CN112791313B - 一种波长和强度稳定的led光源组件及光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波长和强度稳定的LED光源组件及光源系统。光源系统由LED光源组件、热管理系统以及控制电路系统组成。LED光源组件包括基板、LED芯片、半导体制冷片。LED芯片设置在基板的正面，半导体制冷片的第一面连接在基板的背面，半导体制冷片被配置为：通过切换流经半导体制冷片的电流方向，半导体制冷片被用于冷却或者加热基板，以使基板与LED芯片的温度保持在合适范围。本发明的有益效果：(1)利用半导体制冷片的冷热互换特性以及多种控制电路的协同工作，精确控制LED光源温度，使其发出紫外线的波长和强度稳定。(2)独立的两极恒温系统，为LED光源提供更稳定的温度控制。

Description

一种波长和强度稳定的LED光源组件及光源系统

技术领域

本发明涉及一种LED光源，特别涉及一种适用于紫外线光疗领域的恒定输出强度和波长的紫外LED光源及其控制系统，属于光疗技术领域。

背景技术

光疗法即利用光线的辐射能治疗疾病的理疗法，如紫外线疗法、可见光疗法、红外线疗法和激光疗法。其中，紫外线疗法特别适合银屑病、白癜风、慢性湿疹、神经性皮炎等疾病的治疗。随着新型半导体材料的发展，半导体LED光源的有效发光波段由原来的可见光波段拓展到了深紫外波段，尤其是UVB(275nm-320nm)波段，发光效率比之前有了巨大提高，目前电光转换效率已经达到了5％左右，大有取代传统紫外光源的趋势。

而紫外LED光源有其固有的特点，其波长和电光转换效率会随着光源温度的改变而发生变化：当光源温度由低到高时，其波长会往长波方向漂移；相反的，当光源温度由高到低时，其波长会往短波方向漂移。研究显示，LED结温每升高10℃，其波长会向长波方向偏移1nm，同时其转换效率也会相应降低。尤其对于UVB(275nm-320nm)波段的紫外线LED光源，其电光转换效率还比较低，发热量比较大，在LED光源电流恒定的情况下，光源温度成为光源光学特性的重大影响因素。

而紫外线治疗时的光生物医学效应与其波长及强度高度相关。例如，波长变化1nm或者强度变化10％，就会导致照射后皮肤临床反应的较大差异，影响临床效果或导致不良反应。

公布号为CN102374510A的发明专利公开了一种辐射光谱稳定的LED光源及其控制装置，采用了半导体制冷片作为控温元件，降低LED光源的热量。该专利中，半导体制冷片对LED光源的温度只能进行单向降温控制，而LED光源的发射光谱是以标准温度来标定的，当光源运行环境温度非常低，而LED光源运行时本身的发热量不能使光源温度较快上升至标准温度时，其波长就会向短波方向漂移。其采用散热风扇和散热片结构与空气热交换进行最终散热，受环境温度变化影响较大，特别是用于深紫外LED光源散热时，芯片集成度高单位面积发热量大，当环境温度高于一定温度时，就无法满足稳定散热要求。

公布号为CN103338551A的发明专利公开了一种采用温度补偿稳定LED灯温度的方法，其虽然提供了低温补偿的方式，但其是通过改变电流来实现的，而LED光源的电流改变本身也会导致LED光源的波长，LED发光强度也会同时改变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种波长和发光强度稳定的LED光源，特别是紫外LED光源。

为了解决上述技术问题，本发明的第一方面，提供了一种波长和强度稳定的LED光源组件，包括：

基板与LED芯片，LED芯片设置在基板的正面；以及，

半导体制冷片，半导体制冷片的第一面连接在基板的背面，半导体制冷片被配置为：通过切换流经半导体制冷片的电流方向，半导体制冷片被用于冷却或者加热基板，以使基板与LED芯片的温度保持在合适范围。

