TWI419382B - Resonant light emitting diode light source device - Google Patents

Description

共振型發光二極體光源裝置

本發明係有關一種能使LED發光模組的驅動電源不累積熱，且發光時所產生的熱溫可得到高效率散熱效果的共振型發光二極體光源裝置。

按，發光二極體(LED)係利用半導體材料中的電子電洞結合時能量帶(Energy Gap)位階之改變，以發光顯示其所釋放出的能量，具體積小、壽命長、驅動電壓低、耗電量低、反應速度快、耐震性佳等優點。隨著LED材料不斷地進步，亮度、功率量及熱量亦隨之提高；高功率LED輸入功率僅有15%~20%轉換成光，其餘80%~85%則轉換成熱；當LED熱源無法有效導出，將導致LED界面溫度升高，這不僅會造成亮度下降，且溫度超過100℃時將加速元件的劣化。一般高功率LED單晶粒的封裝模組中的散熱片使用，整體封裝模組的結構包括光學透鏡、LED晶粒、透明封裝樹脂、螢光、電極導線及散熱片等，其通常作法是以焊料或散熱膏將LED晶粒黏貼在散熱片上，經由散熱片來降低封裝模組的熱阻抗，其應用上，常成一背光條與陣列形或圓形排列成一照明光源。不過對於攜帶型投影機、車用頭燈及照明燈源，在特定面積下所需要的流明量遠超過一千流明，因此需要多晶粒LED封裝模組與LOB封裝方式才能滿足其需求，但這裡的散熱基板，更扮演整體LED模組散熱最關鍵的角色；當散熱基板無法全面性的適時把大量的熱傳導出去，那麼將會影響LED模組的發光效率及造成元件的損壞。如圖1，習用為解決散熱基板的熱傳導出去的問題，係將叢聚式LED發光模組1的散熱基板2貼附在銅金屬或鋁金屬或石墨的散熱座3上，利用自然空氣或風扇送風通過散熱座3之散熱部(散熱鰭片)的方式來達到散熱座散熱的目的，然而，受工作環境條件的因素，多數這種高功率的多晶粒LED發光模組1，其靠著散熱座3來散熱，已無法得到良好的散熱效率，尤指LED發光模組1的工作電源，如圖2，為純DC直流電源，LED發光模組1相當於電阻，電源的熱會不斷的累積，空間環境溫度過高，亦影響散熱座的散熱性能；唯有，工作電源溫度不累積，LED發光模組1的工作溫度可快速被移除，這才能真正確保LED發光模組1的發光效率不受影響及元件不毀損。

習用中華民國發明公開公報第200729707號「用於解析系統電路的頻譜器」專利案，可以被用來動態阻抗匹配，並推導建構出無窮級共振艙，解開系統對偶性難題，有利非線性動態系統穩定化，並包括動態因素調整、動態適應性阻尼，適應性全通濾波器均可獲得完整解析；有了無窮級共振艙，將使LED發光二極體的工作電源得到型態上的進展，但如何完全解決熱的問題，則仍有待技術上作全面性突破。

本發明之主要目的係在提供一種共振型發光二極體光源裝置，至少包括一散熱模組、一LED發光模組及一電源控制部；該散熱模組，係一溫度阻尼器的兩電極端電性連接一電磁效應轉換器，且該電磁效應轉換器至少包含一介電電感；該LED發光模組，係設在該溫度阻尼器上與該電源控制部電性連接；該電源控制部，係至少包含一共振電源電路，且該共振電源電路是由一電性阻尼器並聯一實體電容及一實體電感建構出無窮級共振艙來產生RF射頻型態電源；藉由電源控制部之共振電源電路輸出有極性脈衝電源驅動LED發光模組發光，除工作電源具有熱不累積的效益外，LED發光模組的工作溫度傳導給散熱模組之溫度阻尼器，則溫度阻尼器將溫場轉為電場時，即可透過電磁效應轉換器的介電效應及電納值隨著頻率增加而增加的電感特性，能在電場轉為磁場的作用過程，以不斷產生的短路動作吸收電子流，瞬間形同熱的移除，使LED發光模組得到高效率的散熱效果。

