CN103238373A - Led驱动器电路 - Google Patents

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Abstract

用于对LED(43)、尤其是具有陶瓷支座体(4、32)的LED(43)进行功率控制和功率供应的LED驱动器电路(17)设计用于与所述支座体(4、32)的温度相关地调节所述LED(43)的供应电流。

Description

LED 驱动器电路
技术领域
本发明涉及用于对LED进行功率控制和功率供应的LED驱动器电路，下文中称为驱动器。
技术背景
LED是发射光的二极管或者简称发光二极管，并且使相应LED发光的所属电子驱动器线路或者部件叫做LED驱动器。
LED的亮度随着功率消耗的增加而增加。在半导体温度不变的情况下，增加大约是成比例的。随着温度上升，效率下降，因此取决于冷却的种类，光产出在功率极限降低。当半导体的温度超过大约150℃的最大值时，LED失灵。
具有LED的灯的功率可例如经由电阻元件或具有相位前缘截止(Phasenanschnitt)的调光器来控制。这些驱动器总是位于有些远离实际LED的位置处，即，不是在灯自身内。其缺点在于，由于驱动器远离LED，所以对LED的控制是迟钝的。
具有较高光功率的LED在运行中变得如此热，以致于必须冷却它们以防失灵。
WO 2007107601 A1针对LED的冷却提出：将LED布置在与陶瓷散热冷却元件(所谓的热沉)一体地连接的陶瓷支座体上。在支座体上施加导线线路，使得支座体设计成电路板(Platine)。然而，这里的特别之处在于，在支座体的表面上施加已烧结金属化区域作为导线线路。在导线线路上焊接LED。因此散热非常高并且可通过对陶瓷的选择可变地调整散热。
发明内容
本发明基于如下任务：改善LED的电控制和功率。
根据本发明的驱动器电路通过权利要求1的特征来定义。据此，驱动器电路被设计用于与LED的支座体温度相关地调节LED的供应电流。对此，驱动器电路能够例如具有与温度相关的电阻，该电阻可与支座体导热连接。下面总是将驱动器理解为电驱动器电路。
如果LED的温度或者紧邻LED的周围的温度改变，则LED的亮度立即跟随温度。驱动器上下降的温度(通过风、阴影、减少辐射)通常导致更高的光放射。控制的速度可通过使用导热能力强的陶瓷作为LED的底座以及其驱动器来进一步提升并且通过使用传导差的陶瓷来减慢，其中自然(未放大)的亮度波动表现为与陶瓷的导热能力成反比。因此，通过将灯与单独的操纵互相连接可在灯阵列中产生例如使得流动效应可见的亮度效果。
在下面根据附图更详细地解释本发明的实施例。其中：
图1示出第一LED灯的截面，
图2示出另外的LED灯的截面，
图3示出根据图2的细节，
图4示出另外的LED灯，
图5a，5b示出另外的LED灯，
图6示出另外的LED灯，
图7示出具有根据本发明的驱动器的LED灯，
图8－13c 示出根据图7的实施例的详细电子电路，
图14 示出具有根据图14的实施例的电子电路中所使用部件的表。
在图1至图3以及图6中，示出基座-GU10灯，其由具有馈电件2的下部1、灯罩3和可粘贴陶瓷安装衬底4组成。图6中示出的灯不具有灯罩。在其它方面，它设计成与图1的灯相同。
在这个示例中，安装衬底4是用于LED和驱动器17的支座体或者安装圆盘，并且在这个示例中，安装衬底4由导热能力强的灰色AIN制成并且灯罩3由掺杂有氧化铬的红宝石色氧化铝制成。安装衬底4是不可见的。用处于灯罩3上端的玻璃圆盘(未示出)来封闭灯体或者封闭灯罩3。
在陶瓷衬底4的表面上布置已烧结金属化区域15，用于焊上一个或者多个LED。这些已烧结金属化区域15形成导线线路并且从而形成电路板。为了清楚起见，未示出金属化区域15上的二极管。仅示意性示出驱动器17。在示出的实施例中，驱动器17未布置在已烧结金属化区域14或15上，而是布置在安装衬底4上。在LED进一步小型化(今天2×2 mm已经是可能的)的情况下，驱动器还可以直接安装在金属化区域15上。在安装衬底4中布置用于电连接线的套管16(见图3)或者插头元件(2，11)。这些电连接线与驱动器17导电连接并且驱动器17与金属化区域15导电连接。在安装衬底4上可布置任意多个金属化区域15。
安装衬底4在面向金属化区域15的周缘表面上具有径向凹槽13以用于更好地固定。
