CN106605099B - Led场所照明系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种户外区域LED照明系统包括：壳体，其包含安装到铝直接热路径印刷电路板的大型阵列的LED和单个透镜。大型阵列的LED能够产生被引导通过单个透镜的光射线，以产生光束来照亮户外区域。单个透镜优选地是菲涅耳透镜。壳体优选地能够以不透风雨的方式密封。第二壳体可至少部分地环绕第一壳体，使得在第一壳体和第二壳体之间提供至少一个空气通路。包括与多个热管热连通的热块和散热片组件的散热器可与LED模块局部热接触，且与至少一个空气通路流体连通。至少一个风扇可设置在所述至少一个空气通路中或者与所述至少一个空气通路流体连通，以冷却散热器。数字接口可将LED模块连接到主机计算机，以监视和追踪信息和趋势，用于统计过程控制。

Description

LED场所照明系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年4月28日提交的美国临时申请号61/985,345的权益，该文献的全部内容通过引用并入本文中以用于所有目的。
技术领域
本发明涉及基于LED的灯具。更特别地，但是不以限制的方式，本发明涉及采用发光二极管的用于表演场地和体育场的场所照明系统。
背景技术
场所照明的要求是独特的。例如，NFL体育场通常在比赛台面上的任一点处以最小250英尺烛光照明场地。为了利用金属卤化物灯实现该水平的照度，仅仅用于场地就要求大体一百万瓦特的电功率。虽然金属卤化物灯目前是标准，但是其不是没有缺点。
关于金属卤化物（也称为高强度放电，或HID）灯的一个问题是灯泡寿命。虽然较低瓦特数的灯泡可表现出高达20,000小时的灯泡寿命，但是较高功率的灯泡，诸如在体育场灯具中常见的1,500瓦特灯泡，通常具有3,000小时范围内的灯泡寿命预期。许多其他问题与灯泡寿命相关，诸如：笼罩失效（灯泡爆炸）在寿命末期或在更换灯泡期间偶尔发生；流明维持率（亮度衰减）；看起来随意地灯泡关闭和打开的循环；等。虽然笼罩失效不常见，但其是主要的问题，因为笼罩由玻璃制成，且灯具必须以如下方式包围灯泡，即使得飞溅的玻璃不能逃脱。不管如何，在高于体育场的塔上安装的灯具中的灯泡失效是昂贵且不想要的。为了避免灾难性的失效，许多金属卤化物灯泡制造商推荐在规定寿命末期成组重新布置灯，而不是定点更换个体灯泡。
另一问题是启动和热重启。在常规的探针型金属卤化物灯泡中，冷灯泡的触发涉及触发小的引电弧，其使灯泡中的气体升高压力且加热气体，以便其更容易离子化以启动主电弧。该过程通常花费五到七分钟，在这段时间期间，灯泡产生显著更少的光，且色温显著波动。较新的脉冲启动灯泡消除了探针，且预热时间缩短，但是预热仍然能够花费大约二到四分钟的量级。虽然1,500瓦特的脉冲启动灯泡和镇流器是可获得的，但是其还没有广泛地被接受用于场地照明，一般来说，脉冲启动技术在更低的瓦特数中受到青睐。
相比初次启动，热重启是更大的问题。当在灯泡中的气体是热的时，在用于场地照明的瓦特数范围中的探针型灯泡将不重新启动。热重启过程能够花费长达20分钟。在2013年二月的超级杯期间，当瞬间停电导致比赛期间45分钟黒视时，这个问题引起了全世界的注意。脉冲启动灯泡类似地缩短了热重启时间，但是重新触发灯泡所需要的时间延迟仍然是以分钟为单位。瞬间重启镇流器可用于脉冲启动灯泡，但是需要30,000到40,000伏特量级的电压来重启热的1,500瓦特灯泡。这些电压限制在灯泡和镇流器之间的距离，且需要带有非常高的介电强度绝缘的特殊布线，以避免在热重启期间在灯泡外部产生电弧。
在使用金属卤化物灯泡中的另一问题是视频制作。显然，在职业和学院水平，运动赛事的视频制作是个问题，但是视频流甚至对于高中水平已经带来这些问题。虽然金属卤化物灯泡的广谱性质对于视频制作来说通常是有利的，但是对于电视播放运动来说，光不是最优的。例如，所有金属卤化物灯泡均利用交流电驱动。这意味着电弧以两倍的操作频率逆变。在美国，带有磁性镇流器的金属卤化物灯泡将以120赫兹闪烁。如果对于慢运动采用高帧频的话，则该闪烁将在最终视频中是明显的。虽然高频电子镇流器减少了影响，但是其仍然存在。
视频制作的另一问题是光的显色指数（“CRI”）。CRI的简单定义是在光源和日光之间的百分比偏差，但是影响是光源呈现颜色的能力。对于低CRI光源来说，肤色尤其有问题。在体育中心照明中使用的金属卤化物灯泡通常具有大约65的CRI。虽然通过这样的灯泡产生的光通常看起来非常白，但是光通常在光谱的500 nm范围中具有剩余的能量，或者绿色尖峰。与从场地反射的绿光耦合的绿色尖峰通常通过对摄像机进行“白平衡”被处理，但是对于专业的视频制作来说，仍然不太理想。
关于金属卤化物灯泡的又另一问题是紫外光（UV）的产生。这些灯泡产生大量的短波UV，其对人类来说能够是危险的。大部分灯泡包括硼硅酸盐或熔融硅酸盐外笼罩，其将吸收绝大多数的短波UV光。如果外笼罩被破坏，则大部分金属卤化物灯泡将继续起作用，但是将发射危险量的UV光。对于接近这样的灯泡的人来说，真正危险的是所谓的眼睛的“闪光灼烧”或者晒伤。甚至在外笼罩处于适当位置的情况下，这样的灯泡发射足以损坏塑料的UV光，且能够导致一些装饰随着时间褪色。
