KR20080058393A

KR20080058393A - 규격 개선 ｌｅｄ 모듈

Info

Publication number: KR20080058393A
Application number: KR1020087008932A
Authority: KR
Inventors: 스테이시 에이치 웨스트
Original assignee: 매그 인스트루먼트, 인크.
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-06-25
Also published as: HRP20141024T1; US20160262236A1; SG165377A1; ZA200803090B; EA011999B1; WO2007035390A3; TWI407038B; ES2524608T3; JP2009509301A; WO2007035390A2; CA2622832C; CA2622832A1; US20070058366A1; EP1945998A2; DK1945998T3; EP1945998A4; NZ566762A; US8847520B2; CR9884A; CN101400942B

Abstract

열적으로 자기 안정화하고, 현재의 손전등 내에 개장(改裝)될 수 있는 개선된 LED 모듈이 제공된다. 일 실시예에서, LED 모듈은 발광 다이오드, 증폭 회로 및 마이크로칩을 포함한다. 증폭 회로는 발광 다이오드로부터의 열을 감지하기 위한 온도 감지 장치를 포함한다. 증폭 회로의 출력은 마이크로칩에 입력되고, 발광 다이오드에 전달되는 에너지를 조정하는 스위칭 장치로 출력된다. 스위칭 장치는 부스팅 회로, 버킹 회로 또는 인버팅 회로의 일부일 수 있다.

발광 다이오드, 부스팅 회로, 버킹 회로, 인버팅 회로

Description

규격 개선 ＬＥＤ 모듈{SPECIFICATION IMPROVED LED MODULE}

본 발명의 분야는 발광 다이오드(LED)를 포함하는 조명 모듈에 관한 것으로서, 특히, 손전등(flashlights)과 같은 헨드헬드 휴대용 조명 장치(hand held portable lighting devices)에서 사용하기 위한 에너지 조정형의, 열적으로 안정한 LED 기반 모듈(an energy regulating, thermally stable LED based module)에 관한 것이다.

LED는 시계 조명, 원격 제어부로부터의 정보 전송, 및 대형 텔레비전 화면에 대한 화상 형성을 포함하는 다양한 응용에 사용되어 왔다. 보다 최근에는 LED가 (손전등과 같은) 휴대용 조명 장치에 사용되고 있는데, 이는 다른 것들 중에서 LED가 통상의 손전등에 일반적으로 사용된 백열등보다 길게 지속될 수 있고, 광을 보다 효율적으로 발생할 수 있으며, 긴 내구성을 가질 수 있기 때문이다. 더욱이, 백열등을 사용하는 손전등이 이 분야를 지배하고 있기 때문에, 현재의 손전등에 개장(改裝; retrofit)될 수 있는 LED 모듈(광원으로서 LED를 사용하는 모듈)이 설계되어 왔다.

현재의 손전등의 백열등을 다른 작업 없이 LED 모듈로 단순히 대체하면, 열적으로 안정한 조건에서 LED를 그 가능한 조명 능력에서 동작시키는 것에 실패하게 되는 문제가 발생한다.

LED는 순방향 전류를 증가시키면 보다 많은 광을 발생하는 것으로 알려져 있다. 이용가능한 전압이 풍부한 상황에서, LED는 그 최대 순방향 전류 값 가까이 구동되어 보다 많은 광을 발생할 수 있다. 그러나, 배터리 전원식 손전등의 경우에서와 같이, 이용가능한 전압이 제한되거나 시간에 따라 격감되는 경우, LED의 최대 값에 가깝게 순방향 전류를 전달하는 것은 불가능할 수 있다. 현재의 손전등에 포함된 배터리 또는 배터리들이 너무 많은 전압을 제공하여, LED의 최대 값보다 높은 순방향 전류를 전달함으로써, 결과적으로 LED를 손상시키는 경우도 위와 비슷하게 고려된다.

현재의 손전등의 백열등을 LED 모듈로 단순히 대체하면, LED와 관련된 열 문제를 해결하는데 실패하게 되는 또 다른 문제가 발생한다. LED는 그것의 백열등 대응물보다 효율적으로 광을 발생하지만, LED는 훨씬 더 많은 열을 발생한다. 따라서, LED 온도를 그 설계 제한 내에 유지하기 위해서는, 효율적인 열 소산이 필요하다. 손전등에서 광원에 의해 발생된 열을 효율적으로 소산하는 한 가지 방법이, 2004년 8월 20일자 출원된 개선된 LED 손전등(Improved LED Flashlight)이란 제목의 공동 계류중인 출원 10/922,714호에 개시되어 있으며, 본 명세서에서 참조로 인용된다.

그러나, 개장을 위해 설계된 LED 모듈의 경우에, LED 모듈이 그 안에 사용되는 현재의 손전등은 LED에 의해 발생된 열 증가를 충분히 소산하지 못할 수 있다. 대부분의 LED는 규정 LED 동작 온도 유지를 요건으로 하는 계획된 수명과 루멘 용 량(lumen capacity)을 갖는다. 이 온도가 유지되지 않는 경우, LED가 발생한 광의 수명 및/또는 강도가 감소한다. 따라서, LED 모듈이 개장되는 현재의 손전등이 이 점을 충분히 고려하지 않는다면, LED 모듈 자체는 LED 또는 LED를 제어할 수 있는 전자부품들의 손상을 방지하도록 LED가 발생하는 열의 양을 자기 제어(self-control)해야만 한다.

