CN109196951A - 发光二极管照明设备的电流回调 - Google Patents

Abstract

本文讨论了对发光二极管(LED)的安全性改进。当作为照明设备的一部分的LED加热和冷却时，调节所提供的电流以改善照明设备的安全性，以管理产生的光和热量的水平。至少一个热有源电气部件结合到照明设备的LED负载中，其被连通到LED电流控制器以发信号通知何时调节由驱动电路提供的电流水平。当LED负载的温度超过阈值时减小电流，和或当温度不再超过阈值时返回到最佳电流。

Description

发光二极管照明设备的电流回调

相关申请的交叉引用

本申请在2017年6月9日作为PCT国际专利申请提交，并且要求于2016年6月10日提交的第62/348,389号美国专利申请的权益，该美国专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开一般涉及发光二极管(LED)照明设备，并且更具体地，涉及改善其使用安全性。

背景技术

发光二极管(LED)是一种电子元件，当在其引线上施加合适的电压时会发光。照明设备可以包括适合于各种应用的形状因子的一个或多个LED。例如，照明设备可以成形为白炽灯泡或荧光灯丝，以适合家庭或办公室中的灯和光设备。照明设备还可以设计用于工业环境中，其中腐蚀性化学品、易燃材料、极端温度或其组合可以以比家庭或办公室更高的频率存在。有几个工业标准可以确保照明设备在各种环境中不会成为危险(例如，为腐蚀剂提供反应物，成为易燃材料周围的闪点，在温度下翘曲)。这些标准通常需要在最初构造被测设备时进行通过/失败测试，但是某些LED设备的固有故障模式可能导致意外的风险，这可能导致安全相关事件，例如在安装期间或之后的火灾和爆炸。

发明内容

本公开涉及用于通过主动调节到LED的驱动电流来改善发光二极管(LED)照明设备的安全性的系统、装置和方法。通过利用热活性电子元件测量LED负载的热量，电流控制器可以调节流过LED负载的组件的电流，从而减少热量积累时通过电阻损耗产生的热量，并允许LED负载冷却到可接受的水平。

以上概述不旨在描述每个方面或每个实施方式。通过参考结合附图的详细描述，将更清楚和了解更全面的理解，并且本公开的范围由权利要求限定。

附图说明

包含在本公开中并构成本公开的一部分的附图示出了本公开的各个方面。附图不一定按比例绘制。然而，附图中使用的相同数字表示相同的部件，应当理解，使用数字来指代给定附图中的部件并不旨在限制标有相同数字的另一图中的部件。在图中：

图1A示出了示例LED照明设备；

图1B是用于LED照明设备的示例性回调电路的电路图；和

图2是示出用于在LED照明设备中实现电流回调的方法中涉及的一般阶段的流程图。

具体实施方式

将参考附图详细描述各种实例，其中相同的附图标记在若干视图中表示相同的部件和组件。本公开中阐述的任何实例不旨在是限制性的，并且仅仅阐述了用于实现本文公开的宽泛发明方面的许多可能方式中的一些。

发光二极管(LED)是一种电子元件，它通过电致发光将电流中提供的能量转换成光。可以理解，当电流流过(非超导)电气元件，例如LED时，电流中的一部分能量通过元件的电阻转换成热量。这种热量辐射到周围的部件和环境中，并且如果提供给部件的能量产生比部件在给定时间段内可消散的更多的电阻热，则可以在部件中积聚，使其更热。为了将部件保持在指定的温度范围内，散热器、风扇、冷却管等可以提高部件向环境散热的能力，或者可以减少流过部件的电流，从而减少所需的热量消散。如将理解的，将部件或固定装置保持在给定温度范围内可以改善电气装置的安全性(例如，降低装置可以充当点火源的可能性)，固定装置的部件的寿命(例如减少燃烧元件的可能性)，并帮助设备满足工业标准，以便在更多种环境中使用(例如，被认为可安全用于家庭环境的照明设备可能不符合用于煤矿的安全标准，没有额外的热量控制)。此外，取决于照明设备的故障机制，当设备的子集(例如，多芯片设备中的芯片)发生故障时，来自故障部分的电流可以被驱动通过尚未发生故障的部分，这可以增加装置(或其可操作部分)中的总热量，并且可导致仍可操作的部分的加速失效和/或安全隐患。

为了使照明设备适应危险环境，LED可以通过(理想地)气密外壳与环境隔离，所述气密外壳包括LED将通过其发光的非反应性材料(例如硅树脂或玻璃)。虽然许多照明设备理想地是气密的，但即使是名义上不透气的照明设备也会经历某种程度的“呼吸”，这使得可燃物与LED接触并使LED成为潜在的点火源。外壳可以是透明的或有色的，并且可以是抗冲击的或由防碎材料制成。还可以包括额外的散热器，电弧抑制和互锁特征，使得当照明设备在危险环境中有源时，不会将点火或反应源暴露于环境中。