在一个变型中，这些灯模块化地由三个陶瓷部分形成，即由具有馈电件2的下部1、安装衬底4或者安装圆盘以及灯罩3形成。通过馈电件2，11，例如电连接线(图中未示出)被引导到下部1中并且在下部1内部至驱动器17并从那里出来至LED。安装衬底4由具有优选高散热的陶瓷制成。在安装衬底4上，LED与导线线路焊接在一起。灯罩3同样优选由在其外表面上具有冷却肋片5的陶瓷制成。冷却肋片5在灯罩3的纵向上延伸。
在该描述中，针对安装衬底4示出了安装圆盘。安装衬底是概括性的概念，这是因为安装衬底仅优选是安装圆盘。安装衬底还可不设计成圆盘形的。在其它方面，两个概念都描述相同的对象。
为改善灯罩3在下部1上的固定，下部1在其内表面上具有凸肩8，用该凸肩8灯罩3坐落在安装衬底4上的对应凸肩或者凹槽13上。在此，灯罩3的下端围绕安装衬底4和下部1的上端12。安装衬底4如此布置在灯罩3和下部1之间，以致于它从外部不可见。灯罩3的背离安装圆盘4的上端具有内凸肩6用于容纳玻璃圆盘。优选地，下部1设计成具有内空腔7的圆柱形。因此节省材料。
因此，灯由下部1、安装圆盘4和环绕LED的灯罩3组成。光源固定在安装衬底4上。
下部1还可作为插头配备有对应插座以便建立插拔连接，或者配备有螺纹，以便拧入固定件中，或者，在用连接极占用基座的情况下，拧入灯座中。
灯罩3在其周缘上具有均匀分布的冷却肋片5，使得灯罩3在其开口上的轮廓看起来好像齿轮。冷却肋片5尤其对于高功率LED是有利的，以便向外界空气散发产生的热量。冷却肋片5的截面还可采用每种其他可能形状，如例如半圆形状或者半椭圆形状。对于具有低热损耗的LED，罩还可是光滑的。罩同样可具有不同的形状，例如椭圆形状或者多边形形状。
下部1还可设计成与安装衬底4成一体的，如图2所示。
图6示出根据图1的没有灯罩3的灯。这个无罩变型是有利地，这是因为热量和/或太阳辐射直接(无屏蔽地)影响驱动器温度并且通过该温度改变可在最短时间内重调LED。图1，2和6中的相同附图标记还示出相同对象。
图4示出9个二极管支座20组成的阵列，所述二极管支座20由WO 2007/107601 A2(见说明书开始部分)中所描述的、具有已烧结金属化区域作为导线线路的陶瓷冷却体组成。在每个二极管支座20上施加6个二极管或者LED 23(仅示意性地示出)并且通过金属化区域彼此电连接(未示出)。二极管支座20具有翅片27以便冷却。
在图4中示出正方形的二极管支座20。也可使用每种其他形状。将各个二极管支座20装入或者挂入金属框架21中，金属框架21同时还用作用于LED 23的馈电件。二极管支座20组成的阵列用于平面照明，但还可应用于点状照明。对此，二极管支座20以不同的角度如此固定在金属框架21中，使得得到聚焦的光。
通过拐角22的上翻产生例如具有光焦点的抛物线布置。该阵列还可是平的，用于面上的照明，或者还可是弯的，用于点状照明。
优选地，在至少一个二极管支座20上、优选在每个二极管支座20上还同时布置LED的操纵的驱动器。在图中没有示出这些。已烧结金属化区域在这里设计成导线线路，在这些导线线路上布置LED。
图5a，5b以俯视图示出陶瓷二极管支座40(图5a)，并且以截面图示出陶瓷二极管支座40(图5b)，陶瓷二极管支座40由陶瓷支座体32组成，该陶瓷支座体32一体地设有散热陶瓷冷却元件37(这里是翅片)。在支座体32的表面33上施加已烧结金属化区域41，使得二极管支座40是电路板。在二极管支座40上固定LED 43，其焊接在金属化区域41上。为了将两个或者更多二极管支座40导电连接和/或机械连接成阵列，二极管支座40具有插头和/或插口作为连接元件，通过这些连接元件，二极管支座40直接或者间接彼此连接。
在二极管支座40上除了LED以外还同时布置LED的驱动器并且这些驱动器与LED对应地联接。
在另外的变型中，插头是销钉36，尤其是根据规范GU5.3并且插口匹配这些销钉。图5示出具有专有插头的变型，这里该专有插头由销钉36组成。这些销钉36(每个插头两个)布置在二极管支座40的边缘区域上，其中插头36位于二极管支座40的相对侧上。为了连接两个二极管支座40，这里使用单独连接元件38。在这里示出的变型中，该连接元件38是具有连续钻孔44的矩形成形或者正方形成形的板。二极管支座40上的销钉36在建立电接触的情况下插入这些钻孔44中。每个连接元件38具有多个钻孔44。在连接元件38上每二个钻孔44彼此电连接。