最后，关于这样的灯泡的处置存在环境问题，尤其是由于水银的使用。虽然制造商已经发现了减少在金属卤化物灯泡中使用的水银量的方法，但是仍然需要一些水银来产生白光。由于灯泡笼罩是玻璃的，所以在处置之后很可能破裂，且因此可能释放水银。
在所有这些领域中，发光二极管（LED）提供超越金属卤化物灯泡的改进。然而，发光二极管也并不是没有其自己的挑战。或许生产用于场所照明的LED照明装置的最大挑战是热管理。金属卤化物灯泡以可见光、紫外光和红外线能量辐射输入功率的接近85%，留下15%的功率必须通过传导耗散到环境中。相比之下，LED实际上不辐射紫外光，且实际上不辐射红外线能量，因此至少55%的输入功率必须通过传导处理。这在来自阵列中的下部灯具的热空气有效地提升在较高灯具周围的环境温度的情况下，对于大型阵列的灯尤其有问题。
LED在室内场所照明中找到出路。不像其金属卤化物对应物，这样的灯提供瞬间打开（不管是热还是冷）的优势，且甚至可全范围调光。当然，室内灯具不必适应宽范围的环境温度。室内场所能够容易地采用更大数量的较低功率灯具，其能够直接定位在比赛台面上方。进一步，室内灯具不必与白天的光级度竞争。
已经做出一些利用LED灯具照明户外场所的尝试。迄今为止，这样的灯具与金属卤化物灯具相比较已经非常大，且对于相当的形状因数，产生少得多的光。这在改装具有金属卤化物灯具的现有场所中的塔时尤其有问题。不管如何，在室内和户外的尝试中，这些灯具对于每个LED或者模块采用一个透镜，所有采用多个透镜。在光以一角度而不是平视到达比赛台面时，所有这些灯将表现出光的平方反比衰减。通常这些透镜具有相对短的焦距，使得难以从LED到LED制造具有一致焦点的灯具。结果是在光束的中间中的明亮热点。因此，在最好的情况下，实现场地的非常均匀照明是非常困难的。
最后，不管是金属卤化物灯还是现有的LED灯具都不对特别黑暗的天空友好。一项运动已经进行了若干年以减少在夜空中的不想要的光溢出或者“光污染”。许多户外金属卤化物灯具包括“眉毛”或遮护件以减少朝上溢出的量。这仅仅最低限度地有效。金属卤化物灯泡球状地发射光。所产生的光中的仅一小部分朝场地发射。灯具通常使用铝反射器，以捕获朝向后方的光中的一些，且将其朝场地反射并聚集。实际上通过灯泡产生的光的稍多于三分之一到达预期目标。甚至在带有遮护件的情况下，很大部分找到其向着天空的路径。
个体LED通常封装成将几乎所有所产生的光沿向前方向发射。在场所照明中当前采用的LED类型通常以120度光束发射光。大部分已知的灯具使用多个小的模塑透镜，通常称为TIR透镜，以捕获几乎所有该光且将其聚集到更窄的光束中。不幸地，这些灯具然后还采用第二透明透镜以保护LED和模塑透镜不受元件影响。到达该透镜的光中的一些向后方反射到灯具中，且随后以随机方向（包括向着天空）反射回来离开灯具。
许多户外建筑灯具，以及其他大的户外区域照明灯具经受这些相同的问题。尤其，在用于染色建筑物壁的金属卤化物灯具中、在用于机场停机坪照明的灯具中等等，平方反比衰减和黑暗天空问题都是有问题的。
因此，存在对于高功率体育场户外灯具的需要，其将最小化灯替换、不受重启间隔约束、提供视频友好的光、最小化可见光范围外的发射、提供有效的热管理、将不会爆炸式地失效、以及最小化向着天空的光发射。
发明内容
本发明提供一种用于场所照明的基于LED的灯具，其克服了在上文中讨论的问题。
在一个优选实施例中，提供一种LED灯具，其包括不透风雨壳体、容纳在壳体内的高功率LED阵列、覆盖壳体的前端的菲涅耳透镜、及与阵列热连通的散热器，所述散热器用于将由模块产生的热耗散到环境中。
在另一优选实施例中，本发明的LED灯具进一步包括风扇，其用于移动在散热器上的空气以增大热从散热器耗散的速率。可选地，在暖和天气期间，管道系统可用于将被加热的空气排出到封闭场所的外部，或者在寒冷天气期间，将空气用管道输送到场地水平或输送到观众。
在具体优选实施例中，LED灯具包括两部分结构。两部分结构中的一个部分包括封闭LED阵列、菲涅耳透镜以及在一些实施例中散热器的不透风雨壳体。两部分壳体中的第二部分不是不透风雨的，且通常包括散热器的功率耗散部分、用于移动空气的风扇及在壳体之间形成的空气通路，以允许空气耗散来自散热器的热。
另一优选实施例包括一种户外区域LED照明系统，其包括：壳体，其包含安装到铝直接热路径印刷电路板的大型阵列的LED及单个透镜。大型阵列的LED能够产生被引导通过单个透镜的光射线，以产生光束来照亮户外区域。单个透镜优选地是菲涅耳透镜。壳体优选地能够以不透风雨的方式密封。第二壳体可至少部分地环绕第一壳体，使得在第一壳体和第二壳体之间提供至少一个空气通路。包括与多个热管热连通的热块和散热片组件的散热器可与LED模块局部热接触且与至少一个空气通路流体连通。至少一个风扇可设置在所述至少一个空气通路中或者与所述至少一个空气通路流体连通，以冷却散热器。
