KR102400380B1 - 단일 광학 led 현장 조명 기구 - Google Patents

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Abstract

실외용 LED 현장 조명 기구는 알루미늄 직결식 열경로 인쇄 회로 보드에 탑재된 많은 수의 LED의 어레이와 단일 렌즈를 포함하는 하우징을 포함한다. 많은 수의 LED의 어레이는 실외 영역을 조명하기 위한 광의 빔을 생성하도록 단일 렌즈를 통과하여 지향되는 광선을 생성할 수 있다. 단일 렌즈는 바람직하게는 프레넬 렌즈이다. 하우징은 바람직하게는 풍우밀 방식으로 밀봉된다. 제 2 하우징은, 제 1 하우징과 제 2 하우징 사이에 적어도 하나의 통풍로가 제공되도록 제 1 하우징을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 히트 싱크는 복수 개의 방열 튜브와 열소통 상태에 있는 방열 블록을 포함하고, 핀 어셈블리는 LED 모듈과 부분적 열접촉 상태에 있고 적어도 하나의 통풍로와 유체소통 상태에 있을 수 있다. 히트 싱크를 냉각하기 위하여, 적어도 하나의 팬은 상기 적어도 하나의 통풍로에 제공되거나 이러한 통풍로와 유체소통 상태에 있을 수 있다. 디지털 인터페이스는 LED 모듈을 호스트 컴퓨터에 연결시켜서 통계적 공정 제어를 위한 정보 및 경향성(trending)을 모니터링하고 추적할 수 있다.

Description

단일 광학 LED 현장 조명 기구{SINGLE OPTIC LED VENUE LIGHTING FIXTURE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015 년 4 월 28 일자로 출원된 미국 가출원 번호 제 61/985,345 호의 우선권을 주장하며, 이것은 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
본 발명은 LED 기초 조명 기기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 발광 다이오드를 채용하는 경기장 및 스타디움용 현장 조명 시스템에 관한 것이지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
현장 조명에 대한 요구 사항은 현장 마다 다르다. 예를 들어, NFL 스타디움은 일반적으로 플레이면(playing surface) 상의 임의의 지점에서 최소 250 피트 촉광으로 필드를 조명한다. 메탈 할라이드(metal halide) 램프로 이러한 레벨의 조명을 얻으려면 필드만을 위해서도 대략 1 메가와트의 전력이 필요하다. 현재는 메탈 할라이드 램프가 표준이지만, 그들이 단점이 없는 것은 아니다.
메탈 할라이드(또한 고휘도 방전, 또는 HID) 램프와 관련된 한 가지 문제점은 전구 수명이다. 낮은 와트수의 전구가 20,000 시간 정도까지 긴 전구 수명을 나타내는 반면에, 스타디움 기구에서 일반적으로 발견되는 고전력 전구, 예컨대 1,500 와트 전구는 통상적으로 3,000 시간 범위 내의 전구 기대 수명을 가진다. 다음과 같은 다른 여러 문제점들도 전구 수명과 관련된다: 엔벨로프 고장(전구 폭발)이 때때로 또는 전구 교체 중 발생하여 발생해서 수명이 끝나는 것; 밝기 유지(휘도 감소); 임의로 전구가 꺼지고 켜지는 싸이클링 현상; 등. 엔벨로프 고장이 일반적으로 일어나지는 것은 아니지만, 엔벨로프가 유리로 제작되고 유리가 밖으로 날아가지 않도록 하는 방식으로 기구가 전구를 밀봉시켜야 하기 때문에 엔벨로프 고장은 주된 문제점이다. 어떠한 이유에서건, 스타디움 위에 높이 설치된 타워에 설치된 기구 내에서 전구 고장을 교체하는 것은 비용이 많이 들고 위험한 일이다. 큰 문제점을 야기하는 고장을 방지하기 위해서, 많은 메탈 할라이드 전구 제조사들은 개개의 전구를 일일이 변경하는 것 보다는 표시된 수명이 끝나면 램프를 통째로 교체하는 것을 제안한다.
다른 문제점은 시동과 고온 재점화(restrike)이다. 종래의 프루브-타입 메탈 할라이드 전구에서, 냉전구를 점화시키는 것은, 전구 내의 가스를 고압이 되게 하고 가스를 가열해서 메인 아크가 시작될 만큼 쉽게 이온화되게 하는 작은 스타터 아크를 점화하는 것을 수반한다. 이러한 공정은 통상적으로 5 분 내지 7 분이 소요되는데, 이 동안에 전구의 빛은 매우 약하고 색온도는 크게 변동한다. 좀더 신식인 펄스 시동 전구는 프루브를 제거하며 웜업 시간이 감소되지만, 웜업에는 여전히 약 2 분 내지 4 분이 소요된다. 1,500 와트 펄스 시동 전구와 안정기를 이용하는 것이 가능하긴 하지만 이들은 아직 필드 조명 분야에서 널리 사용되고 있지 않으며, 일반적으로 말해서 펄스 시동 기술은 저 와트수 분야에서 더 선호된다.
고온 재점화가 초기 시동보다 더 큰 문제점이다. 필드 조명용으로 사용되는 와트수 범위에 있는 프루브-타입 전구는 전구 내의 가스가 고온이면 시동되지 않는다. 고온 재점화는 많이 걸리면 20 분이 소요되는 프로세스이다. 이러한 문제점은 게임 도중 순간적인 전력 손실 때문에 45 분동안 정전이 발생한 2013 년 2 월 수퍼보울 경기때 전세계적인 관심을 받게 됐다. 펄스 시동 전구도 고온 재점화 시간을 이와 유사하게 감소시키지만, 전구에 불을 다시 켜기 위해서 필요한 시간 지연은 여전히 수 분에 이른다. 펄스 시동 전구용 순간 재점화 안정기가 판매되고 있지만, 고온 1,500 와트 전구를 재점화하려면 대략적으로 30,000 내지 40,000 볼트에 달하는 전압이 필요하다. 이러한 전압은 전구와 안정기 사이의 거리를 한정하고, 고온 재점화 도중에 전구 밖에서 방전이 일어나지 않도록 하기 위해서 초고 절연 강도를 가지는 절연이 이루어진 특수 배선이 있어야 한다.
메탈 할라이드 전구를 사용하는 데에 있어서 다른 문제점은 영상 제작에서 발견된다. 스포츠 이벤트의 영상을 제작하는 것은 프로와 대학 레벨에서 중요한다, 영상 스트리밍 때문에 이러한 문제점들이 고교 레벨에서까지 생기게 된다. 메탈 할라이드 전구의 넓은 스펙트럼 성질이 영상 제작을 위해 일반적으로 양호하지만, 그 빛이 스포츠를 중계하기 위해서 최적인 것은 아니다. 예를 들어, 모든 메탈 할라이드 전구는 교류 전류로 구동된다. 이것은 아크가 작동 주파수의 두 배만큼 반전된다는 것을 의미한다. 미국에서 자기식 안정기를 가지는 메탈 할라이드 전구는 120 헤르쯔로 깜빡인다. 높은 프레임 레이트가 슬로우 모션에 채용되면, 이러한 플리커는 최종 영상에 뚜렷하게 드러난다. 고 주파수 전자식 안정기가 이러한 현상을 감소시키지만, 이러한 현상은 여전히 존재한다.
영상 제작과 관련된 다른 이슈는 광의 컬러 렌더링 인덱스("color rendering index; CR)I")이다. CRI의 간단한 정의는, 광원과 태양광 사이의 퍼센티지 편차이지만, 그 효과는 광원이 컬러를 렌더링하는 능력이다. 낮은 CRI 광원에 대해서 특히 피부 톤이 문제가 된다. 스포츠 경기장 조명에서 사용되는 메탈 할라이드 전구는 통상적으로 약 65 의 CRI를 가진다. 이러한 전구에 의해서 생성되는 빛이 보통 아주 하얀 색으로 나타나지만, 이러한 빛은 통상적으로 500 nm 범위의 스펙트럼, 또는 녹색 스파이크에서 과잉 에너지를 가진다. 필드로부터 튕겨나온 녹색 광과 결합된 녹색 스파이크는 통상적으로 카메라의 "화이트 밸런스"를 조정함으로써 처리되지만, 여전히 전문가 영상 제작에 대해서 최적인 것은 아니다.