在一些实施例中，还包括感温部件，感温件设置在基板的正面中间位置。

在一些实施例中，基板采用铝基板、铜基板或陶瓷基板之中的一种。

在一些实施例中，半导体制冷片为单级、两级或多级制冷片。

在一些实施例中，基板的背面与半导体制冷片的第一面之间涂有第一导热硅脂。

在一些实施例中，还包括液冷散热器，液冷散热器内部带有供导热液体流动的流道，液冷散热器外壳带有进液管和出液管，进液管作为流道的入口，出液管作为流道的出口。

本发明的第二方面，提供了一种波长和强度稳定的LED光源系统，包括上述LED光源组件，以及，热管理系统与控制电路系统；热管理系统能够对LED光源组件进行加热或冷却，控制电路系统监测并控制LED光源系统的运行。

在一些实施例中，热管理系统包括第一循环管路和第二循环管路，第一循环管路的两端分别与液冷散热片的进液管和出液管连接；

第一循环管路包括：加热装置、热交换器、储液箱、循环泵、液温传感器；其中，加热装置、储液箱、循环泵依靠第一连接管道依次串联，液温传感器用于监测第一循环管路中的液体温度；热交换器安装在加热装置与储液箱之间；

第二循环管路包括：制冷压缩机、冷凝器、风扇、节流阀；其中，制冷压缩机、冷凝器、节流阀依靠第二连接管道依次串联；风扇安装在冷凝器上；

第二循环管路与第一循环管路之间依靠热交换器换热，热交换器位于节流阀与制冷压缩机之间。

在一些实施例中，控制电路系统包括：

主控制电路板，主控制电路板包含单片机及其外围电路、LED光源恒流源控制电路、半导体制冷恒流源控制电路、光源温度采集电路、制冷液温度采集电路、风扇与压缩机控制电路、加热装置控制电路；

LED光源恒流源，用于给LED芯片供电；

半导体制冷恒流源，用于给半导体制冷片供电；

继电器，继电器设置在半导体制冷恒流源与半导体制冷片之间，继电器用于切换流经半导体制冷片的电流方向。

在一些实施例中，继电器采用双刀双掷继电器。

本发明的有益效果：

(1)利用半导体制冷片的冷热互换特性以及多种控制电路的协同工作，精确控制LED光源温度，使其发出紫外线的波长和强度稳定。

(2)独立的两极恒温系统，为LED光源提供更稳定的温度控制。

(3)多级半导体制冷片形成高温差，对高集成大功率高效率散热。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中的LED光源组件整体结构示意图。

图2是本发明一个较佳实施例中的LED光源组件侧视结构示意图。

图3是本发明一个较佳实施例中的热管理系统的示意图。

图4是本发明一个较佳实施例中的控制电路系统的示意图。

图5是本发明一个较佳实施例中的半导体制冷片为LED光源组件降温的电路示意图。

图6是本发明一个较佳实施例中的半导体制冷片为LED光源组件加热的电路示意图。

以上各图中的附图标记如下：

101 基板

102 LED芯片

1021 LED芯片供电线

1022 LED芯片供电线

103 热敏电阻

1031 热敏电阻信号线

1032 热敏电阻信号线

104 半导体制冷片

1041 第一接线端

1042 第二接线端

105 液冷散热器

1051 进液管

1052 出液管

201 储液箱

202 液温传感器

203 循环泵

204 过滤器

205 加热装置

206 热交换器

207 制冷压缩机

208 冷凝器

209 风扇

210 节流阀

301 主控制电路板

302 LED光源恒流源

303 半导体制冷恒流源

304 继电器

3041 第一触点

3042 第二触点

3043 第三触点

具体实施方式

除非另作定义，本专利的权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本专利的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“横”、“纵”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

本发明提供的LED光源系统由LED光源组件、热管理系统、控制电路系统组成。LED光源组件整体结构如图1所示，用于将电能转化为光和热。热管理系统如图3所示，其能够对LED光源组件进行加热或冷却。控制电路系统如图4所示，其用于监测并控制LED光源组件与热管理系统的运行。

