專利名稱：Led發光單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及LED發光單元。
背景技術：
發光二極管(LED)是替代基于白熾燈和熒光燈的傳統光源的有吸引 力的候選對象。LED具有比白熾燈高得多的能量效率，并具有長得多的壽 命。另外，LED不需要與熒光燈有關的高電壓系統，并且能提供更接近 "點光源"的光源。后一特征對于采用準直光學器件或其他成像光學器件 的光源特別重要。為了替代傳統白熾燈，LED光源必須包括若干個LED以及對各個 LED進行操作的控制電路以提供燈泡替代物，其能夠維持恒定色彩并可以 以響應于漸變控制的方式改變強度。LED發射的光處于較窄的光譜段中。因此，為了提供可感受到任意色 彩的光源，必須將來自若干個LED的光合并成單一的光結構，或者必須用 某種形式的熒光轉換層將窄帶光轉換成具有期望色彩的光。盡管這樣使某 些LED光源的結構復雜化，但是它也為具有可變色彩或可變強度的光源提 供了基礎，所述光源通過改變各種色彩的LED所發射光的比率來改變色 彩，通過改變對所有LED的功率來改變強度。相比之下，基于熒光管的傳 統光源發射的光，其色彩和強度是固定的。基于單個LED的光源在光源能產生的光量方面相對受到限制。通常， LED具有小于幾瓦的功率耗散。因此，為了提供替代傳統光結構的高強度 光源，就必須在每個光源中使用較大數量的LED。另外，LED會隨著使用而老化。通常，光輸出會隨著使用而減弱，在 某些情況下，LED發射的光譜會隨著老化而漂移，造成色彩漂移。通常， 發射不同色彩光的LED具有不同的老化特性，這是因為LED的老化曲線
取決于制造工藝和材料，以及其他因素。在基于三種不同色彩LED的光源 中，強度和/或光譜的漂移造成光源發射的光的色彩漂移。為了校正這些問題，許多LED光源包括某種形式的光檢測器和控制器，光檢測器測量 LED產生的光，控制器調整各個LED的驅動電流以維持期望的色彩。漸變功能和色彩維持功能通常是由某種形式的控制器和向LED提供電 流的驅動電路來執行的。對從LED發射的光進行的強度控制通常包括以某 個頻率打開和關閉LED,該頻率對于人類觀察者而言過高而感覺不到。通 過對LED處于打開狀態的驅動周期所占比率來調整強度。維持預設色彩需 要光檢測器和對驅動電路進行操作的伺服器。另外，還提出了使用電線通 信來對光源實現遠程控制的其他功能。最后，為了取代傳統的白熾燈，光 源中必須包括交流(AC)到直流(DC)的轉換器，因為LED是以DC方 式工作的。所有這些電路在用基于LED的光源代替傳統光源的成本中占據 了很大比率。本發明包括具有光產生部分和基座部分的發光單元。光產生部分包括 多組LED，其每組發射與其他組相比光譜不同的光， 一個組包括多個 LED。光產生部分還包括光混合結構，光混合結構對LED產生的光進行散 射，以產生比LED所產生的光在色彩和強度方面更均勻的光。光產生部分 還包括向LED供電的多個光產生部分連接器。各組LED以由光產生部分 連接器上接收到的相應信號確定的強度產生光。基座部分包括將發光單元 連接到AC電插座的適配器，該AC電插座被設計成容納白熾燈或熒光 燈。基座部分還包括控制器和電能變換器，控制器產生信號并將信號耦合 到LED,電能變換器將來自適配器的AC電能轉換成對控制器供電的DC 電能。基座部分包括連接到控制器的多個基座部分連接器，每個基座部分 連接器與光產生部分連接器中相應的一個可拆卸地匹配。發光單元還包括 傳感器，在發光單元正常工作期間，該傳感器周期性地測量與各組LED產 生的光強度相關的參數。控制器根據測量參數產生耦合到LED的信號。在 本發明的一個方面，傳感器包括光檢測器，光檢測器對各組LED產生的光
強度進行測量。在本發明的另一個方面，傳感器測量與LED溫度相關的溫 度。傳感器可以位于光產生部分或基座部分中。在本發明的另一個方面， 基座部分還包括通信接口，用于在控制器與連接到AC電插座的裝置之間 發送和接收信息。在本發明的另外一個方面，光產生部分包括殼體，殼體容納LED和混合結構，并且殼體具有與相應的商業可獲取的白熾燈或熒光 燈匹配的形狀和尺寸。