메탈 할라이드 전구의 또 다른 문제점은 자외선 광(UV)이 생성되는 것이다. 이러한 전구는 사람에게 위험할 수 있는 상당한 양의 단파 UV를 생성한다. 거의 모든 전구는 단파 UV 광의 대부분을 흡수하는 붕규산염 또는 용융 규산염 외부 엔벨로프를 포함한다. 외부 엔벨로프가 파손되면, 거의 모든 메탈 할라이드 전구는 계속하여 작동할 것이지만 위험한 양의 UV 광을 방출할 것이다. 이러한 전구에 가까이 있는 사람들에게 눈이 소위 "플래시 화상(flash burns)" 또는 일광 화상을 입는 것이 실제적인 위험 요인이다. 외부 엔벨로프가 제자리에 있다고 해도, 이러한 전구는 플라스틱에 손상을 입히기에 충분한 UV 광을 방출하며, 일부 마감이 시간이 지남에 따라 바래지게 할 수 있다.
마지막으로, 특히 수은을 사용하기 때문에 이러한 전구를 폐기하는 것과 관련된 환경적인 문제점이 존재한다. 제조사들이 메탈 할라이드 전구에서 사용되는 수은의 양을 감소시키는 방법들을 찾아 왔지만, 백색 광을 생성하려면 어느 정도의 수은이 필요하다. 전구 엔벨로프가 유리이기 때문에, 폐기한 후에 파손되는 일이 발생될 수 있고, 따라서 수은이 흘러나올 수 있다.
발광 다이오드(LED)는 이러한 관심 분야 모두에서 메탈 할라이드 전구보다 개선된다. 그러나, 발광 다이오드도 역시 그들만의 문제점을 가지고 있다. 현장 조명용 LED 조명 기구를 제작하는 데에 있어서 가장 큰 문제점은 열 관리이다. 메탈 할라이드 전구는 입력 전력의 85% 가까이를 가시 광, 자외선 광 및 적외선 에너지로 방출하고, 전력의 15 %가 남아 전도를 통해 주위로 소산되어야 한다. 이에 반해, LED 방사는 자외선 광을 거의 방출하지 않고 적외선 에너지를 거의 방출하지 않으며, 따라서 입력 전력의 적어도 55%는 전도를 통해 해결되어야 한다. 이것은, 어레이 내의 하부 기구로부터의 고온의 공기가 상부 기구의 주변 온도를 쉽게 상승시키게 되는 조명의 큰 어레이에서 특히 문제가 된다.
LED는 실내 현장 조명 분야로 진출하고 있다. 이러한 조명은 메탈 할라이드 조명과는 달리, 온도가 높건 낮건 간에 즉시 켜지고 전 범위에서 디밍(dimming)될 수도 있다는 장점을 가진다. 물론, 실내 기구는 넓은 범위의 주변 온도를 수용할 필요가 없다. 실내 현장은 더 많은 수의 저전력 기구를 쉽게 수용할 수 있고, 이들은 플레이면 바로 위에 위치될 수 있다. 더 나아가, 실내 기구는 주간의 태양광과 경쟁할 필요도 없다.
LED 기구로 실외 현장을 조명하기 위한 몇 가지 시도가 이루어져 왔다. 현재까지, 이러한 기구는 메탈 할라이드 기구에 비해 굉장히 크거나, 비교될 만한 폼 팩터에 대해서 훨씬 적은 빛을 생성한다. 이것은 메탈 할라이드 기구를 가지는 기존 현장에 있는 타워를 개조하는 경우에 특히 문제가 된다. 실내 및 실외 장착의 경우 모두에서, 이러한 기구들은 각각의 LED 또는 모듈 당 하나의 렌즈를 채용했으며, 전체적으로는 다수의 렌즈가 채용된다. 이러한 광 모두는 빛이 수직이 아니라 비스듬하게 플레이면을 비출 때 빛의 역제곱 저하(fall off)를 나타낸다. 통상적으로 이러한 렌즈는 상대적으로 짧은 초점 길이를 가져서, LED에 대해 일관적인 초점을 가진 기구를 제조하는 것이 어렵게 된다. 결과적으로 빔의 중간에 밝은 핫-스폿이 생기게 된다. 따라서, 필드에 대한 최적의 매우 균일한 조명을 얻는 것은 아주 어려운 일이다.
마지막으로, 메탈 할라이드 램프와 현존하는 LED 기구 모두도 특히 어두운 하늘에 적합하지 않다. 원치 않는 광이 야간의 하늘로 번지는 것 또는 "빛 오염(light pollution)" 현상을 줄이기 위해서 수 년간 많은 움직임이 있었다. 많은 실외 메탈 할라이드 기구들은 상향 번짐(spillage)의 양을 줄이기 위해서 "눈썹(eyebrow)" 또는 차양을 포함한다. 하지만 이것은 제한적으로만 효과적이다. 메탈 할라이드 전구는 광을 구 모양으로 방출한다. 생산된 광 중 일부 부분만이 필드를 향해 방출된다. 기구들은, 후방으로 향하는 광의 일부를 캡쳐하고 이것을 필드를 향해 반사하고 집광하기 위해 통상적으로 알루미늄 반사체를 사용한다. 전구에 의하여 생성되는 광의 1/3 보다 약간 많은 양이 실제로 의도된 타겟에 도달한다. 차양이 있어도, 대부분은 허공으로 향하게 된다.
개개의 LED는 통상적으로, 생산된 광의 거의 모두를 전면으로 방출하도록 패키지된다. 현장 조명에서 현재 채용되고 있는 LED들의 타입은, 통상적으로 120 도 빔에서 광을 방출한다. 거의 모든 공지된 기구들은 흔히 TIR 렌즈라고 불리는 다수의 작은 몰딩된 렌즈를 사용하여 이러한 광의 거의 모두를 캡쳐하고 이것을 더 좁은 빔 내에 집광한다. 불행하게도, 이러한 기구들도 이제 LED및 몰딩된 렌즈를 요소들부터 보호하기 위한 제 2 의 클리어 렌즈를 채용한다. 이러한 렌즈에 도달하는 광 중 일부는 기구를 향해 후방으로 반사되고, 허공 방향을 포함한 무작위 방향으로 기구 내에서 추후 반사되어 나온다.
다른 대형 실외용 조명 기구와 함께 많은 실외의 건축물 조명 기구도 동일한 문제점을 겪는다. 특히, 역 제곱 저하와 어두운 하늘의 문제점이, 건물 벽을 청소하기 위한 조명, 공항 타맥(tarmac) 조명에 사용되는 기구, 등의 경우에 문제가 된다.
따라서, 램프 교체를 최소화하고, 재점화 인터벌에 의하여 제한되지 않으며, 영상 친화적 광을 제공하고, 가시 광 범위 밖에서의 방출을 최소화하며, 효과적인 열 관리가 가능하고, 폭발하지 않으며, 허공을 향한 광 방출을 최소화하는 고전력 스타디움 실외 조명 기구가 요구된다.
본 발명은 위에서 논의된 문제점들을 극복하는 현장 조명용 LED 기초 조명 기구를 제공한다.
바람직한 일 실시예에서, 풍우밀(weather-tight) 하우징, 하우징 내에 수납되는 고전력 LED 어레이, 하우징의 전단부를 커버하는 프레넬 렌즈, 및 모듈에서 생성된 열을 주위로 소산하기 위한 어레이와 열소통 상태에 있는 히트 싱크를 포함하는 LED 기구가 제공된다.