本發明之次一目的係在提供一種共振型發光二極體光源裝置，其中，該散熱模組之溫度阻尼器兩電極端電性連接一電磁效應轉換器，該電磁效應轉換器包含一介電電感，該電磁效應轉換器包含一介電電感，該介電電感元件的兩個電極上設有電子流介電材料，且該介電電感為金屬氧化物介電材料所燒結成的一導體，具介電特性，等效於相互串聯的一可變電感及一可變電阻，形成電抗阻抗；該電子流介電材料，為奈米碳管CNT介電材料粉末，混合樹脂以油墨印刷或塗裝在該介電電感的兩個電極上，具電子流介電特性；俾溫度阻尼器吸收LED發光模組的工作溫度有溫差發電(溫場轉電場)時，藉電磁效應轉換器之電子流介電材料快速吸收電流轉成電子流，及利用介電電感的電納值隨著頻率增加而增加的電感特性，即能由電磁效應轉換器與溫度阻尼器的溫度形成共振(將電場轉為磁場)，據以介電電感振盪的不斷產生短路動作吸收電子流，瞬間形同將溫度阻尼器上的熱移除作用，達到高效率散熱效果；且上述介電電感，是由鐵、錳、鎂等複合金屬，經高溫鍛燒成金屬氧化物介電材料後所燒結成的一導體；又上述電子流介電材料，也可以是石墨棒或高純化碳棒，或是其他具相同特性的介電材料粉末。

本發明之另一目的係在提供一種共振型發光二極體光源裝置，其中，該散熱模組之溫度阻尼器，具有一電動產生端晶片及一電子產生端晶片，該電動產生端晶片與電子產生端晶片之非電極端面上相互連接的設有一熱源吸熱片，而電極端，則各設焊錫面接導線與電磁效應轉換器電性連接，並各設有一室溫感知片；俾由熱源吸熱片與LED發光模組接觸，當熱源吸熱片的溫度高於室溫感知片溫度時，溫度阻尼器的溫差發電，即能由電磁效應轉換器迅速吸收電子流，據以形同熱源吸熱片上的熱瞬間被移除與室溫感知片等溫的作用，達到LED發光模組高效率的散熱效果。

本發明之再一目的係在提供一種共振型發光二極體光源裝置，其中，該散熱模組之溫度阻尼器兩電極端電性連接一電磁效應轉換器，該電磁效應轉換器包含一介電電感與一介電電容共同組接成一電性阻尼器，並由該電性阻尼器並聯一實體電容及一實體電感建構出無窮級共振艙，等效於相互串聯的一可變電感及一可變電阻，形成為一凹形濾波器；且該介電電感是為金屬氧化物介電材料所燒結成的一導體，該介電電容是為鈦酸鋇BaTiO₃ 介電材料所燒結成的一導體，而介電電感與介電電容間的組接，是以奈米碳管CNT作為金屬接面；據以利用電磁效應轉換器的電納值隨著頻率加而增加的電感特性，俾無窮級共振艙介電效應所產生的共振作用使電磁消失，瞬間形同溫度阻尼器上的熱完全被移除的性能，得到極佳的LED發光模組散熱效益；且上述實體電感，包含可以是一個超級電感；又上述介電電感，是由鐵、錳、鎂等複合金屬，經高溫鍛燒為金屬氧化物介電材料後所燒結成的一導體；再且上述介電電容，也可以為砷化鎵GaAs介電材料，或為其他具相同特性的介電材料所燒結成的一導體。

本發明之又一目的係在提供一種共振型發光二極體光源裝置，其中，該LED發光模組設在散熱模組之溫度阻尼器上與電源控制部電性連接，該LED發光模組上，係串聯的封裝有多數個包含紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)的發光二極體晶片；俾電源控制部之共振電源電路產生RF射頻型態電源，並輸出定電流型有極性脈動直流電源驅動LED發光模組之每一發光二極體晶片發光，據以紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)發光二極體晶片的光波長有效準確控制，能使LED發光模組的封裝可免螢光(粉)處理，即能產生自然白光。

