CN106538058B - 用于高强度放电镇流器的发光二极管改型灯 - Google Patents

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Abstract

提供了与高强度放电（HID）镇流器对接的LED改型灯，所述LED改型灯包括：具有多个发光二极管（LED）的光源、耗散由LED生成的热的一个或更多个热沉组件、以及被配置成操作LED的LED驱动器。所述LED改型灯设置在HID外罩内且所述HID镇流器与所述LED驱动器电连接，并且向所述LED驱动器供应功率以用于操作所述LED。

Description

用于高强度放电镇流器的发光二极管改型灯
技术领域
本发明通常涉及发光二极管(LED)灯。具体而言，本发明涉及用于高强度放电(HID)镇流器的LED改型灯。
背景技术
HID灯是通过在容纳在熔融氧化铝弧管或填充有气体和金属盐的透明熔融石英中的电极之间形成电弧来产生光的弧形灯。一旦使用气体起动弧，金属盐蒸发以形成等离子体。HID灯通过使用输入电能增加等离子体中的能量，基于电子和离子与中性金属原子的碰撞产生光来将输入电能转换成光能。
图1示出了具有包括内部磷光体涂料(coating)14的外部椭球形灯泡12的常规HID灯10的示例。HID灯10还包括连接到支撑结构18的弧管16。起动电阻器20与用于发起弧的起动电极22连接。灯泡12的较低端位于帽24内，用于连接到电源。使用镇流器来操作HID灯10。
在LED应用中，比在HID应用中更有效地生成光。当导带电子与半导体的价带中的孔穴重新组合时生成光。通过用供体(n型)或受体(p型)原子在其中掺杂电介质来创建半导体。LED通过n型和p型材料的夹层来创建，使得从导带到价带的能量降等于发射的光的能量(即，期望的频率或波长)。
LED是包括自由电子和孔穴的结构，使得当跨其应用电场时，通过增加漂移速度将能量更直接地传递到电子和孔穴。因此，更多的电子可以从价带到导带进行跃迁，创建孔穴，并且电子因此与生成期望辐射的孔穴重新组合。
发明内容
本发明的实施例提供了用于HID镇流器的LED改型灯以及用于用该LED改型灯替换现有HID灯以及将LED驱动器与现有HID镇流器对接的方法。
在一个示范实施例中，提供了与HID镇流器对接的LED改型灯。LED改型灯包括：包含多个LED的光源、耗散由LED生成的热的一个或更多个热沉组件、以及被配置成操作LED的LED驱动器。LED改型灯设置在HID外罩内且HID镇流器与LED驱动器电连接，并且向LED驱动器供应功率以用于操作LED。
根据又一示范实施例，提供了方法。该方法包括将LED改型灯设置在现有HID灯外罩中，特别是将LED改型灯的LED驱动器与现有的HID镇流器电连接，将来自HID镇流器的输出电压供应到LED驱动器，并调节输出电压以及使用调节的DC输出电压来操作LED改型灯的LED。
前述已广泛概括了各种实施例的一些方面和特征，其应被解释为仅仅说明本公开的各种潜在应用。通过以不同的方式应用所公开的信息或者通过组合所公开的实施例的各个方面，可以获得其他有益的结果。因此，除了由权利要求限定的范围之外，通过参考结合附图进行的示范实施例的详细描述，可以获得其他方面和更全面的理解。
附图说明
图1是示出HID灯的示例的示意图。
图2A和2B是各自示出可在本发明的一个或更多个实施例内实施的LED改型灯的示意图。
图3是图2B中所示的LED改型灯的分解图。
图4是示出设置在可在本发明的一个或更多个实施例内实施的现有HID灯外罩内的LED改型灯的示意图。
图5是示出根据本发明的一个或更多个实施例的HID镇流器和LED驱动器之间的电连接的电路示意图。
图6是示出可在本发明的一个或更多个实施例内实施的HID电压控制电路的电路示意图。
图7A和7B是示出根据本发明的一个或更多个备选实施例的LED改型灯的示意图。
图8是示出根据本发明的一个或更多个实施例的LED改型灯的光学分布的图。
图9是可在本发明的一个或更多个实施例内实施的用于用LED改型灯代替现有HID灯并将LED驱动器与现有HID镇流器对接的方法的流程图。
附图仅用于示出优选实施例的目的，而不应被解释为限制本公开。考虑到附图的以下使能描述，本发明的新颖方面应变得对本领域技术人员显而易见。该详细的描述使用数字和字母标号来指示图中的特征。图和描述中的相同或类似的标号已用于指示本发明的实施例的相同或类似的部分。
具体实施方式
根据需要，本文公开了详细的实施例。必须理解，所公开的实施例仅仅是各种和备选形式的示范。如本文所使用的，词语“示范”广泛地用于指示用作说明、样本、模型或图案的实施例。附图不一定按比例绘制，并且一些特征可能被夸大或最小化以显示特定组件的细节。在其它情况下，没有详细描述本领域普通技术人员已知的公知组件、系统、材料或方法，以避免使本公开模糊。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅是作为权利要求的基础和作为用于教导本领域技术人员的代表性基础。
