TWI391600B - 發光二極體之照明燈具 - Google Patents

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Eric J Kille
Mubasher Ahmad
James M Gaines
Bernd Clauberg
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Koninkl Philips Electronics Nv
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Description

發光二極體之照明燈具
本發明一般而言係關於任何類型之照明燈具。本發明特定而言係關於在照明燈具內以機械方式封入發光二極體("LED")模組。
圖1至4繪示已知照明燈具20至23之一般視圖。通常，照明燈具20至23中使用的白熾燈之功率範圍通常為20瓦至50瓦。本發明基於一項發現，即將發光二極體模組以機械方式封入於照明燈具20至23中，可提供許多優於現今照明燈具20至23中使用白熾燈的益處。舉例而言，發光二極體模組之一般壽命為50,000小時，其顯著大於白熾燈能達到之最長壽命。另外，發光二極體模組可經設計以使用於5瓦至15瓦之間的功率，其遠小於白熾燈之功率範圍。此外，發光二極體模組的操作溫度較低。
基於此發現，本發明係一種發光裝置，其包含以機械方式封入於照明燈具(例如，圖1至4所展示之照明燈具20至23)中之一發光二極體模組。
在本發明之第一形式中，發光二極體模組包括：一或多個發光二極體；及一發光二極體驅動器(又名發光二極體安定器)，其與發光二極體電連通，以可操作地提供發光二極體驅動信號至發光二極體。發光二極體模組進一步包括一熱感測器，其可操作以促進該發光二極體驅動器對該發光二極體驅動信號之量值的控制，該控制係基於熱感測器所感測之發光二極體之操作溫度。
在本發明之第二形式中，發光二極體模組包括安裝於熱管理系統上的一或多個發光二極體，熱管理系統與照明燈具電連通，以促進自發光二極體至照明燈具之熱轉移。
在本發明之第三形式中，發光二極體模組包括：一發光二極體，其發射具有照明分佈之輻射光束的；及一光束整形器，其與發光二極體光連通，以修正發光二極體所發射的輻射光束之照明分佈。光束整形器包括光學對準於發光二極體之一或多個光學組件，藉此修正藉由發光二極體發射之輻射光束的照明分佈。光束整形器進一步包括一或多個熱縮套管，其配裝在光學組件周圍，以穩固地維持光學組件與發光二極體之光學對準。
本發明之前述之形式及其他形式及本發明之各種特徵及優點，將在結合附隨圖式閱讀以下本發明之各種實施例之詳細描述中而變的更明顯。詳細描述及圖式僅對本發明進行說明而非限制，本發明之範疇藉由隨附申請專利範圍及其同等物界定。
如圖5展示之發光二極體模組30使用發光二極體40、一發光二極體驅動器/安定器50、一熱管理系統60及一光束整形器70。發光二極體40(例如，Luxeon發光二極體)可實施為任何顏色的單個發光二極體，或任何顏色組合的串聯耦接的發光二極體、任何顏色組合的並聯耦接的發光二極體或其任何耦接組合。
發光二極體驅動器/安定器50經結構組態，以將編號為N之發光二極體驅動信號ID S 電傳送至發光二極體40，此取決於一般技術者所瞭解之發光二極體的結構組態。實務上，本發明之發光二極體驅動器/安定器50之各結構組態取決於其商業實施。因此，本發明並不對本發明之發光二極體驅動器/安定器50之各結構組態施加任何限制或任何約束。在一實施例中，發光二極體驅動器/安定器50包括如圖5中所展示之一轉換器51，其用以將一輸入AC信號轉換成編號為N的發光二極體驅動信號ID S 。為控制發光二極體40之照明強度，發光二極體驅動器/安定器可進一步包括如圖5中展示之一調光器52、一熱感測器53及/或一光學感測器54。
一般技術者應瞭解，調光器52促進轉換器51對發光二極體驅動信號ID S 之量值的控制，該控制係基於調光控制信號。熱感測器53促進轉換器51對發光二極體驅動信號ID S 之量值的控制，該控制係基於熱感測器53所感測的發光二極體40之操作溫度。
光學感測器54促進轉換器51對發光二極體驅動信號ID S 之量值的控制，該控制係基於光學感測器54所感測之照明燈具外部之環境光之照明度(例如，基於光學感測器感測到照明燈具外部周圍是白晝光還是夜間光來控制發光二極體之接通及關閉)。
