CN103747597B - 白光照明系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一白光照明系统及其控制方法，包括：发光元件，由至少二个发光二极管组成，其可操作产生白光；加热元件，其能被控制产生热量，加热所述照明系统；控制元件，其能分别控制所述发光元件和加热元件的开启和关闭；所述控制元件控制所述加热元件预先对所述发光元件进行加热后再开启所述发光元件，从而减小所述发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的温度差异，使得其发光的色点在点亮瞬间和达到稳态后基本维持不变。
Description
技术领域
本发明涉及基于发光二极管的白光照明系统，特别是涉及具有高显色指数（CRI≥80）的白光照明系统。
背景技术
固体照明，特别是发光二极管（LED）由于其寿命长、无污染、光效高正越来越多地取代荧光灯/白炽灯等成为新一代的光源。由于直接生产制备出来的LED都是单色光，要获得白光，必须有多种颜色混合才能形成。制备白光LED的方式有两种：一种是利用蓝/紫外光LED激发光转换材料形成；另一种是直接用红、绿、蓝三原色LED混光而成。
在如商场、博物馆及艺术品等需要准确显示颜色的照明应用中，对白光光源显示对象颜色的能力提出了很高的要求，一般要求其显色指数（CRI）大于80。而前述用三原色LED混光成白色照明系统会因其光谱太窄，导致其CRI效果不佳；若用蓝/紫外光LED激发光转换材料形成白光的方式，则需要增加转换成红光的转换材料，由于斯托克斯损耗更大导致发光效率低下以及成本的增加。因此用前述两种方式很难同时实现高的CRI及高的发光效率。
美国专利US6513949、US6692136、US6577073及US7213940揭示了用发射短波长光（蓝光）的LED激发光转换材料发出中等波长的光（黄/绿光），并搭配发射长波长光（红光）的LED，同时兼顾宽的频谱和高的红光发光效率，实现高的CRI及发光效率。
但是上述蓝光LED组合光转换材料并搭配红光LED的系统会有如下问题：蓝光LED、光转换材料以及红光LED的发射强度对温度的响应是不一样的；由于光源系统在点亮瞬间和其达到热平衡后的温度差异较大，导致光源系统点亮瞬间和热平衡后的光谱组成差别很大，也就是说，刚点亮时和点亮一段时间后，光源系统的色点差别很大，造成视觉偏差，严重影响消费者对产品的认可和信赖。
因此，有必要制造一种白光照明系统，在实现高的CRI及高的发光效率的同时，也能克服点亮瞬间和达到热平衡后的色点差异问题。
发明内容
本发明旨在实现高CRI及高发光效率的白光照明系统的同时，克服点亮瞬间和达到热平衡后的色点差异问题。本发明通过在发光元件的基础上，再配置加热元件和控制元件，并通过控制元件控制发光元件和加热元件的开启和关闭，实现发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的温度差异不会影响其发光的色点/色温。
根据本发明的第一个方面，白光照明系统，包括：发光元件，由至少二个发光二极管组成，其可操作产生白光；加热元件，其能被控制产生热量，加热所述照明系统；控制元件，其能分别控制所述发光元件和加热元件的开启和关闭；所述控制元件控制所述加热元件预先对所述发光元件进行加热后再开启所述发光元件，从而减小所述发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的温度差异，使得其发光的色点在点亮瞬间和达到稳态后基本维持不变。
优选的，所述发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异不超过7阶麦克亚当椭圆。
优选的，所述发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异不超过4阶麦克亚当椭圆。
优选的，所述发光元件包括：至少一个蓝光LED，其可发出主波长为400nm~490nm的蓝光；至少一种光转换材料，其可吸收部分所述蓝光后发出主波长为490nm~600nm的黄绿光；至少一个红光LED，其可发出主波长为600~700nm的红光。在一些实施例中，所述光转换材料可以紧密接触覆盖在所述蓝光LED表面 。在另一些实施例中，所述光转换材料可以与所述蓝光LED分离，罩在其出光方向上 。
优选的，所述加热元件可以是电热丝、碳化硅、硅钼棒、PTC电热元件、电热涂料的一种或数种组合，且与所述发光元件相邻。在一些实施例中，所述不同的发光二极管共用一个加热元件。在另一些实施例中，所述不同的发光二极管对应不同的加热元件，其为相同的加热模式或者不同的加热模式。