本發明之次另一目的係在提供一種共振型發光二極體光源裝置，其中，該LED發光模組設在散熱模組之溫度阻尼器上與電源控制部電性連接，該LED發光模組，係並聯的封裝有多數個包含紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)的發光二極體晶片；俾電源控制部之共振電源電路產生RF射頻型態電源，並輸出定電流型有極性脈衝直流電源驅動LED發光模組之每一發光二極體晶片發光，據以紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)發光二極體晶片的光波長控制，能使LED發光模組的封裝可免螢光(粉)處理，即能產生全彩光。

一種共振型發光二極體光源裝置，如圖3、4，至少包括一散熱模組10、一LED發光模組20及一電源控制部30；該散熱模組10，係一溫度阻尼器11的兩電極端電性連接一電磁效應轉換器12，且該電磁效應轉換器12至少包含一介電電感13A；該LED發光模組20，係設在該溫度阻尼器11上與該電源控制部30電性連接；該電源控制部30，係至少包含一共振電源電路31，且該共振電源電路31是由一電性阻尼器32並聯一實體電容33及一實體電感34建構出無窮級共振艙來產生RF射頻型態電源；藉由電源控制部30之共振電源電路31輸出有極性脈衝電源驅動LED發光模組20發光，除工作電源具有熱不累積的效益外，LED發光模組20的工作溫度傳導給散熱模組10之溫度阻尼器11，則溫度阻尼器11將溫場轉為電場時，即可透過電磁效應轉換器12的介電效應及電納值隨著頻率增加而增加的電感特性，能在電場轉為磁場的作用過程，以不斷產生的短路動作吸收電子流，瞬間形同熱的移除，使LED發光模組得到高效率的散熱效果。

根據上述實施例，其中，如圖3、4，該散熱模組10之溫度阻尼器11兩電極端電性連接一電磁效應轉換器12，該電磁效應轉換器12包含一介電電感13A，該介電電感13A的兩個電極上設有電子流介電材料14，且該介電電感13A為金屬氧化物介電材料所燒結成的一導體，具介電特性，等效於相互串聯的一可變電感130及一可變電阻131，形成電抗阻抗；該電子流介電材料22，為奈米碳管CNT介電材料粉末，混合樹脂以油墨印刷或塗裝在該介電電感元件13A的兩個電極上，具電子流介電特性；俾溫度阻尼器11吸收LED發光模組20的工作溫度有溫差發電產生(溫場轉電場)時，藉電子流介電材料14快速吸收電流轉成電子流，及利用介電電感13A的電納值隨著頻率增加而增加的電感特性，即能由電磁效應轉換器12與溫度阻尼器11的溫度形成共振(將電場轉為磁場)，據以介電電感13A振盪的不斷產生短路動作吸收電子流，瞬間形同將溫度阻尼器11上的熱移除作用(溫場轉為電場再轉成磁場消失)，達到LED發光模組20高效率的散熱效果；且上述介電電感13A，是由鐵、錳、鎂等複合金屬，經高溫(1100℃)鍛燒成金屬氧化物介電材料後(透過模具成型)所燒結成的一導體；又上述電子流介電材料14，也可以是石墨棒或高純化碳棒，或是其他具相同特性的介電材料粉末。

亦即，如圖3，上述實施例之電磁效應轉換器12，其電子流介電材料14理想為奈米碳管CNT(Ni-Fe-Mn-O)粉末，非導體狀態，在成形溫度約800℃時介電效應始產生，永久呈負電阻性，對電流敏感，現實存在的是電子流(磁場)，是很好的電子流介電效應材料，但不能單獨存在使用，因為電流需構成電子迴路；將奈米碳管CNT電子流介電材料混合樹脂以油墨印刷或塗裝在介電電感13A的兩個電極上，用於快速吸收電流轉成電子流，且構成有對偶穿隧效應；該對偶穿隧效應，是由於電荷介電有負阻穿隧效應，現與電子流介電做補償，同時作用下形成電壓、電流的對偶穿隧或共軛穿隧(不是雙穿隧效應)；在此情形下，介電電感13A的介電特性，是電納值隨著頻率增加而增加的特性：