바람직한 다른 실시예에서, 본 발명의 LED 기구는 히트 싱크 위에서 공기를 이동시켜 히트 싱크로부터 열이 소산되는 속도를 증가시키기 위한 팬을 더 포함한다. 선택적으로, 따뜻한 날씨에는 가열된 공기를 밀폐된 현장 밖으로 방출하고, 추운 날씨에는 공기를 필드 레벨 또는 관람객으로 보내기 위하여 사용되는 배관(duct work)이 사용될 수 있다.
바람직한 특정 실시예에서, LED 기구는 2-부분 구조를 포함한다. 두 개의 부분 구조 중 제 1 부분은 LED 어레이, 프레넬 렌즈 및 일부 실시예들에서는 히트 싱크를 밀봉하는 풍우밀 하우징을 포함한다. 2-부분 하우징 중 제 2 부분은 비바람에 내성을 가지지 않으며(not weather-tight), 일반적으로 히트 싱크의 전력 소산부, 공기를 이동시키기 위한 팬 및 하우징들 사이에 형성되어 공기가 히트 싱크로부터의 열을 소산하게 하는 통풍로를 포함한다.
바람직한 다른 실시예는 알루미늄 직결식 열경로 인쇄 회로 보드에 탑재된 많은 수의 LED의 어레이와 단일 렌즈를 포함하는 하우징을 포함하는 실외용 LED 조명 시스템을 포함한다. 많은 수의 LED의 어레이는 실외 영역을 조명하기 위한 광의 빔을 생성하도록 단일 렌즈를 통과하여 지향되는 광선을 생성할 수 있다. 단일 렌즈는 바람직하게는 프레넬 렌즈이다. 하우징은 바람직하게는 풍우밀 방식으로 밀봉된다. 제 2 하우징은, 제 1 하우징과 제 2 하우징 사이에 적어도 하나의 통풍로가 제공되도록 제 1 하우징을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 히트 싱크는 복수 개의 방열 튜브와 열소통 상태에 있는 방열 블록을 포함하고, 핀 어셈블리는 LED 모듈과 부분적 열접촉 상태에 있고 적어도 하나의 통풍로와 유체소통 상태에 있을 수 있다. 히트 싱크를 냉각하기 위하여, 적어도 하나의 팬은 상기 적어도 하나의 통풍로에 제공되거나 이러한 통풍로와 유체소통 상태에 있을 수 있다.
바람직한 또 다른 실시예에서, 히트 싱크는 액체 냉각되고 액체는 열을 주위로 소산시키기 위하여 기구로부터 멀리 떨어진 위치로 펌핑된다. 본 명세서에서 사용될 때, 달리 진술되지 않는 한, 액체 및 액체 냉각된다는 용어는 제한되지 않고 물, 부동액, 혼합물, 또는 다른 적합한 액체를 포함하는 임의의 액체를 포함할 것이다.
바람직한 또 다른 실시예에서, LED 어레이는 적어도 1,000 와트의 입력 전력을 수용하고, LED들은 알루미늄 기판 회로 보드에 탑재된다.
바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 LED 기구는 LED의 비대칭 어레이를 포함하고, 어레이로부터의 광을 단일 렌즈를 통해서 투사하여 빔의 단면에서 광의 선결정된 그레디언트를 가지는 광의 빔을 생성한다. 따라서 광은 비스듬히 자신의 타겟에 도달하는 광과 연관된 역 제곱 저하를 극복하도록 성형된다.
본 발명의 다른 목적, 특징, 및 장점들은 첨부 도면을 연구하고 바람직한 실시예의 후속하는 설명을 정독함으로써 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1 은 일반적인 동작 환경에 있는 본 발명의 현장 조명용 LED 기구의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 2 는 실외 현장 조명에서 사용되는 본 발명의 조명 기구의 사시도를 제공한다.
도 3 은 도 2 의 조명 기구에서 사용되는 플라스틱 프레넬 렌즈의 사시도를 제공한다.
도 4 는 기구의 내부 피쳐를 나타내는, 도 2 의 조명 기구의 단면 측면도를 제공한다.
도 4a 는 움츠린(retracted) 또는 열린 포지션에 도시된 다른 실시예의 셔터를 더욱 도시하는 도 4 의 단면 측면도이다.
도 4b 는 연장된(extended) 또는 닫힌 포지션에 도시된 다른 실시예의 셔터를 도시하는 도 4 의 단면 측면도이다.
도 5 는 도 2 의 기구 내에 수납된 반사체 및 히트 싱크의 배면도를 제공한다.
도 6 은 LED 냉각용 공기를 먼 위치로 보내기 위한 본 발명의 일 실시예를 도시한다.
도 7 은 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 사용되는 바와 같은 LED들의 비대칭 어레이를 가지는 LED 회로 보드의 정면도를 제공한다.
도 7b 는 도 7 의 LED 회로 보드의 다른 실시예를 도시한다.
도 8 은 도 7 의 회로 보드의 회로부의 개략도를 제공한다.
도 9 는 도 7 및/또는 도 7b 의 회로 보드의 LED 어레이를 통과하는 전류를 제어하기 위한 하나의 바람직한 방법에 대한 개략도를 제공한다.
도 10 은 도 7 및/또는 도 7b 의 회로 보드의 LED 어레이를 통과하는 전류를 제어하기 위한 다른 방법에 대한 개략도를 제공한다.
도 11 은 도 7 및/또는 도 7b 의 회로 보드와 함께 사용되기 위한 히트 싱크의 바람직한 실시예의 정면도를 제공한다.
도 12 는 도 7 및/또는 도 7b 의 회로 보드와 함께 사용하기에 적합한 액체 냉각된 히트 싱크용 액체 블록을 도시한다.
도 13 은 본 발명의 조명 기구와 함께 사용되는 다른 실시예의 밸러스팅 변압기(ballasting transformer)의 개략도를 도시한다.
도 14 는 라이트와 컴퓨터 호스트 사이의 디지털 인터페이스를 도시한다.
본 발명을 상세하기 설명하기 이전에, 본 발명이 본 명세서에서 예시된 구성과 기술된 단계들의 세부 사항에 적용되는 것으로 한정되지 않는다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 본 발명은 다른 실시예로도 역시 구현될 수 있으며 또는 다양한 방법으로 실시되거나 실행될 수 있다. 본 명세서에서 채용된 어구와 용어는 설명하기 위한 목적을 위한 것이며 한정하는 목적이 아님이 이해되어야 한다.
도면에서 유사한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 동일한 부분을 가리키는데, 이제 도면을 참조하면, 발광 다이오드 기초 현장 라이트(102)의 바람직한 일 실시예는 그 일반적 환경에서 도 1 에 도시된다. 당업계에 널리 알려진 바와 같이, 필드를 조명하려면 보통 타워, 폴(104), 또는 스탠드에 설치되는 다수 개의 기구(102; 24 개가 도시됨)가 필요하다. 라이트의 정확한 개수는 주로 경기의 레벨에 의하여 좌우되는 원하는 광 레벨에 따라 달라진다. 일 예로서는, 25 피트 촉광의 빛이 필드로 전달되면 시립 또는 고등 학교 레벨에는 충분할 수 있고, 전국적으로 중계되는 대학 경기에 대해서는 일반적으로 150 피트 촉광이 필요하며, 프로 축구 스타디움에는 250 피트 촉광이 필요하다. 대학 및 프로 스포츠 현장의 조명 레벨을 결정하는 데 있어서 선수와 관람객의 안전성이 고려사항이지만, 텔레비전 방송국의 요구사항도 주된 고려사항이다. 통상적으로 기구(102)는 크로스 암(106), 또는 가능하게는 하나 이상의 트러스truss)를 통해 폴(104)에 탑재된다. 일부 경우에는, 기구(102)를 용이하게 조준하고 유지보수하도록, 각각의 크로스 암(106)에 가까이 캣워크(catwalk)가 위치될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해서, "기구(fixture)", "조명 기구(luminaire)", 및 "헤드(head)"라는 용어는 기구(102)와 같은 하나의 조명 기구를 가리키도록 상호 교환가능하도록 사용된다. 도 2 로 돌아가면, 바람직한 일 실시예에서, 기구(102)는: 하우징(202); 하우징(202)의 전단부에 있는 렌즈(204) - 렌즈(204)는 풍우밀 방식으로 하우징(202)에 부착된 플라스틱 프레넬 렌즈인 것이 바람직함-; 렌즈(204)와 차양(208)을 수용하기 위한 전방 베젤(206); 찬 공기가 들어오게 하는 링(210); 고물(aft)(또는 제 2) 커버 어셈블리(212); 및 고물(또는 제 2) 하우징(212)에 피벗하게 부착된 요크(214)를 포함한다.
