JP2008510283A - Ｌｅｄの動的抵抗を利用したｌｅｄ制御 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＬＥＤ照明器具に関する。ＬＥＤ照明器具は、照明器具を電力源に接続するインタフェースと、照明器具が使用されるタスク用の、適した輝度と色の光を生成するＬＥＤアレイに対して電力を供給し、制御する電力制御セクションと、前記ＬＥＤアレイからの光を拡散させる光拡散器とを備える。本発明はまた、ＬＥＤアレイに対して電力を供給し、制御する新規な電力制御を対象とし、新規な電力制御は、電力制御のモノリシック手法に基づく非スイッチングリニアデザインを備え、それによって、負荷（ＬＥＤアレイ）が、電力制御システムの一部になる。

Description

本発明は、既存の照明を置き換えるのに使用されるＬＥＤ照明器具、特に、家庭用照明器具および商業用照明器具に関する。特に、本発明は、ＬＥＤバルブが、ＬＥＤ照明器具の電力を制御する制御システムの一部であるＬＥＤ照明器具に関する。

家庭用照明および商業用照明で使用される一般的な照明源は白熱電球であり、白熱電球はワイヤ・フィラメントを使用して照明を生成し、ワイヤ・フィラメントは、水銀蒸気またはハロゲン雰囲気を含むこともできる真空内に収容されたフィラメントを通して電流が流れることによって加熱される。こうしたバルブは、頻繁に故障し、大量の熱を生成し、光を生成するのに著しく多くの電気を使用するため、これらの電球に関して、多くの問題が存在する。これらの欠点は、高い保守コスト、室温の上昇、不必要なエネルギー消費をもたらす。

こうした電球の効率を改善する試み、たとえば、標準的な白熱電球ねじ込み式口金取付け器具において利用することができる低電力蛍光電球の使用などが存在した。こうした電球は、実際、少ない電力を使用するが、バルブ内の水銀蒸気雰囲気の問題は、やはり存在し、廃棄時に環境問題を生じる可能性がある。

多くの工業用および商業用エリアにおいて、別の一般的な照明源は、蛍光電球であり、蛍光電球は、バルブ内の水銀蒸気雰囲気を通して電流を流すことによって光を生成する。こうした蛍光電球は、ワイヤ・フィラメントを加熱することによって光を生成する白熱電球より少ない電力を使用すると共に、白熱電球によって生成されるほどの熱量を生成しないという利点を有する。
しかし、こうしたバルブは、頻繁に故障し、高い保守コストをもたらし、バルブ内の水銀蒸気雰囲気が、廃棄時に環境問題を引き起こす可能性があるため、やはり問題を有する。

米国特許６，６０９，８０４に示すように、種々のタイプの白熱電球をＬＥＤバルブと置き換える試みが過去に存在した。しかし、こうしたＬＥＤバルブは、白熱電球に容易に置き換わらないし、また、同じ光出力についてエネルギー効率が著しく高くもない。さらに、蛍光灯照明器具をＬＥＤ光源と置き換える試みが行われたが、最上であるようには見えない。
米国特許６，６０９，８０４

そのため、標準的な家庭用および商業用照明器具に容易に置き換わることができるが、少ない電力を使用し、低い温度で運転され、より長い寿命を有する照明器具についての必要性がやはり存在する。

本発明は、ＬＥＤ照明器具を対象とし、ＬＥＤ照明器具は、照明器具を電力源に接続するインタフェースと、照明器具が使用されるタスク用の、適した輝度と色の光を生成するＬＥＤアレイと、ＬＥＤアレイに対して電力を供給し制御する電力制御セクションと、照明器具が使用されるタスク用の、適した光を生成するために、ＬＥＤアレイからの光を拡散させる光拡散器とを備え、電力制御セクションは、電源をバラスト動作させるために、負荷としてＬＥＤアレイを利用するリニア非スイッチング電源を備える。

本発明はまた、ＬＥＤアレイに対して電力を供給し制御する新規な電力制御を対象とし、新規な電力制御は、電力制御のモノリシック手法に基づく非スイッチングリニアデザインを備え、それによって、負荷（ＬＥＤアレイ）が、電力制御システムの一部になる。

本発明はまた、ＬＥＤの高密度アレイを相互接続するための、電気−熱コアを使用した新規なＬＥＤアレイを対象とし、電気的相互接続と熱の散乱のための熱収集と、適した輝度と色の白色光を生成するＬＥＤアレイを提供する。
本発明の好ましい実施形態は図面に示される。