图1A示出了示例LED照明设备100。在示例性LED照明设备100中，若干部件被布置在印刷电路板(PCB)110上，但是本领域普通技术人员将理解，所示部件可以在没有PCB 110的情况下一起传送(例如，在线路板上、通过直接布线)，并且比图1中所示的更多或更少的部件可以构成LED照明设备100，并且可以采用与图1中所示不同的部件布置。示例性LED照明设备100被提供作为非限制性示例。

示例LED照明设备100以两个部分示出；驱动电路120，其包括电流控制器121和整流器122，以及LED负载130，其包括温度传感器131和LED132a-u(通常为LED 132)。虽然两个部分被示出为布置在同一PCB 110上，但是本领域普通技术人员将认识到，驱动电路120和LED负载130可以相对于彼此远程地布置在单独的PCB 110上，并且单个驱动电路120可以被连接到多个LED负载130。

驱动电路120包括电流控制器121和整流器122。电流控制器121控制从交流电源(未示出)提供的电流水平，并且整流器122将交流电转换为直流电以供LED负载130使用。在使用直流电源(例如电池)代替交流电源的方面中，电流控制器121控制从直流电源提供的电流水平，并且可以省略或绕过整流器122。在各个方面，整流器122可以具有各种配置并且包含各种值的组件，这取决于示例LED照明设备100所期望的设计规格和使用情况，并且本领域普通技术人员将熟悉整流器122的构造以满足给定LED照明设备100的需要。

在各个方面，电流控制器121包括微处理器，其根据存储的指令处理信号(例如，烧入微处理器，存储为电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))以影响提供给LED负载130的电流水平。在其他方面，电流控制器121包括一系列逻辑门，其控制将响应于从LED负载130接收的信号而打开和关闭的开关，以升高或降低传输到LED负载130的电流水平。提供给LED负载130的电流水平的改变可以通过调光功能来实现，允许LED负载130以较少的电流产生较少的光，或者具有切换功能，暂时切断到LED负载130或者LED负载130中的一部分LED 132的电流。例如，电流控制器121可以临时限制到LED 132的电流流动(当电流达到零时关闭它们或者LED操作截止)直到LED负载130的热量下降到阈值以下。在另一示例中，第一LED负载130将其电流设置为零，直到第一LED负载130冷却到阈值温度以下，但是第二LED负载130被提供电流。阈值可以通过各种标准机构根据各种标准(例如，美国保险商实验室(UL)、电气和电子工程师协会(IEEE)、欧洲符合性(CE)、中国强制认证(CCC))设定其使用中的照明设备的温度，这是本领域普通技术人员能够应用的。

LED负载130包括至少一个温度传感器131和至少一个LED 132(例如单个LED 132或一系列LED 132)。在一个示例中，第一LED负载130包括单个LED 132，并且第二LED负载130包括一系列LED 132，其中第一LED负载130的LED 132被布置在第二LED负载130的所述一系列LED 132内或附近，用于监控单个LED 130，从而推断第二LED负载130的LED 132的温度，从而允许在第二LED负载130上省略或禁用温度传感器131。将温度传感器131连通于电流控制器121，使得LED负载130的温度可以被监控，并且通过调节(例如减小)传输到LED负载130的电流进行控制。

在各个方面，温度传感器131是热敏电阻、热电偶、电阻温度检测器(RTD)或红外(IR)光电二极管。在一些方面，在温度传感器131的电阻随温度变化的情况下，电流控制器121已知的值的参考电流通过温度传感器131馈送，使得电流控制器121可以测量电阻的变化(通过温度传感器131上的电压变化)，其指示LED负载130的温度。在一些方面，提供给温度传感器131的参考电流可以是LED 132的工作电流，电流控制器121调节该工作电流以影响LED负载130的温度，而在其他方面，提供单独的电流，使得如果工作电流被修改(或设置为零)，参考电流将保持不变。

