CN104160505B - 用于替换荧光灯管的led阵列 - Google Patents

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Abstract

一种LED照明组件被提供作为用于标准荧光灯管的插入式替换。LED照明组件和用于其装配的对应方法包括具有安装在其上的LED阵列的基板。LED阵列可以以传统引线键合或倒装芯片的布置被安装。组件还包括散热层、光漫射层、UV滤光层和用于支撑组件的结构框架。结构框架可以被调整用于替换任何长度的荧光灯管。电压控制器被提供用于过滤掉来自电源的电压尖峰。微控制器被提供用于接收任何控制指令。

Description

用于替换荧光灯管的LED阵列
技术领域
本发明涉及照明阵列领域。更具体地，本发明涉及用于荧光灯管的插入式(drop-in)替换的LED照明阵列的领域。
背景技术
荧光灯是用于在商业和住宅环境二者中提供光的众所周知和成本高效的装置。荧光灯有许多尺寸可容易获得。然而，荧光灯承受许多固有缺陷。例如，荧光灯是负微分电阻设备，所以当更多电流流过它们时，荧光灯的电阻下降，从而允许甚至更多电流流动。直接连接到恒压电源，由于不可控的电流，荧光灯会迅速自毁。为了防止这样，荧光灯必须使用辅助设备镇流器以调节流过灯管的电流。用于交流用途的最简单的镇流器是串联放置的电感器，其通常在层叠磁芯上具有绕线。该绕线的电感限制AC电流的流动。例如，在120伏特工作的使用相对短的灯的台灯中仍旧使用这一类型。针对灯的尺寸和功率频率分级镇流器。在市电电压不足以启动长的荧光灯的情况中，镇流器经常是具有大量泄露电感(以便限制电流)的升压自耦变压器(step-up autotransformer)。感应镇流器的任一形式还可以包括用于功率因子纠正的电容器。自然地，必须间歇地替换的镇流器是昂贵的物件。而且，荧光灯的光输出和性能受到灯泡壁的温度以及其对灯内汞蒸汽的分压的作用的关键影响。每个灯都含有少量汞，其必须气化以支持灯电流并生成光。在低温下，汞处于分散液滴的形式。随着灯升温，更多的汞处于蒸气形式。在较高温度下，蒸汽中的自吸收降低了UV和可见光的产生。由于汞在灯中的最冷点处凝结，要求仔细设计以保持该点处于约40℃的最佳温度。由于荧光灯管导致汞泄漏到垃圾填埋地中并且因此造成污染，再次自然地应该采取专门步骤以用于荧光灯 管的处理。
发光二极管(LED)是基于半导体的光源。在它们的制造中可以使用诸如硅、砷化镓、铜铟镓硒或者其它之类的许多不同的半导体。在发光二极管正向偏置(打开)时，电子能够与器件内的空穴重新结合，从而以光子的形式释放能量。这一效应被称作电致发光。对应于光子能量的光颜色由所使用的特定半导体基板的能隙确定。LED通常面积小，大约2平方毫米，并且可以使用集成光学组件以整形其辐射图案。与荧光光源相比，LED呈现出许多优点，包括较低的能耗、较长的寿命、改善的稳健性、较小的尺寸以及较快的切换性。需要高效照明以用于可持续的架构。典型的13瓦LED灯可以发射450到650流明，这等于标准40瓦的白炽灯泡。LED已经变得更高效，使得6瓦LED可以容易地实现同样结果。荧光灯的寿命取决于许多因素，包括工作电压、制造缺陷、暴露于电压尖峰、机械冲击、循环开关的频率、灯的定向和环境工作温度等其他因素。通常，寿命是6000到10000小时。如在住宅和一些商业应用中的情形，如果其被频繁打开和关闭，荧光灯的寿命显著较短。另一方面，LED具有50000小时的寿命。
因为它们非常长的寿命，基于LED的照明对于照明居家或办公空间可以是成本高效的选项。消费者使用LED作为对传统照明系统的替换过去一直受到现有产品的高成本和低效率的阻碍。然而，虽然存在可用的如150lm/W高效的LED，并且更加便宜的低端型号通常超过50lm/W，但是它们不可用作用于荧光灯的插入式替换。