圖1是現有技術中三色光源40的一個實施例的框圖，該光源被建議 來替代傳統光源(例如白熾燈)。圖2是根據本發明的光源的一個實施例的剖視圖。圖3是圖2所示光源30 —部分的放大剖視圖。圖4是根據本發明的光源另一個實施例的剖視圖。圖5是圖4所示根據本發明另一個實施例的光源80—部分的放大剖視圖。
具體實施方式
參考附圖1可以更容易地理解本發明獲得其優點的方式，附圖1是三 色光源40的現有技術實施例的框圖，該光源被建議來代替傳統光源(例 如白熾燈)。光源40包括標號50所示的三組LED。紅色、藍色和綠色 LED分別用標號42—44表示，并由色彩控制器控制。為了簡化附圖，每 組LED用單個LED表示；但是應當明白，標號42—44所示的每個LED 通常是串連連接的各個LED的串。每串中LED的數量取決于光源所要提 供的最大功率。LED串通常設有某種形式的混合室，以確保光源射出的光 看起來是具有與視角無關的相同色彩的均勻光源，而不是點光源的集合。光源40包括色彩傳感器46，色彩傳感器46對LED產生的光在光混 合之后進行采樣。色彩傳感器46產生三個信號，這些信號表示每串LED 所產生的光的強度。本領域公知多種不同的LED強度測量方案，因此這里 將不詳細討論各種方案的細節。為了此處討論的目的，將假定色彩傳感器46由三個光電二極管組成的組及處理器構成，每個光電二極管具有相應的 帶通濾波器，帶通濾波器將到達該光電二極管的光限制在三個光譜段之一，處理器根據這些光電二極管的輸出計算各串LED產生的光強度。但是，也可以采用本領域公知的許多其他形式的色彩傳感器。LED以對于人眼而言過快而不能感覺到的速率打開和關閉。觀察者只 能看到LED所產生的平均的光。通過設定各個周期中LED處于打開狀態 的時間所占百分比來設定經過LED的平均電流，而不是通過改變經過 LED的恒定電流大小來設定。設定占空循環將光源的色彩維持在目標值并 設定光源產生的光的總強度。通過伺服環路來維持光源40的色彩，所述伺服環路將色彩傳感器46 的輸出與光源控制器48提供的目標值進行比較。差值電路47產生觀察到 的信號與目標信號之間的差，該電路的輸出供給脈寬調制發生器49。脈寬 調制發生器49調整各組LED的占空因子以將誤差信號減至最小。 一組電 流驅動器51 — 53向各組LED提供電流。LED和控制電路需要DC電能。因此，光源40必須包括某種形式的 DC電源56，該電源56將普通的AC電線電能轉換成DC。為了簡化附 圖，略去了電源56與由其供電的部件之間的各種電能連接器件。由于光源40己經包括了相當大量的計算和控制電路，所以建議控制 電路應該利用通信接口 55，該通信接口 55使光源可以直接從用戶或通過 AC電線從某些主控制裝置接收命令。這些命令可以對光源提供的光的色 彩進行設定、提供光源的漸變功能、或者打開和關閉光源。本發明基于這樣的觀點在單個"燈泡"封裝中提供上述所有功能在 經濟上是低效的。首先，應當注意，控制電路和電源部件具有比LED部件 長得多的壽命。這在高功率LED的情況下特別相符。因此，拋棄整個燈泡 造成了長壽命部件的損失。這些長壽命部件占據了燈泡成本中很大的比 例，因此在它們的可用壽命結束之前就拋棄它們增加了發光系統的成本。現在參考圖2，圖2是根據本發明的光源的一個實施例的剖視圖。光 源30包括兩個單獨的部件，即基座單元31和光產生單元32。基座單元 31包括與傳統燈泡插口匹配的適配器33。基座單元31還包括電能變換器34和控制器35，控制器35設有驅動器、伺服環路、光檢測器，在帶有通 信接口的情況下，通信接口也設在控制器35中。控制器35設置成使得在 對光源通電時，光檢測器接收到來自光產生部分32的光。光產生部分32包括LED 37和光混合結構39。光產生部分32還可以 包括殼體38，殼體38提供傳統燈泡的外觀。殼體38還可以用于確保光源 30具有與傳統燈泡相同的外部尺寸，以使為傳統燈泡設計的燈罩或其他裝 置可以用于光源30。最后，光產生部分32包括若干個插頭，這些插頭與基座部分31中相 應的插口匹配。如果光源30被設計成提供了色彩可變的光源，則通常對 于每種色彩的光會有一個插頭36，再加上一個提供公共接地的插頭。但是 也可以采用其他數量的插頭。現在參考圖3，圖3是光源30 —部分的放大剖視圖。光產生部分32 包括多個LED37，這些LED安裝在襯底62上并連接到襯底62，襯底62 包括為各個LED供電的電跡線。