LED光源组件

LED光源组件主要由基板101、LED芯片102、热敏电阻103、半导体制冷片104以及液冷散热器105组成。半导体制冷片104紧贴在基板101的背面，两者之间涂有导热硅脂填充接触面间隙。液冷散热器105紧贴在半导体制冷片104的背面，它们两者之间也涂有导热硅脂填充接触面间隙。LED芯片102发出的热量传导至基板101，再传导至半导体制冷片104，最后传导至液冷散热器105。

基板101采用铝基板、铜基板或陶瓷基板之中的一种，有利于LED芯片102的温度快速传导至半导体制冷片104。优选地，基板101采用高导铝基板。基板101上附有LED芯片供电线1021、LED芯片供电线1022、热敏电阻信号线1031、热敏电阻信号线1032，如图1所示。

LED芯片102焊接在基板101的正面，多个LED芯片102呈矩阵排布，构成LED光源。LED芯片通过LED芯片供电线1021、1022连接至LED光源恒流源302。LED芯片102优选为3535封装的高功率紫外LED芯片，采用串并联相结合的电气联接方式。紫外LED芯片电光转化率较低，大量电能变为热能；另一方面，紫外LED芯片所发出紫外线的波长和强度受温度的影响极大。光线的波长和强度对于紫外光疗甚为关键，所以必须采用优秀的热管理方案，才能使LED光源的波长和强度稳定。现有的热管理方案都难以达到理想效果，这是本发明要解决的难题。

热敏电阻103焊接在基板101正面中央，焊点统一在基板101一个表面上。热敏电阻103用于采集LED光源中心的温度，热敏电阻103通过信号线1031、信号线1032连接至控制电路板301。可以采用其他感温部件或感温方式代替热敏电阻103，达到足够的测温进度和灵敏度。

半导体制冷片104的第一面紧贴在基板101的背面，其第二面紧贴在液冷散热器105的表面。半导体制冷片是利用半导体材料的珀尔帖效应制成，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。本发明中，半导体制冷片104用于在LED光源与液冷散热器105之间形成高温差，有利于高功率LED光源背面的热量迅速传递至液冷散热器105。

本发明利用半导体制冷片的冷热面会随着输入电压极性变化而变化的特性，即通过切换流经半导体制冷片的电流方向，既可以在高温环境下为基板101与LED光源进行制冷，又可以在低温环境下为基板101与LED光源进行加热。这样无论是在高温还是低温环境下，都能保持LED光源的温度恒定在预设范围内。半导体制冷片104为单级、两级或多级制冷片，优选单级制冷片，其通过导线与控制电路的双刀双掷继电器304输出端连接，如图4所示。

液冷散热器105是中空密封盒状结构，采用导热良好的金属加工而成，有利于快速与半导体制冷片104进行热交换。优选地，采用导热良好的铝合金加工制作液冷散热器105，其外壳一次加工有进液管1051和出液管1052，如图1所示。液冷散热器105内部带有供导热液体流动的流道，进液管1051作为流道的入口，出液管1052作为流道的出口。液冷散热器的进液管1051和出液管1052分别通过软管与热管理系统的出液管和回液管相连接，如图3中所示。

热管理系统

热管理系统包括第一循环管路和第二循环管路，两者通过热交换器206进行热量交换，如图3所示。整个热管理系统可进行冷却或加热，使LED光源组件保持在系统预设定的温度。第一循环管路中设有加热装置205，第一循环管路单独使用时主要起加热作用。第二循环管路中设有制冷装置，搭配第一循环管路起到冷却作用。本发明中，第一循环管路被加热系统和冷却系统共用了，这样不需要设置两套独立的管路，简化了设计，降低了制造与维护成本。

