CN108449824A - Led模块和用于操作led模块的方法 - Google Patents

Abstract

提供了LED模块和用于操作LED模块的方法，所述LED模块(10)包括第一LED(11)和第二LED(12)以及提供单个调制信号的控制单元(22)，在所述LED模块(10)的工作期间，所述第一LED(11)与所述第二LED(12)发射不同色温的光，其中，所述控制单元(22)连接到所述第一LED(11)和所述第二LED(12)使得在所述LED模块(10)的工作期间，所述第一LED(11)和所述第二LED(12)根据所述调制信号以交替方式操作。

Description

LED模块和用于操作LED模块的方法

技术领域

本发明涉及LED模块和用于操作LED模块的方法。

背景技术

允许对LED模块(LED：发光二极管)发射的光的相关色温(CCT)进行调节的LED模块通常包含发射不同色温的光的两个LED。一般使用脉宽调制技术来调节色温，其中所需调制信号由控制单元提供。传统LED模块需要至少两个控制单元，分别用于LED所提供的每个色温。于是，LED模块发射的整体光的色温随着利用多个控制单元提供的不同色温混合而改变。

然而，利用多个控制单元具有需要更多电连接的缺点。通常使用手工实施的焊接技术来提供这些电连接，因此造成用于CCT应用的传统LED模块的制造工艺不经济而且复杂。

此外，焊线会导致LED模块不美观并且操纵复杂，尤其在将LED模块组装在例如照明装置的外壳中的情况下更是如此。当前已知的LED模块设计的还有一个缺点是必须针对每一个控制单元通道独立地开发印刷电路板布局。

发明内容

鉴于上文所述的当前可得LED模块的缺点，本发明的一个目的是提供一种能够以简单和成本有效的方式制造的LED模块。另一目的是提供一种用于操作这样的LED模块的方法。

通过根据独立权利要求的LED模块和用于操作LED模块的方法来实现该目的。从属权利要求、说明书和附图给出优选实施例。

因此，提供了一种LED模块。所述LED模块包括第一LED和第二LED，在所述LED模块的工作期间，所述第一LED与所述第二LED发射不同色温的光。换句话说，所述第一LED和所述第二LED在所述LED模块的工作期间发射相互不同色温的光。所述LED模块还包括提供单个调制信号的控制单元。所述控制单元连接到所述第一LED和所述第二LED使得在所述LED模块的工作期间，所述第一LED和所述第二LED根据所述调制信号以交替方式操作。

由于仅使用单个调制信号来以交替方式操作两个LED，即，通过采用脉宽调制(PWM)的脉冲工作方式来操作LED，因此需要更少的控制单元来向LED提供调制信号。具体地，仅需单个控制单元。控制单元可以对应于微控制器的输出端口。仅采用单个控制单元用于脉宽调制还可以被称为“分时复用”。

减少控制单元数量还能减少用于提供LED模块的制造步骤的数量，因此可减小生产成本。与之相反，采用两个调制信号来操作两个LED的替代LED模块需要两个控制单元。将这两个控制单元连接到两个LED是非常复杂和高成本的任务。

所述LED模块可以包括多个第一LED和/或多个第二LED。在此情况下，多个第一LED和/或多个第二LED可以分别串联连接。所述LED模块还可以包括至少一个第三LED，其发射色温与第一LED和第二LED发射的光的色温不同的光。所述至少一个第三LED可能不与控制单元连接。例如，用附加的控制单元来操作所述第三LED，并且/或者以连续模式操作所述第三LED。

优选地，所述第一LED和所述第二LED电连接到公共电压源。公共电压源可以是限流电压源。公共电压源可以是连接所述两个LED的仅有的电压源。

根据所述LED模块的至少一个实施例，整个LED模块包括最多两条、优选恰好两条的焊线。下文中，“焊线”是需要手工焊接并且不能利用机器的自动工艺焊接的导电电线。优选地，利用所述最多两条、优选恰好两条焊线来将所述第一LED和所述第二LED连接到所述公共电压源。在这种情况下，焊线不必直接连接到电压源。也就是说，在焊线与电压源之间可以放置其他电子部件和/或导电部件。

与具有最多两条焊线的LED模块相反，不采用上述分时复用方法和/或利用至少两个控制单元的替代LED模块包括至少三条焊线。焊接是劳动密集型的工艺，会需要工人的手工焊接。每条焊线需要两个焊接步骤。因此，通过将三条焊线减少到两条焊线，可以显著减少焊接LED模块所需的焊接步骤数量和时间。此外，焊线在包括LED模块的照明装置中可能是不美观的，并且会由于例如照明装置中的空间问题而妨碍到包括这种LED模块的照明装置的高效制造。因此，减少LED模块中的焊线数量会具有简化更多制造步骤并能得到更加美观的LED模块外观的额外优点。