在提供多于一个温度传感器131的方面中，多个温度传感器131可以与相同的LED负载130或多个LED负载130相关联。当多个温度传感器131在一个LED负载130上时，电流控制器121可以平均来自多个温度传感器131的读数或者使用从温度传感器131接收的最大值，但是将单独地处理来自多个LED负载130的多个温度传感器131的读数以单独地管理每个LED负载130的热量。当使用数字温度传感器131时，通过使用微处理器的共享引线与并行连接的多个模拟温度传感器131、按位平均电路(例如，加法器和位移寄存器)通信，可以对读数进行平均，或者通过其他本领域普通技术人员已知的手段。附加地或替代地，除了平均之外的另一算法可以用于收集和平滑一段时间内的累积读数。在其他方面，通过使用微处理器的不同引线(或单独的逻辑门组)来接收读数，可以分开来自多个温度传感器131的读数。

图1B是用于LED照明设备100的示例性回调电路的电路图105。如图所示，表示至少一个LED 132的LED负载130的电阻的电阻器160和表示在不同温度下具有不同电阻的温度传感器131的热敏电阻140彼此热连通。当电流流过电阻器160时，热敏电阻140可以响应地开始升温，并且其电阻将改变。电流控制器121测量热敏电阻140两端的电压V_T170，以跟踪对应于其温度变化的电阻变化。例如，通过向热敏电阻140施加恒定电流并将V_T170与基值或阈值进行比较，电流控制器121可以确定热敏电阻140何时达到给定电阻(并因此达到给定温度)，表明LED负载130将类似地达到或超过给定温度阈值。一旦电流控制器121已经通过对V_T170的相应改变确定LED负载130已经达到或超过温度阈值，则将发信号通知驱动电路120以调节提供给LED负载130的电流以确保正确和安全地继续操作LED照明设备100。

在一些方面，当达到过热阈值时，可以关闭包括LED负载130的一些或所有LED132，可以减少来自AC电源150的电流，可以激活第二串LED 132而不是主要串LED 132，冷却装置(例如风扇、通风口、热泵)可以被提供电力等。在其他方面，当达到冷却阈值时，例如当响应过热阈值采取的动作被认为是有效的并且LED照明设备100可以安全地恢复正常操作，可以接通包括LED负载130的一些或所有LED 132，可以激活主要的LED 132串而不是第二串LED132，或者附加激活第二串LED 132，可以增加从电源150提供的电流(达到标称值)，可以关闭冷却装置等。

图2是示出用于在LED照明设备100中实现电流回调的方法200中涉及的一般阶段的流程图。方法200开始于操作210，其中当施加电源时(例如，用户翻转与LED照明设备100相关联的灯开关)，将标称电流提供给LED照明设备100的LED负载130。标称电流是LED照明设备100被设计为提供给LED负载130以产生来自LED 132的所需光量的电流。例如，LED照明设备100可以设计成当向LED负载130提供50mA时提供100％的额定光，并且当用户选择LED照明设备100的调光器功能用于50％额定光时，提供25mA给LED负载130。在前面的例子中，50mA和25mA的电流分别是100％光额定值和50％光额定值的标称电流，但是本领域普通技术人员将认识到上述示例中的数字已被简化以清楚呈现标称电流的概念。

方法200前进到操作220，其中监测热量。根据温度传感器131的数量和布置，电流控制器121可以测量LED负载130的平均、最大或几个温度读数。在各个方面，温度读数可以从传感器轮询或实时接收。为了防止读数中的尖峰，在各个方面，来自一个温度传感器131(或一组相关温度传感器131)的多个读数可以在一段时间内被平均，或者可以基于来自一个或多个温度传感器131的累积温度数据，应用另一算法来调整提供给LED负载130的电流水平。

将这些温度读数与决策230处的阈值进行比较，以确定温度是否超过阈值。当读数超过阈值时，方法200前进到操作240。当读数未超过阈值时，方法200前进到决策250。

在操作240，电流控制器121减小工作电流。如将理解的，当电流控制器121逐步减小工作电流(例如，100％至75％至50％至25％至0％)时，可存在多个温度阈值，使得电流控制器121可按照步骤调整工作电流。步骤可以是均匀的(n％步骤)，或不均匀的，或设定为增长/收缩(例如，100％至90％至70％至40％至0％)。当电流控制器121根据温度传感器131调整连续体中的工作电流时(例如，来自温度传感器131的模拟读数产生工作电流的模拟减少)，阈值可以是在此之前不会对运行电流进行调整的截止值(电压或电流)。