電感：(1)、在純直流下視同短路。

(2)、電感器對電流有慣性，瞬間無法改變電流值稱為暫態電流(愣次效應產生的電子流)，簡稱勞倫斯力。

(3)、在交流狀態下，頻率越高、電抗值越大。

據法拉第定律得知：儲存於電感器內的能為磁場做負功。

電感是一時變元件：X _L =2πfL

(磁通量)磁場強度λ=Nψ=Li、Φ稱為導磁係數

串聯時其阻抗(Impedance)呈電抗，並聯時呈導納。

求i _{( t )} 解時，將t ₀ =-∞才有暫態解，實際上這種電感器不存在，但又要滿足電感方程式，運用金屬氧化物介電材料的介電電感特性(非實際電感)使無時無刻i _{( t 0)} =0，其法拉第效應圖，如圖5，電導圖，如圖6。

是以，根據上述實施例，其中，如圖3、4，該溫度阻尼器11，具有一電動產生端晶片110及一電子產生端晶片111，該電動產生端晶片110與電子產生端晶片111之非電極端面上相互連接的設有一石墨熱源吸熱片112，而電極端，則各設焊錫面113接導線114與電磁效應轉換器12電性連接，並各設有一室溫感知片115；俾由熱源吸熱片112與LED發光模組20接觸，當熱源吸熱片112的溫度高於室溫感知片115溫度時，溫度阻尼器11的溫差發電，即能由電磁效應轉換器12迅速吸收電子流(並使電場消失)，據以形同熱源吸熱片112上的熱瞬間被移除與室溫感知片115等溫的作用，達到LED發光模組20高效率的散熱效果。

根據上述散熱模組10的實施例，本發明可由以下另一散熱模組10的實施例，得到更佳的LED發光模組20散熱效果；其中，如圖7、8、9，該電磁效應轉換器可包含一介電電感13A與一介電電容13B共同組接成一電性阻尼器13，並由該電性阻尼器13並聯一實體電容15及一實體電感16建構出無窮級共振艙，如圖4，等效於相互串聯的一可變電感130及一可變電阻131，形成為一凹形濾波器；如圖8，且該介電電感13A是為金屬氧化物介電材料所燒結成的一導體，該介電電容13B是為鈦酸鋇BaTiO₃ 介電材料所燒結成的一導體，而介電電感13A與介電電容13B間的組接，是以奈米碳管CNT作為金屬接面；如圖7，據以利用電磁效應轉換器12的電納值隨著頻率加而增加的電感特性，俾無窮級共振艙介電效應所產生的共振作用使電磁消失，瞬間形同溫度阻尼器11上的熱完全被移除的性能，得到極佳的LED發光模組20散熱效益；且上述與電性阻尼器13並聯的實體電感16，包含可以是一個超級電感；如圖8，又上述介電電感13A，是由鐵、錳、鎂等複合金屬，經高溫鍛燒為金屬氧化物介電材料後所燒結成的一導體；又上述介電電容13B，也可以為砷化鎵GaAs介電材料，或為其他具相同特性的介電材料所燒結成的一導體。

根據上述各實施例，其中，如圖3、7、10，該LED發光模組20設在散熱模組10之溫度阻尼器11上與電源控制部30電性連接，該LED發光模組20上，係串聯的封裝有多數個包含紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)的發光二極體晶片21、22、23；俾電源控制部30之共振電源電路產生RF射頻型態電源，並輸出定電流型有極性脈動直流電源驅動LED發光模組20之每一發光二極體晶片21、22、23發光，據以紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)發光二極體晶片的光波長有效準確控制(如圖11)，能使LED發光模組20的封裝可免螢光(粉)處理，即能產生自然白光。

根據上述LED發光模組20的實施例，本發明可由以下之實施，使LED發光模組20產生全彩光；其中，如圖3、7、12，該LED發光模組20設在散熱模組10之溫度阻尼器11上與電源控制部30電性連接，該LED發光模組20，係並聯的封裝有多數個包含紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)的發光二極體晶片21、22、23；俾電源控制部30之共振電源電路產生RF射頻型態電源，並輸出定電流型有極性脈衝直流電源驅動LED發光模組20之每一發光二極體晶片21、22、23發光，據以紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)發光二極體晶片21、22、23的光波長控制，能使LED發光模組20的封裝可免螢光(粉)處理，即能產生全彩光。