本発明のＬＥＤ照明器具は、４つの主要なブロック、すなわち、インタフェース、電力／制御セクション、電気−熱コア、ならびにＬＥＤアレイおよび光学部品からなる。インタフェースは、ＬＥＤ照明器具を電力源に接続する。好ましくは、一実施形態では、インタフェースは、ＬＥＤ照明器具が以下で述べる既存の白熱電球照明器具で使用されるバルブであることを可能にする。他の実施形態では、ＬＥＤ照明器具は、従来の蛍光照明器具を置き換える。電力／制御セクションは、ＬＥＤバルブ（ｂｕｌｂ）・アレイに対して電力を供給し制御し、広い範囲の周囲温度下で最適な光出力を確保すると共に、熱の効率的な散乱を可能にして、個々のＬＥＤの寿命を最大にすることができる。電気／熱コア・セクションは、密度の非常に高いＬＥＤアレイの相互接続を可能にする。ＬＥＤアレイ／光学部品は、ＬＥＤからの光についての所望の発光スペクトルおよび分布を提供する。本発明のＬＥＤ証明器具の好ましい実施形態の構造および動作が、ここで述べられるであろう。

家庭用白熱電球用の置き換えとして使用するための本発明のＬＥＤ証明器具の第１の実施形態は、図１〜５に示され、全体が数字１０で示される。ＬＥＤバルブ１０は、標準的なねじ込み式口金取付け器具に嵌合するねじ込み式口金インタフェース１２を備える。ねじ込み式口金１２は、後で述べるように、空気流がバルブ１０を通るようにする開口１６を含む放熱キャップ（thermal cap）１４に固着される。

ねじ込み式口金１２はまた、ＬＥＤバルブ・アレイに電力供給するのに使用される電力／制御電子部品を収容する。ねじ込み式口金１２は、電力／制御回路２０を収容する空洞１８を有するフランジ付き形態である。つや消しアクリル拡散レンズ２２は、ＬＥＤバルブ・アレイ２４を覆い、放熱キャップ１４に取り付けられる。

電気／熱コア・セクション２４は、密度の非常に高いＬＥＤアレイ２６の相互接続を可能にする。コア２４は、電気的相互接続、熱収集、およびＬＥＤ２６用の物理的支持を提供する。アレイ内で発生した熱は、制御された対流空気流によって、放熱キャップ１４を通して散乱する。

図３〜５に示すように、第１の実施形態では、電気−熱コア２４は、セグメント化された構造であり、分割構造は、コアを形成するために積重ねられた一連のディスクからなる。３つのディスク・タイプ、すなわち、回路ディスク２８、金属ディスク３０、および絶縁体ディスク３２が存在する。全てのディスク・タイプは、高い熱コンダクタンスを有するように設計される。ディスクは、ディスク積重ね体（ｓｔａｃｋ）の中心を通ってねじ込まれる保持ロッド３４によって固定される。

ディスクの表面は、熱伝達を最大にするために、ディスク間の熱抵抗を低減するように、機械加工され、合わされる。
回路ディスク２８は、１２個の３０°セグメント３６を有し、１つのセグメント３８は、分割され、回路相互接続点の役をする。これは、各回路ディスク２８が、直列に接続された１２個のＬＥＤバルブ２６を有することを可能にする。４個の回路ディスク２８が、直列に接続されて、４８個のＬＥＤバルブのＬＥＤクラスタが提供される。光出力を増加するために、いくつかのＬＥＤクラスタが、並列に接続される。通常、２〜６個のこうしたクラスタが並列に接続される。光の拡散を改善するために、ＬＥＤクラスタは、交互に配置され、互いに積重ねられない。金属ディスク３０および絶縁ディスク３２は、積重ね体内に適切に設置され、全ての合わせ面上に、放熱化合物（thermal compound）が使用される。積重ね体は、絶縁保持ロッド３４によって一緒にねじ込まれ、放熱キャップ１４に取り付けられる。キャップ１４は、いくつかの機能を果たし、重要な設計要素の１つである。

構築されたコアは、その後、放熱キャップに熱的に、かつ、機械的に固定され、それにより、放熱回路（thermal circuit）が完成する。
ＬＥＤアレイからの光についての発光スペクトルおよび分布は、ＬＥＤのタイプと光路とによるものである。好ましくは、ＣＲＩが８５＋の白色光を生成するのに、２つのタイプの５ｍｍＬＥＤが利用される。

コアは、つや消しされた拡散器によって覆われ、かつ、収容され、つや消しされた拡散器は、光分布および空気流の制御という２つの主要な機能を有する。個々のＬＥＤからの光は、つや消しされた拡散器レンズを使用してまとめられ、散乱させられ、それにより、光が全方向に均等に分布させられる。つや消しされた拡散器レンズの空洞は、放熱キャップに取り付けられると、ベンチュリ管を作る。冷たい空気は、入口に入り、一貫した一様な乱流を作る任意選択の羽根車を通じて流れ、ベンチュリ管を通って、空気流の流量が増加し、それにより、コア温度が低減される。熱い空気は、その後、ベンチュリ管の出口を通ってポート制御され、空気流の経路が終了する。