在又另一优选实施例中，散热器被液体冷却，且液体被泵送到远离灯具的地点，用于将热耗散到环境中。如在本文中使用的，除非以其他方式陈述，否则术语液体和液体冷却将包括已知用于冷却和热传递的任何液体，包括（没有限制），水、防冻剂、混合物或其他合适的液体。
在再另一优选实施例中，LED阵列适应至少1,000瓦特的输入功率，且LED被安装在铝基电路板上。
在再另一优选实施例中，本发明的LED灯具提供不对称阵列的LED，且使来自该阵列的光投射通过单个透镜，因此产生横跨光束具有预定光梯度的光束。光因此被成形以克服光的平方反比衰减，其与以一角度到达其目标的光相关联。
在审查附图之后和在阅读优选实施例的以下描述之后，本发明的进一步的目的、特征和优势对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1描绘了在其一般环境中用于场所照明的本发明LED灯具的优选实施例。
图2提供了用于在户外场所照明中使用的本发明照明装置的透视图。
图3提供了如在图2的照明装置中使用的塑料菲涅耳透镜的透视图。
图4提供了图2的照明装置的剖面侧视图，其示出灯具的内部特征。
图4A是图4的剖面侧视图，其进一步描绘了在缩回或打开位置中示出的替代实施例遮板。
图4B是图4的剖面侧视图，其描绘了在延伸或关闭位置中示出的替代实施例遮板。
图5提供容纳在图2的灯具内的反射器和散热器的后视图。
图6描绘了用于将用于冷却LED的空气用管道输送到边远地点的本发明的实施例。
图7提供了如在本发明的一个优选实施例中使用的、具有LED的不对称阵列的LED电路板的前视图。
图7B描绘了图7的替代实施例LED电路板。
图8提供图7的电路板的电路的示意图解。
图9提供了用于控制通过图7和/或图7B的电路板的LED阵列的电流的一个优选方法的示意图解。
图10提供了用于控制通过图7和/或图7B的电路板的LED阵列的电流的替代方法的示意图解。
图11提供了用于与图7和/或图7B的电路板一起使用的散热器的优选实施例的前视图。
图12描绘了用于适于与图7和/或图7B的电路板一起使用的液体冷却散热器的液体块。
图13描绘了用于与本公开的灯具一起使用的替代实施例镇流变压器的示意图解。
图14描绘了在灯和计算机主机之间的数字接口。
具体实施方式
在详细解释本发明之前，重要的是理解本发明就其应用不受限于本文中图示的构造的细节和所描述的步骤。本发明能够有其他实施例，且能够以各种方式实践或执行。应当理解，在本文中采用的措辞和术语是用于说明目的而不是限制目的。
现在参考附图，其中，贯穿若干视图，相同的附图标记指示相同部分，基于发光二极管的场所灯102的一个优选实施例在其一般环境中在图1中示出。如在本领域中众所周知的，为照明比赛场地需要许多灯具102（示出24个），其通常安装在塔、杆104或支架上。灯的精确数量取决于期望的光级度，这主要由取决于比赛的水平。举例来说，对于市政或高中水平的户外运动，供给到场地25英尺烛光的光可能是可接受的；对于全国播放的高校运动会，150英尺烛光通常是可接受的；及用于职业足球体育场的是250英尺烛光。虽然运动员和观众的安全是一个考虑因素，但是在高校和职业场所电视台的需求是确定光级度的主要考虑因素。通常，灯具102借助于交叉臂106或者也许一个或多个桁架安装到杆104。在一些情况下，猫道可靠近每一个交叉臂106定位，以便于对准和维护灯具102。
对于本发明的目的，术语“灯具”、“照明装置”和“头”可交换地用来指代单个照明仪器，诸如灯具102。转到图2，在一个优选实施例中，灯具102包括：壳体202；在壳体202的前端处的透镜204，其中，透镜204优选地是以不透风雨方式附接到壳体202的塑料菲涅耳透镜；前部座圈206，其用于接收透镜204和遮护件208；环210，其允许冷却空气的进入；后部（或第二）盖组件212；和轭214，其枢转地附接到后部（或第二）壳体212。
参考图3，优选地透镜204是菲涅耳透镜，优选地由透明的塑料（诸如丙烯酸树脂或聚碳酸酯）形成。在一个优选实施例中，透镜204包括凸缘302和折射区域306，凸缘302包括多个孔304（示出12个），用于利用螺钉固定到壳体。
接下来转向图4和图5，其中，示出照明装置102的内部细节，照明装置102还包括第一壳体440，其可以是反射器414，其被接收在第二壳体202内部以形成气道420。反射器414具有前部开口，使用螺钉416将透镜204安装在前部开口上。环状垫圈418被接收在透镜204和反射器414之间，从而以不透风雨的方式保护灯具102的内部不受恶劣天气影响。如在本文中使用的，术语不透风雨或不透风雨方式不必然要求不透空气的潜水级密封，而是能够密封抵抗雨、风尘和碎屑等等。接近反射器414的后端，发光二极管模块402被安装到散热器406，使得从模块402所发射的光指向透镜204。在一个优选实施例中，LED 402是载芯片板或COB类型的模块。一个这样的模块是VERO 29 LED模块，其由加利福尼亚州利弗莫尔市的Bridgelux公司制造。这样的模块在本领域中是众所周知的。COB模块通常在大约120度光束的范围内发射光。为了最大化利用来自LED模块402的光，聚光透镜404可用于收集和引导光朝着菲涅耳透镜204。