第一循环管路主要由依靠管道依次串联的加热装置205、储液箱201、循环泵203组成。第一循环管路的出液管与液冷散热器105的进液管1051连接，第一循环管路的回液管与液冷散热器105的出液管1052连接。为了防止制冷液中杂质堵塞管道及液冷散热器105，在第一循环管路的适当位置设置过滤装置，如图3中所示的过滤器204。过滤器204用于过滤杂质，需要进行周期性更换，优选PP棉过滤器，过滤效果好且成本低。储液箱201由金属或塑料加工而成，用于储存制冷液。优选地，储液箱由不锈钢金属加工而成，带有输入输出接口和注入口，用于储存可耐低温(-40℃)的制冷液。储液箱201底部有一螺纹开孔，用于安装液温传感器202，实时监测制冷液温度。循环泵203为交流泵或直流泵，为制冷液循环提供动力。循环泵203优选为交流泵，安装在储液箱201下部。加热装置205为内置加热棒的加热管，加热棒的功率最好是100W以上，用于在低温环境下运行时迅速加温。

第二循环管路为典型的制冷机组，主要是由管道依次串联的制冷压缩机207、冷凝器208、节流阀210以及热交换器206组成，风扇209安装在冷凝器208上，如图3所示。热交换器206的一个通路设置在第二循环管路中的制冷压缩机207与节流阀210之间，另一个通路设置在第一循环管路中加热装置205与储液箱201之间，这样第二循环管路与第一循环管路之间依靠热交换器206进行热交换。第二循环管路结合第一循环管路，用于在高温环境下运行时为循环管路中的冷却液降温。

在热管理系统工作时，储液箱201中的制冷液通过循环泵203输送至过滤器204，接着输送至液冷散热器105，再回流至加热装置，然后通过热交换器206，最终流至储液箱201。这个循环系统的制冷液保持在预设的恒定温度，通过液冷散热器105为半导体制冷片104提供恒温环境。

控制电路系统

控制电路系统主要由主控制电路板301、LED光源恒流源302、半导体制冷恒流源303、继电器304等组成，如图4所示。此外，还可包括开关电源(图中未示出)，开关电源包含12V DC、5V DC两路输出，为主控制电路板301供电。其中，12V DC主要用于继电器304控制供电，主控制电路板301上有低压转换电路，将5V DC转换为3.3V DC用于主芯片供电。

主控制电路板301负责整个系统的控制和运算，协调各个部分有序工作。主控制电路板301包含主芯片及其外围电路、LED光源恒流源控制电路、半导体制冷恒流源控制电路、光源温度采集电路、制冷液温度采集电路、风扇与压缩机控制电路、加热装置控制电路。优选地，主控制电路板301的主芯片采用STM32系列单片机。

LED光源恒流源控制电路采用PWM驱动电路，对LED光源恒流源302的输出电流进行控制。半导体制冷恒流源控制电路控制半导体制冷恒流源303的工作。光源温度采集电路与热敏电阻103连通，用于采集LED光源的温度，并进行信号转换，即把温度信号转化为电信号。制冷液温度采集电路与液温传感器202连接，用于采集储液箱201中制冷液温度，并进行信号转换，即把温度信号转化为电信号。风扇与压缩机控制电路用于控制压缩机制冷系统的启停。加热装置控制电路用于控制加热装置205的启停。

LED光源恒流源302用于给LED芯片102供电。LED光源恒流源302选用PWM驱动恒流源，提供0-5A/60V DC范围内的恒定电流及匹配电压，LED光源恒流源302自身带有限流保护功能。

半导体制冷恒流源303用于给半导体制冷片104供电。继电器304的作用非常关键，其被设置在半导体制冷恒流源303与半导体制冷片104之间，用于切换流经半导体制冷片104的电流方向。

继电器304采用双刀双掷继电器。继电器304带有第一触点3041、第二触点3042、第三触点3043。第一触点3041切换为与第二触点3042或第三触点3043导通，以此切换流经半导体制冷片104的电流方向，使其与基板101接触的面进行制冷或者加热。