圖6繪示轉換器51(圖5)之實施例151。參考圖6，轉換器51係基於形式為具有輸入之雙倍電壓之L4976(1A降壓切換式穩壓器(step down switch regulator))的降壓式轉換器(buck converter)U1進行運作。降壓式轉換器U1具有連接至接地節點N4的針腳2 GND、連接至節點N5之針腳3REF、連接至節點N6之針腳4 OSC、連接至節點N9之一對針腳5及6 OUT、連接至節點N3之針腳11 VCC、連接至電容器C8之針腳12 BOOT、連接至電容C7之針腳13 COMP及連接至節點N7之針腳14 FB。
轉換器151進一步包括：一熔斷器F1，其連接至一個輸入終端及節點N1；在該轉換器中：電容器C1(例如，1 μF)連接至節點N1及節點N2；二極體D1(例如，60V 3A)連接至節點N1及節點N3；二極體D2(例如，60V 3A)連接至節點N1及節點N4；電容器C2(例如，1000 μF)連接至節點N3及節點N2；電容器C3(例如，1000 μF)連接至節點N2及節點N4；電容器C4(例如，100 nF)連接至節點N3及節點N4。
電容器C5(例如，1nF)及電阻器R1(例如，39 kΩ)並聯連接至節點N3及節點N6；電容器C6(例如，100 nF)連接至節點N4及節點N5；電容器C7(例如，47 nF)另外連接至節點N4；電阻器R2(例如，10.5 kΩ)連接至節點N5及節點N7；電阻器R3(例如，18 kΩ)連接至節點N7及節點N8；電阻器R4(例如，2 Ω)、電阻器R5(例如，2 Ω)、電阻器R6(例如，2 Ω)及電阻器R7(例如，2 Ω)，並聯連接至節點N4及節點N8。
電容器C8(例如，100 nF)另外連接至節點N9；二極體D3(例如，60V 3A)連接至節點N9及節點N4；電感器L1(例如，220 μH)連接至節點N9及節點N10；電容器C9(例如，1 μF)連接至節點N10及節點N4。
在一替代實施例中，省略了二極體D3且發光二極體40係連接至節點N9及N3，以藉此促進作為降壓切換式穩壓器之降壓式轉換器U1的操作。
一般技術者將瞭解，在另一替代實施例中，省略了電容器C2及C3且轉換器151轉變成降壓/升壓組態。
圖7繪示額外地使用串聯連接至節點N7及節點N8之電阻器R9(例如14 kΩ)及熱敏電阻TM1(例如，PTC)之轉換器151(圖6)的實施例251，在該轉換器151中改變電阻器R2(例如，1200 Ω)及電阻器R3(例如，2.43 kΩ)之值。如本文將進一步結合圖9至12所解釋，熱敏電阻TM1位於相對於發光二極體40之關鍵位置以直接或間接感測發光二極體40之操作溫度。另外，熱敏電阻TM1為降壓式轉換器U1提供反饋，其指示熱敏電阻TM1所感測之發光二極體40之操作溫度。
圖8繪示額外地使用連接至節點N4及節點N11之電阻器R10之轉換器151(圖6)的實施例351。熱敏電阻TM2連接至節點N5及節點N11。PNP電晶體Q1之發射極連接至節點N5，基極連接至節點N11，及集極連接至電阻器R11，該電阻器R11另外連接至節點N7。如本文將進一步結合圖9至12所解釋，熱敏電阻TM2位於相對於發光二極體40之關鍵位置以直接或間接感測發光二極體40之操作溫度。另外，一般技術者將瞭解，熱敏電阻TM2向降壓式轉換器U1提供反饋，其指示熱敏電阻TM2所感測之發光二極體40之操作溫度，且電晶體Q1增強此反饋。
再次參考圖5，熱管理系統60經結構組態以用作發光二極體40及發光二極體驅動器/安定器50之座架，以在朝向照明燈具內部之方向上將熱自發光二極體40及發光二極體驅動器/安定器50照明燈具轉離。實務上，本發明之熱管理系統60之各結構組態取決於其商業實施。因此，本發明並不對本發明之熱管理系統60之各結構組態施加任何限制或任何約束。如圖5展示，在一實施例中，熱管理系統60使用與散熱片62整合的金屬芯印刷電路板("MCPCB")61。MCPCB 61可具有一正向或反向之垂直連接器或任何方向之水平連接器，用以供電至安裝於其上之發光二極體40及/或發光二極體驅動器/安定器50。