電力／制御セクション２０は、ＬＥＤバルブ・アレイ２４に対して電力を供給し制御し、広い範囲の周囲温度下で最適な光出力を確保すると共に、ＬＥＤ２６の寿命を最大にすることができる。図６に示すように、電力／制御セクション２０は、リニア電流レギュレーションおよび光学チョークを有するリニアＤＣ電源によって整流およびフィルタリングを提供する。電力／制御セクション２０は、「オプティック・バラスト」と呼ばれる独特の技術を利用する。

従来のＬＥＤ電力コントローラは、ＬＥＤバルブ・アレイに直列に設置された種々のスイッチング回路による。スイッチング・レートおよび継続時間は、有効電力、したがって、発生する熱を制御する。これらの従来の配置構成に対する一部の欠点は、ＲＦＩ／ＥＭＩ−他の電子デバイスとの干渉を引き起こすライン汚染（line contamination）、部品数が多いことに伴う回路の複雑さ、効率および回路寿命を減らすコントローラ回路によって発生するさらなる熱、およびストローブ効果（strobe effect）を含む。

オプティカル・バラスト技術は、電力制御のモノリシック手法に基づく非スイッチングリニアデザインを利用することによって、上記欠点をなくし、それによって、負荷（ＬＥＤアレイ）が、電力制御システムの一部になる。コントローラの外部部分は、低電圧（ＶＬＶ）デザインであり、アレイによって要求される全エネルギーの約２％だけを消費する。アレイについて要求される電力の残りは、アレイに捕捉され、ＬＥＤは、一定範囲の電力によって動作するように強制される。電力範囲が一定であるため、外部コントローラではなく、ＬＥＤの動的抵抗が電力コンローラになる。そのため、アレイについて要求される電力は、アレイを制御するのに必要とされる電力を含み、電力は全て、光を生成するのに使用される。アレイをこうして制御することによって、アレイの効率は、ほぼ１００％である。それは、電力が全て、光を生成し、生成される熱が、光を生成する結果であり、制御回路において発生しないからである。結果として、アレイを制御するのに必要とされる電力は、全光出力の一部分であることになる。したがって、用語「オプティック・バラスト」の状態となる。電力／制御セクションの好ましい実施形態のさらなる詳細が以下に述べられる。

４個のＬＥＤクラスタまたは１９２個のＬＥＤを含む、図１〜６に示す白熱電球（ｂｕｌｂ）用のプロトタイプの置き換えが、６０ワット白熱電球と等価の光を生成し、一方、約２０ワットすなわち６０ワット白熱電球の１／３の電力を消費し、約６６％の電力節約をもたらすことがわかった。バルブの動作温度は、摂氏５１．７°（華氏１２５°）であり、６０ワット電球より３５°低かった。ＬＥＤバルブの予想平均寿命は、連続使用において２０年＋である。

先に述べた第１の好ましい実施形態では、ＬＥＤバルブ１０は、既存の白熱電球を置き換えるように設計される。インタフェースを変更することにより、バルブは、他のタイプの照明器具において、ならびに、他の用途に使用されてもよい。

たとえば、上述した本発明のＬＥＤバルブは、蛍光灯などの他のタイプの光源を置き換えるのに使用されてもよい。既存の蛍光照明器具に類似のレイ・イン・パネル（ｌａｙ ｉｎ ｐａｎｅｌ）は、ねじ込み式口金用のいくつかのレセプタクルを備えてもよい。一般に、４〜８個のいずれかのこうしたレセプタクルは、所望の光出力に応じて設けられる。レセプタクルは、電源からの電気ワイヤへ接続するために、ジャンクション・ボックスに配線される。

あるいは、図７に示すように、既存の蛍光レイ・イン・パネルを置き換えるために、置き換えレイ・イン・パネル５０が設けられてもよい。パネル５０は、ＬＥＤバルブ５４を含む凹所５２を備える。インタフェースは、従来の方法で配線に対する直接接続を可能にするジャンクション・ボックス５６である。電力／制御回路は、ジャンクション・ボックス５６内に含まれ、電力／制御セクションの出力ワイヤ５８は、ＬＥＤアレイ用のコネクタにつながってもよい。つや消しされた拡散器パネル６０が、設けられて、ＬＥＤアレイからの光が、まとめられ、散乱させられ、それにより、光が全方向に均等に分布させられる。