本发明的实施例提供了用于HID灯的LED改型灯以及用于将LED驱动器与现有HID镇流器对接的方法。下面参考图2A、2B和3描述关于LED改型灯的细节。
图2A和2B是各自示出可在本发明的一个或更多个实施例中实施的LED改型灯100、200的示意图。如图2A中所示的，LED改型灯100包括底座102、帽(cap)部分104、包括开口107在其中的印刷电路板(PCB)106。LED 108安装到PCB 106并与PCB 106热连接，以允许更有效地将热量从LED 108传递到环境空气。
如图2A和2B中所示的，LED 108可以按线性图案安装在PCB 106上。如图8中所示的，该线性图案沿着与标准HID灯的弧长的长度相同的长度延伸，并从而更接近地模拟HID灯的光学分布。
参考图8，如图800中所示的，当LED 108不在LED改型灯100的顶部上形成时(参见箭头802)与当LED 108在LED改型灯100的顶部上形成时(参见箭头804)相比，LED 108以更小的距离产生光。
开口107形成在LED 108之间并且允许空气在LED 108之间流动，以用于增强的冷却。如图2B中所示的，LED改型灯200包括LED改型灯100的所有元件，包括底座202、帽部分204、包括开口207的PCB 206和安装在PCB 206上的LED 208。LED改型灯200还包括具有多个热沉组件(例如翅片(fin))214的热沉212(用于更好的热管理)。
热沉翅片214以“郁金香”形状形成，然而本发明不限于此并且可以相应地改变。热沉翅片214增强辐射和对流热耗散。热沉翅片214可以由多个主要平行的、轴向定向的碳纤维中的复合结构形成，所述碳纤维已经层压到下层材料例如可热成型的塑料。
热传导路径会从PCB 206的后侧形成并且会轴向地沿着垂直于灯的光轴定向的碳纤维。沿着碳纤维传输热，允许对环境的对流热传递。热沉翅片214可以可比于Gary Allen等人的题为Crystalline-Graphic-Carbon-Based Hybrid Thermal Optical Element forLighting Apparatus的申请(其内容通过引用结合在本文中)中公开的热沉翅片而形成。
LED改型灯100、200由LED驱动器供应功率(如图3中所描绘的)。图3是图2B中所示的LED改型灯200的分解图。LED驱动器220容纳在热沉212的中空区域215内。LED 208设置在LED改型灯200的顶部表面和侧表面中，以进一步增强灯200的照明和光分布。LED驱动器220包括用于驱动LED 208的各种电组件。关于LED驱动器220的细节将在下面参考图5进行讨论。
根据实施例，如图4中所示的，LED改型灯100或200被装配在现有的HID灯外罩300(例如HID外灯泡)内。仅为了说明的目的，LED改型灯200被显示装配在HID灯外罩300内。如所示的，LED改型灯200与现有的HID灯外罩300无缝地对接。图3中所示的LED驱动器220与和现有HID灯外罩300相关联的HID镇流器对接。
现在将参照图5讨论关于LED驱动器220和HID镇流器之间的电连接的细节。
图5是根据本发明的一个或更多个实施例的HID镇流器320和LED驱动器400之间的电连接的示意说明。如图5中所示的，HID镇流器320是扼流镇流器，然而本发明不限于此，并且可以应用于所有类型的HID镇流器。HID镇流器320包括用于从AC电源接收AC功率的AC输入310和与LED驱动器400连接的HID镇流器320的输出330和332。
输出330经由保险丝334连接到LED驱动器400的桥式整流器402。输出332经由保险丝334直接连接到桥式整流器402。桥式整流器402包括用于将整流电压(例如DC电压)输送给LED驱动器400的多个二极管。桥式整流器402与降压电路404连接，所述降压电路404用于将桥式整流器402的DC输出降低到LED 408的期望DC输出。
LED 408代表图2A和2B中所示的LED改型灯100、200的LED 108和208。降压电路404包括电容器409和分压器410。整流电压由电容器409过滤，并跨分压器410应用。
降压电路404还包括开关控制器420，该开关控制器420是在其多个输入引脚处接收多个电信号的集成电路(IC)。开关控制器420还向转换开关430提供开关信号。输入引脚包括例如DRIVE引脚1、CS引脚2、BOS引脚3、地(GND)引脚4、DIM引脚5、NC引脚6、VCC引脚7和TEST引脚8。开关控制器420不限于特定类型的开关控制器，并因此包括适用于本文所阐述目的的任何开关控制器。