為了簡化附圖，已經略去了LED到襯底 62的電連接結構。通常，混合結構39是通過將這些LED包封在帶有散射 中心的透明材料中實現的，所述透明材料例如環氧樹脂或硅酮，所述散射 中心對LED產生的光進行散射。因此，光源看起來像是具有混合結構尺寸 的擴大的光源，而不是單個的LED。反射器61將沿側向散射的光重定向 到向前的方向。襯底62包括透明窗口 66，透明窗口允許混合結構中的一小部分光到 達光檢測器64。根據LED產生的光的色彩對這些LED進行分組。 一種特 定色彩的所有LED都連接為一個或多個LED串中。在各個串中，LED串 聯連接，使每個LED接收到相同的電流。光源中存在多種色彩的LED。 光檢測器64提供多個強度信號，每個信號測量了特定波長段中的光。伺 服控制器65保持經過各個串的電流，使得離開光源30的光感覺上是與 LED老化無關的預定色彩。伺服控制器65包括用于各個串的驅動器，并 經過與插頭36匹配的插座63將電能耦合到光產生部分32。為了簡化圖3，圖中已經略去了電源和可選的通信接口。通信接口可 以包含在伺服控制器65中。應當注意，光檢測器64可以是與伺服控制器
65同一芯片的一部分，因為這兩個部件都可以構造為CMOS。在上述實施例中，光檢測器包括在基座部分而不是光產生部分中。但 是，也可以構造成光檢測器包括在光產生部分中那樣的實施例。現在參考圖4，圖4是根據本發明的光源的另一個實施例的剖視圖。光源80類似于 上述光源30。但是，圖2所示控制器35已經被分為不帶光檢測器功能的 控制器71以及作為光產生部分一部分的光檢測器72。光檢測器72連接到 兩個或多個以標號36表示的插頭。光檢測器72優選地安裝在這樣的位置在該位置處它可以以相同的 效率對所有LED產生的光進行采樣。在光源80中，光檢測器72安裝在殼 體38內部。但是，也可以構造成光檢測器安裝在混合結構39中那樣的實 施例。在本發明的上述說明中，混合結構39與殼體38分開。但是，也可以 構造成殼體38還具有混合功能這樣的實施例。例如，殼體38的表面可以 包括散射中心，所述散射中心以類似于毛玻璃燈泡的方式執行混合功能。 或者，混合結構39也可以由固體材料(例如環氧樹脂)構成，其形狀設 置成模擬了傳統燈泡的形狀。應當注意，根據本發明，基座部分可以與多個不同的光產生部分一起 使用。因此，減小了必須保留的單獨零件的數目。另外，由于基座部分中 的部件具有比光產生部件中的LED更長的壽命，所以在更換光產生部分時 可以反復利用基座部分。如上所述，在本發明的一個實施例中，基座部分包括通信接口，該通 信接口通過電線連接來發送和接收信息。這種電線數據通信是本領域公知 的，因此將不在這里詳細說明。在本發明中，可以用通信接口來設定由光 源產生的光的色彩。用于指定要維持的色彩的一種方法是儲存針對檢測器 信號的目標值。在此情況下，控制器對LED電流進行修正，使得光檢測器 信號與所儲存的目標值匹配。如果基座部分被設計成只對一種光產生部分有效，則可以用所要保持 的目標值對控制器進行預編程。但是，如果要將基座部分用于多種光產生 部分，或者需要色彩在光源工作期間處于用戶控制之下，則需要某些方式
來輸入所要采用的目標值。可以用適當的控制臺或計算機接口來為這種編 程功能使用通信接口。另外，可以通過與使用電線通信接口的家用自動化 系統中所用方式類似的方式，用通信接口由家用控制器對光進行控制。在 這樣的方案中，用戶可以在光源工作期間對光源的色彩和強度都進行變 更。本發明的上述實施例使用了光傳感器來校正由老化造成的色彩漂移。 但是，熱效應也可能造成色彩漂移。隨著LED受熱，電能向光能的轉換效率下降。對于不同色彩的LED，轉換效率下降不同。因此，即使沒有老化 現象，也需要某種形式的色彩校正將來自光源的光的色彩保持在期望的色 彩點。與色彩傳感器相比，由于熱效應造成的色彩漂移原則上可以通過使用 溫度傳感器來進行校正。與老化造成LED輸出減小所經歷的時間相比，熱 效應造成發生色彩漂移所經歷的時間通常較短。因此，可以對由于發熱造 成的改變進行標定來為各個LED確定光輸出隨溫度變化的曲線。該曲線對 于光源打開后某個預定長度的時間是有效的。另外，也可以對具體種類的 LED的老化速率也可以標定為LED在特定電流下打開的時間量的函數。 