현재의 LED 모듈은 LED에 전달된 전류를 그 가능한 발광 능력보다 훨씬 아래의 안전한 레벨의 연속 값으로 제한함으로써 열 소산 문제의 해결을 시도해 왔다. 그러나, 이러한 방법은 LED 발광 능력을 비효율적으로 사용하게 하고, LED의 완전한 조명 능력을 결코 얻을 수 없다.

본 발명은 에너지 조정 및 열적 자기 안정화(self-stabilizing)가 가능하고, 현재의 손전등에 개장될 수 있는 조명 모듈을 포함한다.

일 실시예에서, 조명 모듈은 LED, 증폭 회로 및 마이크로칩을 포함한다. 증폭 회로는 LED로부터의 열을 감지하도록 배치된 서미스터(thermistor)를 포함한다. 마이크로칩은 LED에 전달되는 에너지를 조정하기 위해 증폭 회로 및 스위칭 장치에 접속된다. 스위칭 장치는 부스팅 회로(boosting circuit), 버킹 회로(bucking circuit) 또는 인버팅 회로(inverting circuit)의 일부일 수 있다.

제2 실시예에서, 조명 모듈은 도전 하우징(conductive housing), LED 및 회로 기판(circuit board)을 포함한다. 회로 기판은 LED에 전기적으로 결합되는 모듈 회로를 포함한다. 회로는 적어도 부분적으로 하우징의 캐비티(cavity) 내에 포함되고, 또한 LED로부터의 열을 감지하기 위한 서미스터를 갖는다. 서미스터는 증폭 회로에 결합될 수 있다. 증폭 회로의 이득은 서미스터에 의해 감지된 온도에 따라 조정될 수 있다. 증폭 회로의 출력은 또한 마이크로칩에 대한 입력일 수 있다.

다른 실시예에서, 모듈은 LED의 감지된 온도를 기반으로 LED에 전달되는 에너지를 조정하도록 구성된 모듈 회로를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, LED 모듈은 에너지 조정 회로 및 열 감지 증폭 회로를 포함하는 모듈을 가질 수 있다.

도 1A는 전자 장치의 메인 회로의 일 실시예의 회로도이다.

도 1B는 도 1A의 메인 회로를 구현하는 손전등의 단면도이다.

도 2는 도 1B의 손전등의 앞 부분의 확대 단면도이다.

도 3은 모듈 회로의 일 실시예의 회로도이다.

도 4A는 도 3의 모듈 회로를 구현하는 LED 모듈의 단면도이다.

도 4B는 도 3의 모듈 회로를 구현하는 LED 모듈의 전개도이다.

도 4C는 도 3의 모듈을 구현하는 LED 모듈의 사시도이다.

도 5는 모듈 회로의 제2 실시예의 회로도이다.

도 6은 모듈 회로의 제3 실시예의 회로도이다.

이제 도면을 참조하면, 도 1A에 도시한 바와 같이, 전자 장치의 메인 회로(70)의 일 실시예의 개략도는 전원(2), 메인 스위치(4) 및 LED 모듈(40)을 포함 한다. 전원(2)으로부터의 에너지는 바람직하게 LED 모듈(40)을 구동하고, 메인 스위치(4)는 LED 모듈(40)에 전달되는 에너지를 제어한다. 본 발명의 일 실시예에서, 메인 스위치(4)는 단순히, 전원(2)으로부터의 이용가능한 에너지를 LED 모듈(40)에 전달하거나 차단한다.

도 1B를 참조하면, 메인 회로(70)가 손전등(10)의 일 실시예에 도시된다. 손전등(10)은 배럴(barrel)(12), 테일캡 어셈블리(tailcap assembly)(20), 헤드 어셈블리(30), LED 모듈(40) 및 메인 스위치 어셈블리(50)를 포함한다. 도시한 실시예에서, 배럴(12)은 두 개의 배터리(14, 15)를 포함하고 있다. 헤드 어셈블리(30) 및 LED 모듈(40)은 바람직하게 배럴(12)의 전단부 근처에 배치되고, 테일캡 어셈블리(20)는 바람직하게 배럴(12)의 후단부를 에워싸도록 배치되며, 메인 스위치 어셈블리(50)는 바람직하게 LED 모듈(40)과 배터리(14, 15) 사이에 개재된다.

도시한 실시예에서, 배터리(14, 15)는 메인 회로(70)의 전원(2)으로서 동작한다. 바람직한 실시예에서, 배터리(14, 15)는 알카라인형 건전지 배터리이다. 그러나, 다른 적합한 휴대용 에너지원이 사용될 수 있는데, 리튬 이온(Lithium-Ion), 니켈 금속 수소화물(Nickel Metal Hybride), 또는 니켈 카드뮴(Nickel-Cadmium) 셀들과 같은 충전식 배터리들을 포함한다.

배럴(12)은 바람직하게 소정 수의 배터리를 포함하기에 적합한 길이를 갖는다. 도시한 실시예에서, 배럴(12)은 두 개의 배터리(14, 15)를 포함하기에 적합한 길이를 갖는다. 그러나, 여기에서는 하나 이상의 배터리를 수용하기 위한 다양한 길이의 배럴들을 생각할 수 있다.

도시한 실시예에서, 메인 스위치 어셈블리(50)는 메인 회로(70)의 메인 스위치(4)로서 동작한다. 도 2를 참조하면, 배터리(14, 15)로부터 메인 스위치 어셈블리(50)로의 에너지가 바람직하게 가장 앞쪽 배터리(14)와 메인 스위치 어셈블리(50) 사이에 개재된 접촉 버튼(16)을 통해 흐른다.