散热器406包括热块422，其提供用于模块402的安装表面且接收多个热管408。热管408将通过模块402产生的热传导到散热片组件410，其位于围绕反射器414的周边分布的气道420中。本公开的灯具102的特征是包括两部分壳体。两部分壳体的第一部分壳体440包括LED模块402、透镜404、反射器414（其可形成第一部分壳体440的部段）和菲涅耳透镜204，其都通过由螺钉416压缩的垫圈418密封。在某些实施例中，热块406可至少部分地在第一部分壳体440内。本领域技术人员将理解第一部分壳体440可以以各种合适的方式密封，包括粘合剂、在反射器414和凸缘302（或菲涅耳透镜204）之间的配合螺纹、互锁耳片、铆钉等。第二部分壳体450包括外部壳体202，通常热块406、热管408、散热片组件410和风扇组件412。气道或空气通路420在第一部分壳体440和第二部分壳体450之间形成。风扇412抽吸空气进入气道420，通过散热片组件410,，且将被加热的空气向外排出灯具420的后部外，因此提供灯具102的冷却。
针对设计和/或应用目的，第一部分壳体440和第二部分壳体450的几何形状可按照需要或要求变化。例如且不限于，第一部分壳体440和第二部分壳体450可以是如在图4、图4A和图4B中绘出的锥形或截头锥形的，或者可以是如在图2中绘出的柱形的。替代地，本领域技术人员将认识到，可以预期其他几何形状，诸如，没有限制，锥体的、三角形的、正方形的、椭圆形的等。额外地，假如包括空气通路420，则第一部分壳体440和第二部分壳体450可具有彼此不同的几何形状，以允许空气在第一部分壳体440和第二部分壳体450之间流动（通过风扇412产生），以便冷却散热器406。
在一个替代实施例中，风扇412可以能反转，以便使在气道420内的空气的流动反向。该反向的目的是能够清除可能已经形成的任何类型的阻塞，诸如暴风雨碎屑、鸟巢、水或甚至可在冬季形成的冰。
参考图4A和图4B，在替代优选实施例中，在反射器414的内部中可插入遮板424。遮板424可在任何实施例中是有益的，但是在灯具102被用于建筑应用时，尤其是在指向天空且其中透镜204可接收直射日光时，可具有特定效用。
遮板424优选地在一个表面426上涂覆有反射材料（类似于涂覆反射器414的内部的表面），使得在遮板424处于打开位置时，如在图4A中绘出的，以与在图4中的相同方式，表面426反射且引导光离开反射器414通过透镜204。替代地，遮板424可如在图4B中绘出的那样关闭，以便保护LED 402不受进入反射器414的内部430的日光导致的潜在损坏，否则，日光可通过透镜204聚焦在LED模块402上。遮板424的表面425可涂覆有反射材料以反射这样的光和/或热，或者可以可选地根据设计偏好涂覆有光和/或热吸收材料。
在图4A和图4B中绘出的实施例中，遮板424从铰接件432枢转，且可在关闭时以一定角度延伸横跨反射器414的内部430。遮板424因此定位成偏离透镜204的焦点，以便避免太阳射线/热聚集在遮板424上。如对于本领域技术人员将显而易见的，遮板424可设计为具有匹配反射器414的内部430的几何形状的几何形状或者任何其他合适的样式，且定位成完成保护LED模块402的任务。
在优选布置中，在灯具102的备用/关闭状态中，遮板424将是关闭的（图4B）。马达或螺线管434可操作，以诸如在启用（打开）LED模块204时打开遮板424（图4A）且在停用（关闭）LED模块204时关闭遮板424。进一步，灯具102可被设计成使得在由于故障或过热导致LED模块204不能发光或熄灭的情况下，马达434可将遮板424维持在关闭位置（图4B）中。替代地，灯具102可被设计成使得在遮板424不能启用（打开）的情况下保持停用（关闭）LED模块204。
在替代实施例中，例如，遮板424可被构造为光圈，诸如在摄像机透镜中见到的片板式遮板。优选地，遮板424定位在密封的第一部分壳体440（其在反射器414的内部430内）内，但是可替代地定位在透镜204的外部或顶部上，诸如在基本实施例中。遮板424可甚至为在打开和关闭位置之间手动定位的叶片式遮板。
参考图6，管道602可用于将被加热的空气从灯具102输送到远处。在封闭的体育场中，在天气温暖时，管道系统可用于将被加热的空气排出到外部，从而降低该中心的空气调节需要，或者在寒冷天气中被输送到场地或座位水平以增加加热装备。例如，如果足球场被照明以在场地水平处达到250英尺烛光，则超过1.2百万Btu/小时的热可被输送到外部，从而降低空气调节需要大约100吨。为了进一步改善性能，可同样地引入外部空气用于冷却灯具，以便内部空气将不排出到外部。
关于户外体育场，通过管道602携带的空气可从大群体的灯收集且输送到边线以在寒冷天气中温暖运动员坐席。在温暖的天气中，被加热的空气将简单地朝上排出且远离观众。
