时提供最小热阻，使得可以保护光模块防止过热。

由于要求低的热阻以保护光模块防止过热，测量系统测量热阻。如果热阻高于预定值，造成过热的风险，控制系统将调整供应到光源的功率，例如减小光源的占空比。这具有的优点为减小光源生成的热量并且保护光模块防止过热。比如相对于其中必须等待直至温度到达预定极限的温度测量而言，测量热阻具有的优点为可以比较快速地确定热接触的充分性。另一个优点可以为，对于减小光源的占空比的情形，向用户提供了热接触是不充分的视觉指示。

优选地，在热阻低于预定值情况下“正常”占空比是使得实现标称工作电流，并且可以高达100%。当占空比减小为使得在热阻高于预定值时光源闪烁时，可以获得良好的视觉指示，其中占空比可以减小到低于50%。还可能在热阻高于预定值时将占空比减小至0%，使得光源切断，即关断，从而也明确地表明热接触不充分。与切断报警信号相比，闪烁报警信号是优选的，因为闪烁报警信号还表明电附连被建立并且光模块未断掉。

诸如声音或振动的其它报警信号也是有可能的，从而警告用户并且给出关于热接触的即时反馈。

通过测量电接触EC1和电极E1之间的接触的电阻，可以确定热阻。电阻和热阻均取决于电接触EC1和电极E1之间的物理接触，使得电阻成为热阻的度量。

优选地，按照这样的方式确定电阻：供应到光模块的电流对测量的影响最小。这种方式的实例示于图2。

图2示出测量电接触EC1和电极E1之间的热阻的光模块的测量系统的实例。热阻是通过测量电接触EC1和电极E1之间的电阻，即接触电阻来测量。测量系统因此包括通过测试管脚TP以及电接触EC1的不传送电流CU的一部分P而连接到电极E1的电压计V，使得测量的电压为电接触EC1和电极E1之间的接触电阻的度量并且不包含电接触EC1和/或电极E1中的材料电阻。

图3描述根据本发明的另一实施例的光模块LM’的示意性表示。光模块LM’适合用于电和热附连到能量设施（未示出），该能量设施具有至少一个电源，每个电源包括两个电极。

光模块LM’包括印刷电路板PCB，多个光源LS’（诸如LED）提供在该印刷电路板上从而发射光。光源LS’在发射光时是热源。控制系统也提供在PCB上，从而比如利用占空比而控制供应到光源LS’的功率。

光模块LM’进一步包括两个电接触EC1’、EC2’从而接触该至少一个电源的电极并且由此建立光模块和能量设施之间的电附连。电接触分别经由电气线路EL1、EL2而连接到印刷电路板PCB。

在电附连建立时，散热器HS’布置在光源LS’和能量设施之间。散热器HS’包括热接触垫TC以建立光模块和能量设施之间的热附连。

光模块包括测量系统从而测量光模块和能量设施之间的热附连的热阻。测量系统配置成通过测量从光源到能量设施的热流而确定热附连的热阻。在此实施例中，测量系统设有两个温度传感器TS1、TS2。温度传感器TS1置于散热器HS’中靠近光源，并且温度传感器TS2置于散热器HS’中靠近热接触垫TC，即当热附连建立时靠近能量设施。

热流可以限定为温度差异除以热阻。当热接触垫TC和能量设施之间的热接触充分时，总热阻将比较低。结果，光模块将较快与能量设施达到热平衡，因为只需要小的温度差异来建立与热源即光源的热生成数量对应的热流。

当热接触垫TC和能量设施之间的热接触不充分时，总热阻将比较高。结果，光模块将更缓慢地达到热平衡，因为需要大的温度差异来建立与热源即光源的热生成数量对应的热流。这种热流差异与时间的函数可以被探测从而确定热接触是否充分。

还可能提供小的对流器或辐射器，其连接到散热器HS’从而提供热量流走的可替换路径。更高的热阻则将导致更多的热量通过对流器或辐射器“泄漏”，使得经由散热器和热接触垫的热流减少。这种热流的减小于是被测量成为减小的温度差异。