圖9及10繪示熱管理系統60(圖5)之一實施例160。具體言之，熱管理系統160使用一MCPCB 161，其具有安裝於其頂側之發光二極體40、發光二極體驅動器/安定器50及反向垂直連接器165。若在發光二極體驅動器/安定器50中使用形式為熱敏電阻TM1(圖7)或熱敏電阻TM2(圖8)的熱感測器，則可將其儘可能接近於發光二極體40而放置，以直接感測發光二極體40之操作溫度，或將其放置於MCPCB 161上任何其他地方，以間接感測發光二極體40之操作溫度，因為來自發光二極體40之熱係由MCPCB 161傳導至熱感測器。
MCPCB 161與散熱片162對準並與其整合，該散熱片為具有空腔163之倒置杯形散熱片。通過MCPCB 161及散熱片162之通孔164係在反向垂直連接器165下方，其促進來自MCPCB 161底側，並經由散熱片162，至反向垂直連接器165的供電連接。反向垂直連接器165可穩固地錨定至MCPCB 161之頂側，以在反向垂直連接器165連接至電源(未展示)時減少其上之任何應力。在連接反向垂直連接器164供電連接之後，可將一瀝青罐封(asphalt potting)或同等物嵌入於空腔163中，以促進發光二極體模組溫度之降低，將熱更平均地分散於發光二極體中且為供電線連接提供應變消除。
在一替代實施例中，可用正向垂直連接器或水平連接器來取代反向垂直連接器165。在此情況下，取代連接器將自通孔164偏移，以促進導線在通孔164中或照明燈具與散熱片162之間的間隙中移動。
圖11及12繪示熱管理系統60(圖5)之一實施例260。熱管理系統260包括一安置於散熱片162之空腔163中之FR4印刷電路板("PCB")，藉此形成一自FR4 PCB 166至反向垂直連接器165之供電連接。在此實施例中，如圖所示，發光二極體驅動器/安定器50之整體可安裝至FR4 PCB 166上，或發光二極體驅動器/安定器50可分配於MCPCB 161與FR4 PCB 166之間。舉例而言，若發光二極體驅動器/安定器50中使用形式為熱敏電阻TM1(圖7)或熱敏電阻TM2(圖8)之熱感測器，可將其安裝於MCPCB 161上且儘可能接近於發光二極體40而放置，藉此直接感測發光二極體40之操作溫度，或安裝於FR4 PCB 166上以經由散熱片空腔163中之罐封材料來間接感測發光二極體40之操作溫度。
圖13繪示發光二極體模組130之例示性機械外殼，其照明燈具20(圖1)基於本文先前討論之本發明之發明原則。一般技術者將瞭解，發光二極體模組130可藉由任何構件安裝至照明燈具20中。此外，發光二極體模組130之外部，明確地說係散熱片，應儘可能接近於照明燈具20之內部以促進用以自發光二極體模組10至照明燈具20之外部之熱轉移的低熱阻路徑。此外，為補充發光二極體模組130外部與照明燈具20內部之間的最小間隙中的低熱阻路徑，可將具有比空氣低的熱阻之材料80(例如，熱油脂、熱襯墊，及罐封材料)嵌入如圖所示之最小間隙中。
再次參考圖5，光束整形器70經結構組態，以修正自發光二極體40發射之輻射光束之照明分佈，例如，增大分佈之尺寸、減小分佈之尺寸，及將分佈聚焦於一特定方向或多個方向。此對於具有可在發光二極體40之照明分佈中產生陰影之實體結構的照明燈具特別重要，該等照明燈具例如圖1至4中分別展示之照明燈具20至23。
實務上，本發明之光束整形器70之各結構組態取決於其商業實施。因此，本發明並不對本發明之光束整形器70之各結構組態施加任何限制或任何約束。在一實施例中，光束整形器70為各發光二極體40或一組發光二極體40，使用一光學漫射器71及/或一透明板72，其中各光學漫射器71/透明板72係一獨立光學組件或與另一光學組件(例如，透鏡)整合。此外，一或多件熱縮套管73可用作維持光學漫射器71及/或透明板72光學與發光二極體40或一組發光二極體40對準之基礎。熱縮套管73藉由密封光束整形器70的其他組件之間的所有間隙而提供免受環境影響之保護。
圖14繪示光束整形器70之一實施例170。光束整形器170使用與一發光二極體40光學對準之透鏡視準儀175，兩者皆安裝於透鏡固持器174中。光學漫射器171位於透鏡視準儀175上開口之上方，且玻璃及/或塑膠照明燈具之透明板172位於漫射器171上方。熱縮套管173用以耦接且對準所有所繪示之組件。具體言之，熱縮套管173最初鬆散配裝在光束整形器170之其他光學組件周圍(如圖14展示)，藉此，如一般技術者將瞭解，適當程度之熱的應用將導致熱縮套管173收縮，以藉此緊密配裝在光束整形器170之其他光學組件之周圍，以維持光束整形器170之其他光學組件光學與發光二極體40之對準，及保護該等組件免受環境影響。為增強熱縮套管173在其他光學組件周圍之緊密配裝，板172可包括一如虛線輪廓所表示的圓柱延伸176。