以上說明對本發明而言只是說明性的，而非限制性的，本領域普通技術人員理解，在不脫離所附說明書所限定的精神和範圍的情況下，可做出許多修改、變化或等效，但都將落入本發明的保護範圍内。

1．．．LED發光模組

2．．．散熱基板

3．．．散熱座

10．．．散熱模組

11．．．溫度阻尼器

110．．．電動產生端晶片

111．．．電子產生端晶片

112．．．熱源吸熱片

113．．．焊錫面

114．．．導線

115．．．室溫感知片

12．．．電磁效應轉換器

13．．．電性阻尼器

13A．．．介電電感

13B．．．介電電容

130．．．可變電感

131．．．可變電阻

14．．．電子流介電材料

15．．．實體電容

16．．．實體電感

20．．．LED發光模組

21、22、23．．．發光二極體晶片

30．．．電源控制部

31．．．共振電源電路

32．．．電性阻尼器

33．．．實體電容

34．．．實體電感

圖1係習用LED發光模組散熱構造示意圖

圖2係習用LED發光模組工作電源之電路示意圖

圖3係本發明構造示意圖

圖4係本發明構造之等效電路示意圖

圖5係本發明電磁效應轉換器之介電電感法拉第效應圖

圖6係本發明電磁效應轉換器之介電電感電導圖

圖7係本發明另一實施例構造示意圖

圖8係本發明另一實施例電性阻尼器示意圖

圖9係本發明另一實施例電性阻尼器之符號示意圖

圖10係本發明LED發光模組之發光二極體晶片串聯狀態示意圖

圖11係本發明LED發光模組之發光二極體晶片光波示意圖

圖12係本發明LED發光模組之發光二極體晶片並聯狀態示意圖

10．．．散熱模組

11．．．溫度阻尼器

12．．．電磁效應轉換器

130．．．可變電感

131．．．可變電阻

20．．．LED發光模組

31．．．共振電源電路

32．．．電性阻尼器

33．．．實體電容

34．．．實體電感

Claims (11)