图4描述在光模块和能量设施之间的热接触充分的一种情况下以及在光模块和能量设施之间的热接触不充分的两种情况下，由图3的温度传感器TS1、TS2测量的温度差异路径。竖直轴为温度差异DT，并且水平轴为时间TIME。

温度差异路径dT1为，在热接触充分的情况下由温度传感器TS1、TS2测量的温度差异与时间的函数。在时间t1基本上达到平衡，之后通过散热器的热流变为恒定，从而导致恒定温度差异。

温度差异路径dT2为，在热接触不充分并且不提供例如对流器、辐射器或者其它传导路径的附加热路径的情况下，由温度传感器TS1、TS2测量的温度差异与时间的函数。在时间t2基本上达到平衡，之后通过散热器的热流变为恒定，从而导致恒定温度差异。由于热接触不充分的原因导致热阻更高，要花更长时间达到平衡。

温度差异路径dT3为，在热接触不充分并且提供例如对流器、辐射器或者其它传导路径的附加热路径的情况下，由温度传感器TS1、TS2测量的温度差异与时间的函数。在时间t3基本上达到平衡，之后通过散热器的热流变为恒定，从而导致恒定温度差异。由于热接触不充分的原因导致热阻更高，更多热量将泄漏通过附加热路径，使得经由热接触垫的通过散热器的热流将更慢，如图4所示。

控制系统因而能够通过察看某一时刻来测量热阻，并且确定是否已经达到平衡。在附加热路径情况下还可能察看最大热流。

还存在这样的情形：热接触未建立，从而导致根本没有热流。然而，根本没有测量到热流也意味着光模块切断，即关断。这种情况下，会给出错误报警信号。为了避免这一点，还可能附加地测量电流或温度。

还可能仅仅使用一个温度传感器的信息来确定热阻。比如，如果使用温度传感器TS1并且省略温度传感器TS2，通过察看由温度传感器TS1测量的温度的时间导数也可以确定热附连的热阻。在图5中在热接触充分以及热接触不充分的情况下示出这一点。

图5在竖直轴上示出温度TEMP，并且在水平轴上示出时间TIME。温度路径T1示出在热接触充分情况下温度传感器TS1的所测量的温度。温度路径T1’示出在热接触不充分情况下温度传感器TS1的所测量的温度。对于一个时刻，温度路径T1和T1’的变化率，即温度的时间导数，分别由线dT1dt和dT1’dt表示。当热接触不充分时，温度将上升得比热接触充分的情况更快速，使得温度得时间导数为用于热阻的度量。

上述实施例和特征还都可以适用于可调光照明系统。对于技术人员显而易见的一些特征，针对供应到光模块的功率水平，这会要求对值进行缩放。

根据要求，在此处公开了本发明的详细实施例；然而应理解，所公开的实施例纯粹示例性说明可以按照各种形式实施的本发明。因此，此处公开的特定结构和功能细节不解释为限制性的，而是纯粹作为权利要求的基础，以及作为用于教导本领域技术人员按照几乎任何恰当详细结构各式各样地采用本发明的代表性基础。另外，此处使用的术语和短语不是旨在限制，而是提供对本发明的可理解的描述。

如此处使用的术语"一"或"一个"限定为一个或者超过一个。如此处使用的术语多个限定为两个或超过两个。如此处使用的术语另一个限定为至少第二个或更多。如此处使用的术语包含和/或具有限定为包括（即，开放性语言，不排除其它元件或步骤)。权利要求中的任何附图标记不应解读为限制权利要求或本发明的范围。

在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。

单个处理器或其它单元可以完成权利要求中列举的若干项的功能。

Claims (21)