在另一优选实施例中，代替使用COB模块，本发明照明装置的LED模块采用如在图7中所示的表面安装的发光二极管的大的、密集阵列700。优选地，阵列700包括安装在铝基电路板716上的多个LED 702（示出1188个），这样的板在本领域中已知且可从若干供应商获得。优选地，铝板将是如由加利福尼亚、普拉森的Sinkpad有限责任公司制造的“直接热路径”印刷电路板。一种合适的LED是由深圳市光脉电子有限公司制造的部件号GS-3030W6-1G110-NWN。用于此目的的另一合适的LED是由北卡罗来纳州、达拉谟的Cree公司制造的Cree XLamp LED。进一步参考图8，以举例而非限制的方式，板700的LED 702集合成99个串联的串802，每串均具有12个LED。
应当注意在该实施例中，板700被安排成使得贡献光的LED的数量在顶部720处远少于在底部722处。由于光在其传递通过菲涅耳透镜时反向，所以在灯具指向场地时，相比在更近的点处，将存在更多的LED贡献在最远点处入射的光，因此克服现有技术灯具的典型的光强度的平方反比衰减。
由于灯具102通常如在图1中绘出的安装，所以所发射的光不直接在场地的上方，而是以一定角度到达场地。横跨光束的光强度将不相同（梯形畸变效应）。图7的阵列适应这一点，且在灯具的覆盖区域上使投射的光强度均匀。如上文中所述，该描绘的不对称LED阵列修正了梯形畸变效应。在这样的实施例中，还可以期望包括散热器，其也不对称以匹配不对称的LED阵列700。理想地，每一个LED 702均将在相同、或接近相同的温度下操作。
在替代布置中，阵列可使用不同瓦特数的LED，以便提供增大强度的区域。这可消除感知的黑暗区域或影子，如可能是必要的或期望的。
额外地和/或替代地，LED 702可在多个分离的电气通道中集合在一起。这提供冗余的益处和其他益处。例如，没有限制，不同通道可独立地调光。优选布置将包括至少两个调光通道。优选布置将包括用于每一个通道的一个驱动器，且将各自独立地操作，如在下文中关于图9和图10讨论的。
本领域技术人员应当理解图7的不对称设计是一个合适的实施例，且可预期其他合适的不对称设计。这样的不对称设计可根据选定的菲涅耳透镜的特性以及通过灯具照明的场地或表面的几何形状以经验为主地确定。因此，可获得替代实施例用于某些状况或完成某些目标，诸如（没有限制）提供均匀照明到场地或表面，以避免黑暗区域或影子。
图7B描绘了替代阵列730。阵列730包括安装到板734的多个LED照明元件732。如图所示，阵列730是安置在基本上圆形的板734上的替代实施例对称阵列。如与在图7中绘出的阵列的情况一样，图7B的阵列730可包括具有不同瓦特数强度的个体LED 732。此外，阵列732可被分成多个电气通道，使得每个通道均可以以如上所述的相同方式独立地被控制/调光。
转到图11，适于图7的板700的散热器1100包括：热块1102、按压到块1102中的多个热管1104，和联接到每个热管1104的远端端部的散热片组件1106。每个散热片组件1106均包括按压到管1104上的多个散热片1108。替代地，板700可使用图12的液体块1200液体冷却。液体块1200包括通路1206，其具有螺纹连接入口1202和螺纹连接出口1204，使得配件可螺纹连接到通路1206的每个端部中。设置螺纹连接孔1208，以用螺钉附接盖（未示出）。图7的板700被附接到液体块1200，且提供液体的连续流动以冷却板700。液体可在别处通过共同的热交换器冷却。这样的系统的优势在于利用小的管子移除大量的热的能力（与管道输送空气相比）。
如在本领域中众所周知的，LED的并行布置在没有镇流的情况下不能良好地均分负载。虽然正向电压的变化能够导致单串吸收太多电流，但是更大的问题在于当LED变暖时正向电压下降。因此，如果一条串相比其同伴串更温暖，则该串的正向电压将下降，从而导致其以流动通过其他串的电流为代价吸收更多的电流。更多的电流将导致该串变得更热，仍然导致正向电压下降得甚至更多，且因此该过程继续。镇流从根本上减小了在电流错乱和热逃逸之间的正反馈。因此每串均包括镇流电阻器704。该布置在图8中以举例且不限制的方式示意性地示出，在本实施例中，采用2欧姆电阻以令人满意地控制热逃逸。
为了点亮LED 702，在终端710处施加正的电功率，且在712处施加负的功率。在优选实施例中，施加在终端710和712处的功率将是电流控制的，且在最大亮度下输送大约23安培的电流。LED 702额定为每个装置一瓦特。虽然板700的LED 702因此能够以1188瓦特共同地操作时，但是在优选实施例中，可预见到板700将在1000瓦特操作，因此以大体234毫安操作每串802。
如先前陈述的，用于驱动LED的适当方法是通过电流控制而不是电压控制。用于适当地驱动图8的阵列的一个方案在图9中绘出。电路900包括：用于提供电压输出的终端902；提供用于流动通过终端902的电流的返回路径的终端904；用于控制在终端904处接收的电流的晶体管906；用于发展与流动通过晶体管906的电流成比例的电压的电流感测电阻器908；用于缩放在电阻器908上感测的电压的第一放大器910；和用于比较缩放的电流感测值与在输入端914处施加的参考电压的第二放大器912。如将对本领域技术人员显而易见的，晶体管906示出为MOSFET，然而，如将对本领域技术人员显而易见的，双极晶体管可在仅轻微修改的情况下被替代。