为了将二极管支座40固定在框架中，二极管支座40至少在边缘上具有没有金属化区域41并且没有LED 43和驱动器的条带34。该条带34由此形成陶瓷弹簧，以固定在框架或者还有导轨上。于是，至少两个导轨形成该框架。
条带34为了优选使用螺钉来固定而具有至少一个凹坑。
图7以截面图并且以分解图示出具有根据本发明的驱动器电路的灯。该灯类似于图1的灯并且提供用于灯座E27。这些灯由六个部分或者单元组成，即，由金属螺纹轴套52、陶瓷下部1、作为驱动器来操纵LED 43的电子模块51、陶瓷安装衬底4、具有冷却肋片5的陶瓷灯罩3以及玻璃圆盘50组成。
下部1设计成两侧开口空心圆柱体并且是灯的中心支座体。在其背离灯罩3的端上，下部1具有向下部1的外壁径向凹进的外部螺纹54。具有其内部螺纹的螺纹轴套52拧到这个外部螺纹54上。这个螺纹轴套52根据规范E27实施并且由金属制成。
在下部1中插入包括驱动器的电子模块51。仅画出电子模块51的电连接，以便更好地概览。电子模块51与安装衬底4上的LED 43电连接。对此，安装衬底4具有两个钻孔，通过这些钻孔引导从电子模块51到LED的电连接。
陶瓷安装衬底4粘贴在下部1上。安装衬底4是LED 43的支座体或者安装圆盘，并且优选由导热能力强的灰色AIN制成，而灯罩3由掺杂有氧化铬的红宝石色氧化铝制成。安装衬底4从外部不可见。用玻璃圆盘50在灯罩3的上端封闭灯罩3。
已烧结金属化区域布置在陶瓷衬底4的表面上用于焊接LED 43。这些已烧结金属化区域形成导线线路并因此形成电路板。在电子模块51中，驱动器布置在三个垂直重叠布置的导体电路板51a，51b，51c上。当空间足够时，驱动器优选布置在已烧结金属化区域上或者在纯安装衬底4上。这些驱动器与LED电连接。
在安装衬底4上可布置任意多个金属化区域。然而在图7的实施方式中，这些驱动器布置在电子模块51中，电子模块51位于下部1的空腔7中。优选地，下部1中的电子模块51用具导热能力的电绝缘浇注料来固定。
安装衬底4还可不设计成圆盘形的。安装衬底4具有径向凹槽13以用于更好地固定。安装衬底4由具有优选高散热的陶瓷制成。在安装衬底4上将LED与导线线路焊接在一起。
灯罩3优选由在其外表面上具有冷却肋片5的陶瓷制成。冷却肋片5在灯罩3的纵向方向上延伸。
为了在下部1上更好地固定灯罩3，下部1在其内表面上具有凸肩8，用该凸肩8灯罩3坐落在安装衬底4上的对应凸肩或者凹槽13上。在此，灯罩3的下端围绕安装衬底4和下部1的上端12。优选地，下部1设计成具有内空腔7的圆柱形。因此节省材料并且创造用于电子模块51的空间。
下部1还可作为插头配备有对应插座以便建立插拔连接，或者配备有螺纹，以便拧入固定件中，或者，在用连接极占用基座的情况下，拧入灯座中。
灯罩3在其周缘上具有均匀分布地在灯的纵向方向上延伸的冷却肋片5，使得灯罩3在其开口上的轮廓看起来向齿轮。冷却肋片5尤其是对于高功率LED有利，以便向外界空气散发产生的热量。冷却肋片5的横截面还可采用每种其他可能形状，如例如半圆形状或者半椭圆形状。对于具有低热损耗的LED，该罩还可是平的。该罩同样可具有不同的形状，例如椭圆形状或者多边形形状。
通过使用陶瓷外壳组件和电路板组件提供电绝缘并且驱动器可直接连接而无需电流分隔。根据与具导热能力的浇注料连接的陶瓷的热学热传导特性和空间上紧凑的夹层结构(见图7)，在基座内部或者说在下部1的内部得到非常好的总体热分布。驱动器自己的损耗功率和通过LED的放热以较少时延到达电子装置，电子装置接着线性回调(zurueckregeln)LED的供应电流，回调程度使得不超出整体系统的自由预先确定的最高温度。因此，保护驱动器电路自身以防过热，而且还保护LED以防过热。冷却越好，LED照明越亮，反之亦然。尽可能排除热过载。另外，整体电路可用商业上常见的相位尾缘截止调光器(Phaenabschnittsdimmer)在宽范围内手工进行调谐(abstimmen)。
图8示出驱动器的完整电子电路，其中在图14中列出所使用的组件。
图9示出电子模块51c(见图7)的电子电路。图12a和13a从上方和下方示出电子模块51c的示意性视图。电子模块51c负责连接到230伏特网并且具有带二极管D2的桥式整流器。将两个电阻R17和R21连在桥式整流器之前用于限制输入电流，以便于在电容器放电的情况下避免短路。此外，电阻R17和R21还用作用于高达500伏特的电源电压的过电压保护。桥式整流器的桥设有平滑电容器C1，C2和C7，它们设计为陶瓷电容器并且具有高达500000工作小时的使用寿命。使用电容器和线圈L1实现滤波，以便于使干扰性高频短路。电容器C9是用于对所生成的直流电压进行调光的铝电解电容器。