메인 스위치 어셈블리(50)는 바람직하게 유저 인터페이스(68), 플런저(plunger)(72), 스냅 돔(snap dome)(73), 메인 스위치 회로 기판(74), 메인 스위치 배터리 접점(75), 메인 스위치 모듈 접점(76) 및 스위치 하우징(77)을 포함한다. 도시한 실시예에서, 가장 앞쪽 배터리(14)의 중심 전극은 접촉 버튼(18)을 통해 메인 스위치 배터리 접점(75)에 전기적으로 결합되고, 메인 스위치 배터리 접점(75)은 메인 스위치 회로 기판(74)에 전기적으로 결합되며, 메인 스위치 회로 기판(74)은 메인 스위치 모듈 접점(76)에 전기적으로 결합된다.

메인 스위치 어셈블리(50)는 바람직하게 순시 스위치(momentary switch)이다. 유저 인터페이스(68)가 눌려지는 경우, 플런저(72)가 스냅 돔(73)을 밀어서 메인 스위치 회로 기판(74)의 선택 부분과 접촉시킨다. 이 순시 접촉은 메인 스위치 회로 기판(74)에 대한 신호로서 수신되고, 이어서 스위치 회로 기판(74)은 배터리(14, 15)로부터의 에너지 흐름을 메인 스위치 모듈 접점(76)으로 통과시키거나 또는 차단한다. 이렇게 하여 메인 스위치 어셈블리(50)는 손전등(10)을 턴온 또는 턴오프할 수 있다. 또한, 메인 스위치 회로 기판(74)은 광원, 또는 예시된 실시예에서 LED 모듈(40)에 전달된 전류에 영향을 미침으로써, 예를 들어, 플래싱(flashing), 디밍(dimming), 또는 스트로빙(strobing) 등의 기능을 손전등(10)에 제공하는데 적합한 회로를 포함할 수 있다. 다른 기능들로는 전자 게임, 글로벌 포지셔닝 트랜스폰더(global positioning transponder), 디지털 나침반, 또는 다른 상업적으로 바람직한 기능들이 포함될 수 있다.

계속해서 도 2에 도시된 실시예를 참조하면, 메인 스위치 배터리 접점(75) 및 모듈 접점(76)은 접촉 버튼(16) 및 스프링(17) 각각에 대해 누르는 굴곡 스프링 또는 바이어싱 요소를 포함하도록 구성된다. 메인 스위치 배터리 접점(75) 및 모듈 접점(76)의 굴곡 스프링 부분을 스위치 하우징(77)에 대향하게 배치함으로써, 접점(75, 76)에 의해 생성된 스프링 힘이 스위치 하우징(77)에 전달되고, 메인 스위치 회로 기판(74)이, 예를 들어, 배터리(14, 15) 이동 및 메인 스위치 어셈블리(50) 상의 누름으로부터 바람직하게 보호되도록 한다. 이렇게 하여, 바이어싱 요소들에 의해 효과적인 전기 접속을 유지하면서, 메인 스위치 회로 기판(74) 등의 고감도 부품들을 보호할 수 있다.

전술한 바와 같이, 메인 스위치 어셈블리(50)가 손전등(10)의 턴 온 및 오프를 위한 구성을 제공하지만, 이러한 기능을 제공하기 위해, 간단한 기계식 스위치와 같은 다른 적합한 스위치들을 이용할 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 기술한 메인 스위치 어셈블리(50)는 바람직하게 손전등(10)에서 기능들을 추가, 개량 또는 제거하기 위한 유연한 구성을 제공한다. 또한, 전술한 메인 스위치 어셈블리(50)는 기계식 스위치에서 종종 경험할 수 있는 접점들 사이의 높은 산화 문제를 회피한다.

도 2를 계속해서 참조하면, 바람직하게, 메인 스위치 어셈블리(50)로부터 LED 모듈(40)로 흐르는 전류는, 하나의 단부에서 메인 스위치 모듈 접점(76)에, 그리고 다른 단부에서 LED 모듈(40)에 전기적으로 접속되는 스프링(17) 및 리셉터클(receptacle)(18)(스프링(17)의 전단부 근처에 배치됨)을 통해 달성된다. 스프링(17)은 리셉터클(18)을 LED 모듈(40)의 양의 접점(positive contact) 쪽으로 구속(urge)한다. 도시된 실시예에 있어서, 전류는 양의 접점(28)에서 LED 모듈(40) 내로 흐르고, LED 모듈의 외부 하우징(24)에서 LED 모듈(40)로부터 흘러나온다. 그 다음, 전기 에너지는 바람직하게 도전 수단을 통해 배럴(12)로 전달되고 테일캡 어셈블리(20)를 통해 가장 뒤쪽 배터리(15)의 음의 단부로 복귀한다. 이러한 방식으로 손전등(10)의 메인 회로(70)가 완성된다.

바람직하게, 배럴(12)은 도전 물질, 바람직하게는 알루미늄으로 만들어져서 LED 모듈(40)과 전원(2), 즉, 배터리(14, 15) 사이의 메인 회로(70)의 전류 경로의 일부로서 동작할 수 있다. 그러나, 배럴(12)은 이와는 달리 플라스틱 또는 고무와 같은 비도전 물질로 만들어질 수 있으며, 전류 경로의 일부로서 역할을 하도록 비도전 배럴 내에 도전 슬리브(sleeve)를 가짐으로써 전류 경로를 포함할 수 있다. 이러한 슬리브는 Anthony Maglica의 미국 특허 제4,656,565호 및 제4,851,974호에 개시되어 있으며, 이들은 본 명세서에서 참조로 인용된다. 대안적인 실시예에서, 배럴 내의 도전 스트립이 전류 경로의 일부로서 동작할 수 있다. 이러한 스트립은 미국 특허 제6,585,391호에 개시되어 있다.