本発明のＬＥＤバルブ６８の第２の実施形態は、典型的なコブラ・ヘッド街路灯ヘッド７０内で街路灯として使用するために、図８に示される。電球６８は、灯器ヘッド（ｌｉｇｈｔ ｈｅａｄ）７０に電球６８を接続することを可能にするねじ込み式口金インタフェース７２を備える。第１の実施形態と同様に、電力／制御セクション７４は、ねじ込み式口金７２内に含まれる。電気／熱コアおよびＬＥＤアレイは、コブラ・ヘッドの一番上に搭載され、ねじ込み式口金７２内で、電力／制御セクション７４にワイヤ７５によって接続される。電気／熱コア７６は、第１の実施形態と同様に配列された密度の高いＬＥＤアレイ７８を含む。ＬＥＤ７８は、各クラスタ内の４８個のＬＥＤの８個のクラスタで配列される。コアは、第１の実施形態と同様に、回路ディスク、金属ディスク、および絶縁体ディスクで構築される。コブラ・ヘッド７０が、拡散器カバー８０を備えるため、ＬＥＤバルブ６８用の別個の拡散器は必要とされない。

蛍光照明器具の置き換えで使用するための、本発明のＬＥＤ照明器具の第３の実施形態は、図９〜１４に示され、全体が参照数字１１０で示される。図に示すＬＥＤ照明器具１１０は、天井１１２から懸垂保持されるようになっている。図に示すような搭載ブラケット１１４は、電気アウトレット・ボックス１１６を通じて天井１１２に取り付けられる。ＬＥＤ照明器具１１０は、適した懸垂保持ガイ・ワイヤ１１８によってブラケット１１４から懸垂保持され、ワイヤ１２０によって電気ボックス１１６に接続される。ワイヤ１２０は、次に、ＬＥＤアレイ・アセンブリ１２４に対して電力を供給し制御する電力制御回路を含む制御ボックス１２２に接続される。その詳細は、以下でさらに述べられるであろう。ＬＥＤアレイ１２４からの光は、拡散器システム１２６を通過して、照明器具からの、均等で、かつ、一様な光出力が実現される。

この実施形態の光コンポーネントの詳細は、図１２〜１４に詳細に示される。図示する実施形態は、チップ・ベースＬＥＤアレイ１２８を利用する。これらのチップは、各チップ当たり約４２個のＬＥＤを備え、図に示す光は、一面当たり１４個のチップを利用する。ＬＥＤ灯アレイは、ＬＥＤ１２８の２つの平行列を利用し、各列は、制御セクションによって独立に給電され、制御される。ＬＥＤチップ１２８は、ＬＥＤ１２８によって発生する熱が、大気内に散乱することを可能にする熱コア・ヒート・シンク１３０上に搭載される。図示する実施形態で利用されるヒート・シンク１３０のバージョンは、ＬＥＤチップ１２８が取り付けられた先の金属管１３０である。中空金属管１３０は、金属管１３０の上部および側面に沿って開口１３２を備えて、熱散乱を補助するように、空気流が管１３０を流れることが可能になる。ＬＥＤチップ１２８が搭載先の管１３０の外側の、管１３４のさらなる対は、他の光学コンポーネントの取付けを可能にするために設けられる。これらの管１３４はまた、穴１３６を備え、穴１３６は、ヒート・シンク１３０の管内の穴１３２と整列して、図１４で詳細に示すように、適切な空気流を可能にする。

図９〜１４に示す照明器具１１０では、ＬＥＤ１２８からの光は、下方に送られて、プリズム１３８に入り、プリズム１３８は、光を拡散器システム１２６に入るように反射する。図示する実施形態では、拡散器システム１２６は、導波路であり、導波路は、導波路の全表面に沿って、ＬＥＤ１２８からの光の拡散を可能にする。プリズム１３８は、搭載管１４０によって所定場所に保持され、全体アセンブリは、クロス・ブリッジ１４２によって接続される。図示する実施形態では、クロス・ブリッジ１４２は、照明器具に対して美学的に好ましい外観を提供するために、プリズムの長さを持つ。全体アセンブリは、ボルト１４４を使用して一緒にボルト止めされる。

本発明のＬＥＤ照明器具の第４の実施形態は、図１５に示され、全体が参照数字２００で示される。この照明器具は、ハウジング２１４内に搭載されたＬＥＤアレイ２１２を備える。拡散器２１６は、ハウジング２１４に取り付け、ハウジング２１４内にコンポーネントを保持するために設けられる。ＬＥＤアレイ２１２を拡散器２１６から離間させるために、スペーサ・ストリップ２１８が設けられ、スペーサ・ストリップ２１８は、ＬＥＤアレイ２１２の冷却用の空気流を可能にする。ＬＥＤは、ワイヤ２２２によって電源に接続された電力／制御コンポーネント２２０によって電力供給される。図１５に示す本発明の実施形態は、ストリップ照明または単一蛍光管を有する照明器具の置き換えに特に役立つ。