在电流流动通过晶体管906时，在电阻器908上发展电压。在一个优选实施例中，电阻器916和电阻器918被选定为提供十倍的增益。因此，以举例且不限制的方式，如果20安培的电流正在流动通过电阻器908，则放大器910的输出将是四伏特。如果在输入端914处的电压小于四伏特，则放大器912的输出将朝其负轨道（minus rail）运动，因此减少流动通过晶体管906的电流。如果在输入端914处的电压大于四伏特，则放大器912的输出将朝其正轨道运动，因此增加流动通过晶体管906的电流。因此，在四伏特的输入的情况下，电路900将LED电流调整在20安培处。应当注意，放大器912可用作直接比较器，但是通过利用电阻器920和922将增益减小到100，能够降低电路振动或回响的倾向。可选地，电容器924能够用于过滤放大器912的输出，且因此限制其输出的转换速率，以减少过冲和噪声。
可用于控制通过LED阵列的电流的另一电路在图10中示出。电路1000是开关模式降压电流调整器，其在本领域中是众所周知的。电路1000通常包括：用于接收输入电压的输入端1002、用于以二元小项（binary minor）控制输入电流的传输晶体管1018；肖特基，或者其他快速恢复二极管1020，以在切断晶体管1018时提供电流路径；感应器1022；电容器1024；用于提供输出电流到LED阵列的终端1006；用于提供返回路径的终端1008；电流感测电阻器1010，其发展与通过LED阵列的电流成比例的电压；放大器1012，其缩放来自电流感测电阻器1010的电压；和控制器电路1004，其比较来自放大器1012的电压与参考电压，且控制施加到晶体管1018的工作循环，以维持期望的电流。以举例且不限制的方式，如果控制器1004具有2.4伏特的参考电压，则放大器1012可具有六倍增益，如通过电阻器1014和1016确定的，以便20安培将在放大器1012的输出端处产生2.4伏特。优选地，控制器1004包括升压电路，其包括阴极负载二极管1026和电容器1028，以便闸极晶体管1018的输出将高于输入端1002处的电压，因此允许使用N-通道设备1018。
如将对本领域技术人员显而易见的，使用诸如图9的电路900的线性电路或诸如图10的电路1000的开关模式调整器的选择涉及许多因素的平衡。在最大亮度下，通过输入电压的明智选择，两个电路的效率可相当。在调光期间，开关模式电路将比线性电路具有更好的效率。然而，线性电路便宜得多、重量轻得多，且不引起由开关模式系统造成的电气放射问题。
如对于本领域技术人员将显而易见的，本发明能够并入不对称阵列的LED，以补偿光的平方反比衰减性质。在瞄准光源使得光束以一定角度而不是直接照射到达目标时，出现该特定问题。应当注意，通过使由发光二极管生成的光传递通过单个透镜，能够在灯具的目标位置处保留光的不对称的性质。为了从单独有透镜的LED阵列实现类似的结果，将要求阵列采用许多不同的透镜以提供不同的光束大小，从而在照明区域上实现均匀的照明。
特定场所所需要的灯具的精确数量将取决于仅仅光级度之外的许多因素。例如，杆104（图1）从场地的向后调整和照明杆的高度、待照明的区域的大小、多少光放到观众座位、边线等上、设施的成本、操作的成本、以及维护的成本所有都是在照明计划中的考虑因素。在现有体育场的金属卤化物照明的改装中，可预期可遵循用于设施的原始照明计划采用相同数量的灯具。灯具将简单地被调光以产生期望的光级度。对于本领域技术人员将显而易见的是，对灯具调光和能够针对具体事件调光（定制）的能力将最大化灯具的效率且因此提供成本节约。换言之，灯具能够被调光，以便只针对事件产生必要量的光，因此节约能量和金钱。
还应当注意，本发明由大约46-48伏特的DC电功率驱动。在其中三相功率可用的大体育场中，可能有利的是选择三相变压器，其在利用六个二极管桥整流时，将产生大约46-48伏特DC，且产生用于单个杆的整个阵列的灯具的整体（in-bulk）适当功率。在其中三相功率不容易获得的地方，或者在其中从电网取得的电流的总谐波失真是个问题的设施中，可能更加实用的是使用一种电源，其接收线电压且向外输送46-48伏特DC。能够输送1000瓦特功率的这样的电源在本领域中是众所周知的且容易获得。
在其中三相功率是可用的一个替代优选实施例中，可包括变压器以提供镇流效应。参考图13，绘出用于镇流变压器1310的示意图解。镇流变压器1310优选地包括三个元件：变压器1312；整流器1314、和电容器1316。变压器1312可以是在本领域中已知的三相480V到35V变压器。整流器1314优选地是六个二极管桥，共同地为1318。电容器1316优选地是10,000微法拉电解电容器。然而，应当理解，三个元件可由本领域技术人员如在本领域中已知的那样改变。