도 3 을 참조하면, 렌즈(204)는, 바람직하게는 투명 플라스틱, 예컨대 아크릴 또는 폴리카보네이트로 제조된 프레넬 렌즈인 것이 바람직하다. 바람직한 일 실시예에서, 렌즈(204)는 스크류로 하우징에 고정되기 위한 복수 개의 홀(304)(12 개가 도시됨)을 포함하는 플랜지(302) 및 굴절 영역(306)을 포함한다.
이제 조명 기구(102)의 내부 세부사항이 도시되는 도 4 및 도 5 를 참조하면, 조명 기구(102)는 기도(420)를 생성하도록 제 2 하우징(202) 내부에 수납된 반사체(414) 일 수 있는 제 1 하우징(440)을 더 포함한다. 반사체(414)는 전면으로 개방되고 그 위에 스크류(416)에 의해 렌즈(204)가 탑재된다. 링형 가스켓(418)은 렌즈(204)와 반사체(414) 사이에 수납되어 기구(102)의 내부를 날씨로부터 풍우밀 방식으로 보호한다. 본 명세서에서 사용될 때, 풍우밀 또는 풍우밀 방식이라는 용어는 반드시 공기를 차단하는 방수 밀봉이 필요가 없으며, 그 대신에 비, 날아온 먼지, 쓰레기 등으로부터 밀봉할 수 있으면 된다. 반사체(414)의 후단을 향해서, 발광 다이오드 모듈(402)이 히트 싱크(406)에 탑재되어 모듈(402)에서 방출된 빛이 렌즈(204)를 향해 지향되게 한다. 바람직한 일 실시예에서, LED(402)는 칩-온-보드(또는 COB) 타입의 모듈이다. 이러한 모듈 중 하나는 캐나다 리버모어(Livermore) 주의 브릿지룩스(Bridgelux) 아이앤씨에 의해 제작된 VERO 29 LED 모듈이다. 이러한 모듈은 당업계에 잘 알려져 있다. COB 모듈은 통상적으로 약 120 도 빔에 걸쳐 빛을 방출한다. LED 모듈(402)로부터 나오는 빛을 최대화하기 위하여, 빛을 프레넬 렌즈(204)를 향해 수광하고 지향시키기 위해서 집광 렌즈(404)가 사용될 수 있다.
히트 싱크(406)는 모듈(402)에 대한 탑재면을 제공하고 복수 개의 방열 튜브(408)를 수용하는 방열 블록(422)을 포함한다. 방열 튜브(408)는 모듈(402)에서 생성된 열을, 반사체(414)의 주위에 분포된 기도(420) 내에 위치된 핀 어셈블리(410)로 전도한다. 본 발명의 기구(102)의 특징은 2-부분 하우징을 포함한다는 것이다. 2-부분 하우징의 제 1 부분 하우징(440)은 모두 스크류(416)에 의해서 압축되는 가스켓(418)에 의해 밀봉되는 LED 모듈(402), 렌즈(404), 반사체(414)(이것은 제 1 부분 하우징(440)의 일부일 수 있음), 및 프레넬 렌즈(204)를 포함한다. 특정 실시예들에서, 방열 블록(406)은 적어도 부분적으로 제 1 부분 하우징(440) 내에 존재할 수 있다. 제 1 부분 하우징(440)이 접착제, 반사체(414)와 플랜지(302)(또는 프레넬 렌즈(204)) 사이의 접합 쓰레드, 인터로킹 탭, 리벳 등을 포함하는 다양한 적합한 방법으로 밀봉될 수 있다. 제 2 부분 하우징(450)은 통상적으로 방열 블록(406)인 외부 하우징(202), 방열 튜브(408), 핀 어셈블리(410) 및 팬 어셈블리(412)를 포함한다. 기도 또는 통풍로(420)가 제 1 부분 하우징(440)과 제 2 부분 하우징(450) 사이에 형성된다. 팬(412)은 공기를 기도(420)를 통해 들어오게 해서 핀 어셈블리(410)를 지나가게 한 후, 가열된 공기를 기구(420) 뒤로 방출하여, 기구(102)를 냉각한다.
제 1 부분 하우징(440) 및 제 2 부분 하우징(450)의 기하학적 구조는 디자인 및/또는 응용 목적을 위해 원하거나 요구되는 바와 같이 변경될 수 있다. 예를 들어, 제 1 부분 하우징(440) 및 제 2 부분 하우징(450)은 도 4, 도 4a 및 도 4b 에서 도시되는 바와 같이 원뿔형 또는 잘린 원뿔형일 수 있고, 또는 도 2 에서 도시되는 바와 같이 원통형일 수 있지만 이들로 한정되는 것은 아니다. 또는, 당업자는, 예컨대, 삼각뿔, 삼각형, 정방형, 타원, 등과 같은 다른 모양도 고려될 수 있다는 것을 이해할 것이지만, 이것들로 한정되는 것은 아니다. 추가적으로, 제 1 부분 하우징(440) 및 제 2 부분 하우징(450)은, 통풍로(420)가 포함되어 팬(412)에 의해 생성된 공기가 제 1 부분 하우징(440)과 제 2 부분 하우징(450) 사이에 흐르게 하여 히트 싱크(406)를 냉각하기만 한다면 서로 다른 기하학적 구조를 가질 수 있다.
하나의 다른 실시예에서, 팬(412)은 기도(420) 내의 공기의 흐름을 반전시키도록 반전형일 수도 있다. 이것은, 태풍 쓰레기, 새들의 둥지, 물, 또는 심지어 겨울에 생성되는 얼음과 같은, 발생가능한 임의의 타입의 막힘을 제거할 수 있게 하기 위한 것이다.
다른 바람직한 실시예에서 도 4a 및 도 4b 를 참조하면, 셔터(424)가 반사체(414)의 내부에 삽입될 수 있다. 셔터(424)는 모든 실시예에서 유용할 수 있지만, 기구(102)가 건축 애플리케이션에서 채용될 경우, 특히 하늘을 바라보도록 지향되는 경우와 렌즈(204)가 직사광선을 수광할 수도 있는 경우에 특별히 유용할 수 있다.
셔터(424)는 바람직하게는 일 면(426)이 반사체(414)의 내부 표면을 코팅하는 것과 유사한 반사성 재료로 코팅되어, 셔터(424)가 도 4a 에서 도시되는 바와 같이, 표면(426)이 반사체(414)로부터의 빛을 반사하고 렌즈(204)를 통해 도 4 와 동일한 방식으로 지향시키게 한다. 또는, 셔터(424)는 도 4b 에서 도시되는 바와 같이 닫혀서, 셔터가 없었으면 렌즈(204)에 의해 LED 모듈(402) 상에 집광되었을, 반사체(414)의 내부(430)에 진입하는 태양광에 기인한 잠재적인 손상으로부터 LED(402)를 보호할 수도 있다. 셔터(424)의 면(425)은 이러한 광 및/또는 열을 반사하도록 반사성 재료로 코팅될 수 있고, 또는 디자인 선호사항에 따라서 광 및/또는 열 흡수성 재료로 선택적으로 코팅될 수 있다.