控制器供应电压Vcc在Vcc引脚7处被应用到开关控制器420，并且被用来对开关控制器420供电。转换开关430与DRIVE引脚1耦合使得转换开关430的栅极由开关控制器420的DRIVE引脚1控制。转换开关430与电感器440耦合，并且当转换开关430闭合时，电感器经由电阻器442连接到地，形成受控电源开关路径(用于对电感器440充电和放电)。降压电路404还包括二极管444和两个输出电容器450和452。
当转换开关430被接通时，其给LED负载(即，LED 408)供应电流。最初，由于能量也正存储在电感器440中，流向LED负载(LED 408)的电流受到限制，因此LED负载中的电流和输出电容器450、452上的电荷在“导通”时段期间逐渐建立。贯穿整个导通时段，在二极管444的阴极上将存在大的正电压，因此二极管444将被反向偏置并因此在该动作中不起作用。当转换开关430断开时，存储在电感器440周围的磁场中的能量被释放回电路中。跨电感器440的电压然后在“导通”时段期间与跨电感器440的电压极性相反，并且足够的存储能量在崩溃(collapsing)磁场中可用以对于转换开关430打开的至少部分时间保持电流流动。现在电感器440使得电流经由LED负载和二极管444在电路周围流动，二极管444现在是正向偏置的。一旦电感器440已经将其存储的能量的大部分返回到电路并且负载电压开始下降，则存储在输出电容器450、452中的电荷变成主电流源，保持电流流过LED负载直到下一个“导通”时段开始。
作为示例，HID镇流器320可以是电磁镇流器或电子镇流器。当HID镇流器320是电磁镇流器时，其可以包括点火器。如果HID镇流器320包括点火器，则实施图6中所示的HID电压控制电路600以在将电压传输到LED驱动器400之前将点火器的脉冲钳位到预定的可接受的水平。
电路600包括多个电阻器R1、R2、R3和R4以及双向瞬态电压抑制器(TVS)二极管电桥610以消除来自HID镇流器320的瞬态电压(即，不想要的尖峰或浪涌)以防止被传输到LED驱动器400。
本发明提供几种方式来增强图2A和2B中所示的LED改型灯100、200的热管理。现在将在下面参考图2A、2B、7和8描述这些另外的方面。
返回参考图2A和2B，如前所提到的，PCB 106和206可包括开口107、207，用于进一步增强LED 108和208的热耗散。此外，如图2B中所示的，热沉212使得通过PCB106和206耗散来自LED 108和208的另外的热量。热沉212的热沉翅片214可由包括导热材料和高反射材料的一个或更多个材料层形成。
如图7A中所示的，开口207可以比图2B中所示的开口大，以便更好的空气流动，从而进一步增强LED 208的热耗散。此外，热沉翅片214可以涂覆有保护涂层(coating layer)(例如第一保护层700)，所述保护涂层包括例如保形涂料或凝胶、或哑光面涂料、白色反射涂料或无色涂料以提供硬刮擦磨损型表面和电绝缘。保形涂料或凝胶适当固化，以在热沉表面上形成弹性保护层。该层还可提供电绝缘。
如图7B中所描绘的，热沉翅片214可涂覆有第一保护涂层700，并且LED 208可涂覆有第二保护涂层702。第二保护涂层702可由与第一保护涂层700相同的材料形成或由不同的材料形成。例如，第二保护涂层702可以是有机聚硅氮烷涂料，以使LED 208能够暴露而不需要任何另外的保护涂料。该保护层的另一种形式可以是透明硬塑料材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯)护罩。在其它实施例中，LED改型灯100和200还可以包括风扇，以驱动从LED 108和208到环境空气的更多的热传递。
图9是示出可在本发明的一个或更多个实施例内实现的用LED改型灯代替现有HID灯并将LED驱动器与现有HID镇流器对接的示范方法的流程图。如图9中所示的，对图4和5进行参考，方法900开始于操作910，在操作910中LED改型灯200设置在HID灯外罩300内。
从操作910，该过程继续到操作920，在操作920中现有HID镇流器320与LED驱动器400电连接。在操作期间，在操作930，在HID镇流器320处接收的输入电压被传输到LED驱动器400。在操作940，LED驱动器400的桥式整流器402对接收的电压进行整流并将电压传输到连接到其的降压电路404。在操作950，降压电路404将电压降低到用于操作LED改型灯的LED208的预定的可接受电平。
如上所注意的，如果HID镇流器320包括点火器，则通过HID镇流器320和到LED驱动器400的输入之间的HID电压控制电路600控制点火器脉冲，以保护LED驱动器400免于任何不期望的电压(例如，电压浪涌或尖峰)。