变压器1312固有地限流。这是因为绕组的感应系数根据操作频率限制变压器的输出电流。结果是一种变压器1310，其提供用于单个杆的整个阵列的灯具或用于单个灯具的整体必要功率。如对本领域技术人员将显而易见的，在变压器1312不是自镇流的时，图13的电路也可适用。随着光被调暗，电路的电压输出将存在一些增大。这将导致在电流调整器的晶体管中损失更多热，但是将不以其他方式影响灯具的操作。
在优选实施例中，如在图14中绘出的，可提供数字接口1410以将灯具或多个灯具1414与主机1412连接以用于控制和数据收集。该数字接口1410与主机1412（计算机）能够以任何已知的方式实现，诸如因特网协议（RS-232）；经由以太网；USB；或对本领域技术人员已知的其他合适的通信接口。数字接口1410可以是有线或无线的。数字接口1410的目的是用于共同地（诸如图1绘出的）和单独地控制灯具，且可控制（没有限制）LED阵列的输入电压/强度/调光。数字接口还可用于监视和保持追踪单独地每个灯或共同地一杆的灯的操作状态。操作状态可包括LED温度、风扇速度/空气流动和其他有用的状态。例如，诸如LED温度的状态可影响控制功能，诸如个别灯具的风扇速度或与多个灯具有关的状态。
数字接口1410允许在主机计算机1412处收集数据，以便可在可以在其他情况下称为统计过程控制中观察有用的趋势。主机计算机1412优选地包括软件，其保持追踪照明灯具1414的操作状态/趋势。保持追踪趋势允许在其变成更大的问题或导致灯具或系统失效之前识别失效系统。例如，且没有限制，在已知的温度状态中，诸如75℉，在主机计算机中的软件可随着时间确定在照明灯具中的风扇具有特定CFM（立方英尺每分钟）的正常操作范围。在主机计算机中的软件可额外地被编程为检测在单独照明灯具中的一个或多个中的风扇的CFM何时在相同（温度）状态中趋于向下。其能够然后警告操作人员在一个或多个风扇失效之前可要求对照明灯具（一个或复数个）进行维护。因此，一个或多个风扇可在其失效之前被修理或替换，这可继而避免在灯具中的整个LED阵列的失效。因此，避免了在事件期间灯具失效，且同样地能够避免整个灯具的昂贵修复或替换。应当理解，涉及风扇的具体示例仅用于例证目的，且如对本领域技术人员将显而易见的，其他操作状态/数据可被预期以及可为了趋势被识别并追踪（诸如在下文中讨论的图13的镇流变压器1310）。
如对于本领域技术人员将显而易见的，本发明照明装置还可在建筑照明中找到广阔的用途。应当注意，用于克服平方反比衰减的LED的不对称阵列可被放大以改善在如建筑物染色中常见的极端入射角处灯光的外观。
最后，虽然本发明的优选实施例已经被描述为采用塑料菲涅耳透镜，但是本发明不如此受限。显然，可采用玻璃透镜以实现相同的结果，或者本发明可容易地被修改以使用多个透镜。
因此，本发明良好地适于执行目的并实现上文中提到的以及其中所固有的那些目标和优势。虽然已经出于本公开的目的描述了当前优选的实施例，但是许多改变和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的改变和修改被包含在本发明的精神内。

Claims (35)

1.一种LED场所照明系统，其包括：
第一壳体，所述第一壳体包括具有至少1000瓦特的输入功率的LED模块和透镜；
所述第一壳体包括反射器；
所述第一壳体能够以不透风雨的方式密封；
第二壳体，所述第二壳体至少部分地环绕所述第一壳体，使得在所述第一壳体和所述第二壳体之间提供至少一个空气通路以接收环境空气；
热块，所述热块与所述LED模块热接触且与所述至少一个空气通路流体连通；
至少一个热管，其与所述热块热联通并且与所述至少一个空气通路流体连通；
至少一个风扇，所述至少一个风扇与所述至少一个空气通路流体连通，
所述至少一个风扇适于将环境空气吸入至所述至少一个空气通路中并且经过所述至少一个热管外部，
固定到所述透镜的外部环，其允许环境空气的进入。
2.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其还包括散热片组件，所述散热片组件与所述至少一个热管热连通。
3.根据权利要求2所述的LED场所照明系统，其中，所述至少一个热管包括冷却剂流体。
4.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其中，所述第一壳体包括在所述LED模块和所述透镜之间的聚光透镜。
5.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其中，所述反射器形成所述第一壳体的至少一个部段。
6.根据权利要求5所述的LED场所照明系统，其中，所述透镜以不透风雨的方式固定到所述反射器。
7.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其还包括遮护件以遮蔽所述透镜。
8.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其中，所述第一壳体包括遮板，所述遮板能够定位在所述LED模块和所述透镜之间，并且所述遮板能在第一位置和第二位置之间运动，在所述第一位置中，所述遮板不干预所述LED模块和所述透镜之间的光路，并且在所述第二位置中，所述遮板阻挡所述LED模块和所述透镜之间的所述光路。