도 4a 및 도 4b 에서 도시되는 실시예에서, 셔터(424)는 힌지(432)로 피벗하고, 닫힐 경우 반사체(414)의 내부(430)를 통과하도록 연장될 수도 있다. 따라서 셔터(424)는 태양 광선/열이 셔터(424)에 축적되는 것을 피하도록 렌즈(204)의 초점에서 어긋나게 포지셔닝된다. 셔터(424)가, LED 모듈(402)을 보호하는 목적을 달성하도록 반사체(414)의 내부(430)의 기하학적 구조와 매칭되는 구조를 가지거나 임의의 다른 적합한 방식 및 위치로 설계될 수 있는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
바람직한 구성에서, 셔터(424)는 기구(102)의 휴지/오프 상태에서 닫힐 것이다(도 4b). 예컨대 LED 모듈(204)이 작동될 때(턴온될 때) 셔터(424)를 열고(도 4a), LED 모듈(204)이 작동되지 않을 때(턴오프될 때) 닫도록 모터 또는 솔레노이드(434)가 작동할 수 있다. 더 나아가, 기구(102)는, LED 모듈(204)이 발광하지 않거나 오동작 또는 과열 때문에 불이 꺼지는 경우에 모터(434)가 셔터(424)를 닫힌 포지션(도 4a)으로 유지하도록 설계될 수 있다. 또는, 기구(102)는, 셔터(424)가 작동(열림)되지 않을 경우 LED 모듈(204)이 미작동(턴오프) 상태를 유지하도록 설계될 수 있다.
다른 실시예에서, 셔터(424)는 예를 들어 카메라 렌즈에 있는 격판 셔터와 같은 개구부로서 구성될 수 있다. 바람직하게는, 셔터(424)는 반사체(414)의 내부(430)의 밀봉된 제 1 부분 하우징(440) 내에 위치될 수도 있지만, 다르게는 기본적인 실시예에서와 같이 밖에 또는 렌즈(204)의 위에 위치될 수도 있다. 셔터(424)는 심지어 개방 포지션과 닫힌 포지션 사이에서 수동으로 포지셔닝되는 리프 셔터(leaf shutter)일 수도 있다.
도 6 을 참조하면, 가열된 공기를 기구(102)로부터 멀리 전달하도록 덕트(602)가 사용될 수 있다. 밀폐된 스타디움에서는, 날씨가 따뜻할 경우 가열된 공기를 외부로 방출함으로써 해당 시설에 대한 온도 조절 필요성을 감소시키거나, 날씨가 추운 경우 필드 또는 관람석 레벨로 가열된 공기가 통풍되어 난방 기구를 보강하도록 배관이 사용될 수 있다. 예를 들어, 축구 경기장이 필드 레벨에서 250 피트 촉광을 얻도록 조명된다면, 120만 Btu/hr가 넘는 열이 외부로 전달됨으로써, 온도 조절 필요성을 약 100 톤 감소시킬 수 있다. 성능을 더욱 개선하기 위하여, 내부 공기가 외부로 방출되지 않도록, 기구를 냉각시키기 위해 외부 공기 등이 흡입될 수 있다.
실외 스타디움에서, 덕트(602)로 운반되는 공기가 대량의 라이트들로부터 수집되고 추운 날씨에 플레이어 벤치를 따뜻하게 하도록 측방으로 전달될 수 있다. 따뜻한 날씨에는, 가열된 공기는 간단히 관람객으로부터 멀어지도록 위로 방출될 것이다.
바람직한 다른 실시예에서, COB 모듈을 사용하는 대신에, 본 발명의 조명 기구의 LED 모듈은 도 7 에 도시된 바와 같은 대량의 밀집된 표면 탑재 발광 다이오드(700)의 어레이를 채용한다. 바람직하게는, 어레이(700)는 알루미늄 기판 회로 보드(716)에 탑재된 복수 개의 LED(702)(1188 개가 도시됨)를 포함하는데, 이러한 보드는 당업계에 알려져 있으며 여러 벤더로부터 구입가능하다. 바람직하게는, 알루미늄 보드는 캘리포니아 플란체시아(Placentia)의 싱크패드 엘엘씨(Sinkpad LLC) 사에서 제조한 "직결식 열경로(direct thermal path)" 인쇄 회로 보드일 것이다. 하나의 적합한 LED는 센젠 광마이 일렉트로닉스(Shenzhen Guangmai Electronics) 주식회사이다. 이러한 목적에 적합한 다른 적합한 LED는 노쓰 캐롤라이나 던햄의 크리(Cree) 아이앤씨에서 제작한 Cree XLamp LED이다. 한정하지 않는 예로서 도 8 을 더 참조하면, 보드(700)의 LED(702)는 각 스트링이 12 개의 LED를 포함하는 99 개의 직렬 스트링(802)으로 그루핑된다.
이러한 실시예에서, 보드(700)는 조명에 기여하는 LED가 하단(722)에서보다 상단(720)에 훨씬 적게 배치되도록 설계된다는 것에 주의해야 한다. 빛이 프레넬 렌즈를 통과하면서 반전되기 때문에, 기구가 필드를 지향하는 경우, 가까운 지점보다 먼 지점에 입사하는 빛에 기여하는 LED의 수가 더 많을 것이고, 따라서 종래의 기구에서 흔히 발생하는 빛 세기의 역 제곱 저하를 극복하게 된다.
통상적으로 기구(102)가 도 1 에서 도시되는 바와 같이 탑재되기 때문에, 방출된 빛은 직접적으로 필드 위를 비추지 않고 필드를 비스듬하게 비추게 된다. 빛의 세기는 빔의 단면에 걸쳐 동일하지 않을 것이다(키스톤(Keystone) 효과). 도 7 의 어레이는 이러한 점을 해결하여 기구의 커버리지 영역에 걸쳐 투영된 광 세기를 동일하게 한다. 위에서 진술된 바와 같이, 이와같이 설명된 비대칭 LED 어레이가 키스톤 효과를 바로잡는다. 이러한 실시예에서, LED 어레이(700)의 비대칭과 맞춤되도록 역시 비대칭인 히트 싱크를 포함하는 것도 바람직할 수 있다. 이상적으로는, 각각의 LED(702)는 동일한 온도 또는 동일한 온도에 가까운 온도에서 동작할 것이다.
다른 구성에서, 세기가 증가된 영역을 제공하도록 다른 와트수의 LED들을 사용할 수 있다. 필요하거나 요구되는 바와 같이, 이것은 어두운 영역이 감지되는 것을 제거할 수 있다.
추가적으로 및/또는 대안적으로, LED(702)는 복수 개의 별개의 전기적 채널에서 서로 그룹화될 수도 있다. 그러면 리던던시 및 다른 이점에 있어서 장점이 있다. 예를 들어, 다른 채널들은 독립적으로 디밍될 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 바람직한 구성은 적어도 두 개의 디밍 채널을 포함할 것이다. 바람직한 구성은 각각의 채널당 하나의 드라이버를 포함할 것이고, 도 9 와 도 10 을 참조하여 후술되는 것처럼 각각 독립적으로 작동할 것이다.
도 7 의 비대칭 디자인은 하나의 적합한 실시예일 뿐이고 다른 적합한 비대칭 설계가 고려될 수 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 이러한 비대칭 설계는 선택된 프레넬 렌즈의 특징의 결과, 그리고 기구에 의하여 조명되는 필드 또는 표면의 기하학적 구조의 결과로서 실험적으로 결정될 수 있다. 결과적으로, 특정한 조건에 대하여, 또는 어두운 영역 또는 그림자를 피하면서 필드 또는 표면에 균일한 조명을 제공하는 것과 같지만 이것으로 한정되지 않는 특정한 목적을 달성하기 위하여 대안적인 실시예들이 유도될 수 있다.