本発明のＬＥＤ照明器具のこの実施形態は、温室および他のこうした用途で使用するための栽培バルブ（grow bulb）について特に有用である。これらの栽培バルブは、通常、４００〜５２５ｎｍ、６１０〜７２０ｎｍの波長範囲内の光である光合成有効放射（ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｃｔｉｖｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）（ＰＡＲ）を提供する。これらの波長は、所望の波長で光を放出する、適した赤および青ＬＥＤを利用することによって、本発明の照明器具で複製することができる。

本発明のＬＥＤ照明器具の第５の実施形態は、図１６に示される。この実施形態は、典型的なコブラ・ヘッド街路灯ヘッド２５０内で街路灯として使用するためのものである。コブラ・ヘッドは、制御回路２５２およびコブラ・ヘッド内に搭載するためのＬＥＤ灯アレイ２５４を備える。拡散器パネル２５６は、ＬＥＤアレイによって発生した光を拡散するために設けられる。

白熱電球を置き換えるときに使用するための、本発明による照明器具の第６の実施形態は、図１７および図１８に示され、全体が参照数字３１０で示される。ＬＥＤバルブ３１０は、標準的なねじ込み式口金取付け器具に嵌合するねじ込み式口金インタフェース３１２を備える。灯器バルブ３１０は、ＬＥＤ灯アレイ３１４および電力制御セクションを通して電源に接続されたヒート・シンク３１６を備える。ＬＥＤ灯アレイ３１４およびヒート・シンク３１６は、ねじ込み式口金取付け器具３１２の空洞内に含まれる。ＬＥＤ灯アレイ３１４の上には、光学拡散器３２０がかぶさり、光学拡散器３２０は、光の他の部分を横にそらしながら、ＬＥＤ灯アレイ３１４からの光の一部が、光学拡散器３２０を真っ直ぐに通過することを可能にして、照明器具３１０によって照明される空間の全体的に良好な照明を実現する。

白熱電球を置き換えるときに使用するための、本発明による照明器具のこの実施形態の変形は、図１９に示され、全体が参照数字４１０で示される。ＬＥＤバルブ４１０は、標準的なねじ込み式口金取付け器具に嵌合するねじ込み式口金インタフェース４１２を備える。バルブ４１０は、制御回路を含む回路板４１８に取り付けられた、複数の個々のＬＥＤ４１６からなるＬＥＤ灯アレイ４１４を備える。セラミック挿入物４１８は、ＬＥＤアレイ用のヒート・シンクの役目を果たすために設けられる。ＬＥＤ灯アレイの上には、円筒導波路レンズ・ハウジング４２０がかぶさり、円筒導波路レンズ・ハウジング４２０は、光の他の部分を横にそらしながら、ＬＥＤ灯アレイ３１４からの光の一部が、円筒導波路レンズ・ハウジング４２０を真っ直ぐに通過することを可能にして、照明器具４１０によって照明される空間の全体的に良好な照明を実現する。

蛍光照明器具の置き換えで使用するための、本発明のＬＥＤ照明器具の第７の実施形態は、図２０〜２３に示され、全体が参照数字５１０で示される。図に示すＬＥＤ照明器具５１０は、天井から懸垂保持されるようになっている。搭載ブラケットは、電気アウトレット・ボックスを通じて天井に取り付けられる。照明器具５１０は、適した懸垂保持ガイ・ワイヤ５１２の使用によってブラケットから懸垂保持され、ワイヤ５１４によって電気ボックスに接続される。ワイヤ５１４は、次に、ＬＥＤアレイ・アセンブリ５１６に対して電力を供給する電源に接続される。その詳細は、以下でさらに述べられるであろう。ＬＥＤアレイ５１６からの光は、拡散器システム５１８を通過して、照明器具５１０からの、均等で、かつ、一様な光出力が実現される。

この実施形態の光コンポーネントの詳細は、図２１および図２２に示される。図示する実施形態は、チップ・ベースＬＥＤアレイ５２０を利用する。これらのチップ５２０は、各チップ当たり約４２個のＬＥＤを備え、図に示す光は、一面当たり１４個のチップを利用する。ＬＥＤ灯アレイは、ＬＥＤチップ５２０の２つの平行列を利用し、各列は、電源によって独立に給電され、制御コントローラによって制御される。ＬＥＤチップ５２０は、ＬＥＤチップ５２０によって発生する熱が、大気内に散乱することを可能にする熱コア・ヒート・シンク５２２上に搭載される。図示する実施形態で利用されるヒート・シンク５２２のバージョンは、ＬＥＤチップ５２０が取り付けられた先の金属管５２２である。中空金属管５２２は、金属管５２２の上部および側面に沿って開口５２４を備えて、熱散乱を補助するように、空気流が管５２２を流れることが可能になる。管５２２は、光拡散器アセンブリ５２８が取り付けられる先のケーシング５２６内に含まれる。ケーシング５２６は、穴５３０のラビリンス配置構成を備え、それによって、図２１で詳細に示すように、埃の侵入を最小にしながら、適切な空気流を可能にする。