在各个方面，可以通过二极管击穿或雪崩、开关或电流控制器121的灵敏度来提供截止值。然后，方法200返回到操作220以继续监测LED负载130的热量。

在存在与不同的LED负载130相关联的多个温度传感器131的方面，电流控制器121可调节供给到LED负载(或多个)130的电流，以使得每个LED负载130由相关联的温度传感器131单独地影响(例如，第一温度传感器131或其组影响提供给第一LED负载130的电流)，由非关联温度传感器131相互影响(例如，与第二LED负载130相关联的第二温度传感器131可能影响提供到第一LED负载130的电流而无论相关联的第一温度传感器131测得的温度如何)，或由多个温度传感器131共同影响(例如，分别由第一温度传感器131和第二温度传感器131测量的第一LED负载130和第二LED负载130的平均温度值用于影响提供给两个LED负载130的电流)。另外，当存在多个LED负载130时，供应给给定LED负载130的电力可以被单独调节(例如，供应给第一LED负载130的电力可以与供应给第二LED负载130的电力不同)或者共同受到调节(例如，当电力被供应到两个LED负载130时，提供给第一LED负载130的电力等于提供给第二LED负载130的电力)。

在DECISION 250，确定工作电流是否低于标称电流。当工作电流不低于标称电流时，方法200返回到操作220以继续监测LED负载130的热量，其中当前工作电流等于标称电流。当工作电流低于标称电流时，方法200前进到操作260。

在逐步调节工作电流的各个方面中，电流控制器121可以在决策230中的确定和决策250中的确定之间设置时间阈值，使得在温度阈值之上和之下波动的温度不会导致当向上和向下调节工作电流时电流控制器121将闪烁引入LED照明设备100。在执行操作之间，通过寄存器中的温度的平均值或电流控制器121中的部件的速度(例如，切换延迟)，可以经由微处理器中的多个时钟周期来设置时间阈值。

在操作260，提高工作电流。可以理解的是，工作电流可以逐步升高(例如，0％至25％至50％至75％至100％)，或者与操作240中的工作电流如何降低一样连续，但不会被提升到超过标称电流。然后，方法200返回到操作220以继续监测LED负载130的热量。

方法200可以在移除电源时结束，并且可以在重新施加电源时再次启动。

在第一方面，本发明实施为发光二极管(LED)照明设备，包括：LED负载，其包括至少一个发光二极管和至少一个温度传感器；以及向所述LED负载提供电力的驱动电路，其包括与所述至少一个温度传感器连通的电流控制器，用于响应于由所述至少一个温度感应器测量的LED负载的温度来调节提供给所述LED负载的电力量。

在第二方面，本发明实施为发光二极管(LED)照明设备，包括：温度传感器，其靠近LED负载，可操作以测量LED负载的温度；电流控制器，其远离LED负载设置并与温度传感器连通，可操作以响应由温度传感器测量的温度调节提供给LED负载的电流水平。

在第三方面，本发明实施为发光二极管(LED)照明设备，包括：至少一个LED，其被从电源提供工作电流；温度传感器，其在所述至少一个LED被提供工作电流的同时被从所述电源提供参考电流；以及与电源和温度传感器连通的电流控制器，其可操作以测量温度传感器两端的电压，并且当温度传感器两端的电压达到阈值时，减小从电源提供给所述至少一个LED的工作电流。

在第四方面，本发明实施为发光二极管(LED)照明设备，包括：电源；至少一个LED，其被从电源提供工作电流；温度传感器，其具有不同温度下的可变电阻，并且是以恒定电压操作的分压器电路的一部分；电流控制器，其与电源和温度传感器连通，其可操作以测量温度传感器两端的电压，并在电压达到过热阈值时减小从电源提供给至少一个LED的工作电流。

在各个方面，LED负载安装在第一印刷电路板上，驱动电路安装在第二印刷电路板上。另外，LED照明设备的一些方面还包括第二LED负载，其包括至少一个第二发光二极管和至少一个第二温度传感器，所述至少一个第二温度传感器与电流控制器连通以响应于与第二LED负载相关联的第二温度的变化，调节提供给第二LED负载的第二直流电力量。在一些方面，第二LED负载安装在与第一LED负载不同的(例如第三)印刷电路板上，而在其他方面，第二LED负载安装在与(第一)LED负载电隔离的第一印刷电路板的部分上。另外，当LED照明设备包括多个LED负载时，在一些方面温度被共同调节，其中响应于第二温度调节LED负载的电力量；并且，响应于LED负载的温度，调节提供给第二LED负载的第二直流电力量。在各个方面，电流控制器调节提供给LED负载的电力和提供给第二LED负载的第二直流电力量以相等或基本相等，但也可操作以当LED负载的相关温度超过过热阈值时，使一个或多个LED负载保持无电力或以降低的水平供电。