1.一种用于电和热附连到具有至少一个电源的能量设施的光模块，每个电源包括两个电极，所述光模块包括：

- 光源从而发射光，其中该光源在发射光时是热源，

- 两个电接触从而接触该至少一个电源的电极并且由此建立该光模块和该能量设施之间的电附连，

- 控制系统，其布置在该光源和该电接触之间以控制供应到该光源的功率，

其中

该光模块包括测量系统从而测量在建立电附连时该光模块和该能量设施之间的热附连的热阻，该控制系统配置成在热阻高于预定值时减小供应到该光源的功率以保护该光模块防止过热，并且该光模块设有报警系统以在热阻高于该预定值时提供报警信号。

2.根据权利要求1的光模块，其中该光源为发光二极管（LED)。

3.根据权利要求1的光模块，其中该控制系统配置成，在热阻高于该预定值时，通过减小功率的占空比而减小供应到该光源的功率。

4.根据权利要求1的光模块，其中该控制系统配置成通过减小功率的幅值而减小供应到该光源的功率。

5.根据权利要求1的光模块，包括在建立电附连时布置在该光源和该能量设施之间的散热器，从而建立该光模块和该能量设施之间的热附连。

6.根据权利要求5的光模块，其中该散热器连接到两个电接触其中之一并且与另一个电接触电隔离，以及其中该测量系统配置成，通过测量该两个电接触所述其中之一和该至少一个电源的相应电极之间的接触的电阻，确定该热附连的热阻。

7.根据权利要求6的光模块，其中该两个电接触所述其中之一和该至少一个电源的相应电极之间的电阻是通过测量该两个电接触所述其中之一和相应电极之间的电压而确定。

8.根据权利要求1的光模块，其中该测量系统配置成，通过测量从该光源到该能量设施的热流，确定该热附连的热阻。

9.根据权利要求5的光模块，其中两个温度传感器被提供在该散热器中以测量从该光源到该能量设施的热流，在热附连建立时，一个传感器置于该光源附近且另一个传感器置于该能量设施附近。

10.根据权利要求5的光模块，其中该测量系统包括温度传感器从而测量该散热器中的温度的时间导数，该温度传感器集成在该散热器中。

11.根据权利要求10的光模块，其中该温度传感器置于该光源附近。

12.一种保护根据权利要求1-11中任意一项的光模块防止过热的方法，所述方法包括下述步骤：

- 将该光模块连接到该能量设施，由此建立该光模块和该能量设施之间的电附连；

- 由该测量系统测量该光模块和该能量设施之间的热附连的热阻；以及

- 在该热阻高于预定值时，由报警系统提供报警信号，并且由该控制系统减小供应到该光源的功率从而保护该光模块防止过热。

13.根据权利要求12的方法，其中在热阻高于该预定值时，通过减小该功率的占空比而减小供应到该光源的功率。

14.根据权利要求12的方法，其中在热阻高于该预定值时，通过减小该功率的幅值而减小供应到该光源的功率。

15.根据权利要求12的方法，其中在将该光模块连接到该能量设施之后，将散热器布置在该光源和该能量设施之间，所述散热器由电隔离材料制成并且连接到该两个电接触其中之一，其中该热附连的热阻是通过测量该两个电接触所述其中之一和该至少一个电源的相应电极之间的接触的电阻而确定。

16.根据权利要求15的方法，其中该光源为发光二极管（LED)，其中该两个电接触所述其中之一和该至少一个电源的相应电极之间的接触的电阻是通过测量该两个电接触所述其中之一和相应电极之间的电压而确定。

17.根据权利要求12的方法，其中该热附连的热阻是通过测量从该光源到该能量设施的热流而确定。

18.根据权利要求12的方法，其中在将该光模块连接到该能量设施之后，将散热器布置在该光源和该能量设施之间，以及其中该热附连的热阻是通过测量该散热器中温度的时间导数而确定。

19.根据权利要求1-11中任意一项的光模块和具有至少一个电源的能量设施的组合，每个电源包括两个电极。

20.根据权利要求19的组合，其中通过该两个电接触其中之一和该少一个电源的相应电极之间的接触而建立该热附连，该两个电接触所述其中之一大于另一个电接触，所述相应电极大于另一个电极。

21.根据权利要求20的组合，其中用于该热附连的该至少一个电源的电极连接到电接地。