1. 一種共振型發光二極體光源裝置，至少包括一散熱模組、一LED發光模組及一電源控制部；該散熱模組，係一溫度阻尼器的兩電極端電性連接一電磁效應轉換器，且該電磁效應轉換器至少包含一介電電感；該LED發光模組，係設在該溫度阻尼器上與該電源控制部電性連接；該電源控制部，係至少包含一共振電源電路，且該共振電源電路是由一電性阻尼器並聯一實體電容及一實體電感建構出無窮級共振艙來產生RF射頻型態電源；藉由電源控制部之共振電源電路輸出有極性脈衝電源驅動LED發光模組發光，除工作電源具有熱不累積的效益外，LED發光模組的工作溫度傳導給散熱模組之溫度阻尼器，則溫度阻尼器將溫場轉為電場時，即可透過電磁效應轉換器的介電效應及電納值隨著頻率增加而增加的電感特性，能在電場轉為磁場的作用過程，以不斷產生的短路動作吸收電子流，瞬間形同熱的移除，使LED發光模組得到高效率的散熱效果。
2. 依申請專利範圍第1項所述之共振型發光二極體光源裝置，其中，該散熱模組之溫度阻尼器兩電極端電性連接一電磁效應轉換器，該電磁效應轉換器包含一介電電感，該電磁效應轉換器包含一介電電感，該介電電感元件的兩個電極上設有電子流介電材料，且該介電電感為金屬氧化物介電材料所燒結成的一導體，具介電特性，等效於相互串聯的一可變電感及一可變電阻，形成電抗阻抗；該電子流介電材料，為奈米碳管CNT介電材料粉末，混合樹脂以油墨印刷或塗裝在該介電電感的兩個電極上，具電子流介電特性；俾溫度阻尼器吸收LED發光模組的工作溫度有溫差發電(溫場轉電場)時，藉電磁效應轉換器之電子流介電材料快速吸收電流轉成電子流，及利用介電電感的電納值隨著頻率增加而增加的電感特性，即能由電磁效應轉換器與溫度阻尼器的溫度形成共振(將電場轉為磁場)，據以介電電感振盪的不斷產生短路動作吸收電子流，瞬間形同將溫度阻尼器上的熱移除作用，達到高效率散熱效果。
3. 依申請專利範圍第2項所述之共振型發光二極體光源裝置，其中，該介電電感，是由鐵、錳、鎂等複合金屬，經高溫鍛燒成金屬氧化物介電材料後所燒結成的一導體。
4. 依申請專利範圍第2項所述之共振型發光二極體光源裝置，其中，該電子流介電材料，也可以是石墨棒或高純化碳棒，或是其他具相同特性的介電材料粉末。
5. 依申請專利範圍第1項所述之共振型發光二極體光源裝置，其中，該散熱模組之溫度阻尼器，具有一電動產生端晶片及一電子產生端晶片，該電動產生端晶片與電子產生端晶片之非電極端面上相互連接的設有一熱源吸熱片，而電極端，則各設焊錫面接導線與電磁效應轉換器電性連接，並各設有一室溫感知片；俾由熱源吸熱片與LED發光模組接觸，當熱源吸熱片的溫度高於室溫感知片溫度時，溫度阻尼器的溫差發電，即能由電磁效應轉換器迅速吸收電子流，據以形同熱源吸熱片上的熱瞬間被移除與室溫感知片等溫的作用，達到LED發光模組高效率的散熱效果。
6. 依申請專利範圍第1項所述之共振型發光二極體光源裝置，其中，該散熱模組之溫度阻尼器兩電極端電性連接一電磁效應轉換器，該電磁效應轉換器包含一介電電感與一介電電容共同組接成一電性阻尼器，並由該電性阻尼器並聯一實體電容及一實體電感建構出無窮級共振艙，等效於相互串聯的一可變電感及一可變電阻，形成為一凹形濾波器；且該介電電感是為金屬氧化物介電材料所燒結成的一導體，該介電電容是為鈦酸鋇BaTiO₃ 介電材料所燒結成的一導體，而介電電感與介電電容間的組接，是以奈米碳管CNT作為金屬接面；據以利用電磁效應轉換器的電納值隨著頻率加而增加的電感特性，俾無窮級共振艙介電效應所產生的共振作用使電磁消失，瞬間形同溫度阻尼器上的熱完全被移除的性能，得到極佳的LED發光模組散熱效益。
7. 依申請專利範圍第6項所述之共振型發光二極體光源裝置，其中，該電性阻尼器並聯一實體電感，該實體電感包含可以是一個超級電感。
8. 依申請專利範圍第6項所述之共振型發光二極體光源裝置，其中，該實體電感，包含可以是一個超級電感；又上述介電電感，是由鐵、錳、鎂等複合金屬，經高溫鍛燒為金屬氧化物介電材料後所燒結成的一導體。
9. 依申請專利範圍第6項所述之共振型發光二極體光源裝置，其中，該介電電容，也可以為砷化鎵GaAs介電材料，或為其他具相同特性的介電材料所燒結成的一導體。
10. 依申請專利範圍第1項或第6項所述之共振型發光二極體光源裝置，其中，該LED發光模組設在散熱模組之溫度阻尼器上與電源控制部電性連接，該LED發光模組上，係串聯的封裝有多數個包含紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)的發光二極體晶片；俾電源控制部之共振電源電路產生RF射頻型態電源，並輸出定電流型有極性脈動直流電源驅動LED發光模組之每一發光二極體晶片發光，據以紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)發光二極體晶片的光波長有效準確控制，能使LED發光模組的封裝可免螢光(粉)處理，即能產生自然白光。
11. 依申請專利範圍第1項或第6項所述之共振型發光二極體光源裝置，其中，該LED發光模組設在散熱模組之溫度阻尼器上與電源控制部電性連接，該LED發光模組，係並聯的封裝有多數個包含紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)的發光二極體晶片；俾電源控制部之共振電源電路產生RF射頻型態電源，並輸出定電流型有極性脈衝直流電源驅動LED發光模組之每一發光二極體晶片發光，據以紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)發光二極體晶片的光波長控制，能使LED發光模組的封裝可免螢光(粉)處理，即能產生全彩光。