根据优选实施例，由所述LED模块在工作期间发射的整体光的色温是可调节的。也就是说，可以由发光模块的终端用户来定义和提供期望的色温。例如，所述LED模块包括用于定义整体光的期望色温的调节装置，比如按钮、旋钮和/或螺丝。

在这里以及下文中，光源的色温是辐射其颜色与光源的光的颜色相当的光的理想黑体辐射体的温度。第一LED可以发射第一色温的光(优选白光)，第二LED可以发射与第一色温不同的第二色温的光(优选白光)。优选地，两个LED的色温差至少为500K，优选地至少1000K。第一LED在工作期间发射的光的色温可以高于第二LED在工作期间发射的光的色温。例如，第一LED发射色温至少3500K且最多5000K的冷白光或中性白光，第二LED发射色温至少1500K且最多4000K的暖光或中性光。

在工作期间，LED模块发射优选由第一LED发射的光和第二LED发射的光组成的整体光。由于交替操作的缘故，这两个LED可能不会同时发光。因此，在特定时间点，整体光包含第一LED发射的光或者第二LED发射的光，但不是两者均包含。然而，如果以快速方式(即，以高频率的调制信号)对操作进行切换，则人眼不能分辨交替操作，看起来好像这两个LED同时开启，即点亮。在这种情况下，可以假设整体光是第一LED和第二LED发射的光的混合。整体光的色温也可以是第一LED和第二LED各自发射的光的色温的混合。

根据所述LED模块的至少一个实施例，整体光的色温取决于所述调制信号的占空比。可以通过调制信号的占空比来确定第一LED和第二LED各自发射的光的强度。具体地，第一LED发射的光的强度可以反比于第二LED发射的光的强度。也就是说，如果第一LED发射的光的强度高，则第二LED发射的光的强度将会低，反之亦然。由于这两个LED各自发射的光的色温不同，因此改变这两个LED发射的光的强度将引起整体光的色温改变。这样，可以在第一LED发射的光的色温与第二LED发射的光的色温的范围之间改变整体光的色温。

优选地，控制单元具体地提供能够取得值“开启”(对应于激活状态)或值“关断”(对应于去激活状态)的方波形状的信号。值“开启”可以对应于高电压信号(例如，至少5V，最多15V)，值“关断”可以对应于低电压信号(例如，至少0V，最多3V，优选0V)，反之亦然。在此情况下，占空比是一个周期中信号处于激活状态的分数。周期是信号完成一个开启-关断循环所用的时间。具体地，占空比可以是调制信号处于“开启”状态与调制信号处于“关断”状态的宽度之比。

例如，90％的占空比表明调制信号有90％的时间为“开启”并且有10％的时间为“关断”。“开启”时间和“关断”时间之和对应于调制信号的周期，因此对应于调制信号的频率的倒数。例如，在调制信号的频率为1Hz的情况下，90％的占空比表明信号有0.9s处于“开启”状态并且有0.1s处于“关断”状态。

第一LED和第二LED可以连接到控制单元以使得第一LED在控制单元的“关断”状态下开启(即发光)，第二LED在控制单元的“开启”状态下开启。在这种情况下，90％的占空比对应于第一LED有10％的时间处于开启，并且第二LED有90％的时间处于开启。如果第一LED发射的光相比第二LED而言具有更高色温，则在前述情况中的较高占空比对应于整体光的较低色温。

根据至少一个实施例，LED模块包括至少三个、优选至少四个开关，这些开关由调制信号控制并连接到第一LED和/或第二LED。开关可以是晶体管，优选为MOSFET。具体地，开关可以是“断开”(非导电)的或是“闭合”(导电)的。

例如，开关中的至少两个可以构造为“常开”，并且开关中的至少两个可以构造为“常闭”。“常开”表明在向开关供应低电压信号(所谓的断电状态)时开关是断开的，而在向开关供应高电压信号(所谓的通电状态)时是闭合的。反之亦然，“常闭”表明在向开关供应低电压信号时开关是闭合的，而在向开关供应高电压信号时是断开的。

各开关可以连接到第一LED和/或第二LED和/或控制单元，使得通过仅利用单个调制信号就可以以交替方式操作。还可以通过各开关将第一LED和第二LED连接到电压源，使得第一LED和第二LED中的任一个可以根据各开关的位置通过电压源而正向工作。在此情况下，各LED还可以相互反向并联连接。通过这样的连接，单个控制单元可以看成针对两个LED的两个虚拟控制单元(即，将控制单元连接到对应LED的虚拟通道)，每个虚拟控制单元控制单一类型的LED。