在其他方面，给定的LED负载包括多个温度传感器。例如，设置在LED负载上的第二温度传感器可操作以测量LED负载的第二温度。在这样的方面，电流控制器可操作以使用由温度传感器测量的温度以及由第二温度传感器测量的第二温度的较高温度、较低温度或平均值(均值)中的一个或多个来调节提供给LED负载的电流水平。在其他方面，电流控制器基于组合温度使用基于由温度传感器测量的温度的累积温度数据和由第二温度传感器测量的第二温度的算法来处理对多个LED负载中的每一个的电力的调节，以调节提供给LED负载的电流水平。

在若干方面，LED照明设备适用于危险环境。使LED照明设备适用于危险环境包括以下一项或多项：密封安装LED照明设备的外壳，用非反应材料构造外壳，用耐热材料构造外壳，以及根据在危险环境中使用照明设备的工业标准设置(电压或温度)阈值。

在各种方面，LED照明设备的温度传感器可以是各种温度敏感装置，包括选自热敏电阻、热电偶、可操作以接收红外光的光电二极管和电阻温度检测器的那些。在一些方面，在各个方面，温度传感器布置在电源和至少一个LED或LED串之间，其中参考电流是提供给正在测量其温度的LED或LED串的工作电流。在其他方面，参考电流是比较器测量工作电流的恒定值电流。

本文公开的系统、设备或方法可包括本文描述的特征结构、方法或其组合中的一个或多个。例如，可以实现设备或方法以包括上面的一个或多个特征和/或过程。意图是这样的设备或方法不需要包括本文描述的所有特征和/或过程，而是可以实现为包括提供有用结构和/或功能的所选特征和/或过程。

可以对上面讨论的公开实施例进行各种修改和添加。因此，本公开的范围不应受上述特定实施例的限制，而应仅由下面阐述的权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1.发光二极管(LED)照明设备，包括：

LED负载，其包括至少一个发光二极管和至少一个温度传感器；和

向所述LED负载提供电力的驱动电路，其包括与所述至少一个温度传感器连通的电流控制器，用于响应于由所述至少一个温度感应器测量的所述LED负载的温度来调节提供给所述LED负载的电力量。

2.根据权利要求1所述的LED照明设备，其中所述LED负载安装在第一印刷电路板上，所述驱动电路安装在第二印刷电路板上。

3.根据权利要求1所述的LED照明设备，还包括第二LED负载，其包括至少一个第二发光二极管和至少一个第二温度传感器，所述至少一个第二温度传感器与所述电流控制器连通以响应于与第二LED负载相关联的第二温度的变化，调节提供给第二LED负载的第二直流电力量。

4.根据权利要求3所述的LED照明设备，其中响应于所述第二温度调节所述LED负载的电力量；并且其中响应于所述LED负载的温度，调节提供给第二LED负载的第二直流电力量。

5.根据权利要求3所述的LED照明设备，其中所述电流控制器调节提供给所述LED负载的电力和提供给第二LED负载的所述第二直流电力量为相等。

6.根据权利要求1所述的LED照明设备，其中所述LED照明设备适于在危险环境中使用。

7.发光二极管(LED)照明设备，包括：

靠近LED负载的温度传感器，其可操作以测量所述LED负载的温度；和

电流控制器，其远离所述LED负载设置并与所述温度传感器连通，可操作以响应由所述温度传感器测量的温度调节提供给所述LED负载的电流水平。

8.根据权利要求7所述的LED照明设备，其中所述温度传感器被安装在其上安装了包括所述LED负载的LED的印刷电路板上。

9.根据权利要求7所述的LED照明设备，还包括设置在所述LED负载上的第二温度传感器，其可操作以测量所述LED负载的第二温度。

10.根据权利要求9所述的LED照明设备，其中所述电流控制器使用由所述温度传感器测量的温度和由第二温度传感器测量的第二温度的较高温度调整提供给所述LED负载的电流水平。

11.发光二极管(LED)照明设备，包括：

至少一个LED，其被从电源提供工作电流；

温度传感器，其在所述至少一个LED被提供工作电流的同时被从所述电源提供参考电流；和

与所述电源和所述温度传感器连通的电流控制器，其可操作以测量所述温度传感器两端的电压，并且当所述电压达到阈值时，减小从所述电源提供给所述至少一个LED的工作电流。

12.根据权利要求11所述的LED照明设备，其中所述阈值根据在危险环境中使用照明设备的工业标准设定。

13.根据权利要求11所述的LED照明设备，其中所述温度传感器被布置在所述电源和所述至少一个LED之间，其中所述参考电流是所述工作电流。

14.根据权利要求13所述的LED照明设备，其中所述温度传感器是从以下选择的设备：

热敏电阻；

热电偶；

可操作以接收红外光的光电二极管；和

电阻温度检测器。

15.根据权利要求11所述的LED照明设备，其中所述参考电流是恒定值电流。