JP6710315B2 - Led照明 - Google Patents
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- H05B45/56—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits involving measures to prevent abnormal temperature of the LEDs
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- F21V5/007—Array of lenses or refractors for a cluster of light sources, e.g. for arrangement of multiple light sources in one plane
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F21V7/00—Reflectors for light sources
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description
本出願は、2015年11月25日にFrank Shumによって出願された米国特許出願第14/952,079号「LED照明」の利益を主張しており、この出願の一部継続出願である。この出願は、2015年3月31日にFrank Shumによって出願された、米国仮特許出願第62/141,010号「LED照明」の利益を主張するものである。
本開示で言及されているLEDは非常に一般的な特徴を有するように意図されている。このLEDは、少なくとも1つの発光半導体ダイを具え、選択的に、蛍光体または一体型光学部品もしくは外部光学部品でパッケージされているか、またはPCB上に装着されている。
一次光学系は、少なくとも一のLEDからの光の少なくとも一部を第1の光分布に方向変換させる。この光学系の種類は非常に一般的であることを意図しており、反射または屈折またはそれらの組み合わせなどの機構を介して光を方向転換させることができる。反射または屈折素子は、凸レンズ、凹レンズ、空気複合放物面型反射体(空気CPC)、誘電複合放物面型反射体(誘電CPC)、フレネルレンズ、全内部反射レンズ(TIR)、屈折率分布型レンズ、回折レンズ、マイクロレンズ、マイクロ構造体、回折光学素子、セグメントレンズ、RXIレンズ、光ガイドまたは光ガイドテーパまたはそれらの組み合わせを具える。一次光学系は、単一の光学素子または光学素子アレイからなる。
ここで、角θとhにおけるカンデラ強度分布I(θ)は、照明器具から照度を計算する平面への高さに等しい。この平面は、例えば、作業面または床であってもよい。照度の一単位は、1 平方メートルあたりのルーメン(1/m2)またはルクスである。
からの照度E(θ)は、(cosθ)3で、急速に減少することに留意されたい。より均一な照度E(θ)を得るには、θと共に値を増加させて光強度分布I(θ)を少なくとも部分的に補償し、(cosθ)3と共に減少を相殺する必要がある。いくつかの実施形態では、このI(θ)の補償は、中心軸から15−45°の軸外領域へ離れてゆく光強度分布I(θ)のピークとして現れる。様々な実施形態において、光強度は、中心から、中心からの相対横方向距離0.7までの変動が、中心照度の少なくとも40%であるような相対照度プロファイルとなる。相対横方向距離は、高さhで割った中心軸602から横方向の距離Dとして定義され、ここで、横方向の距離はD=h・tanθであり、高さhは、LEDシステムの高さhである。このように、相対横方向距離は、単に、tanθである。
a.光強度分布I(θ)のピークは中心軸ではなく、中心から15−40°の領域にある。
b.光強度I(θ)は、中心から相対横方向距離0.7(tanθ = 0.7)までの変動が、中心照度の少なくとも40%であるような相対照度プロファイルになる。
c.下半球の全光の少なくとも85%が有効領域にある。
d.グレアゾーンに入るのは光の20%以下である。
e.グレアゾーン604内の最大カンデラは、中心軸602カンデラの15%以下である。
f.全光の少なくとも70%が有用領域603にあり、少なくとも7.5%の光がアップライト領域にある。
g.少なくとも5%の光がアップライト領域にある。
a.光強度分布I(θ)のピークが中心軸ではなく、中心から15°−45°の領域にある。
b.光強度分布I(θ)は、中心から相対横方向距離0.7までの照度の変動が中心照度の少なくとも40%であるような相対照度プロファイルをもたらす。
c.下半球内の全光の少なくとも85%が有用領域603内にある。
d.グレアゾーン604内の光が20%以下である。
e.グレアゾーン604内の最大相対強度が、中心強度の15%以下である。