도 7b 는 다른 어레이(730)를 도시한다. 어레이(730)는 보드(734)에 탑재된 복수 개의 LED 조명 요소(732)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 어레이(730)는 실질적으로 원형인 보드(734)에 배치되는 대안적 실시예의 대칭적 어레이이다. 도 7 에서 도시되는 경우와 유사하게, 도 7b 의 어레이(730)는 다양한 와트수 세기의 개개의 LED(732)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 어레이(732)는 복수 개의 전기적 채널로 분할되어, 각각의 채널이 전술된 것과 동일한 방식으로 서로 독립적으로 제어/디밍될 수 있게 할 수 있다.
도 11 로 가면, 도 7 의 보드(700)에 적응된 히트 싱크(1100)는: 방열 블록(1102), 블록(1102) 내에 압착된 복수 개의 방열 튜브(1104), 및 각각의 방열 튜브(1104)의 먼 끝에 커플링된 핀 어셈블리(1106)를 포함한다. 각각의 핀 어셈블리(1106)는 튜브(1104) 상에 압착된 복수 개의 핀(1108)을 포함한다. 또는, 보드(700)는 도 12 의 액체 블록(1200)을 사용하여 액체 냉각될 수 있다. 액체 블록(1200)은, 쓰레딩된 입구(1202) 및 쓰레딩된 출구(1204)를 가지는 통로(1206)를 포함하여, 통로(1206)의 각각의 단부 내로 맞춤체(fitting)가 쓰레딩될 수 있게 한다. 쓰레딩된 홀(1208)은 커버(미도시)를 스크류와 부착시키도록 제공된다. 도 7 의 보드(700)는 액체 블록(1200)에 부착되고, 액체의 연속 흐름이 제공되어 보드(700)를 냉각시킨다. 액체는 공통 열 교환기를 통해 다른 곳에서 냉각될 수도 있다. 이러한 시스템의 장점은 많은 양의 열을 작은 배관(공기를 배관을 통해 빼내는 것과 비교하여)을 이용해 제거하는 능력을 가진다는 것이다.
당업계에 잘 알려진 바와 같이, LED를 병렬 배치하면 밸러스팅(ballasting)이 없으면 부하 공유(load share)가 잘 이루어지지 않는다. 순방향 전압에 변동이 생기면 한 스트링이 너무 많은 전류를 소모하게 될 수 있지만, 더 큰 문제점은 LED가 가열됨에 따라 순방향 전압이 떨어진다는 것이다. 따라서, 하나의 스트링이 자신의 동반(companion) 스트링보다 더 따뜻하면, 이러한 스트링의 순방향 전압은 떨어져서, 다른 스트링에 흐르는 전류를 이용하여 더 많은 전류가 흐르게 할 것이다. 전류가 더 많이 흐르면 스트링이 더 뜨거워지게 하여 순방향 전압이 더 떨어지게 할 것이며, 이와 같이 프로세스가 진행된다. 밸러스팅은 전류 호깅(hogging)과 열폭주(thermal runaway) 사이의 양의-피드백을 감소시킨다. 따라서 각각의 스트링은 안정기 저항(704)을 가진다. 이러한 구성이 비한정적인 예로서 도 8 에서에 개략적으로 도시되고, 도시된 실시예에서는 열폭주를 만족스럽게 제어하도록 2 옴 저항이 채용된다.
LED(702)를 조명하기 위해서, 양의 전력이 단자(710)에 인가되고 712 에는 음의 전력이 인가된다. 바람직한 실시예에서, 단자(710 및 712)에 인가된 전력은 전류에 의하여 제어될 것이고, 최대 휘도에서 약 23 암페어(amps)를 전달할 것이다. LED(702)는 디바이스당 1 와트 등급이다. 따라서 보드(700)의 LED(702)가 총괄하여 1188 와트에서 동작할 수 있지만, 바람직한 실시예에서는, 보드(700)가 1000 와트에서 동작하며, 각각의 스트링(802)을 약 234 밀리암페어로 작동시킬 것이라고 여겨진다.
전술된 바와 같이, 구동 LED를 구동하기 위한 적합한 방법은 전압보다는 전류 제어를 통한 것이다. 도 8 의 어레이를 적합하게 구동하기 위한 하나의 기법이 도 9 에서 도시된다. 회로(900)는: 전압 출력을 제공하기 위한 단자(902); 단자(902)를 통해 흐르는 전류에 대한 복귀 경로를 제공하는 단자(904); 단자(904)에서 수신된 전류를 제어하기 위한 트랜지스터(906); 트랜지스터(906)를 통해 흐르는 전류에 비례하는 전압을 생성하기 위한 전류 감지 저항(908); 저항(908) 양단 전압을 스케일링하기 위한 제 1 증폭기(910); 및 스케일링된 전류 감지 값을 입력(914)에 인가된 기준 전압과 비교하기 위한 제 2 증폭기(912)를 포함한다. 당업자가 잘 알 수 있는 바와 같이 트랜지스터(906)가 MOSFET으로 도시되지만, 약간만 수정하면 바이폴라 트랜지스터로 대체될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하게 이해될 것이다.
전류가 트랜지스터(906)를 통해 흐르면 저항(908) 양단에 전압이 생긴다. 바람직한 일 실시예에서, 10 의 이득을 제공하도록 저항(916) 및 저항(918)이 선택된다. 따라서, 비한정적인 예시를 위하여, 20 암페어의 전류가 저항(908)을 통해 흐르면, 증폭기(910)의 출력은 4 볼트가 될 것이다. 입력(914)에서의 전압이 4 볼트 미만이면, 증폭기(912)의 출력은 마이너스 레일을 향해 이동하여, 트랜지스터(906)를 통과하는 전류를 감소시킬 것이다. 입력(914)에서의 전압이 4 볼트보다 크면, 증폭기(912)의 출력은 양의 레일을 향해 이동하여, 트랜지스터(906)를 통과하는 전류를 증가시킬 것이다. 이와 같이, 4 볼트의 입력에 대해서, 회로(900)는 20 암페어에서 LED 전류를 조절할 것이다. 증폭기(912)는 직선형 비교기로서 사용될 수도 있지만, 저항(920 및 922)의 경우 이득을 100 까지 감소시키면, 회로의 성질은 발진하게 되거나 링이 감소될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 또는, 증폭기(912)의 출력을 필터링하고, 따라서 그 출력의 슬루 레이트는 감소되어 오버슈트와 노이즈를 감소시키도록 커패시터(924)가 사용될 수 있다.
LED 어레이를 통해 전류를 제어하기 위하여 사용될 수 있는 다른 회로가 도 10 에 도시된다. 회로(1000)는 당업계에 잘 알려져 있는 스위치 모드 벅 전류 레귤레이터이다. 이러한 회로(1000)는 통상적으로: 입력 전압을 수신하기 위한 입력(1002), 입력 전류를 이진 방식으로 제어하기 위한 패스 트랜지스터(1018); 트랜지스터(1018)가 스위치오프되면 전류 경로를 제공하기 위한 쇼트키, 또는 다른 고속 복원 다이오드(1020); 인덕터(1022); 커패시터(1024); LED 어레이에 출력 전류를 제공하기 위한 단자(1006); 복귀 경로를 제공하기 위한 단자(1008); LED 어레이를 통과하는 전류에 비례하는 전압이 생성하는 전류 감지 저항(1010); 전류 감지 저항(1010)으로부터의 전압을 스케일링하는 증폭기(1012); 및 증폭기(1012)로부터의 전압을 기준 전압과 비교하고 트랜지스터(1018)에 적용되는 듀티 사이클이 원하는 전류를 유지하도록 제어하는 제어기 회로(1004)를 포함한다. 비한정적인 예시를 위하여, 제어기(1004)가 2.4 볼트의 기준 전압을 가지면, 증폭기(1012)는 저항(1014 및 1016)에 의하여 결정되는 것처럼 6 의 이득을 가질 것이며, 따라서 20 암페어가 증폭기(1012)의 출력에서 2.4 볼트를 생성할 것이다. 제어기(1004)는 부트스트랩 다이오드(1026) 및 커패시터(1028)를 포함하는 부스트 회로를 포함하여, 게이트 트랜지스터(1018)로 들어가는 출력이 입력(1002)에서의 전압보다 더 높아져서, N-채널 디바이스(1018)가 사용되게 하용하게 하는 것이 바람직하다.