도 1B를 참조하면, 테일캡 어셈블리(20)는 바람직하게 캡 스프링(6) 및 캡(8)을 포함한다. 테일캡 어셈블리(20)는 LED 모듈(40)과 전원(2) 사이의 전류 경로의 일부일 수 있고, 배럴(12)을 통하는 전류를 수신할 수 있다. 일 실시예에서, 배럴(12)로부터 캡(8)으로, 캡 스프링(6)으로, 이어서 가장 뒤쪽 배터리(15)의 음의 접점으로 전기 경로가 형성될 수 있다. 이와 달리, 전기 경로는 캡(8)을 우회해서 배럴(12)로부터 캡 스프링(6)을 통해 직접적으로 배터리(15)로 흐를 수 있다. 다른 실시예는 테일캡 어셈블리(20)를 완전히 우회해서 배럴(12)을 배터리에 전기적으로 접속하는 전기 경로를 제공할 수 있다. 캡 스프링(6)을 갖는 테일캡 어셈블리(20)는 손전등(10) 내에 포함된 부품들 사이의 스프링 지원식 전기 접속을 유지하기 위한 효과적인 구성을 제공한다.

도 1B 및 도 2에 도시한 바와 같이, 헤드 어셈블리(30)는 헤드(31), 리플렉터(reflector)(33), 렌즈(35) 및 캡(39)을 포함한다. 리플렉터(33) 및 렌즈(35)는 도 2에 도시한 바와 같이 헤드(31)와 캡(39) 사이에 개재된다. 리플렉터(33)는 바람직하게 LED 모듈(40)로부터 방사되는 광을 반사하기 위한 반사 포물선 면을 포함한다. 헤드 어셈블리(30)는 스레드 결합(thread engagement)에 의해 배럴(12)에 고정될 수 있다.

이미 전술하고, 도 1A에서 개략적으로 도시한 바와 같이, 전원(2)으로부터의 전류는 LED 모듈의 양의 접점(28)에서 LED 모듈(40)로 흐르고, LED 모듈의 외부 스프링(24)으로부터 LED 모듈(40)로부터 흘러나온다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 LED 모듈(40)의 일 실시예의 개략도는 일반적으로 LED 램프(22) 및 모듈 회로(38)를 포함한다.

도 3, 4A, 4B, 및 4C를 참조하면, LED 램프(22)는 바람직하게 상업적으로 이 용가능하고, LED, 및 모듈 회로(38)가 접속되는 LED 리드(82, 83)를 포함한다. 전형적으로, LED는 허용가능한 동작 조건에 따라 정격을 갖는다. 예를 들어, LED는 1000mA의 최대 순방향 전류 정격과, 135℃의 최대 LED 접합 온도로 제한될 수 있다.

본 발명의 목적은 LED 램프(22) 또는 LED 모듈(40)을 형성하는 전자부품들을 손상시키지 않고, 가능한 한 많은 광을, 가능한 한 길게 발생하는 LED 램프(22)를 갖는 것이다. 이 목적은 LED 램프(22)로 흐르는 전류를 조정하고, LED 램프(22)로부터 발생되는 열을 모니터링함으로써 달성된다. 바람직한 실시예에서, 온도 감지 장치가, LED 주위의 조건을 모니터링하도록 LED 모듈(40) 내에 배치된다. 바람직하지 못한 온도 증가가 감지되면, LED 램프(22)로 전달된 전류는 LED 및 전자부품들을 열 손상으로부터 보호하도록 감소될 수 있다. 바람직하지 못한 온도 감소가 감지되면, LED 램프(22)로 전달된 전류가 증가되어, LED 램프(22)가 보다 많은 광을 발생하도록 한다.

도 3을 참조하면, 모듈 회로(38)의 제1 실시예는 바람직하게 제어 전압 부스팅 회로(44), 열 감지 증폭 회로(52) 및 감지 저항(48)을 포함한다. 전압 부스팅 회로(44)의 제어는 피드백에 의해 그 출력을 조정함으로써 수행된다. 부스팅 회로(44)는 LED 모듈(40)을 구동하는 전원(2)이 원하는 순방향 전류를 전달하는데 필요한 것 아래의 최대 전위를 갖는 상황에서 유용하다. 예를 들어, 백열등(10)이 직렬 배치된 두 개의 알카라인형 건전지 배터리를 포함하는 경우, 두 개의 배터리는 1.8볼트 내지 3.0볼트의 동작 범위를 갖는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 그 러나, LED의 최대 순방향 전류 정격에 보다 가까운 순방향 전류를 전달하는데 3.5볼트가 필요할 수 있다. 이 경우, 부스팅 회로(44)는 원하는 순방향 전류가 LED 램프(22)에 전달될 수 있도록 이용가능한 전압을 대략 3.5볼트로 승압한다. 부스팅 회로(44)는 또한, 배터리의 전압 레벨이 시간에 따라 감소함에 따라 원하는 순방향 전류를 유지하는 역할을 한다.

바람직한 실시예에서, 부스팅 회로(44)는 스위칭 조정기이다. 도 3을 참조하면, 부스팅 회로(44)는 마이크로칩(46), 스위칭 MOSFET(54), 인덕터(58), 커패시터(59), 및 다이오드(61)를 포함한다. 마이크로칩(46)은 스위칭 MOSFET(54)의 스위칭 듀티 사이클(duty cycle)을 제어한다. 도시한 바와 같이, 스위칭 MOSFET(54), 인덕터(58), 커패시터(59) 및 다이오드(61)는 부스트 컨버터를 형성하도록, 이 기술 분야의 당업자에게 일반적으로 알려진 방식으로 배치된다. 마이크로칩(46)은 열 감지 증폭 회로(52)를 통해 피드백을 수신한다. 피드백이 특정 조정 범위 밖에 있는 경우, 마이크로칩은 조정 범위가 만족될 때까지 MOSFET의 듀티 사이클을 조정한다.