与需要两个控制单元的替代LED模块相比，所述LED模块尤其是可以包括额外的两个开关。由于可以利用机器在批量生产中对这样的开关进行焊接，因此，关于焊线的焊接步骤的减少所带来的时间节约显著增大了对焊接额外两个开关所需的时间削减。此外，低电阻焊线比仅仅开关更贵。因此，将焊线替换为两个开关进一步降低了LED模块的成本。另外，由于开关(尤其是MOSFET)的典型等效电阻处于毫欧到最多为欧姆的量级，因此整体电路的电阻不会因增加开关而增大。

减少焊线数量还进一步简化了印刷电路板(PCB)的布局，尤其是包括LED的光引擎板的布局。因此，通过仅采用单个控制单元还减少了在PCB布局上花费的时间。

通过采用所谓的板上芯片技术甚至还可以进一步降低PCB布局(优选地，PCB的外观)的难度。这是LED晶圆直接放置在PCB上的LED封装技术。该技术在两个LED相互反向并联连接的情况中尤为优越。在这种情况下，在板上芯片技术的工艺过程中，对应于第一LED的LED晶圆可以定位为与对应于第二LED的LED晶圆反向并联。

根据所述LED模块的优选实施例，第一LED和第二LED反向并联(也称为反并联)连接。由于这种反向并联连接，对所流过的电流的方向进行转换将会使点亮的LED转换。具体地，因为反向并联连接，两个LED中的一个通过电压源而正向工作，而两个LED中的另一个反向(也称为“阻止方向”)工作。

作为一个示例，LED模块可以包括如上所述的四个开关。各开关可以连接到所述两个LED，使得如果前两个开关闭合，则LED模块的电压源的正端子连接到第一LED的阳极和第二LED的阴极，并且电压源的负端子连接到第一LED的阴极和第二LED的阳极(正向工作)；反之亦然，如果后两个开关闭合，则电压源的正端子连接到第二LED的阳极和第一LED的阴极，并且电压源的负端子连接到第二LED的阴极和第一LED的阳极。也就是说，如果前两个开关闭合，则第一LED点亮；如果后两个开关闭合，则第二LED点亮。可以利用调制信号来控制各开关。例如，前两个开关闭合可以对应于调制信号的“关断”状态；于是，前两个开关被设置为“常闭”开关。

根据LED模块的至少一个实施例，调制信号的频率超过人眼的频率分辨力。调制信号的频率对应于完成脉宽调制的一个开启-关断循环所花费的时间。人眼的频率分辨力还表示为“闪变熔阈”。换言之，选择调制信号的频率以使得LED模块发射的整体光对于普通人类观察者而言看起来是完全稳定的。例如，调制信号的频率超过200Hz，优选为1000Hz，更优选的为5000Hz。

此外，提供了用于操作LED模块的方法。优选的，该方法用于操作上述LED模块。也就是说，与LED模块相关的所有公开的特征也都对于该方法公开，反之亦然。

所述用于操作LED模块的方法包括以下步骤：提供包括第一LED和第二LED的LED模块，在所述LED模块工作期间，所述第一LED发射与所述第二LED不同色温的光；以及向所述第一LED和所述第二LED提供单个调制信号以使得所述第一LED和所述第二LED根据所述调制信号以交替方式操作。可以通过控制单元(例如微控制器)来提供调制信号。

根据优选实施例，所述方法还包括步骤：根据由所述LED模块发射的整体光的期望色温来调节所述调制信号的占空比。可以利用用户界面和/或控制单元的控制程序来调节占空比。优选地，在所述方法的又一步骤中提供LED模块发射的整体光的期望色温。例如，LED模块和/或控制单元包括允许对整体光的期望色温进行调节的旋钮、按钮或螺丝。

附图说明

将在下文中关于附图来说明本发明的优选实施例。

图1A和图1B示出了需要两个控制单元的可替代LED模块的示例性实施例。

图2和图3示出了根据本发明的LED模块的实施例。

图4示出了根据LED模块的实施例的第一LED和第二LED的仿真电流和根据本发明的方法。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的优选实施例。这里，在附图中对相同、相似或者具有相同或相似作用的元件设置了相同的附图标记。各个附图相互之间示出的元件的图形和尺寸关系不应被认为是按比例绘制的。相反，可以以夸大的尺寸来示出个别的元件以使得能够更好地图示和/或更好地理解。