9.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其中，所述LED模块是载芯片板类型模块。
10.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其中，所述LED模块包括安装在印刷电路板上的多个LED。
11.根据权利要求10所述的LED场所照明系统，其中，所述LED以不对称布置安装到所述印刷电路板。
12.根据权利要求10所述的LED场所照明系统，其中，所述印刷电路板是铝直接热路径印刷电路板。
13.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其还包括主机计算机，其中，数字接口将所述主机计算机连接到所述LED模块。
14.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其被构造为允许机械连接到交叉臂支撑件。
15.根据权利要求14所述的LED场所照明系统，其中，所述交叉臂支撑件连接到杆。
16.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其中，所述LED模块被分成多个独立可调光的电气通道。
17.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其中，所述LED场所照明系统被构造为可堆叠成阵列构造。
18.根据权利要求1所述的LED场所照明系统，其中，所述透镜是玻璃的。
19.一种LED场所照明系统，其包括：
第一壳体，所述第一壳体包括具有至少1000瓦特的输入功率的LED模块和菲涅耳透镜；
所述第一壳体能够以不透风雨的方式密封；
第二壳体，所述第二壳体至少部分地环绕所述第一壳体，使得在所述第一壳体和所述第二壳体之间提供至少一个空气通路；
热块，所述热块与所述LED模块热接触且与所述至少一个空气通路流体连通，
至少一个热管，所述至少一个热管与所述热块热连通并且与所述至少一个空气通路流体连通，使得吸入至所述至少一个空气通路中的环境空气经过所述至少一个热管外部；
散热片组件，所述散热片组件与所述至少一个热管热连通并且与所述至少一个空气通道热连通；
至少一个风扇，所述至少一个风扇与所述至少一个空气通路流体连通，使得环境空气能被吸入至所述至少一个空气通路中，
其中所述第一壳体包括遮板，所述遮板经由铰接件连接到所述第一壳体，并且所述遮板能经由所述铰接件在第一位置和第二位置之间运动，并且所述第一壳体包括在所述LED模块和所述菲涅耳透镜之间的光路，其中在所述第一位置中，所述遮板不干预所述LED模块和所述菲涅耳透镜之间的所述光路，并且在所述第二位置中，所述遮板以一角度延伸横跨所述第一壳体的内部并且阻挡所述LED模块和所述菲涅耳透镜之间的所述光路。
20.根据权利要求19所述的LED场所照明系统，其中，所述至少一个热管包括冷却剂流体。
21.根据权利要求19所述的LED场所照明系统，其中，所述第一壳体包括在所述LED模块和所述菲涅耳透镜之间的聚光透镜。
22.根据权利要求19所述的LED场所照明系统，其中，所述第一壳体包括反射器。
23.根据权利要求22所述的LED场所照明系统，其中，所述反射器形成所述第一壳体的至少一个部段。
24.根据权利要求23所述的LED场所照明系统，其中，所述菲涅耳透镜以不透风雨的方式固定到所述反射器。
25.根据权利要求24所述的LED场所照明系统，其还包括定位在所述菲涅耳透镜和所述反射器之间的垫圈和固定到所述菲涅耳透镜的外部环。
26.根据权利要求19所述的LED场所照明系统，其还包括遮护件以遮蔽所述菲涅耳透镜。
27.根据权利要求19所述的LED场所照明系统，其中，所述LED模块是载芯片板类型模块。
28.根据权利要求19所述的LED场所照明系统，其中，所述LED模块包括安装在印刷电路板上的多个LED。
29.根据权利要求28所述的LED场所照明系统，其中，所述LED以不对称布置安装到所述印刷电路板。
30.根据权利要求28所述的LED场所照明系统，其中，所述印刷电路板是铝直接热路径印刷电路板。
31.根据权利要求19所述的LED场所照明系统，其还包括主机计算机，其中，数字接口将所述主机计算机连接到所述LED模块。
32.根据权利要求19所述的LED场所照明系统，其被构造为允许机械连接到交叉臂支撑件。
33.根据权利要求32所述的LED场所照明系统，其中，所述交叉臂支撑件连接到杆。
34.根据权利要求19所述的LED场所照明系统，其中，所述LED模块被分成多个独立可调光的电气通道。
35.根据权利要求19所述的LED场所照明系统，其中，所述LED场所照明系统被构造为可堆叠成阵列构造。
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