본 명세서에 개시된 부스팅 회로(44)는 입력 전압을 승압(step up)하는 다른 적합한 회로 또는 장치로 구성될 수 있다. 예를 들어, 부스팅 회로(44)의 에너지 저장 요소로서 인덕터(58)를 갖는 대신, 커패시터 또는 트랜스포머와 같은 다른 적합한 에너지 저장 요소가 또한 사용될 수 있다. 또한, 트랜지스터와 같은 다른 적합한 스위칭 장치가 스위칭 MOSFET(54) 대신에 사용될 수 있다.

계속해서 도 3을 참조하면, 전기 경로는 부스팅 회로(44)의 출력을 제1 LED 수신 접점(36)에 접속하고, 제1 LED 수신 접점(36)은 제1 LED 리드(82)에 결합된다. 전류는 LED 램프(22)로부터 제2 LED 리드(83)를 통해 흐르는데, 제2 LED 리드(83)는 제2 LED 수신 접점(37)에 접속되어 있다. 메인 전력 경로는 감지 저항(48)을 통해 그라운드 접점(34)으로 이어진다. 감지 저항(48)은 LED 램프(22)를 통과하는 전류를 측정하는데 사용되고, 감지 저항(48) 양단에서 측정된 전압은 마이크로칩(46)에 대한 피드백으로서 역할을 한다. 바람직하게, 감지 저항(48)은 전력 소모를 최소화하도록 매우 작다. 바람직한 실시예에서, 감지 저항(48)은 0.10옴의 값을 갖는다.

감지 저항(48)이 매우 작기 때문에, 감지 저항(48) 양단에 걸리는 전압 또한 매우 작다. 따라서, 감지 저항 전압이 마이크로칩(46)에 피드백되기 전에, 이 전압은 증폭기 회로(52)에 의해 증폭된다.

본 발명의 열 안정화 특징은 열 감지 증폭 회로(52)에서 구현된다. 도 3을 계속해서 참조하면, 증폭 회로(52)는 연산 증폭기(62), 제1 저항(64), 제2 저항(66) 및 서미스터(56)를 포함한다. 서미스터(56)는 제2 저항(66)과 병렬로 배치된다. 구성된 바와 같이, 이 기술 분야의 당업자라면, 제1 저항(64), 제2 저항(66) 및 서미스터(56)가, 조합하여 증폭 회로(52)의 이득을 정의함을 이해할 것이다. 서미스터(56)는 감지된 온도에 따라 그 저항이 변화하는 온도 응답 저항이다. 따라서, 감지된 LED 램프(22) 온도가 변화할 때, 증폭 회로(52)의 이득이 변화한다.

바람직한 실시예에서, 서미스터(56)는 음의(negative) 저항/온도 계수를 갖 는다. 따라서, LED 모듈(40)의 온도가 증가할 때, 서미스터 저항이 감소하고, 증폭 회로(52)의 이득은 증가한다. 조정 범위보다 높은 마이크로칩 피드백을 가지면, 마이크로칩(46)은 스위칭 MOSFET(54)의 듀티 사이클을 감소시키고, LED 램프(22)에 전달되는 전류를 감소시킨다. 이러한 식으로, LED 램프(22)의 온도 효과가 모니터링되어, LED 또는 제어 전자부품들의 손상을 방지한다. 바람직한 실시예에서, 마이크로칩(46)은 LED 램프(22)에 전달된 전류를, 20℃ 내지 30℃ 사이의 서미스터 감지 온도에서 대략 875mA 내지 930mA 사이로, 23℃ 내지 27℃ 사이에서 880mA 내지 910mA 사이로, 그리고 25 ℃에서 실질적으로 900mA로 조정하도록 구성된다.

고온에서, 마이크로칩(46)은 바람직하게 LED 램프(22)에 전달된 전류를, 80℃ 내지 100℃ 사이의 서미스터 감지 온도에서 대략 330mA 내지 450mA 사이로, 90℃ 내지 100℃에서 330mA 내지 370mA로, 그리고 100℃에서 실질적으로 330mA로 조정하도록 구성된다.

이들 온도/전류 범위는 LED를 열 손상으로부터 효과적으로 방지하는 것으로 발견되었지만, 본 발명은 임의의 특정 온도/전류 범위로 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 이보다는, 본 발명은 LED를 그 가능한 능력에서 동작시키고, 열적으로 자기 안정화하는 LED 모듈에 관한 것이다.

본 명세서에서는 음의 저항/온도 계수를 갖는 서미스터가 개시되었지만, 양의(positive) 저항/온도 계수를 갖는 서미스터가 또한 사용될 수 있다. 더욱이, 전압 출력 온도 센서 등의 다른 적합한 온도 감지 장치가 서미스터 대신에 사용될 수 있다.

또한, 이러한 응용을 위해 적합한 마이크로칩(46)은 프로세서, 마이크로프로세서, 제어기, 집적 회로, ASIC, 또는 이 기술 분야의 당업자에게 알려진 다른 장치일 수 있다.

이렇게 하여, LED 모듈(40)에 의해 손전등의 최초 동작이 고 전력 출력에서 유지되고, 보다 많은 광을 전달하면서도 전자부품들을 열 손상으로부터 보호할 수 있다. 위에서 설명하고 예시한 열 안정화 능력을 갖지 않고, LED 램프(22)를 750mA에서 구동하면, LED에 대한 열 손상이 발생될 수 있다. 저 전류에서 LED 램프(22)를 동작시키면 광이 덜 방출된다.