发明内容
所提供的是一种使得能够在使用荧光灯管的任何地方对荧光灯管进行插入式替换的方法和对应装置。换句话说，消费者可以购买这种如下面提供的基于LED的组件以用于直接替换，就像它们是通常的荧光灯管，而无需任何支持电系统、如下面提供的基于LED的照明装置的任何附加组件、安装或拆装。组件提供了标准连接器，因此 组件的安装在关于标准荧光灯管方面对用户是显而易见的。
在本发明的第一方面中，一种形成照明组件的方法，包括将至少一个LED安装到基板上、将散热层安装在基板上以及将基板安装在结构框架中。优选地，方法还包括将滤光层安装在基板上、将光漫射层安装在基板上，以便至少一个LED被定向为发射光通过滤光层和光漫射层。在一些实施例中，至少一个LED是LED阵列的一部分。LED可以以倒装芯片的方式安装，以便LED发光的活性区域被定向朝向基板中的孔以便光可以通过孔、滤光层和光漫射层。替代地，LED可以利用引线键合以标准定向被安装，以便光被发射远离基板。优选地，散热器被安装。散热器可以是被安装在由LED发射的光路径中的光学透明层，或者替代地如果它们已经以倒装芯片的方式被安装，可以被安装到LED的背面。方法还包括将一组诸如两脚连接器之类的连接器安装在基板上。替代地，连接器可以被安装在支撑基板的结构框架上。在一些实施例中，被配置为与基板上的第一连接器配合的至少一组第二连接器被安装在结构框架上。这些第二连接器可以是通常用于连接荧光灯的标准两脚连接器。第二连接器可以是可替换的以用于允许不同的外形规格、尺寸和标准。此外，诸如扼流线圈之类的电压控制器可以被安装到基板上，以用于吸收电压尖峰、瞬变、或其它电异常。微控制器可以被安装用于控制诸如亮度或暗度、工作持续时间、支持远程控制功能等之类的任何电功能。微控制器是高度适用和灵活的，并且可以用于实现一系列广泛的专用要求。
在本发明的另一方面中，LED照明阵列包括基板、被安装在基板上的LED阵列、被安装到基板的散热器、被安装到基板的紫外滤光器以及被安装到基板的光漫射层。优选地，LED阵列被定位成发射光通过紫外滤光器和光漫射层。
散热器优选为光学透明的，并且LED阵列被定位成发射光通过光学透明的散热器。替代地，标准翅片型散热器、活动液体或空气冷却的散热器等可以被安装在热耦合到LED阵列的非发光表面上。散热器应该由导热并且电绝缘的材料构造。在一些实施例中，电压控制器被包括用于吸收来自电源或镇流器的瞬态电压尖峰。电压控制器可以是诸如降压/升压转换器或开关转换器之类的有源电路，或者诸如变压器、电感器、扼流线圈之类的无源元件，或者用于抵制电源中瞬变的任何其它已知或专用组件。微控制器被包括用于接受控制信号。控制信号可以包括诸如暗度、亮度、工作时间、远程控制、存储器特征等之类的任何用户可控的光特征。LED照明阵列优选配备有标准两脚连接器。由于两脚连接器在标准尺寸中可用，所以本文中实施例的两脚连接器优选具有可替换或可变的连接器，以便LED光阵列可以与任何尺寸的接受器一起使用。此外，可变连接器允许使用任何外形规格的连接器。LED照明阵列被安装在结构支撑上。结构支撑可以是平面的并且在其上容纳多个LED照明阵列，或者可以是圆柱形的，以紧密类似荧光灯的用户习惯于的外形规格。在一些实施例中，结构支撑包括用于调整结构框架长度的滑动部件，以使得LED照明阵列能够被使用在任何尺寸的已经被配置为接受荧光灯管的照明器材中。
附图说明
图1A示出根据当前发明的一个实施例的LED照明阵列。
图1B示出根据当前发明的一个实施例的LED照明阵列。
图2示出具有用于尺寸配置的滑动部件的LED照明阵列。
图3示出LED照明阵列的形成中的示例性装配步骤。