도 9 의 회로(900)와 같은 선형 회로 또는 도 10 의 회로(1000)와 같은 스위치 모드 레귤레이터를 선택하는 것은 여러 인자들을 균형을 맞추는 작업을 수반할 것이라는 것이 당업자에게 명백해질 것이다. 입력 전압을 신중히 선택하여 풀 휘도가 되면, 두 회로들의 효율은 비슷해진다. 디밍 도중에, 스위치 모드 회로는 선형 회로보다 더 양호한 효율을 가질 것이다. 그러나, 선형 회로가 훨씬 저렴하고, 경량이며, 스위치 모드 시스템에 의해 대두되는 전기장 방출의 문제를 일으키지 않는다.
본 발명은 빛의 역 제곱 저하 성질을 보상하기 위해서 LED들의 비대칭 어레이를 포함할 수 있다는 것이 당업자에게 명백해질 것이다. 이런 특정한 문제점은 광 빔이 타겟에 직각이 아닌 각도에서 도달하도록 광원이 조준되는 경우에 생긴다. 발광 다이오드에 의하여 생성된 빛을 단일 렌즈를 통해서 전달함으로써, 빛의 비대칭 성질이 기구의 타겟 위치에서 보존될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 개별 렌즈를 가지는 LED로부터 얻어진 것과 유사한 결과를 얻기 위해서는, 어레이가 조명된 영역에 대해 균일한 조명이 가능하게 하기 위하여 변동하는 빔 크기를 제공하도록 많은 상이한 렌즈들을 채용할 필요가 있을 것이다.
특정 현장에 대해서 필요한 기구들의 정확한 개수는 광 레벨을 넘어서는 여러 인자들에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 필드로부터 폴(104)(도 1)을 멀리 위치시키는 것, 조명 폴의 높이, 조명될 면적, 관중석과 사이드라인 등을 얼마나 많이 비출지, 설치 비용, 작동 비용, 유지 보수 비용이 모두 조명 계획에서 고려되는 사항들이다. 현존하는 스타디움에 메탈 할라이드 조명을 장착할 때, 기구에 대한 원래의 조명 계획에 따르면 동일한 개수의 기구들이 채용될 수 있을 것으로 보인다. 기구들은 원하는 광 레벨을 생성하려면 단지 디밍될 것이다. 기구를 디밍하는 것과 특정 이벤트에 대해 디밍(맞춤화)할 수 있는 능력이 기구의 효율을 극대화할 것이고, 비용 절약 효과를 제공할 것이라는 것이 당업자에게 명백하게 이해될 것이다. 다르게 말하면, 기구는 오직 필요한 양의 광만이 특정 이벤트에 대해 생성되도록 디밍될 수 있고, 따라서 에너지와 비용을 절약한다.
본 발명이 약 46 내지 48 볼트인 DC 전력으로 구동된다는 것에도 역시 주의해야 한다. 삼상 전력이 이용될 수 있는 대형 스타디움에서는, 6-다이오드 브릿지로 정류될 경우 약 46 내지 48 볼트 DC를 생성하고 단일 폴에 대한 기구들의 전체 어레이에 대해인-벌크(in-bulk) 형태로 적합한 전력을 생성할 삼상 변압기를 선택하는 것이 유익할 수도 있다. 삼상 전력이 쉽게 이용될 수 없는 경우, 또는 전력 유틸리티로부터 측정된 전류의 총고조파 왜곡이 관심사인 설비에서는, 선전압( line voltage)을 수신하고 46 내지 48 볼트 DC를 공급하는 파워 서플라이를 사용하는 것이 더 실용적일 수 있다. 1000 와트의 전력을 공급할 수 있는 이러한 파워 서플라이는 당업계에 주지되어 있으며, 쉽게 입수가능하다.
삼상 전력이 이용가능한 하나의 다른 바람직한 실시예에서, 변압기는 밸러스팅(ballasting) 효과를 제공하도록 포함될 수도 있다. 도 13 을 참조하면, 밸러스팅 변압기(1310)의 개략도가 도시된다. 밸러스팅 변압기(1310)는 3 개의 요소: 변압기(1312); 정류기(1314), 및 커패시터(1316)를 포함하는 것이 바람직하다. 변압기(1312)는 당업계에 공지된 삼상 480V 내지 35V 변압기일 수 있다. 정류기(1314)는 총괄하여 1318 로 표시되는 6-다이오드 브릿지인 것이 바람직하다. 커패시터(1316)는 10,000 마이크로패럿 전해 커패시터인 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 3 개의 요소들은 당업자에 의하여 당업계에 알려진 바와 같이 변경될 수 있다는 것이 이해된다.
변압기(1312)는 내재적으로 전류 한계를 가진다. 이것은, 작동 주파수의 관점에서 권선의 인덕턴스가 변압기의 출력 전류를 제한하기 때문이다. 결과적으로, 변압기(1310)는 단일 폴에 대한, 또는 단일 기구에 대한 기구들의 전체 어레이에 대한 필수 전력을 인-벌크 형태로 제공하게 된다. 도 13 의 회로는 변압기(1312)가 자기-밸러스팅(self-ballasting) 타입이 아닌 경우에도 역시 적용될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하게 이해될 것이다. 빛이 디밍되는 동안 회로에 의해 출력되는 전압이 약간 증가될 것이다. 이것은 전류 레귤레이터의 트랜지스터 내에 열 손실이 증가하게 할 것이지만, 그 외에는 기구의 동작에 영향을 주지 않을 것이다.
바람직한 실시예에서, 도 14 에서 도시되는 바와 같이, 제어 및 데이터 수집의 목적으로, 디지털 인터페이스(1410)가 하나의 기구 또는 복수 개의 기구(1414)를 호스트(1412)와 연결시키기 위하여 제공될 수 있다. 호스트(1412)(컴퓨터)와의 이러한 디지털 인터페이스(1410)는 임의의 공지된 방식으로, 예컨대 인터넷 프로토콜(RS-232; 이더넷; USB; 또는 당업자에게 알려진 다른 적합한 통신 인터페이스로 이루어질 수 있다. 디지털 인터페이스(1410)는 유선이거나 무선일 수 있다. 디지털 인터페이스(1410)의 목적은 조명 기구를 총괄하여(도 1 에 도시된 바와 같이) 그리고 개별적으로 제어하는 것이고, LED 어레이의 입력 전압/강도/디밍을 제어할 수 있지만 이것은 한정하는 것이 아니다. 또한 디지털 인터페이스는 별개의 각각의 조명 또는 조명의 폴 전체의 동작 조건을 모니터링 하고 추적하기 위하여 유용할 수 있다. 동작 조건은 LED 온도, 팬 속도/공기 흐름 및 다른 유용한 조건을 포함할 수 있다. 예를 들어, LED 온도와 같은 조건은 개개의 기구의 팬 속도 또는 복수 개의 기구와 관련된 조건과 같은 제어 기능에 영향을 줄 수 있다.