在一些实施例中，所述控制元件具有定时器的功能，当加热时间达到预设时间后，关闭所述加热元件，开启所述发光元件。所述控制元件的定时器包括：接通延时型、断开延时型、保持接通延时型、脉冲型及扩张性脉冲定时器等。
在一些实施例中，所述控制元件具有温控功能，当加热温度到预设温度后，关闭所述加热元件，开启所述发光元件。所述控制元件的温控器包括：突跳式温控器、液张式温控器、压力式温控器及电子式温控器等。
在一些实施例中，所述控制元件具有不同的控制目标供用户选择，包括显色指数(CRI)和相关色温(CCT)。所述控制目标对应于一组内置有不同的控制目标，包括电流、加热时间和加热温度中的一种或其组合。
根据本发明的第二个方面，一种用于控制前述白光照明系统的方法，包括步骤：所述控制元件开启所述加热元件，预先加热所述发光元件；当所述照明系统达到预设条件时，所述控制元件关闭所述加热元件，开启所述发光元件，从而减小所述发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的温度差异，使得其发光的色点在点亮瞬间和达到稳态后基本维持不变。
在一些实施例中，所述控制元件通过定时器控制所述加热元件和发光元件，当加热时间达到预设时间后，关闭所述加热元件，开启所述发光元件。
在一些实施例中，所述控制元件通过温控器控制所述加热元件和发光元件，当加热温度达到预设温度后，关闭所述加热元件，开启所述发光元件。所述预设温度等于或者低于所述发光元件的热平衡温度。较佳的，所述预设温度低于所述发光元件的热平衡温度5~10℃。
本照明系统不需复杂的电路设计，减少系统复杂性，降低成本，适合大批量生产制备。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的其他优点还可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1显示了不同LED芯片归一化相对强度随温度变化关系。
图2是实施例1所述白光照明系统的俯视图。
图3是沿图2之线A-A所述白光照明系统的侧面剖视图。
图4是实施例2所述白光照明系统的侧面剖视图。
图5显示控制白光照明系统加热目标温度对加热前后色点的影响。
图6是实施例3所述白光照明系统的侧面剖视图。
图7是实施例4所述白光照明系统的操作系统示意图。
图中各标号表示：
100、200、300、400 白光照明系统；
101、201、301、401 导热基板；
102、302、402 控制元件；
103、203、303、403 透镜；
104、304、404 连接线；
105、205、305、405 红光LED；
106、206、306、406 加热元件；
107、207、307、407 蓝光LED；
108、208、308、408 光转换材料；
109、309、409 焊点；
500 多模式白光照明系统；
501 控制元件；
502 控制目标模块；
503 控制参数模块；
504 加热元件；
505 发光元件。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
在白光照明系统中，光源系统在点亮瞬间和其达到热平衡后的温度差异较大，由于蓝光LED、光转换材料以及红光LED的发射强度对温度的响应存在差异，导致光源系统点亮瞬间和热平衡后的光谱组成差别很大。如图1所示，使用蓝光LED芯片、含荧光粉的蓝LED芯片(白光芯片)以及红光LED芯片，分别测量其亮度随环境温度的变化。通过实验发现：若把25℃下不同芯片的亮度归一化为100%，在50℃时，蓝光LED芯片的亮度下降了约4%，白光芯片的亮度下降了约7%，红光LED芯片的亮度下降了约12%；温度更高时，红光芯片的亮度下降得更厉害。若以25℃的亮度对不同芯片进行混光达到目标色点，随着温度升高，由于不同LED芯片有不同程度的亮度衰减，导致光谱中各种颜色配比与初始差异很大，色点严重偏离目标。
针对前述问题，以下各实施例公开了一种白光照明系统，其在发光元件的基础上，配置加热元件和控制元件，并通过控制元件控制发光元件和加热元件的开启和关闭，实现发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的温度差异不会影响其发光的色点/色温。
实施例1