參考圖5至14，結合照明燈具20至23(圖1至4)與發光二極體模組之配裝展示且描述本發明之發明原則，以促進對本發明之各種發明原則的理解。一般技術者將自該等圖解及描述瞭解如何將本發明之各種發明原則應用於除照明燈具20至23外的照明燈具。
雖然目前認為本文所揭示之發明之實施例較佳，但可在不脫離本發明之精神及範疇之情況下，做出各種變化及修正。本發明之範疇表明於隨附申請專利範圍中，且意欲將所有同等物之含義及範圍中之變化包含於其中。
20－23．．．照明燈具
30．．．發光二極體模組
40．．．發光二極體
50．．．發光二極體驅動器/安定器
51．．．轉換器
52．．．調光器
53．．．熱感測器
54．．．光學感測器
60．．．熱管理系統
61．．．金屬芯印刷電路板
62．．．散熱片
70．．．光束整形器
71．．．光學漫射器
72．．．透明板
73．．．熱縮套管
80．．．材料
130．．．發光二極體模組
151．．．轉換器
160．．．實施例
161．．．金屬芯印刷電路板
162．．．散熱片
163．．．空腔
164．．．通孔
165．．．反向垂直連接器
166．．．FR4印刷電路板
170．．．實施例
171．．．光學漫射器
172．．．透明板
173．．．熱縮套管
174．．．透鏡固持器
175．．．透鏡視準儀
176．．．圓柱延伸
C1．．．電容器
C2．．．電容器
C3．．．電容器
C4．．．電容器
C5．．．電容器
C6．．．電容器
C7．．．電容器
C8．．．電容器
C9．．．電容器
D1．．．二極體
D2．．．二極體
D3．．．二極體
F1．．．熔斷器
L1．．．電感器
N1．．．節點
N2．．．節點
N3．．．節點
N4．．．節點
N5．．．節點
N6．．．節點
N7．．．節點
N8．．．節點
N9．．．節點
N10．．．節點
N11．．．節點
Q1．．．電晶體
R1．．．電阻器
R2．．．電阻器
R3．．．電阻器
R4．．．電阻器
R5．．．電阻器
R6．．．電阻器
R7．．．電阻器
R9．．．電阻器
R10．．．電阻器
R11．．．電阻器
TM1．．．熱敏電阻
TM2．．．熱敏電阻
U1．．．降壓式轉換器
圖1至4繪示此項技術中已知之各種照明燈具；圖5繪示根據本發明之發光二極體模組之一實施例的方塊圖；圖6繪示根據本發明之發光二極體驅動器之第一實施例的示意圖；圖7繪示根據本發明之發光二極體驅動器之第二實施例的示意圖；圖8繪示根據本發明之發光二極體驅動器之第三實施例的示意圖；圖9及10分別繪示根據本發明之熱管理系統之第一實施例的俯視圖及側視圖；圖11及12分別繪示根據本發明之熱管理系統之第二實施例的俯視圖及側視圖；圖13繪示圖9及10中繪示之發光二極體模組之例示性機械外殼，該發光二極體模組在圖4中繪示之照明燈具中；圖14繪示根據本發明之光學漫射器之一實施例的側視圖。
30．．．發光二極體模組
40．．．發光二極體
50．．．發光二極體驅動器/安定器
51．．．轉換器
52．．．調光器
53．．．熱感測器
54．．．光學感測器
60．．．熱管理系統
61．．．金屬芯印刷電路板
62．．．散熱片
70．．．光束整形器
71．．．光學漫射器
72．．．透明板
73．．．熱縮套管

Claims (19)

  1. 一種發光裝置，其包含：一照明燈具；及一發光二極體模組，其係藉由該照明燈具以機械方式封入，其中該發光二極體模組包括：至少一個發光二極體，一發光二極體驅動器，其與該至少一個發光二極體電連通，以可操作地提供一發光二極體驅動信號至該至少一個發光二極體，及一熱感測器，其基於由該熱感測器感測之該至少一個發光二極體的一操作溫度可操作的促進該發光二極體驅動器對該發光二極體驅動信號之一量值的一控制。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中該發光二極體模組進一步包括：一熱管理系統，其與該至少一個發光二極體及該照明燈具熱連通，以促進一自該至少一個發光二極體至該照明燈具的熱轉移。