半导体制冷恒流源303选用PWM驱动恒流源，为半导体制冷片104提供0-6A/30V DC范围内的电流及匹配电压，恒流源自身带有限流保护功能。半导体制冷片的电流不是恒定的，通过采集LED光源的温度信息，经主芯片比较分析后选择匹配电流大小，由半导体制冷恒流源控制电路通过PWM驱动电路输出相应频率信号控制恒流源输出对应电流，供给半导体制冷片104。根据LED光源中心热敏电阻103采样温度的高低，切换半导体制冷片104供电的正负极性。

光源工作流程

主芯片接收开机指令，光源温度采集电路启动热敏电阻103工作，热敏电阻103若侦测到LED光源的温度处于合适范围，LED光源恒流源控制电路控制LED光源恒流源302向LED光源供电，LED芯片发出光线，同时产生热量传导至基板101。此时LED光源和基板101的温度逐渐上升，热敏电阻103若侦测到LED光源温度高于预定温度(例如26℃)，控制电路通过控制双刀双掷继电器304，使第一触点3041切换为与第二触点3042导通，半导体制冷片104的第二接线端1042与半导体制冷恒流源303的正极连接，半导体制冷片104的第一接线端1041与半导体制冷恒流源303的负极连接，半导体制冷片104的正负极性切换至给LED光源制冷模式。

主控制电路板301的半导体制冷恒流源控制电路控制半导体制冷恒流源303给半导体制冷片104供电，使半导体制冷片104与基板101接触的面制冷，吸收基板101的热量，进而给LED光源降温，使其温度回归到使波长和强度稳定的合适范围。热敏电阻103持续侦测温度，采用PWM驱动电路对半导体制冷恒流源303的输出电流进行控制，根据LED光源温度反馈，半导体制冷恒流源303调整输出合适的电流，这样的闭环控制使LED光源的温度稳定。

半导体制冷片104的一面制冷，另一面发热。半导体制冷片104的发热面与液冷散热器105接触，液冷散热器105中的冷却液吸收半导体制冷片104的热量，使其与基板101接触的面能持续制冷。循环泵203被开启后，液冷散热器105中的冷却液在第一循环管路中循环流动带走热量。储液箱201的体积较大，其中的冷却液可以吸收很多热量。

当液温传感器202侦测到储液箱201中的冷却液高于预设温度(例如21℃)时，风扇与压缩机控制电路开启制冷压缩机207和风扇209，进行制冷。第二循环管路通过热交换器206给第一循环管路中的冷却液降温，使其能持续吸收LED芯片102工作时发出的热量。以上是LED光源系统的常规工作状态。

外界气温较低时，LED光源系统初始时处于冷启动工作状态，发出光线的波长会偏移，强度会变化。主芯片接收开机指令，光源温度采集电路启动热敏电阻103工作，热敏电阻103侦测LED光源温度，主芯片采集并分析LED光源温度，LED光源温度较长时间低于预定温度(例如24℃)时，需要先给LED光源加热。半导体制冷恒流源控制电路通过控制双刀双掷继电器304，使第一触点3041切换为与第三触点3043导通，将半导体制冷片104的正负极性切换至给LED光源加热模式，半导体制冷片104的第一接线端1041与半导体制冷恒流源303的正极连接，半导体制冷片104的第二接线端1042与半导体制冷恒流源303的负极连接，如图6所示。半导体制冷片的加热速度很快，其与基板101接触面释放的热量很快传到至LED芯片102，使其温度达到合理范围，发出波长和强度符合要求的光线。

半导体制冷片104虽然发热快，但限于自身功率，发热量是有限的。在寒冷的环境下，当制冷液温度低于预设温度(例如19℃)时，加热装置控制电路启动加热装置205进行加热，依靠冷却液(或者称导热液)将热量经过液冷散热器105，最终传导至LED芯片102。待温度升到合理范围，LED光源正常发光，此时它自身也发热了。若温度过高，继电器304再次切换供电方向，半导体制冷片104从加热转换为制冷，热管理系统也取消加热模式，随后进入制冷模式，此时LED光源系统处于常规工作状态。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)本发明利用半导体制冷片的特性，结合控制电路，实现了LED光源在高低温环境下的温度稳定，从而获得了高低温环境下都能稳定的发光光谱。