이제 LED 모듈(40)의 일 실시예의 개략적인 설명을 기술하는데, LED 모듈(40)의 바람직한 물리적인 구현을 도 4A, 4B 및 4C에 도시한다. LED 모듈(40)은 LED 램프(22), 외부 하우징(24), 회로 어셈블리(60) 및 홀더(26)를 포함한다. 회로 어셈블리(60)는 바람직하게 홀더(26)에서 유지되고, 홀더(26)는 바람직하게 외부 하우징(24) 내에 배치되며, LED 램프(22)는 바람직하게 홀더(26)의 전단부에 배치된다.

바람직하게, 외부 하우징(24)은 도전 물질로 만들어진다. 도시한 실시예에서, 외부 하우징(24)은 일반적으로 제1 단부(88), 제2 단부(92) 및 캐비티(94)를 포함하는 리셉터클이다. 캐비티(94)는 그 내부에 홀더(26)를 수용하여 정렬하도록 슬롯 등의 특징부를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 회로 어셈블리(60)는 회로 기판(32), 양의 접점(28), 음의 접점(34), 그리고 제1 및 제2 LED 수신 접점(36, 37)을 포함한다. 바람직하게, 서미스터(56)를 포함하는 모듈 회로(38)의 부품들은 회로 기판(32)에 프린트된 필요 트레이스들을 갖고 회로 기판(32)에 장착된다. 회로 어셈블리(60)는 홀더(26) 내에 유지되도록 구성된다. 도 4A를 참조하면, 바람직하게, 회로 어셈블리(60)의 양의 접점(28)은 홀더(26)의 후단부 상의 개구(78)를 통해 연장한다. 양의 접점(28)은 지지를 위해 홀더(26)의 후단부에 대향하여 밀도록 바람직하게 접혀진다. 회로 어셈블리(60)의 음의 접점(34)은 바람직하게 회로 기판(34)의 전단부 주위에 배치되고, 외부 하우징(24)에 전기적으로 접속되게 배치된다. 이런 식으로 배치되어, 회로 기판(32)에 장착된 회로 부품들은 스프링(17) 및 리셉터클(18) 등으로부터의 기계적인 힘으로부터 바람직하게 보호된다.

도 4B 및 4C를 참조하면, LED 리드(82, 83)는 외부 하우징(24)의 제1 단부(88) 주위의 개구들을 통해 연장하고, 회로 어셈블리(60)의 제1 및 제2 LED 수신 접점(36, 37)에 전기적으로 결합된다. 바람직하게, LED 수신 접점(36, 37)과 LED 리드(82, 83) 사이의 전기 접속은 제조 및 생산 비용을 줄이기 위해 기계적이거나, 또는 특히 마찰(friction)에 의해 이루어진다. 그러나, 납땜과 같은 임의의 적합한 전기 접속 방법이 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이 배치되어, 모듈 회로(38)의 부품들이 회로 기판(32)에 장착되고, LED 모듈(40)에 포함된다. 방금 기술한 LED 모듈(40)의 물리적 배치는 모듈 회로(38)를 구현하고, LED 램프(22)를 그 가능한 조명 능력에서 동작시키면서, LED로부터 발생된 열을 모니터링하고, 필요한 경우 그에 흐르는 전류를 감소시킴으 로써, 열 손상으로부터 전자부품들을 보호하는 하나의 적합한 방법이다. LED 모듈(40), 특히, 외부 하우징(24)의 외부 치수는 바람직하게 PR 형 백열 전구와 일치한다. 이러한 외부 치수를 가짐으로써, 본 명세서에서 기술한 LED 모듈(40)을, 백열 PR 형 백열 전구를 수용하는 현재의 조명등에 개장하는 것이 용이해진다. 그러나, 본 명세서에서 기술한 본 발명은 도시된 바와 같은 외부 치수 또는 특징부들로 한정되지 않는다. LED를 그 가능한 능력에서 동작시키는, 즉, 열적으로 자기 안정화하고, 현재의 조명등에 개장될 수 있는 LED 모듈의 이점 및 장점은 다수의 외부 구성을 통해 성취될 수 있다.

조명등(10)을 통한, 특히, LED 모듈(40)을 통한 에너지 흐름을 이제 기술할 것이다. 배터리(14, 15)로부터의 전기 전류는 메인 스위치 어셈블리(50)를 통해 양의 접점(28)에서 LED 모듈로 흐른다. 양의 접점(28)은 회로 기판(32)에 장착된 모듈 회로(38)에 전기적으로 접속되고, 메인 전력은 부스팅 회로(44)로 흐른다. 부스팅 회로(44)의 출력은 제1 LED 수신 접점(36)으로 흐르고, 이어서 LED 리드(82)로 흐른 다음 LED를 통해 흐른다. 전기 전류는 LED 램프(22)로부터, 제2 LED 리드(83)를 통해 흐르며, 제2 LED 리드는 제2 LED 수신 접점(37)에 결합되어 있다. 메인 전력은 감지 저항(48)을 통과해서 회로 어셈블리(60)의 음의 접점에 전달되는 한편, 감지 저항(48) 전압은 열 감지 증폭 회로(52)에 전달된다.

이어서 메인 전력은 감지 저항을 통과하여, 외부 하우징(24)에 결합된 음의 접점(34)에 전달된다. 외부 하우징(24)은 배럴(12), 테일캡 어셈블리(20), 그리고 최종적으로 가장 뒤쪽 배터리(15)의 음의 단부에 연결되어 메인 회로를 완성한다.