如图2和图3所示，一种白光照明系统100（200）包括：导热基板101（201）以及固在其上的红光LED芯片105（205）、蓝光LED芯片107（207）、覆盖在蓝光LED表面的光转换材料108（208）以及覆盖在出光面的半球形透镜103（203）。其中LED芯片下方，导热衬底内部有加热元件106（206）。加热元件安装在此位置有利于同时加热红/蓝光LED及光转换材料，同时也有利于控制芯片温度。控制元件102用于控制发光元件和加热元件的开启和关闭，使得发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异不超过7阶麦克亚当椭圆。
具体的，红光LED为AlGaAs材料，蓝光LED为GaN材料；光转换材料为分散在透明硅胶内的黄色YAG荧光粉；荧光粉以保形涂敷（conformal coating）的方式，此方式有利于CCT随角度的变化更均一及控制荧光粉散热；半球形透镜系用PMMA材料制成；加热元件选用PTC电热元件；控制元件采用定时方式来控制开关的转换，可选用555定时器；所确定的加热时间使得发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异小于4阶麦克亚当椭圆，具体的加热时间需根据不同的散热系统进行确定。
实施例2
如图4所示，本实施例的白光照明系统300包括：导热基板301以及固在其上的红光LED芯片305、蓝光LED芯片307及覆盖在蓝光LED表面的光转换材料308以及覆盖在出光面的半球形透镜303。其中LED芯片下方，导热衬底内部有加热元件306。加热元件安装在此位置有利于同时加热红/蓝光LED及光转换材料，同时也有利于控制芯片温度。控制元件302用于控制发光元件和加热元件的开启和关闭，使得发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异不超过7阶麦克亚当椭圆。
具体的，红光LED为GaP材料，蓝光LED为GaN材料；光转换材料为分散在透明硅胶内的黄色YAG荧光粉；荧光粉以远离芯片（remote phosphor）的方式，此方式有利于芯片出光及控制荧光粉温度；半球形透镜系用硅胶材料制成；加热元件选用PTC电热元件；控制元件采用温控方式来控制开关的转换，可选电子式温控器。所确定的加热目标温度使得发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异小于4阶麦克亚当椭圆。
在本实施例中，所确定的加热目标温度等于或低于热平衡的温度，较佳的可取低于比热平衡温度 5~10℃。图5显示控制白光照明系统加热目标温度对加热前后色点的影响。在最佳状态下，点亮瞬间的温度等于热平衡的温度，此时色坐标点位于麦克亚当椭圆的中心点；当点亮瞬间与热平衡差异约5℃时（即加热目标温度低于热平衡温度5℃），此时色坐标点刚好位于4阶麦克亚当椭圆内；当点亮瞬间与热平衡差异约10℃时（即加热目标温度低于热平衡温度10℃），此时色坐标点刚好位于7阶麦克亚当椭圆内。若温度控制离热平衡温度差异很大（如50℃），则点亮瞬间与达到热平衡后的色点差异远大于7阶麦克亚当椭圆。需要说明的是，由于不同厂家的LED芯片的亮度对温度的响应可能存在差别，本实施例所控制的温度差异对应的色点变化采用是针对某些特定芯片。在设计加热/控制元件前，应先了解所用芯片的亮度对温度的响应曲线，根据响应曲线设计控制参数及目标。
实施例3
如图6所示，本实施例的白光照明系统400包括：两块相互独立的导热基板401、分别固在导热基板上的红光LED芯片405、蓝光LED芯片407及覆盖在蓝光LED表面的光转换材料408，覆盖在LED芯片出光面的半球形透镜403。其中，红/蓝光LED芯片下方，导热衬底内部分别各有一加热元件406。由于红/蓝光两个LED相互热隔离，其最优的工作温度会有所差异。因此本实施例配置两个加热元件，分别对红/蓝光LED进行加热，通过控制元件402分别控制两个加热元件，使得发光元件工作在各自的最优方式下，并在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异不超过7阶麦克亚当椭圆。
具体的，红光LED为AlGaAs材料，蓝光LED为GaN材料；光转换材料为分散在透明硅胶内的黄色YAG荧光粉；荧光粉以保形涂敷（conformal coating）的方式，此方式有利于CCT随角度的变化更均一及控制荧光粉散热；半球形透镜系用PMMA材料制成；加热元件选用PTC电热元件；控制元件采用温控方式来控制开关的转换，可选电子式温控器。所确定的加热目标温度比热平衡温度低5℃，使得发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异小于4阶麦克亚当椭圆。
实施例4
前述实施例皆是根据本发明，工作在单一模式下的白光照明系统，本实施例将介绍将多种模式集合到一起，储存在系统内部，并提供模块供用户使用。