图4示出圆柱形外形规格的LED照明阵列。
具体实施方式
在以下描述中，为了说明的目的阐述了众多细节。然而，本领域普通技术人员将了解的是，可以在不使用这些具体细节的情况下实践本发明。因此，本发明不旨在于受限于所示出的实施例，而是赋予与本文中描述的原理和特征或者与等效替代一致的最宽范围。例如，在附图中示出的并且由说明书支持的几个实施例的元件在其他实施例之间是可互换的。几个元件的定向和布置可以针对专用要求而变化。 元件可以被省去。受益于本公开内容的普通技术人员将容易理解的是，通过在说明书中描述的并且在图中示出的这几个元件的组合，若干实施例是可得到的。
现在将详细参照附图中所示的本发明的实施方式。贯穿附图和以下详细描述，将使用相同的参照标记以指代相同或相似的部件。本发明的实施例涉及用于单基板半导体载体或组件的装置和方法。术语“LED照明阵列”一般指由同一单片半导体基板制成的多个单独LED、或者可替换地安装在一起的多个封装LED、或者这些结构布置的组合。由于两脚连接器是用于荧光灯的标准连接器和对应插座，为了简洁和清楚，本文中参照两脚连接器。要理解的是，连接器可以用任何标准或专用的连接器或者根据要求的接受器(receptacle)来替换。
图1A和图1B示出被配置并且设置用于标准荧光灯的即插即用(plug-and-play)式替换的平面LED照明阵列的实施例。图1A示出LED照明阵列200的第一示例性实施例。首先，从底表面203示出支撑结构201。因为在标准照明器材中，底表面203将从天花板面向下，底表面203在这个示例性实施例中被当作这样。由于如在下面的描述中将阐明的，光被发射远离该表面，底面203可以替代地被称为发射表面。支撑结构201具有至少一个孔205。在图1A的示例中，提供了两个孔205。支撑结构205可以由诸如FR4层板之类的、能接受在其上形成电路布线的任何适当的印刷电路板(PCB)材料构造。孔205被布置和分隔用于从安装在相对侧(下面解释)上的LED的最佳照明。根据在任何给定应用中使用的特定LED，孔205可以具有任何对应尺寸或形状。支撑结构201包括连接器240。在图1A的示例中，连接器240是广泛用于将荧光灯安装到适当接受器中的标准两脚连接器。优选地，连接器240是可移动的和可互换的，以使得LED照明阵列200能够与任何特定、已知或专用接受器配合。在图1A的示例中，支撑结构201具有四个连接器240。因为众所周知每个荧光灯在每端上具有连接器，四个连接器240对应于两个荧光灯。图1A的示例性实施例能够装到以前被配置用于接收两个荧光灯泡的照明器材 中。受益于本公开内容的普通技术人员将容易理解的是，可以包括任何数目的连接器240，以用于替换特定器材中的任何数目的荧光灯泡。连接器240可以通过支撑结构201的层叠层(未示出)之间的电路布线电耦合到电路块220、微控制器215或LED 210。在一些实施例中，提供轨道245以使得连接器240能够横向滑动。有利地，LED照明阵列200可以被终端用户配置以装到特定照明器材中。
图1A中的底部图从顶侧202示出LED照明阵列200。再次，因为在大多数配置中，这是将面向上并且远离光被发射的方向的表面，顶侧202被涉及。顶表面202具有在其上图案形成的或以其它方式形成的、用于使得能够在若干元件之间进行电通信的电路布线206。电路块220可以包括电压控制器、调光器、远程控制传感器等。远程控制传感器可以包括红外(IR)接口、无线电接口、蓝牙接口或者专用或专属接口。电路块220可以与警报系统进行通信。例如，由于在建筑物的不同区域中的火灾引起的警报可以使得LED照明阵列200显示特定的预定光警示图案。具体地关于电压控制器，电压控制器被包括用于抵制来自一般被耦合到电源的镇流器的电压或电流瞬变。