参照图1A和图1B，描述了具有两个控制单元的可替代LED模块101以利于理解本发明。

图1A的可替代LED模块101包括连接到第一LED 11的第一电压源201和连接到第二LED 12的第二电压源202。第一LED 11和第二LED 12可以具有不同色温，即，在工作期间发射不同色温的光。第一电压源201和第二电压源202例如使用来自第一控制单元221和第二控制单元222的各自的调制信号来独立地控制。因此通过两个控制单元来独立地控制两个LED 11、12。

图1B的可替代LED模块101包括与第二LED 12并联连接的第一LED 11，其中第一LED 11和第二LED 12分别通过第一开关41和第二开关42连接到公共电压源20。该构造需要在可替代LED模块101中焊接第一电线31、第二电线32和第三电线33。为了调节由可替代LED模块101发射的整体光的色温，需要两个调制信号。第一调制信号可以由连接到第一开关41和第二电线32的第一控制单元221提供，第二调制信号可以由连接到第二开关42和第三电线33的第二控制单元222提供。因此，需要三条电线来将LED 11、12连接到电压源20和/或控制单元221、222。

参照图2，详细说明根据本发明的LED模块10的实施例。LED模块10包括相互反向并联(antiparallel)连接的第一LED 11和第二LED 12。两个LED 11、12通过第一开关41、第二开关42、第三开关43和第四开关44连接到公共电压源20。对开关41、42、43、44的连接由第一电线31和第二电线32提供。在本实施例中不需要第三电线。开关41、42、43、44中的每一个连接到控制单元22。控制单元22可以是LED模块10仅有的控制单元22。

在本实施例中，当第一开关41和第四开关44导电(即闭合)时，第一LED 11开启。反之，当第二开关42和第三开关43导电时，第二LED 12开启。例如，可以将第一开关41和第四开关44实施为“常闭”开关。可以将第二开关42和第三开关43实施为“常开”开关。在这种情况下，当调制信号提供低电压信号时第一LED 11将会点亮，并且当调制信号提供高电压信号时第二LED 12将会点亮。因此，仅需单个控制单元22来控制两个LED 11、12的操作。

参照图3，详细说明根据本发明的LED模块10的实施例。同样，LED模块10包括第一LED 11、第二LED 12、电压源20和控制单元22。例如，第一LED 11在工作期间发射白光(即中性白光)，第二LED 12在工作期间发射黄光(即暖白光)。此外，LED模块10包括第一开关41、第二开关42、第三开关43、第四开关44和第五开关45。仅作为一个示例，将开关41、42、43、44、45实施为耗尽型n沟道MOSFET。具体地，开关41、42、43、44、45可以全为同一类型。

第一LED 11和第二LED 12分别与第一电流测量装置51和第二电流测量装置52串联连接。此外，两个LED 11、12的反向并联连接体与第一电阻器61串联连接。第二电阻器62连接在电压源20与接地的第五开关45之间。第二电阻器62可以具有高值，具体地比第一电阻器61的值高至少10倍，优选地至少50倍。第一电阻器61和第二电阻器62可以允许对通过两个LED 11、12的反向并联连接体的电流和/或通过开关41、42、43、44、45的电流进行调节。

在图3的实施例中，第一开关41、第二开关42、第三开关43和第四开关44具有与图2的实施例中的类似功能。具体地，如果控制单元22提供高电压信号(对应于例如9.8V的电压)，则第一开关41、第四开关44和第五开关45闭合，即导电。在此情况下，第二LED 12通过电压源20正向工作，第一LED 11反向工作。因此，第二LED 12开启，第一LED 11关断。由于当控制单元22提供高电压信号时第五开关45也导电，因此第二开关42和第三开关43连接到地，没有电压供应到第二开关42和第三开关43各自的栅极。因此，第二开关42和第三开关43是非导电的，即断开。

如果控制单元22提供低电压信号(例如0V)，则第一开关41、第四开关44和第五开关45变成非导电模式。在此情况下，由于第二开关42和第三开关43不再通过第五开关45连接到地，因此电压源20所提供的电压通过第二电阻器62连接到第二开关42和第三开关43。因此将会有电压施加到第二开关42和第三开关43各自的栅极，这两个开关变成导电模式。也就是说，由于第五开关45提供了对地的连接，因此第二开关42和第三开关43本质上具有“常闭”开关的功能。此时，第一LED 11开启，第二LED 12关断。

参照图4，详细说明根据本发明的LED模块10和用于操作LED模块10的方法的实施例。图4示出了根据图3的电路的仿真。具体地，将第一LED的电流110和第二LED的电流120作为控制单元22所提供的调制信号的占空比D的函数来进行仿真。在第一电流测量装置51和第二电流测量装置52的位置处测量各个电流110、120。利用被称为Proteus的电路仿真程序执行了该仿真。