감지 저항(48) 전압은 LED 램프(22) 온도의 함수인 이득에 따라 열 감지 증폭 회로(52)에 의해 증폭된다. 열 감지 증폭 회로(2)의 출력은, 스위칭 MOSFET(54)의 듀티 사이클을 조정함으로써 LED 램프(22)에 전달되는 전류를 조정하는 마이크로칩(46)에 피드백된다.

LED 모듈(40a)의 제2 실시예에서, LED 모듈(40a)에 결합된 전원(2)은 원하는 순방향 전류를 전달하는데 필요한 것보다 높은 전위를 가질 수 있다. 예를 들어, 손전등이 직렬 배열된 4 개의 배터리를 갖는 경우, 손전등은 3.6볼트 내지 6.0볼트의 동작 범위를 갖는다. 이 경우, 모듈 회로(38a)는 바람직하게 부스팅 회로(44) 대신 제어 전압 버킹 회로(84)를 포함한다. 도 5를 참조하면, LED 모듈(40a)의 제2 실시예의 개략도는 일반적으로 LED 램프(22) 및 모듈 회로(38a)를 포함한다. 모듈 회로(38a)는 제어 전압 버킹 회로(84), 감지 저항(48) 및 열 감지 증폭 회로(52)를 포함한다. 전압 버킹 회로(84)의 제어는 피드백에 의해 출력을 조정함으로써 수행된다. 버킹 회로(84) 출력은 LED 램프(22)를 구동하며, 열 감지 증폭 회로(52)를 통해 감지 저항(48) 피드백을 수신한다.

도 5를 참조하면, 버킹 회로(84)는 바람직하게 버크 조정기(buck regulator) 또는 버킹 회로이고, 마이크로칩(46a), 스위칭 MOSFET(54a), 인덕터(58a), 커패시터(59a) 및 다이오드(61a)를 포함한다. 이들 부품은 이 기술 분야의 당업자에게 일반적으로 알려진 방식으로 배치되어 버킹 회로를 형성한다.

LED 모듈(40b)의 제3 실시예에서, LED 모듈(40b)에 결합된 전원(2)은 제1 기간 동안 원하는 순방향 전류를 전달하는데 필요한 것보다 높은 전위와, 제2 기간 동안 필요한 것보다 낮은 전위를 가질 수 있다. 예를 들어, 손전등이 직렬로 배치된 3개의 배터리를 갖도록 구성되는 경우, 그 동작 범위는 2.7볼트 내지 4.5볼트이다. 이 경우, 모듈 회로(38b)는 바람직하게 부스팅 회로(44) 또는 버킹 회로(84) 대신 제어 전압 인버팅 회로(86)를 포함한다. 도 6을 참조하면, LED 모듈(40b)의 제3 실시예의 개략도는 일반적으로 LED 램프(22) 및 모듈 회로(38b)를 포함한다. 모듈 회로(38b)는 제어 전압 인버팅 회로(86), 감지 저항(48), 및 열 감지 증폭 회로(52)를 포함한다. 인버팅 회로(86)의 제어는 피드백에 의해 출력을 조정함으로써 수행된다. 인버팅 회로(86) 출력은 LED 램프(22)를 구동하며, 열 감지 증폭 회로(52)를 통해 감지 저항(48) 피드백을 수신한다.

도 6을 참조하면, 인버팅 회로(86)는 바람직하게 인버팅 조정기 또는 인버팅 회로이고, 마이크로칩(46a), 스위칭 MOSFET(54b), 인덕터(58b), 커패시터(59b) 및 다이오드(61b)를 포함한다. 이들 부품은 이 기술 분야의 당업자에게 일반적으로 알려진 방식으로 배치되어 인버팅 회로를 형성한다.

개선된 LED 모듈과 그 각각의 부품들의 다양한 실시예들을 위의 설명에서 기술하였지만, 다수의 변형, 대체, 대안적인 실시예들 및 대안적인 물질들을 당업자라면 인식할 수 있을 것이고, 본 발명의 다양한 특징들을 달성하는데 사용할 수 있다. 따라서, 그러한 설명은 일례로서만 제시되는 것이며, 이하 청구되는 본 발명의 범주에 대한 한정으로 되지 않음을 명확하게 이해해야 한다.

Claims

손전등용 조명 모듈로서,

발광 다이오드;

상기 발광 다이오드로부터의 열을 감지하도록 배치된 서미스터(thermistor)를 포함하는 증폭 회로; 및

입력과 출력을 갖는 마이크로칩-상기 증폭 회로는 상기 입력에 결합되고, 상기 출력은 상기 발광 다이오드에 전달된 에너지를 조정하는 스위칭 장치에 결합됨-

을 포함하는 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 스위칭 장치는 부스팅 회로(boosting circuit)의 일부인 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 스위칭 장치는 버킹 회로(bucking circuit)의 일부인 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 스위칭 장치는 인버팅 회로의 일부인 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서