由于LED照明阵列200旨在是针对荧光灯泡的插入式替换，所以假设了镇流器在照明器材中的存在。由于镇流器被配置用于在电流中提供尖峰给荧光灯或灯泡，所以应该考虑尖峰。为此，提供了电压控制器。电压控制器可以是简单的扼流线圈或低通滤波器。替代地，电压控制器可以是诸如降压/升压转换器、电源或者上面列出的任意组合之类的有源设备。在图1A的示例中，示出了两个LED 210。LED 210以倒装芯片的方式经由焊料球211被安装在孔205之上。生成光的LED 210的活性表面优选地直接被定向在孔205上方。LED 210可以由任意半导体材料任意制成，该半导体材料包括但不限于硅、SiGe、CIGS等并且可以基于成本、针对特定应用所要求的光的量和光的质量、颜色、生热性或任何其它因素来选择。而且，微控制器215被提供用于接受来自外部源、存储器或远程控制的控制。微控制器215与电路块220和LED 210进行电通信。例如，微控制器215可以接受来自用户的调 暗或调亮控制。替代地，微控制器215包括存储器或者被耦合到在其上具有指令的外部存储器(未示出)。微控制器215可以被编程用于为来自镇流器的已知电流尖峰做准备，并且适当控制电压控制器。
图1B示出LED照明阵列250的另一实施方式。在图1B的示例中，由于LED以传统引线键合技术安装，LED 260背向底表面252。因此，LED 260的发光活性表面265背向表面252。微控制器270也被引线键合。包括电压控制器的电路装置275被示出以倒装芯片配置安装。在诸如图1B的示例之类的实施例中，可以有利的是，包括如下面将说明的用于层安装的隔离片280。隔离片280可以是硅或聚酰亚胺FR4材料。
标准荧光灯有各种长度，并且因此荧光照明器材有各种尺寸。如果诸如上面描述的LED照明阵列之类的LED照明阵列包括用于调整长度的装置，那么这将是有利的。为此，图2示出LED照明阵列290，其具有用于接收滑动部件295的轨道296。为了清楚起见，图2中不包括上面描述的元件。滑动部件295允许用户配置LED照明阵列290的总长度。有利地，LED照明阵列290可以被配置为能装进任何长度的照明器材。荧光灯有各种标准长度。为此，轨道296可以包括在沿着轨道296的路径的预定义点处的闭锁点(latching points)，以用于将滑动部件295闭锁在适当位置。滑动部件295包括第二组连接器297，其经由柔性电缆298被耦合到第一组连接器299。替代地，柔性电缆298可以直接被安装到LED照明阵列290。
图3示出用于将层和散热器添加到LED照明阵列300的装配步骤。在第一步骤中，提供了图1A的LED照明阵列310。在图3的示例中，根据其中LED被安装成倒装芯片样式并且光通过孔被发射的实施例，安装层和散热器。在下面的步骤中被安装的元件被安装到底表面203。光学透明的散热层320被安装。众所周知，LED生成热量。此外，诸如微控制器或电压控制器之类的控制电子设备也可以生成热量。为此，散热层320被提供以辐射过剩热量。优选地，散热材料是诸如玻璃、陶瓷或晶体之类的电绝缘并且导热的材料。替代地，可以 使用基于聚酰亚胺或硅的材料。再替代地，散热层320可以被安装在LED照明阵列的顶表面202(图1A)上。由于这种布置不会妨碍光，散热层320可以是任何材料，并且包括用于更少热阻的热翅片。然后，包括颜色/UV滤光层330。众所周知，产生白或黄光的LED可能是昂贵或低效的。为此，颜色/UV滤光器被包括以便可以使用更常见并且容易制造的半导体基板来制成LED。颜色/UV滤光器还可以被并入到图1A的孔205中。然后安装光漫射层340。光漫射层340使光漫射或者散开或者散射以给出柔光。漫射光可以通过诸如使用磷涂层之类的使光从白色表面漫射反射而容易地获得。替代地，光漫射层可以使用半透明材料，包括毛玻璃漫射器、聚四氟乙烯漫射器、全息漫射器、乳白玻璃漫射器和灰色玻璃漫射器。在下一步骤中，结构框架350被并入。结构框架350可以在长度和宽度方面是可调整的，以用于容纳任何尺寸的照明器材。结构框架350可以被一体形成到图1A支撑基板201中，并且沿着诸如图2的296之类的轨道滑动。仍然替代地，图1A的两脚连接器240可以被安装到结构框架350，而不是支撑基板201。