ヒートシンクは、例えば、ダイキャスト、押出し成形、スカイビング、折り畳みフィン、およびシートメタル などの当技術分野において周知の複数のプロセスによって製造することができる。ヒートシンク材料には、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金または熱伝導性プラスチックがある。このような熱伝導性プラスチックは、1W/M−Kより大きい熱伝導率を有する射出成形のようなプロセスで製造することができる。このような熱伝導性プラスチック材料を提供している会社の一つはCelanese Corporationである。一般に、ヒートシンクは、共通の基部に取り付けられたピンまたはフィンなどの構造を構成する表面積の大きな細長い構造の領域で構築されている。この大きな表面積は、ヒートシンクから空中へ熱を放散させるために使用される。これらの細長い構造は、一般に共通の基部に取り付けることによって互いに機械的に保持される。本開示のいくつかの実施形態では、基部が実質的に平面であり、LEDおよび/または光学部品を取り付ける機械的構造体として機能する。
a.ヒートシンクベース、光学部品、およびPCBの開放領域は、外周領域の少なくとも25%である。
b.改善された空気流は、このような開口705、707、712及び713が覆われていた場合よりも少なくとも5%、10%または20%熱抵抗を減少させる。
c.改善された空気流は、このような開口部が塞がれている場合よりもヒートシンクの平均温度を少なくとも5℃低減する。
d.改善された空気流は、このような開口部が塞がれている場合よりもヒートシンクの最大温度を少なくとも5℃低減する。
e.空気は、光学システムの前面からヒートシンクベースを通って細長い構造体へと実質的に垂直な流路を流れ、細長い構造体の上に直接出てゆく。
二次光学系又は光学アクセサリが一次光学系の前に配置されており、第一の光分布の少なくとも一部を第2の光分布全体に方向変換させる。いくつかの実施形態では、第1の光分布が光学アクセサリによって変更されて、二次光分布全体が:より広い、非対称、アップライトを提供、ルーバーの使用などのグレアの低減、光の拡散、通路の照明に適する、の一又はそれ以上となっている。
LEDシステムは、例えば、オフラインAC電圧源から直接、または安定器からといった、少なくとも2種類の電源から電力を供給することができる。
a.システムに故障や変動があってもLED電流を所定のレベルに維持できる。これには、間違った安定器を使用してLED電子ドライバに電力を供給する場合も含まれる。
b.温度を加えることで、スイッチを使用してLED電流を減らして所定の温度を維持することができる。これは、たとえば、異常状態でシステム温度が異常に上昇した場合などに特に重要である。
c.スイッチでLED出力の調光用の電流を減らすことができる。
d.LED電圧が最小必要値を上回っている限り、スイッチによりLED電圧のより厳格でない仕様が可能になる。
スキーム1910は、等価整流オフライン電圧源1701またはVSを示す。整流ブリッジ電圧VBは、スキーム1910と周期性が同じであるが、安定器からの歪みにより、異なる非正弦波形状となることがある。それでも、ブリッジ電圧VBを使用して、固定位相オフセットであるオフライン電圧VSの周期性を感知することができる。スキーム1920乃至1970は、整流電圧1910の位相についてのタイミングでスイッチ1910を制御して、安定器への入力におけるPFおよび/またはTHDを改善するという利点をもってLED電流を調整することができるスキームを示す。
a.両方のタイプの電源に対して許容できるPFと低いTHDを達成する。許容できるPFは、例えば、>0.7、>0.8または>0.9である。許容できるTHDは、例えば、<50%、<32%、<20%である。
b.高電圧パルスを発射できる点火装置を具える安定器からの損傷を防ぐ。
c.上記の#1または#2を達成するための制御スキームの種類をハードウェアまたはソフトウェアの両方で設定する電源の種類を感知する。
a.安定器1702など、安定器から作動するときに、点火器からのパルスを吸収するのに十分な静電容量と定格電圧でのサイジング。
b.電圧Vsを電流レギュレータ2012へ平滑化するのに十分なキャパシタンスでのサイジング。
c.オフラインAC電圧源1701から直接作動するときのPFおよびTHD操作の改善。
LEDシステムの一の実施形態では、LEDシステムの正面中央部に電子アクセサリが配置されている。電子アクセサリの最適な配置場所は以下の通りである。
Claims (20)
- ほぼ垂直方向に強化した対流通過流があるLEDベースの照明システムにおいて:
第1の複数のLED光源と、第2の複数のLED光源とを具え、前記第1の複数のLED光源と第2の複数のLED光源が、光軸に沿って遠位側を照明するように構成されている、光発生モジュールと;
第1の外周によって画定される第1の領域であって、第1の多角形を形成しており、前記第1の複数のLED光源の各々が前記第1の多角形の頂点を画定する、第1の領域と;
第2の外周によって画定される第2の領域であって、第2の多角形を形成しており、前記第2の複数のLED光源の各々が前記第2の多角形の頂点を画定する、第2の領域と;
前記第1の領域によって囲まれ、前記第2の領域の外側にある、第3の領域と;
前記第1の複数のLED光源と光学的に整列するように構成された第1の複数の光学素子と、前記第2の複数のLED光源と光学的に整列するように構成された第2の複数の光学素子と;
を具え、
前記光発生モジュールの前記第1の複数のLED光源及び前記第2の複数のLED光源の各々が:
前記第1の複数のLED光源と実質的に熱的に連通する少なくとも一の熱伝達部材と、前記第2の複数のLED光源と実質的に熱的に連通する少なくとも一の熱伝達部材と、を具え、前熱伝達部材が前記光学軸にほぼ平行な熱伝導軸に沿って近位方向に延びる熱伝導経路を具え、動作中に、前記熱伝達部材が、LED光源によって発生された熱を実質的に近位側に伝達し;
前記第3の領域に少なくとも一の開口部が画定されており、当該少なくとも一の開口部の各々が、前記開口部を通り光軸にほぼ平行な軸方向流体連通路を提供して、前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向の流体連通路の各々が近位方向に延びて周囲大気に排気する;
ことを特徴とするLEDベースの照明システム。 - 前記第3の領域に画定された前記少なくとも一の開口が、前記第3の領域の面積の少なくとも25%を包含することを特徴とする、請求項1に記載のLEDベースの照明システム。
- 前記一又はそれ以上の熱伝達部材が、更に、前記第1の外周から、実質的に共通の中心点の半径方向に延びる第1の複数のフィン及び第2の複数のフィンとを具え、前記第2の複数のフィンが、前記第1の複数のフィンよりも半径方向において短い、ことを特徴とする請求項1に記載のLEDベースの照明システム。
- 前記第2の領域によって囲まれた少なくとも一の内側開口部をさらに具え、当該少なくとも一の内側開口部が、前記開口部を通り、前記光軸に平行な軸方向の流体連通路を提供して前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向流体連通路の各々が近位側に延びて周囲大気に排気する、ことを特徴とする請求項1に記載のLED照明システム。
- 前記第1の外周の端部に沿って装着した光学アクセサリをさらに具え、当該光学アクセサリが、前記第1の外周の周りの前記第1の複数の光学素子を通って発せられる光の一部を方向変換させてアップライトを形成する、ことを特徴とする請求項1に記載のLED照明システム。
- 前記第1の複数の光学素子および前記第2の複数の光学素子の各々が、前記光軸から25乃至45度の間の光分布に結果としてのピークを有する誘電複合放物面型反射器(CPC)を具えることを特徴とする、請求項1に記載のLEDベースの照明システム。
- E39ネジベースをさらに具え、当該E39ネジベースと、前記光生成モジュールと、前記第1の複数のLEDと、前記第2の複数のLEDと、前記第1の複数の光学素子と、および前記第2の複数のLEDの総重量が1.7Kgより少ない、ことを特徴とする請求項1に記載のLEDベースの照明システム。
- 平均安定器電流を供給する一連の出力を有するHID安定器と、制御可能なスイッチに電気的に並列に接続された少なくとも一のブリッジ整流器とを有する電子ドライバであって、前記制御可能スイッチが前記HID安定器の出力を断続的に実質的に短絡させるように、前記HID安定器の出力に電気的に接続されている電子ドライバと、を更に具え、前記光発生モジュールが公称動作点で動作しているときに、前記電子ドライバが前記制御可能スイッチを連続的に動作させて、平均総LED順方向電流が前記平均安定器電流より少なくとも5%小さくなるように、前記第1の複数のLED電源と、前記第2の複数のLED電源を調整する、ことを特徴とする請求項1に記載のLEDベースの照明システム。
- 電源と一致するように調整された制御信号に従って前記電源から入力電流を供給するように構成された電力変換回路を有する電子ドライバであって、前記電源が基本周波数を有しており、前記制御信号が、当該基本周波数の少なくとも倍数で周期的なパターンを有し、前記電力変換回路に有効インピーダンスを提示させて前記電源のインピーダンスと整合させる電子ドライバをさらに具え、前記電力変換回路の有効インピーダンスが、抵抗性、誘導性、容量性、および非線形性からなる群のうちの一又はそれ以上の要素を具える、ことを特徴とする請求項1に記載のLEDベースの照明システム。
- 前記電源が、HID安定器を具えることを特徴とする、請求項9に記載のLED照明システム。
- ほぼ垂直方向に強化された対流通過流があるLEDベースの照明システムにおいて:
第1の複数のLED光源と、第2の複数のLED光源とを具え、前記第1の複数のLED光源と第2の複数のLED光源が光軸に沿って遠位側に照明するように構成されている光発生モジュールと;
第1の外周によって画定される第1の領域であって、当該第1の外周が第1の多角形を形成し、前記第1の複数のLED光源の各々が第1の多角形の頂点を画定する、第1の領域と;
第2の外周によって画定される第2の領域であって、当該第2の外周が第2の多角形を形成し、前記第2の複数のLED光源の各々が前記第2の多角形の頂点を画定する、第2の領域と;
前記第1の領域で囲まれており、前記第2の領域の外側にある第3の領域と;
を具え、
前記光発生モジュールの前記第1の複数のLED光源と前記第2の複数のLED光源内の各LED光源が:
前記第1の複数のLED光源と実質的に熱的に連通する少なくとも一の熱伝達部材と、前記第2の複数のLED光源と実質的に熱的に連通する少なくとも一の熱伝達部材と、を具え、前熱伝達部材が前記光学軸にほぼ平行な熱伝導軸に沿って近位方向に延びる熱伝導経路を具え、動作中に、前記熱伝達部材が、LED光源によって発生された熱を実質的に近位側に伝達し;