図２０〜２３に示す照明器具５１０では、ＬＥＤアレイ５２０からの光は、光を拡散器システム５１８に入るように下方に送られる。図示する実施形態では、拡散器システム５１８は、複合導波路であり、複合導波路は、導波路の全表面に沿って、ＬＥＤアレイ５２０からの光の拡散を可能にする。複合導波路は、２つのタイプの個々の要素５３４および５３６からなり、要素５３４および５３６は、交互に積重ねられて、導波路光拡散器５１８が形成される。

要素５３４は、全体が半円形状５３８を有し、翼部５４０が、要素５３４の一番上で両側に延びる。翼部５４０は、個々の要素が、Ｕチャネル５４２内で保持されることを可能にし、Ｕチャネル５４２は、次に、ケーシング５２６に接続される。要素５３４は、半円形状５３８の露出した表面５４４に沿ってＬＥＤアレイ５２０からの光が全体的に拡散することを可能にする。要素５３４の上部表面５４６は、ＬＥＤアレイ５２０からの光が、要素５３４の内部に入ることを可能にする。

要素５３６は、半円形状５４８であり、三角形切り欠き部５５０は、半円形状５４８の底部から上に延び、翼部５４０は、要素５３６の一番上で要素の両側に延びて、Ｕチャネル５４２内で保持される。三角形切り欠き部５５０の角度は、要素５３６内で、ＬＥＤアレイ５２０からの光の全内部反射を可能にするように選択される。全内部反射は、光作用を提供するように、要素５３６の露出表面で光が観測されることを可能にする。

要素５３４および５３６は、外側に延びる半円端部部品５４０によってＵチャネル５４２内で保持され、さらなる光投射を行うために、光透過性がある。

上述したように、本発明のＬＥＤ照明器具は、制御システムにおいてＬＥＤアレイをバラストとして利用する。好ましくは、制御システムは、アクティブ・ブートストラップ回路であり、ＬＥＤアレイの動的抵抗が、ブートストラップとして使用される。こうして、ＬＥＤアレイは、アクティブ・ブートストラップ回路と組み合わせて、ＬＥＤアレイによって使用される電力を制御し、広い範囲の周囲温度下で最適な光出力を確保すると共に、ＬＥＤの寿命を最大にする。好ましい実施形態のアクティブ・ブートストラップ回路のブロック図は、図２４に示される。好ましくは、本発明のＬＥＤ照明器具は、北米では一般的であるように、１２０ボルトＡＣなどの標準的な家庭用電源に接続されるが、他の電源も使用可能である。電源を利用して、１２０ボルトＡＣが、照明器具で利用されるＬＥＤアレイのサイズについて、所望のレベルのＤＣ電圧に変換される。電源の出力は、ＬＥＤアレイに直接送られる。ＬＥＤアレイは、電圧からアクティブ・ブートストラップ回路によって使用される小さなブートストラップ電圧を引いた電圧全てを降下させるように構成される。そのため、１６８ＤＣボルトのリニア出力および５ＤＣボルトを使用するブートストラップ回路の場合、ＬＥＤアレイは、１６３ＤＣボルトを使用するように設計される。こうして、ほとんどの電力が、ＬＥＤアレイによって使用される。

ＬＥＤアレイは熱的にマッピングされ、動的抵抗範囲が得られる。ブートストラップ回路は、ＬＥＤアレイに接続され、ＬＥＤアレイの下側からブートストラップ電圧を得る。ＬＥＤアレイの動的抵抗は、回路によってブートストラップ源として使用される。ブートストラップ回路は、非常に低い内部電力要件を有し、電力の９８％以上が、光を生成するために、ＬＥＤアレイによって使用される。

アクティブ・ブートストラップ回路は、ブートストラップ電圧を調節する電圧レギュレータＶｒｅｇを含み、ブートストラップ電圧は、Ｖｒｅｆに提供され、電流レギュレータＩｒｅｇに対して、プログラムされた所定の一定レベルの基準電圧を設定するのに使用される。所定の電圧は、ＬＥＤアレイの電力範囲および範囲窓サイズに基づいて選択される。所定の電圧は、好ましくは、ＬＥＤアレイの電力範囲の中心になるように選択される。