如图7所示，多模式白光照明系统的操作系统500，包括控制目标模块502、控制元件模块501、控制参数模块503、加热元件504和发光元件505。用户根据自己的需要在控制元件501内输入想要的照明目标502，如CCT、CRI、亮度等，控制元件可根据已录入的数据转换成控制的参数，如电流、加热时间、加热温度等。通过控制发光元件505和加热元件504的开启和关闭，使得发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异不超过7阶麦克亚当椭圆。
Claims (15)
1.一种白光照明系统，包括：
发光元件，由至少二个发光二极管组成，其可操作产生白光；
加热元件，其能被控制产生热量，加热所述照明系统；
控制元件，其能分别控制所述发光元件和加热元件的开启和关闭；
所述控制元件控制所述加热元件预先对所述发光元件进行加热后再开启所述发光元件，从而减小所述发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的温度差异，使得其发光的色点在点亮瞬间和达到稳态后基本维持不变。
2.根据权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于：所述发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异不超过7阶麦克亚当椭圆。
3.根据权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于：所述发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的色点差异不超过4阶麦克亚当椭圆。
4.根据权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于：所述发光元件包括：
至少一个蓝光LED，其可发出主波长为400nm~490nm的蓝光；
至少一种光转换材料，其可吸收部分所述蓝光后发出主波长为490nm~600nm的黄绿光；
至少一个红光LED，其可发出主波长为600~700nm的红光。
5.根据权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于：所述不同的发光二极管共用一个加热元件。
6.根据权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于：所述不同的发光二极管对应不同的加热元件，其为相同的加热模式或者不同的加热模式。
7.根据权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于：所述控制元件具有定时器的功能，当加热时间达到预设时间后，关闭所述加热元件，开启所述发光元件。
8.根据权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于：所述控制元件具有温控功能，当加热温度达到预设温度后，关闭所述加热元件，开启所述发光元件。
9.根据权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于：所述控制元件具有不同的控制目标供用户选择，包括显色指数(CRI)和相关色温(CCT)。
10.根据权利要求9所述的白光照明系统，其特征在于：所述控制目标对应于一组内置有不同的控制目标，包括电流、加热时间和加热温度中的一种或其组合。
11.一种用于控制前述权利要求1所述白光照明系统的方法，包括步骤：
所述控制元件开启所述加热元件，预先加热所述发光元件；
当所述照明系统达到预设条件时，所述控制元件关闭所述加热元件，开启所述发光元件，从而减小所述发光元件在点亮瞬间和达到稳态后的温度差异，使得其发光的色点在点亮瞬间和达到稳态后基本维持不变。
12.根据权利要求11所述的白光照明系统的控制方法，其特征在于：所述控制元件通过定时器控制所述加热元件和发光元件，当加热时间达到预设时间后，关闭所述加热元件，开启所述发光元件。
13.根据权利要求11所述的白光照明系统的控制方法，其特征在于：所述控制元件通过温控器控制所述加热元件和发光元件，当加热温度达到预设温度后，关闭所述加热元件，开启所述发光元件。
14.根据权利要求13所述的白光照明系统的控制方法，其特征在于：所述预设温度等于或低于所述发光元件的热平衡温度。
15.根据权利要求14所述的白光照明系统的控制方法，其特征在于：所述预设温度低于所述发光元件的热平衡温度5~10℃。
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