상기 스위칭 장치는 MOSFET인 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 마이크로칩은 상기 서미스터가 20℃ 내지 30℃ 사이를 감지했을 때 상기 발광 다이오드에 875㎃ 내지 930㎃가 전달되게 상기 스위칭 장치를 동작시키도록 구성되는 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 마이크로칩은 상기 서미스터가 23℃ 내지 27℃ 사이를 감지했을 때 상기 발광 다이오드에 880㎃ 내지 910㎃가 전달되게 상기 스위칭 장치를 동작시키도록 구성되는 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 마이크로칩은 상기 서미스터가 25℃를 감지했을 때 상기 발광 다이오드에 실질적으로 900㎃가 전달되게 상기 스위칭 장치를 동작시키도록 구성되는 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 마이크로칩은 상기 스위칭 장치의 스위칭 듀티 사이클(duty cycle)을 조정함으로써 상기 발광 다이오드에 전달되는 에너지를 조정하도록 구성되는 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 마이크로칩은 상기 서미스터가 80℃ 내지 100℃ 사이를 감지했을 때 상기 발광 다이오드에 330㎃ 내지 450㎃가 전달되게 상기 스위칭 장치를 동작시키도록 구성되는 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 마이크로칩은 상기 서미스터가 90℃ 내지 100℃ 사이를 감지했을 때 상기 발광 다이오드에 330㎃ 내지 370㎃가 전달되게 상기 스위칭 장치를 동작시키도록 구성되는 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 마이크로칩은 상기 서미스터가 100℃를 감지했을 때 상기 발광 다이오드에 실질적으로 330㎃가 전달되게 상기 스위칭 장치를 동작시키도록 구성되는 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 마이크로칩은 마이크로프로세서인 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 마이크로칩은 집적 회로인 손전등용 조명 모듈.
제1항에 있어서,

상기 마이크로칩은 전원에 의해 전압을 공급받고, 상기 전원의 에너지는 시간에 따라 소모되는 손전등용 조명 모듈.
손전등용 조명 모듈로서,

제1 단부, 제2 단부 및 캐비티(cavity)를 포함하는 도전 하우징;

상기 도전 하우징의 상기 제1 단부에 배치된 발광 다이오드; 및

상기 발광 다이오드에 전기적으로 결합된 모듈 회로를 포함하는 회로 기판-상기 회로 기판은 상기 하우징의 상기 캐비티 내에 적어도 부분적으로 포함되고, 상기 모듈 회로는 상기 발광 다이오드로부터의 열을 감지하기 위한 서미스터를 가짐-

을 포함하는 손전등용 조명 모듈.
제16항에 있어서,

상기 서미스터는 증폭 회로에 결합되는 손전등용 조명 모듈.
제16항에 있어서,

상기 모듈 회로는 상기 도전 하우징에 전기적으로 결합되는 손전등용 조명 모듈.
제16항에 있어서,

상기 서미스터는 증폭 회로에 결합되고, 상기 증폭 회로의 이득은 상기 서미스터가 감지한 온도에 따라 조정되는 손전등용 조명 모듈.
제19항에 있어서,

상기 발광 다이오드로 흐르는 에너지를 조정하도록 구성된 마이크로칩을 더 포함하고, 상기 증폭 회로의 출력은 상기 마이크로칩에 입력되는 손전등용 조명 모듈.
제20항에 있어서,

상기 마이크로칩은 부스팅 회로에 결합되는 손전등용 조명 모듈.
제20항에 있어서,

상기 마이크로칩은 버킹 회로에 결합되는 손전등용 조명 모듈.
제20항에 있어서,

상기 마이크로칩은 인버팅 회로에 결합되는 손전등용 조명 모듈.
손전등용 LED 모듈로서,

도전 하우징;

상기 하우징의 일단에 배치된 LED; 및

상기 LED에 전기적으로 결합된 상기 하우징 내에 포함된 모듈 회로

를 포함하고,

상기 모듈 회로는 상기 LED의 감지된 온도를 기초로 상기 LED에 전달되는 에너지를 조정하도록 구성되는 손전등용 LED 모듈.
제24항에 있어서,

상기 모듈 회로는 상기 LED의 온도를 감지하기 위한 서미스터를 포함하는 손전등용 LED 모듈.
제24항에 있어서,

상기 서미스터는 음의(negative) 저항 계수를 갖는 손전등용 LED 모듈.
제24항에 있어서,

상기 모듈 회로는 증폭 회로를 포함하고, 상기 증폭 회로의 이득은 상기 LED 의 감지된 온도의 함수인 손전등용 LED 모듈.
제27항에 있어서,

상기 모듈 회로는 상기 증폭 회로의 이득에 따라 조정되는 부스팅 회로를 포함하는 손전등용 LED 모듈.
제27항에 있어서,

상기 모듈 회로는 상기 증폭 회로의 이득에 따라 조정되는 버킹 회로를 포함하는 손전등용 LED 모듈.
제27항에 있어서,

상기 모듈 회로는 상기 증폭 회로의 이득에 따라 조정되는 인버팅 회로를 포함하는 손전등용 LED 모듈.
LED 모듈로서,

도전 하우징;

상기 하우징의 일단에 배치된 LED; 및

상기 LED와 상기 도전 하우징에 전기적으로 결합된 상기 하우징 내에 포함된 모듈 회로

를 포함하고,

상기 모듈 회로는 에너지 조정 회로 및 열 감지 증폭 회로를 포함하는 LED 모듈.
제31항에 있어서,

상기 열 감지 증폭 회로는 온도 감지 장치를 포함하는 LED 모듈.
제32항에 있어서,

상기 온도 감지 장치는 서미스터인 LED 모듈.
제31항에 있어서,

상기 열 감지 증폭 회로의 출력은 상기 에너지 조정 회로에 입력되는 LED 모듈.
제34항에 있어서,

상기 에너지 조정 회로는 마이크로칩 및 부스팅 회로를 포함하는 LED 모듈.
제34항에 있어서,

상기 에너지 조정 회로는 마이크로칩 및 버킹 회로를 포함하는 LED 모듈.
제34항에 있어서,

상기 에너지 조정 회로는 마이크로칩 및 인버팅 회로를 포함하는 LED 모듈.