ブートストラップ回路はまた、ＬＥＤアレイから、効率が最大の光出力を実現するために、ＬＥＤアレイに流れる電流を調節する電流レギュレータを含む。アレイ内の電流は、Ｉｓｅｎｓによって検知され、Ｉｓｅｎｓは、電流レギュレータＩｒｅｇに対する制御信号出力を提供するようにプログラムされる。Ｉｓｅｎｓの出力は、ＬＥＤアレイの電力範囲を参照してプログラムされ、アレイの安全動作範囲の中心に設定される。ブートストラップ範囲は、非常に狭く、はっきりとは検出できない光出力の非常に小さな変化を反映するだけであり、ＬＥＤアレイによって消費される電力の９８％以上が、光を生成するために使用されることが確実になる。

Ｉｓｅｎｓからの検知された電流信号は、Ｖｒｅｆからの所定の基準電圧と共に、電流レギュレータＩｒｅｇに送られて、電流、したがって、ＬＥＤアレイの電力が制御される。アレイの抵抗の変化の結果として、または、電源電圧の雑音によって、Ｉｓｅｎｓからの検知された電流が所望の値からドリフトする場合、Ｉｒｅｇは、アレイ内に流れる電流を能動的に調整して、検知された値を補償し、検知された値を所望レベルに戻す。調整のための応答時間は、瞬時であり、したがって、電力コントローラは、ＬＥＤアレイの電力レベルの任意の変動を即座に相殺することができる。これは、電源またはアレイ内で発生する雑音が、即座に相殺されるため、さらに高い電力効率およびフリッカの無い光出力をもたらす。検知された電流および基準電圧のこれらのフィードバック・ループを利用することによって、ＬＥＤアレイの動的抵抗の変化は、能動的に、検出され、調整され、最適化されて、最高の電力効率および光出力が得られる。そのため、本発明の回路は、周囲温度の上昇か、ＬＥＤアレイによって発生する熱のいずれかによる温度上昇に伴って、ＬＥＤの電気的特性が変化するにつれて、ＬＥＤアレイが熱暴走する従来技術の問題を克服する。

本発明は、照明器具が使用されるタスク用の、適した輝度と色の光を生成することができるＬＥＤ照明器具を実現する。たとえば、第３の実施形態によるＬＥＤ照明器具は、適切なＬＥＤを選択することによって、４０ワット蛍光照明器具の照明と等価の照明を生成することになり、一方で、大幅に少ない電力を利用し、一方で、ＬＥＤの平均寿命が連続使用状態で２０プラス年であるため、交換と交換との間の寿命を延ばすことが実現される。第６の実施形態の照明器具は、地下鉄の、あるセクションが電力供給されていることを指示するために、ならびに、軌道に沿う列車の移動を制御するためのブロック制御のため、したがって、軌道の、あるセクションが電力供給されているかどうかを指示するために、地下鉄で使用されるような、特に、インジケータ・システム内で、典型的な白熱バルブの置き換えに利用することができる。インジケータ・バルブは、一般に、青であり、一方、列車制御照明の場合、典型的な、赤色灯、黄色灯、および緑色灯は、適切なＬＥＤの選択によって利用され、これらのインジケータ灯は、容易に置き換えられる。第６の実施形態のデザインによって、５ワットを引き出すＬＥＤが、６０ワット電球と同じ光出力を生成し、一方で、９０％の電気的節約を達成すると共に、バルブが、典型的な白熱バルブほどの頻度で交換される必要がないため、保守コストを大幅に低減することがわかった。この実施形態の灯器はまた、リセッタブル・ヒューズと共に利用されてもよく、ＬＥＤの一部が、焼損する場合などに、ヒューズは、開き、その後、数秒後に閉じ、したがって、点滅するバルブが、不良ＬＥＤ、および、バルブが交換を必要とすることを指示する。

本発明の種々の好ましい実施形態が、詳細に述べられたが、本発明の精神から逸脱することなく、好ましい実施形態に対して変形形態を作ってもよいことが、当業者によって理解されるであろう。