图4示出LED照明阵列400的替代实施例。在图4的示例中，LED照明阵列400包括圆柱形外壳415。有利地，圆柱形外壳415的外形规格给终端用户关于众所周知的荧光灯的熟悉度，并且允许终端用户用LED照明阵列400自由交换荧光灯。类似于标准荧光灯，LED照明阵列400包括在两端上的两脚连接器。在至少一侧上的两脚连接器410被耦合到电压控制器435。电压控制器435调节由插座(未示出)提供的电力，并且以消除无论是否由电源有意提供的或故障造成的瞬变和电力尖峰。大多数荧光照明系统允许电流中的初始尖峰以用于开始加热荧光灯内的气体。利用LED阵列，这种尖峰是不必要的，并且可能对内部阵列或其它电子设备的造成损害。为此，电压控制器435抑制或消除这些瞬变。电压控制器435可以是诸如变压器、扼流线圈之类的无源设备、或者诸如降压/升压或其它开关转换器之类的有源功率转换器、或者其任意组合。电压控制器435还提供电力给微控 制器430。微控制器430可以是处理器、PIC控制器、FPGA或者任何其它适当的或专用控制器。微控制器430可以具有在板上的存储器以用于储存诸如亮度相对当天时间之类的预定照明要求，或者微控制器430可以被配置为接受远程控制信号以用于控制所提供的光的诸如亮度之类的任何方面。微控制器430被示出耦合到若干LED 420。LED420可以是单独LED的网格形成、或者在单独基板上形成的LED阵列、或者其任意组合。LED 420可以具有任何硅基板。然而，众所周知，不同的基板生成不同波长的光。为此，提供了漫射层450。漫射层450优选为适于装在LED 420之上的半透明层。在一些实施例中，漫射层可以集成到外壳415。替代地，可以提供不同的漫射层415以提供不同颜色的光。还有，提供了散热层460。散热层460也是导热并且电绝缘材料(包括但不限于陶瓷、玻璃、硅、聚合物或任何其它已知的专用材料)的半透明层，以用于当吸收废热时允许光透过。在一些实施例中，滑动体402被提供以调整LED照明阵列400的长度。滑动体402可以通过弹簧、轨道等可滑动耦合，并且可以被配置为闭锁到对应于荧光灯的标准长度的位置中。
尽管本文中描述了荧光灯，但是受益于本公开内容的普通技术人员将容易理解的是，本文中描述的发明可以被适用于众多外形规格。例如，考虑在替换灯泡中的螺旋件。控制电子设备、LED、UV滤光器、漫射层和散热器可以被包括在具有标准灯泡螺旋式连接器的外形规格中。虽然已经参照众多具体细节描述了本发明，但是一个本领域普通技术人员将意识到，本发明可以以其它具体形式体现，而不脱离本发明的精神。因此，一个本领域普通技术人员将理解，本发明不受前述说明性细节限制，而是要由所附权利要求来定义。

Claims (16)

1.一种形成照明组件的方法，包括：
a.将至少一个LED安装到基板上；
b.将散热层安装在所述基板上；
c.将滤光层安装在所述基板上；
d.将光漫射层安装在所述基板上；以及