디지털 인터페이스(1410)는 호스트 컴퓨터(1412)에서 데이터가 수집되어, 다른 콘텍스트에서는 통계적 공정 제어라고 알려진 방식으로 유용한 경향성이 관찰될 수 있게 한다. 호스트 컴퓨터(1412)는 조명 기구(1414)의 동작 조건/경향을 추적하는 소프트웨어를 포함하는 것이 바람직하다. 경향성을 추적하면, 더 큰 문제가 되거나 기구 또는 시스템 고장을 유발하기 이전에 고장이 발생된 시스템을 식별할 수 있게 된다. 한정적이지 않은 예로서, 공지된 온도 조건, 예컨대 75°F에서, 호스트 컴퓨터의 소프트웨어는 시간이 지남에 따라서 조명 기구 내의 팬이 특정 CFM(분당 입방피트)의 정상 동작 범위를 가진다고 결정할 수 있다. 호스트 컴퓨터의 소프트웨어는, 개별 조명 기구 중 하나 이상에 있는 팬의 CFM이 동일한(온도) 조건에서 언제 하향으로 변화되는지를 검출하도록 추가적으로 프로그래밍될 수 있다. 그러면, 그 팬 또는 다른 팬들에 고장이 발생하기 이전에 조명 기구(들)의 유지보수가 필요하다고 운영자에게 경고할 수 있다. 결과적으로, 그 팬 또는 다른 팬들은 고장이 발생하기 이전에 수리되거나 교체되어, 기구 내의 전체 LED 어레이에 고장이 발생하는 것을 막을 수 있다. 따라서, 어떤 이벤트 도중에 기구에 고장이 발생하는 것을 피할 수 있고, 전체 기구를 큰 비용을 들여 보수하고나 교체하는 것도 피할 수 있다. 팬과 관련된 특정한 예는 오직 예를 들기 위한 것이고, 다른 동작 조건/데이터가 고려될 수 있으며, 당업자(후술되는 도 13 의 밸러스트 변압기(1310))와 같은 분야)가 명백하게 이해할 수 있는 것처럼 식별되고 경향성에 대하여 추적될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
당업자에게 명백하게 이해될 수 있는 것처럼, 본 발명의 조명 기구는 건물 조명에도 널리 사용될 수 있다. 역 제곱 저하를 극복하기 위하여 사용된 LED들의 비대칭 어레이가, 빌딩을 청소할 때 공통적으로 발견되는 극단 입사각에서의 빛의 외관을 개선하기 위해서 과장될 수 있다는 것에 주의해야 한다.
마지막으로, 본 발명의 바람직한 실시예가 플라스틱 프레넬 렌즈를 채용하는 것으로 설명되었지만, 본 발명은 이와 같이 한정되지 않는다. 하나의 유리 렌즈가 동일한 결과를 얻기 위해서 채용될 수 있다는 것과 본 발명이 다수의 렌즈를 사용하도록 쉽게 변경될 수 있다는 것은 명백할 것이다.
따라서, 본 발명은, 목적들을 실행하고 전술된 목표와 장점 그리고 내재되는 목표와 장점들을 획득하기 위하여 양호하게 적응된다. 현재 바람직한 실시예들이 본 명세서의 설명 목적을 위하여 기술되었지만, 다양한 변경과 수정이 당업자들에게 명백해질 것이다. 이러한 변형예와 변경예는 망라되어 본 발명의 사상 안에 포함된다.

Claims (20)

  1. 단일 광학 LED 현장 조명 기구(fixture)로서,
    적어도 450 와트의 입력 전력을 가지는 LED 모듈과 제 1 렌즈를 포함하는 제 1 하우징 - 상기 제 1 하우징은 반사체를 포함하고, 풍우밀(weather-tight) 방식으로 밀봉될 수 있음 -;
    상기 LED 모듈과 열접촉 상태에 있는 방열 블록 - 상기 방열 블록은 상기 방열 블록과 열소통 상태에 있는 방열 튜브를 포함하고, 상기 방열 튜브는 적어도 하나의 방열 핀(heat fin)과 열소통 상태에 있음 -; 및
    주변 공기의 흐름을 수용하도록 구성되는 통풍로를 제공하고, 상기 주변 공기의 흐름의 적어도 일부가 상기 방열 튜브 위로 흐르게 하고 그리고 상기 주변 공기의 흐름의 적어도 일부가 상기 적어도 하나의 방열 핀 위로 흐르게 하는 제 2 하우징을 포함하고,
    상기 LED 현장 조명 기구는 지지대로의 기계적 연결을 허용하도록 구성되는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구는,
    팬을 더 포함하는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  3. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 방열 핀은 상기 제 2 하우징을 형성하는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구는,
    상기 통풍로와 유체 소통 상태인 팬을 더 포함하고,
    상기 팬은 상기 주변 공기의 흐름을 상기 통풍로 안으로 끌어당기도록 구성되는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 튜브는 액체 냉각되는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈는 유리인, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사체는 적어도 상기 제 1 하우징의 세그먼트를 형성하는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구는 호스트 컴퓨터를 더 포함하고,
    디지털 인터페이스가 상기 호스트 컴퓨터를 상기 LED 모듈에 연결하는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구는,
    차양(visor)을 더 포함하는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 모듈은 칩-온-보드 타입 모듈인, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 LED 모듈은 인쇄 회로 보드 위에 장착된 복수 개의 LED를 포함하는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 모듈은 복수 개의 독립적으로 디밍가능한 전기 채널로 분할되는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구는 복수 개의 반사체를 더 포함하는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED는 스위치 모드 파워 서플라이와 전기 통신 상태인, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 스위치 모드 파워 서플라이는 상기 LED 모듈로부터 떨어져서 위치되는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구는 디지털 디밍 인터페이스를 더 포함하는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 디지털 디밍 인터페이스는 이더넷을 사용하여 통신하는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 디지털 디밍 인터페이스는 WiFi를 사용하여 통신하는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  19. 단일 광학 LED 현장 조명 기구로서,
    적어도 450 와트의 입력 전력을 가지는 LED 모듈과 제 1 렌즈를 포함하는 제 1 하우징 - 상기 제 1 하우징은 반사체를 포함하고, 풍우밀 방식으로 밀봉될 수 있음 -;
    상기 LED 모듈과 열접촉 상태에 있는 방열 블록 - 상기 방열 블록은 상기 방열 블록과 열소통 상태에 있는 방열 튜브를 포함하고, 상기 방열 튜브는 적어도 하나의 방열 핀과 열소통 상태에 있음 -; 및
    주변 공기를 수용하도록 구성되는 통풍로를 제공하고, 상기 주변 공기가 상기 방열 튜브와 열소통 상태에 있게 하고 그리고 상기 주변 공기가 상기 적어도 하나의 방열 핀과 열소통 상태에 있게 하는 제 2 하우징을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 방열 핀은 상기 제 2 하우징을 형성하고,
    상기 LED 현장 조명 기구는 지지대로의 기계적 연결을 허용하도록 구성되는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
  20. 단일 광학 LED 현장 조명 기구로서,
    적어도 450 와트의 입력 전력을 가지는 LED 모듈과 제 1 렌즈를 포함하는 제 1 하우징 - 상기 제 1 하우징은 반사체를 포함하고, 풍우밀 방식으로 밀봉될 수 있음 -;
    상기 LED 모듈과 열접촉 상태에 있는 방열 블록 - 상기 방열 블록은 상기 방열 블록과 열소통 상태에 있는 방열 튜브를 포함하고, 상기 방열 튜브는 적어도 하나의 방열 핀과 열소통 상태에 있음 -;
    주변 공기를 수용하도록 구성되는 통풍로를 제공하고, 상기 주변 공기의 흐름이 상기 방열 튜브를 지나고 상기 적어도 하나의 방열 핀 위로 흐르게 하는 제 2 하우징 - 상기 적어도 하나의 방열 핀은 상기 제 2 하우징을 형성함 -; 및
    상기 통풍로와 유체 연통되는 팬을 포함하고,
    상기 팬은 주변 공기를 상기 통풍로 내로 그리고 상기 방열 튜브를 지나고 상기 적어도 하나의 방열 핀 위로 흡인하도록 구성되어 있고,
    상기 LED 현장 조명 기구는 지지대로의 기계적 연결을 허용하도록 구성되는, 단일 광학 LED 현장 조명 기구.
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