图10示出电子模块51b(见图7)的电子电路。图12b和13b从上方和下方示出电子模块51b的示意性视图。电子模块51b是用于相位前缘截止调光的调光电路。该调光电路使用分压器、二极管和MOS场效应晶体管。该调光电路模拟在大约10瓦特范围内的欧姆负载，以便于将运行这些调光器所需要的功率应用到这些调光器上。
图11示出电子模块51a(见图7)的电子电路。图12c和13c从上方和下方示出电子模块51a的示意性视图。电子模块51a具有类型为HV9961LG的集成电路，用于控制输出侧LED电流。在集成电路的输入端7上布置有与温度相关的电阻器(NTC) R19，其与温度相关地生成集成电路的控制信号，以便与温度相关地操纵LED。在使用脉宽调制的情况下进行与温度相关的调光。针对军事温度范围(militärischen Temperaturbereich)，对于从-55°C到+125°C的温度，集成电路HV9961LG设计有10瓦特的功率级别，以便得到高使用寿命。集成电路与温度相关地产生LED的与电源电压相比降低的供应电压，其中残留的剩余电压作为热量散发。输出侧设有具有MOS场效应晶体管Q1且具有扼流线圈L2的集成电路，所述扼流线圈L2具有3毫亨的电感。使用根据图11的控制电路，可以运行高达8个LED。
因此，优点尤其是:
1. 由于使用陶瓷原料引起的最优保护绝缘。
2. 由于使用陶瓷原料引起的最优散热。
3. 由于使用陶瓷原料作为外壳使设计吸引人。
4. 由于内建的、通过浇注热耦合的电子模块51或者NTC引起的过热保护。

Claims (10)

1. 用于对LED(43)、尤其是具有陶瓷支座体(4、32)的LED(43)进行功率控制和功率供应的LED驱动器电路(17)，其特征在于，
所述驱动器电路(17)设计用于与所述支座体(4、32)的温度相关地调节所述LED(43)的供应电流。
2. 如权利要求1所述的LED驱动器电路(17)，其特征在于，所述驱动器电路(17)具有至少两个重叠堆叠布置的导体电路板(51a，51b，51c)。
3. 如权利要求2所述的LED驱动器电路(17)，其特征在于，所述LED驱动器电路(17)具有三个堆叠的导体电路板(51a，51b，51c)，其中第一导体电路板(51c)形成预备级，第二导体电路板(51b)形成控制温度的调光级，而第三导体电路板(51a)形成用于对所述LED(43)进行供电的末级。
4. 如权利要求3所述的LED驱动器电路(17)，其特征在于，作为预备级的所述第一导体电路板(51c)具有桥式整流器电路，所述桥式整流器电路带有平滑电容器并且在桥支路中带有滤波器电路。
5. 如权利要求4所述的LED驱动器电路(17)，其特征在于，至少一个所述平滑电容器具有铝电解电容器，所述铝电解电容器的电容在大约1-10微法之间的范围内。
6. 根据权利要求3-5中任一项所述的LED驱动器电路(17)，其特征在于，所述第二导体电路板(51b)具有至少一个欧姆分压器，以便对于LED调光器模拟大约5-20瓦特范围内的欧姆负载并且优选模拟大约10瓦特的欧姆负载。
7. 根据权利要求3-6中任一项所述的LED驱动器电路(17)，其特征在于，所述第三导体电路板(51a)具有与温度相关的电阻器(R19)，所述电阻器(R19)为LED(43)供应与电源电压相比与温度相关地减少的供应电压。
8. 如权利要求7所述的LED驱动器电路(17)，其特征在于，用于控制所述LED电流的所述第三导体电路板(51a)具有集成电路，所述集成电路设计用于-55°C和+125°C之间的温度范围并且所述与温度相关的电阻器(R19)与所述集成电路的输入端连接。
9. 如权利要求8所述的LED驱动器电路(17)，其特征在于，在所述集成电路的输出端和所述LED(43)之间布置有MOS场效应晶体管(Ql)和/或扼流线圈(L2)。
10. 如前述权利要求中任一项所述的LED驱动器电路(17)，其特征在于，用于对所述LED(43)进行功率控制的所述LED驱动器电路(17)具有用于相位开始控制的电路。
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