(2)本发明通过半导体制冷制热和热管理系统这两级温度稳定机制，为LED光源提供更高的温度稳定性。

(3)本发明中的热管理系统采用加热装置和压缩机制冷，可以适应更宽的工作环境温度。

(4)本发明中的半导体制冷片采用多级制冷片，在LED光源和液冷散热器之间形成更高的温差，有利于LED光源更快散发热量。

(5)本发明可应用于高集成大功率LED光源，能有效提高LED光源使用寿命。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种波长和强度稳定的LED光源系统，其特征在于，包括LED光源组件、液冷散热器、热管理系统与控制电路系统；

所述LED光源组件包括：

基板与LED芯片，所述LED芯片设置在所述基板的正面；以及，

半导体制冷片，所述半导体制冷片的第一面连接在所述基板的背面，所述半导体制冷片被配置为：通过切换流经所述半导体制冷片的电流方向，所述半导体制冷片被用于冷却或者加热所述基板，以使所述基板与所述LED芯片的温度保持在合适范围；

所述液冷散热器内部带有供导热液体流动的流道，所述液冷散热器外壳带有进液管和出液管，所述进液管作为所述流道的入口，所述出液管作为所述流道的出口；

所述热管理系统能够对所述LED光源组件进行加热或冷却，所述热管理系统包括第一循环管路和第二循环管路，所述第一循环管路的两端分别与所述液冷散热器的进液管和出液管连接；

所述第一循环管路包括：加热装置、热交换器、储液箱、循环泵、液温传感器；其中，所述加热装置、所述储液箱、所述循环泵依靠第一连接管道依次串联，所述液温传感器用于监测所述第一循环管路中的液体温度；所述热交换器安装在所述加热装置与所述储液箱之间；

所述第二循环管路包括：制冷压缩机、冷凝器、风扇、节流阀；其中，所述制冷压缩机、所述冷凝器、所述节流阀依靠第二连接管道依次串联；所述风扇安装在所述冷凝器上；

所述第二循环管路与第一循环管路之间依靠所述热交换器换热，所述热交换器位于所述节流阀与所述制冷压缩机之间；

所述控制电路系统监测并控制所述LED光源系统的运行。

2.根据权利要求1所述的一种波长和强度稳定的LED光源系统，其特征在于，所述LED光源组件还包括感温部件，所述感温部件设置在所述基板的正面中间位置。

3.根据权利要求1所述的一种波长和强度稳定的LED光源系统，其特征在于，所述基板采用铝基板、铜基板或陶瓷基板之中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种波长和强度稳定的LED光源系统，其特征在于，所述半导体制冷片为单级、两级或多级制冷片。

5.根据权利要求1所述的一种波长和强度稳定的LED光源系统，其特征在于，所述基板的背面与所述半导体制冷片的第一面之间涂有第一导热硅脂。

6.根据权利要求1所述的一种波长和强度稳定的LED光源系统，其特征在于，所述控制电路系统包括：

主控制电路板，所述主控制电路板包含单片机及其外围电路、LED光源恒流源控制电路、半导体制冷恒流源控制电路、光源温度采集电路、制冷液温度采集电路、风扇与压缩机控制电路、加热装置控制电路；

LED光源恒流源，用于给所述LED芯片供电；

半导体制冷恒流源，用于给所述半导体制冷片供电；

继电器，所述继电器设置在所述半导体制冷恒流源与所述半导体制冷片之间，所述继电器用于切换流经所述半导体制冷片的电流方向。

7.根据权利要求6所述的一种波长和强度稳定的LED光源系统，其特征在于，所述继电器采用双刀双掷继电器。

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