前記第3の領域に少なくとも一の開口部が画定されており、当該少なくとも一の開口部の各々が、前記開口部を通り光軸にほぼ平行な軸方向流体連通路を提供して、前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向の流体連通路の各々が近位方向に延びて周囲大気に排気する;
ことを特徴とするLEDベースの照明システム。 - 前記第3の領域内に規定された少なくとも一の開口部が前記第3の領域の少なくとも25%を占めることを特徴とする請求項11に記載のLEDベースの照明システム。
- 前記一又はそれ以上の熱伝達部材が、更に、前記第1の外周から実質的に共通の中心点の半径方向に延びる第1の複数のフィン及び第2の複数のフィンとを具え、前記第2の複数のフィンが、前記第1の複数のフィンよりも半径方向において短い、ことを特徴とする請求項11に記載のLEDベースの照明システム。
- 前記第2の領域によって囲まれた少なくとも一の内側開口部をさらに具え、当該少なくとも一の内側開口部が、前記開口部を通り、前記光軸に平行な軸方向の流体連通路を提供して前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向流体連通路の各々が、近位側に延びて周囲大気に排気する、ことを特徴とする請求項11に記載のLED照明システム。
- 平均安定器電流を供給する一連の出力を有するHID安定器と、制御可能なスイッチに電気的に並列に接続された少なくとも一のブリッジ整流器とを有する電子ドライバであって、前記制御可能スイッチが前記HID安定器の出力を断続的に実質的に短絡させるように、前記HID安定器の出力に電気的に接続されている電子ドライバと、を更に具え、前記光発生モジュールが公称動作点で動作しているときに、前記電子ドライバが前記制御可能スイッチを連続的に動作させて、平均総LED順方向電流が前記平均安定器電流より少なくとも5%小さくなるように、前記第1の複数のLED電源と、前記第2の複数のLED電源を調整する、ことを特徴とする請求項11に記載のLEDベースの照明システム。
- ほぼ垂直方向に強化された対流通過流を伴うLEDベースの照明システムにおいて:
第1の複数のLED光源と第2の複数のLED光源とを具え、前記第1の複数のLED光源と第2の複数のLED光源が、光軸に沿って遠位側に照明するように構成されている光発生モジュールと;
第1の外周によって画定される第1の領域であって、当該第1の外周が第1の多角形を形成し、前記第1の複数のLED光源の各々が第1の多角形の頂点を画定する、第1の領域と;
第2の外周によって画定される第2の領域であって、当該第2の外周が第2の多角形を形成し、前記第2の複数のLED光源の各々が前記第2の多角形の頂点を画定する、第2の領域と;
前記第1の領域で囲まれており、前記第2の領域の外側にある第3の領域と;
前記LED光源によって発生した熱をほぼ近位側に伝達する手段と;
を具え、
前記第3の領域に少なくとも一の開口部が画定されており、当該少なくとも一の開口部の各々が、前記開口部を通り光軸にほぼ平行な軸方向流体連通路を提供して、前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向の流体連通路の各々が近位方向に延びて周囲大気に排気する;
ことを特徴とするLEDベースの照明システム。 - 前記第3の領域内に規定された少なくとも一の開口部が前記第3の領域の少なくとも25%を占めることを特徴とする請求項16に記載のLEDベースの照明システム。
- 前記一又はそれ以上の熱伝達部材が、更に、前記第1の外周から実質的に共通の中心点の半径方向に延びる第1の複数のフィン及び第2の複数のフィンとを具え、前記第2の複数のフィンが、第1の複数のフィンよりも半径方向において短い、ことを特徴とする請求項16に記載のLEDベースの照明システム。
- 前記第2の領域によって囲まれた少なくとも一の内側開口部をさらに具え、当該少なくとも一の内側開口部が、前記開口部を通り、前記光軸に平行な軸方向の流体連通路を提供して前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向流体連通路の各々が、近位側に延びて周囲大気に排気する、ことを特徴とする請求項16に記載のLED照明システム。
- 平均安定器電流を供給する一連の出力を有するHID安定器と、制御可能なスイッチに電気的に並列に接続された少なくとも一のブリッジ整流器とを有する電子ドライバであって、前記制御可能スイッチが前記HID安定器の出力を断続的に実質的に短絡させるように、前記HID安定器の出力に電気的に接続されている電子ドライバと、を更に具え、前記光発生モジュールが公称動作点で動作しているときに、前記電子ドライバが前記制御可能スイッチを連続的に動作させて、平均総LED順方向電流が前記平均安定器電流より少なくとも5%小さくなるように、前記第1の複数のLED電源と、前記第2の複数のLED電源を調整する、ことを特徴とする請求項16に記載のLEDベースの照明システム。
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