本発明によるＬＥＤバルブの第１の実施形態の斜視図である。 図１の灯器バルブの底面の斜視図である。 図１のＬＥＤバルブの断面の側面図である。 図１のＬＥＤバルブの電気−熱コアの分解斜視図である。 図１のＬＥＤバルブの電気−熱コアの平面図である。 図１のＬＥＤバルブの回路図である。 天井パネル照明器具内の、図１のＬＥＤバルブの実施形態の斜視図である。 街路ランプ照明器具内の、本発明のＬＥＤ灯バルブの第２の実施形態の部分断面の側面図である。 本発明によるＬＥＤ照明器具の第３の実施形態の斜視図である。 図９のＬＥＤ照明器具の上部の斜視図である。 図９の照明器具の側面図である。 図９のＬＥＤ照明器具の断面の斜視図である。 図９のＬＥＤ照明器具の断面図である。 光経路および冷却空気用経路を示す、図９のＬＥＤ照明器具の半分の断面図である。 本発明のＬＥＤ照明器具の第４の実施形態の分解斜視図である。 本発明の照明器具の第５の実施形態の分解斜視図である。 本発明の照明器具の第６の実施形態の分解斜視図である。 図１６の照明器具の断面の側面図である。 図１６の照明器具の変形の断面の側面図である。 本発明の照明器具の第７の実施形態の部分断面の斜視図である。 図１９の照明器具の断面の側面図である。 図１９の照明器具の断面の端面図である。 図１９の照明器具の光拡散器の分解斜視図である。 本発明の電力制御セクションの好ましい実施形態の回路図である。

Claims (15)

1. ＬＥＤ照明器具であって、照明器具を電力源に接続し、照明器具が使用されるタスク用の、適した輝度と色の光を生成するＬＥＤアレイに電力を提供するインタフェースと、前記ＬＥＤアレイ内の電力を制御する電力制御セクションと、照明器具が使用されるタスク用の、適した光を生成するために、前記ＬＥＤアレイからの光を拡散させる光拡散器とを備え、前記電力制御セクションは、前記制御セクションのアクティブ・コンポーネントとして前記ＬＥＤアレイの動的抵抗を利用するＬＥＤ照明器具。
2. 前記光拡散器は、前記ＬＥＤアレイからの光の拡散を可能にする光導波路を備える請求項１に記載のＬＥＤ照明器具。
3. 前記ＬＥＤアレイが、前記ＬＥＤアレイの出熱の熱収集および散乱のために熱的に接続する熱コアを含む請求項２に記載のＬＥＤ照明器具。
4. 前記ＬＥＤアレイは、ＣＲＩが８５＋の白色光を提供するＬＥＤバルブを混載したものを備える請求項３に記載のＬＥＤ照明器具。
5. 前記インタフェースは、照明器具が、標準的な白熱電球に置き換わることを可能にするねじ込み式口金である請求項４に記載のＬＥＤ照明器具。
6. 前記熱コアは、前記ＬＥＤアレイの出熱についての必要とされる散乱を可能にする大きさに作られたセラミック・ディスクを備える請求項５に記載のＬＥＤ照明器具。
7. 前記光拡散器導波路は、全体が円筒の外部表面および全体が円錐の内部表面を有し、前記円錐内部表面の頂部が前記ＬＥＤアレイに隣接する請求項６に記載のＬＥＤ照明器具。
8. 前記ＬＥＤアレイは、前記セラミック熱コアの表面上に配列された複数のＬＥＤバルブを備える請求項７に記載のＬＥＤ照明器具。
9. 前記ＬＥＤアレイは、標準的な蛍光照明器具に似せるために、細長い長方形パターンで配列した複数のＬＥＤバルブを備える請求項４に記載のＬＥＤ照明器具。
10. 前記光拡散器導波路は、光を全体が垂直横方向に反射するために、前記ＬＥＤアレイに隣接した細長いプリズムを含む請求項９に記載のＬＥＤ照明器具。
11. 前記光拡散器導波路は、全体が三角形断面部を有する拡散器パネルをさらに含み、前記全体が三角形断面部のベースは、前記細長いプリズムに光学的に結合する請求項１０に記載のＬＥＤ照明器具。
12. 前記電力制御セクションは、前記ＬＥＤアレイ内の電流を検知し、電流調節器手段に前記検知された電流を提供する手段を備えるアクティブ・ブートストラップ回路を備えて、前記アクティブ・ブートストラップ回路のブートストラップ部として、前記ＬＥＤアレイの動的抵抗を利用することによって、前記ＬＥＤアレイ内の電流を調整して、電流が所定範囲内に維持される請求項１に記載のＬＥＤ照明器具。
13. 前記ブートストラップ回路は、所定の一定基準電圧を前記電流調節器手段に提供する手段を含む請求項１２に記載のＬＥＤ照明器具。
14. 照明器具を電力源に接続する前記インタフェースは、ＡＣ源および前記ＬＥＤアレイの高圧側に直接にＤＣを供給するリニア非スイッチング電源に接続する手段を含む請求項１３に記載のＬＥＤ照明器具。
15. 前記アクティブ・ブートストラップ回路は、前記ＬＥＤアレイの低圧側に接続される請求項１４に記載のＬＥＤ照明器具。

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