对于该仿真，将第一电阻器61的值设置为100Ω，将第二电阻器62的值设置为10kΩ。电压源提供10V的电压。对于开关41、42、43、44、45，假设了具有1.3Ω的低电阻和1.7V的阈值的n沟道MOSFET(Vishay(威世)公司的2N6660MOSFET)。控制单元22供应频率为10000Hz、最大电压为9.8V(对应于高电压信号)的方波调制信号。低电压信号为0V。方波信号的上升时间和下降时间为1μs。

针对10％、30％、50％、70％和90％的占空比D执行了该仿真。在第一电流测量装置51处测量到的第一LED的各个电流110为43.6mA、38.3mA、32.0mA、24.3mA和12.3mA。在第二电流测量装置52处测量到的第二LED的各个电流120为14.5mA、24.9mA、32.0mA、37.8mA和42.9mA。也就是说，第一LED 11处的电流随着占空比减小而增大，第二LED 12处的电流随着占空比的减小而减小。例如，LED模块10在较低占空比处的色温将低于较高占空比处的色温。

LED模块提供了对当前已知LED模块(其使用两个控制单元来实施脉宽调制以用于CCT应用)的高效率和低成本的替代。为提供所述LED模块和用于操作所述LED模块的方法，仅需微小的修改。例如，改编控制单元的控制逻辑仅需可按成本节约方式实现的微小的软件修改，尤其是在设置了大量LED模块的情况下更是如此。另外，由于分时复用方法特别是占空比的缘故，LED模块的照度会减小。然而，可以通过增大提供到LED的电流，例如通过改变连接到LED的采样电阻的值来容易地克服这一点。作为附加或作为替代，可以调节电压源。

本发明不受基于实施例的说明的限制。相反，本发明包括任何新特征，还包括特征的任何组合，尤其包括专利权利要求书中的任何特征的组合，即使该特征或该组合本身在专利权利要求书或示例实施例中没有明确指出。

附图标记列表

10 LED模块

101 替代LED模块

11 第一LED

110 第一LED的电流

12 第二LED

120 第二LED的电流

20 (公共)电压源

201 第一电压源

202 第二电压源

22 控制单元

221 第一控制单元

222 第二控制单元

31 第一电线

32 第二电线

33 第三电线

41 第一开关

42 第二开关

43 第三开关

44 第四开关

45 第五开关

51 第一电流测量装置

52 第二电流测量装置

61 第一电阻器

62 第二电阻器

D 占空比

Claims (11)

1.一种LED模块(10)，包括第一LED(11)和第二LED(12)以及提供单个调制信号的控制单元(22)，在所述LED模块(10)的工作期间，所述第一LED(11)与所述第二LED(12)发射不同色温的光，

其中，所述控制单元(22)连接到所述第一LED(11)和所述第二LED(12)使得在所述LED模块(10)的工作期间，所述第一LED(11)和所述第二LED(12)根据所述调制信号以交替方式操作。

2.根据权利要求1所述的LED模块(10)，其中所述第一LED(11)和所述第二LED(12)电连接到公共电压源(20)。

3.根据权利要求1或2所述的LED模块(10)，其中所述LED模块(10)包括最多两条、优选恰好两条焊线(31、32)。

4.根据权利要求1或2所述的LED模块(10)，其中由所述LED模块(10)在工作期间发射的整体光的色温是可调节的。

5.根据权利要求1或2所述的LED模块(10)，其中由所述LED模块(10)在工作期间发射的整体光的色温取决于所述调制信号的占空比(D)。

6.根据权利要求1或2所述的LED模块(10)，包括至少三个、优选至少四个开关(41、42、43、44)，这些开关由所述调制信号控制并连接到所述第一LED(11)和/或所述第二LED(12)。

7.根据权利要求1或2所述的LED模块(10)，其中所述第一LED(11)和所述第二LED(12)反向并联连接。

8.根据权利要求1或2所述的LED模块(10)，其中所述调制信号的频率超过人眼的频率分辨力。

9.一种用于操作LED模块(10)的方法，包括以下步骤：

提供包括第一LED(11)和第二LED(12)的LED模块(10)，在所述LED模块(10)的工作期间，所述第一LED(11)与所述第二LED(12)发射不同色温的光，

向所述第一LED(11)和所述第二LED(12)提供单个调制信号使得所述第一LED(11)和所述第二LED(12)根据所述调制信号以交替方式操作。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括步骤：根据由所述LED模块(10)发射的整体光的期望色温来调节所述调制信号的占空比(D)。

11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括步骤：提供由所述LED模块(10)发射的整体光的期望色温。