  3. 如請求項1之發光裝置，其中該發光二極體模組進一步包括：一光束整形器，其與該至少一個發光二極體光連通，以修正由該至少一個發光二極體發射之一輻射光束的一照明分佈。
  4. 如請求項1之發光裝置，其中該發光二極體驅動器包括一可操作以將一AC輸入信號轉換成該發光二極體驅動信 號之轉換器。
  5. 如請求項4之發光裝置，其中發光二極體驅動器進一步包括一與該轉換器電連通之調光器，以促進轉換器對該發光二極體驅動信號之一量值的一控制，該控制係基於一調光控制信號。
  6. 如請求項4之發光裝置，其中該熱感測器與該轉換器電連通，以促進該轉換器對該發光二極體驅動信號之該量值的一控制，該控制係基於由該熱感測器感測之該至少一個發光二極體之一操作溫度。
  7. 如請求項4之發光裝置，其中該發光二極體模組進一步包括一光學感測器，其與該轉換器電連通，以促進該轉換器對該發光二極體驅動信號之該量值的一控制，該控制係基於由該光學感測器感測之該照明燈具外部之一環境光的一照明度。
  8. 如請求項4之發光裝置，其中該轉換器包括一作為一降壓切換式穩壓器運作的降壓式轉換器。
  9. 如請求項8之發光裝置，其中該熱感測器包括一熱敏電阻，其可操作以提供反饋至該降壓式轉換器，該反饋指示該至少一個發光二極體之一操作溫度。
  10. 如請求項9之發光裝置，其中該熱感測器進一步包括一電晶體，其可操作以增強由該熱敏電阻提供至該降壓式轉換器之該反饋，該反饋指示該至少一個發光二極體之一操作溫度。
  11. 如請求項8之發光裝置，其中該至少一個發光二極體係 用作促進該作為一降壓切換式穩壓器之降壓式轉換器之一運作的一構件。
  12. 一種發光裝置，其包含：一照明燈具；及一發光二極體模組，其係藉由該照明燈具以機械方式封入，其中該發光二極體模組包括至少一個發光二極體及一發光二極體驅動器，該至少一個發光二極體安裝於一熱管理系統上，該熱管理系統與該照明燈具熱連通，以促進一自該至少一個發光二極體至該照明燈具之熱轉移，且其中該熱管理系統包含具有該至少一發光二極體安裝於其上之一第一印刷電路板及具有該發光二極體驅動器之至少一部分安裝於其上之一第二印刷電路板。
  13. 如請求項12之發光裝置，其中該發光二極體模組進一步包括：一光束整形器，其與該至少一個發光二極體光連通，以修正由該至少一個發光二極體發射之一輻射光束的一照明分佈。
  14. 如請求項12之發光裝置，其中該第一印刷電路板包含一金屬印刷電路板，且其中該熱管理系統進一步包括一散熱片，其與該第一印刷電路板及該照明燈具熱連通，以促進自該至少一個發光二極體至該照明燈具之該熱轉移。
  15. 如請求項14之發光裝置，其中該熱管理系統進一步包括 一通過該第一印刷電路板及該散熱片之通孔，該通孔經對準於該散熱片之空腔，以促進一至該第一印刷電路板之供電配線連接。
  16. 如請求項14之發光裝置，其中該散熱片與該至少一個發光二極體電連通，以可操作地提供一發光二極體驅動信號至該至少一個發光二極體；且其中該散熱片包括一封入一該第二印刷電路板之空腔，且其中該第二印刷電路板包含一非金屬印刷電路板。
  17. 如請求項16之發光裝置，其中該熱管理系統進一步包括一通過該第一印刷電路板及該散熱片之通孔，該通孔對準於該散熱片之該空腔，以促進該第一印刷電路板至該第二印刷電路板之一配線。
  18. 一種發光裝置，其包含：一照明燈具；及一發光二極體模組，其係藉由該照明燈具以機械方式封入，其中該發光二極體模組)包括：至少一個發光二極體，及一光束整形器，其與該至少一個發光二極體光連通，以修正由該至少一個發光二極體發射之一輻射光束的一照明分佈，其中該光束整形器包括：至少一個光學組件，其光學對準於該至少一個發光二極體，藉此修正由該至少一個發光二極體發射之該輻 射光束的該照明分佈，及至少一個熱縮套管，配裝在該至少一個光學組件周圍，以穩固地維持該至少一個光學組件與該至少一個發光二極體之光學對準，其中該至少一個光學組件包括一透明板，其具有一用於增強該至少一熱縮套管在該至少一個光學組件周圍之一穩固配裝的延伸。
  19. 如請求項18之發光裝置，其中該至少一個光學組件包括一光學漫射器及一透明板中之至少一者。
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