e.将所述基板安装在结构框架中，使得所述至少一个LED被定向为发射光通过所述滤光层和光漫射层，其中所述结构框架包括滑动部件，其中所述滑动部件沿着固定路径与所述基板可滑动地耦合，使得所述滑动部件能够在沿着所述固定路径相对于所述基板滑动的同时仍然耦合至所述基板，其中所述滑动部件包括两个平行边和耦合至所述两个平行边的端部的第三边，从而形成“U”形，其中所述基板的端部被配置为装配到所述滑动部件中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中安装至少一个LED包括将LED阵列安装到所述基板上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中安装至少一个LED包括将焊料球安装到所述至少一个LED，并且以倒装芯片的方式安装所述至少一个LED使得光被发射通过所述基板中的对应孔。
4.根据权利要求1所述的方法，其中安装至少一个LED包括将键合引线安装到所述至少一个LED，并且安装所述至少一个LED使得光被发射远离所述基板。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括将至少一组第一连接器安装在所述基板上，其中所述连接器是标准荧光灯管连接器。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括将电压控制器安装到所述基板上。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述电压控制器被配置用于吸收初始电压尖峰。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述电压控制器包括扼流线圈。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括将微控制器安装到所述基板上。
10.一种LED照明阵列，包括：
a.基板；
b.安装在所述基板上的LED阵列；
c.安装到所述基板的散热器；
d.安装到所述基板的紫外滤光器；
e.安装到所述基板的光漫射层，其中所述LED阵列被定位成发射光通过所述紫外滤光器和光漫射层；以及
f.结构框架包括滑动部件，其中所述滑动部件沿着固定路径与所述基板可滑动耦合，使得所述滑动部件能够在沿着所述固定路径相对于所述基板滑动的同时仍然耦合至所述基板，其中所述滑动部件包括两个平行边和耦合至所述两个平行边的端部的第三边，从而形成“U”形，其中所述基板的端部被配置为装配到所述滑动部件中。
11.根据权利要求10所述的LED照明阵列，其中所述散热器是光学透明的，并且所述LED阵列被定位成发射光通过所述光学透明的散热器。
12.根据权利要求10所述的LED照明阵列，其中所述散热器包括导热并且电绝缘的材料。
13.根据权利要求10所述的LED照明阵列，还包括被配置用于避免来自电源的瞬态电压尖峰到达所述LED阵列的电压控制器。
14.根据权利要求10所述的LED照明阵列，还包括用于接受用于控制由LED阵列生成的光的控制信号的微控制器，其中所述控制信号与向所述LED阵列提供功率的功率信号不同。
15.根据权利要求10所述的LED照明阵列，其中所述滑动部件包括一组两脚连接器。
16.一种用于替换标准荧光灯的照明设备，包括
a.在其上具有至少一个孔的基板；
b.至少一个LED，所述LED具有发光表面，其以倒装芯片的方式安装到所述基板以便光被发射通过所述孔；
c.耦合到所述基板使得所述LED的所述发光表面通过的光漫射层；
d.耦合到所述基板使得所述LED的所述发光表面通过的UV滤光层；
e.耦合到所述基板使得所述LED的所述发光表面通过的光学透明的散热层；以及
f.与所述基板可滑动耦合的滑动部件，其中所述滑动部件包括两个平行边和耦合到所述两个平行边的端部的第三边，从而形成“U”形，其中所述基板的端部被配置为装配到所述滑动部件中。
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