本发明的实施例提供了以下优点：利用现有HID包封和镇流器以及添加使用与HID镇流器电通信的LED驱动器的设置在现有HID包封内的LED改型灯的光生成方法。
本书面描述使用示例以公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何设备或系统并且实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围通过权利要求限定，并且可包含其他本领域人员想到的其它示例。如果这种其他实例具有不与权利要求的文字语言不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的文字语言无显著差别的等效结构元件，则它们意图在权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种与高强度放电(HID)镇流器对接的发光二极管(LED)改型灯，所述发光二极管(LED)改型灯包括：
包括多个LED的光源；
耗散由所述LED生成的热的一个或更多个热沉组件；以及
配置成操作LED的LED驱动器；
其中所述LED改型灯设置在HID外罩内并且所述HID镇流器(i)与所述LED驱动器电连接并且(ii)向所述LED驱动器供应功率；
设置在所述HID镇流器和所述LED驱动器之间的HID电压控制电路，并且所述HID电压控制电路配置成控制HID点火器脉冲并调节正供应给所述LED驱动器的输出电压。
2.根据权利要求1所述的LED改型灯，还包括印刷电路板，所述印刷电路板包括所述LED以及在所述LED之间形成的用以接收通过其的空气流以便进行热耗散的多个开口。
3.根据权利要求2所述的LED改型灯，其中所述LED沿着所述印刷电路板以与HID灯的弧长相同的长度布置。
4.根据权利要求1所述的LED改型灯，其中所述一个或更多个热沉组件由复合结构形成，所述复合结构形成由层压到基底材料上的平行的轴向定向的碳纤维形成。
5.根据权利要求1所述的LED改型灯，其中所述HID镇流器配置成接收交流(AC)功率并输出电压到所述LED驱动器；并且所述LED驱动器配置成接收所述输出电压并调节要供应给所述LED的输出电压。
6.根据权利要求1所述的LED改型灯，其中所述一个或更多个热沉组件还包括第一保护涂层。
7.根据权利要求6所述的LED改型灯，其中所述LED还包括第二保护涂层。
8.根据权利要求6所述的LED改型灯，其中所述第一保护涂层由透明硬塑料材料、哑光面涂料和反射涂料中的至少一种形成。
9.根据权利要求7所述的LED改型灯，其中所述第一保护涂层和所述第二保护涂层由相同的材料形成。
10.根据权利要求7所述的LED改型灯，其中所述第一保护涂层和所述第二保护涂层由彼此不同的材料形成。
11.根据权利要求2所述的LED改型灯，其中所述LED在所述印刷电路板的顶部表面和侧表面上形成。
12.一种方法，包括：
将发光二极管(LED)改型灯设置在现有的高强度放电(HID)灯外罩中；
将所述LED改型灯的LED驱动器与现有的HID镇流器电连接；
将来自所述HID镇流器的输出电压供应给所述LED驱动器；
调节所述输出电压并且使用所述调节的输出电压来操作LED改型灯的LED；及
经由设置在所述HID镇流器和所述LED驱动器之间的HID电压控制电路来控制HID点火器脉冲并调节正供应给所述LED驱动器的所述输出电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中调节所述输出电压包括：
整流所接收的所述输出电压；
经由降压电路将所述整流的电压调整到用于操作所述LED改型灯的所述LED的预定的可接受电平。
14.根据权利要求12所述的方法，包括：
在所述LED改型灯的一个或更多个热沉组件上设置第一保护涂层。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在所述LED上设置第二保护涂层。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一保护涂层由透明硬塑料材料、哑光面涂料和反射涂料中的至少一种形成。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一保护涂层和所述第二保护涂层由相同的材料形成。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一保护涂层和所述第二保护涂层由彼此不同的材料形成。
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