因此，如果已知各個LED的溫度和總工作時間，則控制器可以對發往各個 LED的電流進行校正，從而將LED老化和光源的電流溫度這些因素考慮 進來。應當注意，由于控制器己經包括了某種形式的時鐘來對發往LED的 波形進行定時，所以控制器可以跟蹤各個LED的工作時間。現在參考圖5，圖5是根據本發明另一個實施例的光源80 —部分的放 大剖視圖。光產生部分82包括多個LED87，這些LED安裝在襯底90上 并連接到襯底90，襯底90包括用于對各個LED供電的電跡線。LED還與 導熱層83接觸，該導熱層將來自LED的熱量傳遞到熱輻射表面(例如表 面85)。可以通過測量層83或表面85的溫度來測量這些LED的溫度。 例如，熱傳感器84可以設置在層83上并通過標號91所示的插頭中的兩個 連接到控制器89。或者，基座部分81中可以包括紅外傳感器88。傳感器 88可以監視表面85并產生與表面85的溫度相關的信號。傳感器88也可 以由對表面85的溫度進行測量的熱敏電阻代替。 實際上，與使用基于光檢測器的伺服系統相比，基于測量光源的溫度 并使用標定曲線來改變供給各個LED的平均電流這樣的控制策略需要的計算資源更少。在基于伺服的系統中，光檢測器必須測量光源中各串LED的光輸出。通常，光檢測器包括三個光電二極管，每個光電二極管上帶有帶 通濾波器。實際上，即使帶有帶通濾波器，每個光電二極管也會從超過一種色彩的LED接收到光。因此，控制器必須對光電二極管輸出信號進行數 學校正，以提供與各串LED的光輸出相關的信號。這需要相當多的計算資 源。另一方面，溫度傳感器可以用與裝有LED的襯底相連的熱敏電阻來實 現，或者通過用紅外光電二極管監視襯底來實現。可以用紅外光電二極管 來代替圖3所示的光檢測器64。在此情況下，因為紅外檢測器只需監視襯 底62的底表面，所以不需要窗口 66。因此在通過測量溫度而控制的系統 中，傳感器更簡單、更便宜。其次，與對光電二極管信號進行校正所需的 計算資源相比，實現對照表所需的計算資源要少得多，所述對照表是保存 了對于各種LED而言，溫度隨著效率的變化數據。因此，可以對成本因素以及對由于老化和溫度造成的色彩漂移進行校 正的精度二者進行權衡。對于照明目的，改善色彩控制并不一定總是值得 付出額外代價。根據前述說明以及附圖，本領域技術人員可以明白對本發明的各種變 更。因此，本發明僅由權利要求的范圍來限定。
權利要求
1.一種發光單元，包括光產生部分，包括一組或多組LED，其每組發射與其他組相比光譜不同的光；和多個光產生部分連接器，其向所述LED提供電能，每組LED以由所述光產生部分連接器上接收到的相應控制信號所確定的強度產生光；以及基座部分，包括控制器，其產生所述控制信號并將所述控制信號耦合到所述光產生部分連接器；和多個基座部分連接器，其連接到所述控制器，每個基座部分連接器與所述光產生部分連接器中的相應一個可拆卸地匹配。
2. 根據權利要求1所述的發光單元，還包括適配器，所述適配器將所 述發光單元連接到AC電插座，所述AC電插座被設置成容納白熾燈或熒 光燈；以及電能變換器，將來自所述適配器的AC電能轉換成對所述控制器供電 的DC電能。
3. 根據權利要求1所述的發光單元，還包括光混合結構，所述光混合 結構產生的光輸出比所述LED組所產生的光輸出在色彩和強度方面更加均 勻。
4. 根據權利要求1所述的發光單元，還包括傳感器，在所述發光單元 正常工作期間，所述傳感器周期性地測量與各組LED產生的光的所述強度 相關的參數，所述控制器利用所述參數來產生所述控制信號。
5. 根據權利要求4所述的發光單元，其中，所述傳感器包括光檢測 器，所述光檢測對所述組LED各自產生的光的所述強度進行測量。
6. 根據權利要求5所述的發光單元，其中，所述傳感器位于所述光產 生部分中。
7. 根據權利要求5所述的發光單元，其中，所述傳感器位于所述基座部分中。
8. 根據權利要求4所述的發光單元，其中，所述傳感器包括用于測量與所述LED相關的溫度的裝置。
9. 根據權利要求8所述的發光單元，其中，所述LED與熱傳播層進行 熱接觸，所述熱傳播層具有與所述LED之一的溫度相關的溫度，并且其 中，所述傳感器測量所述熱傳播層的所述溫度。
10. 根據權利要求9所述的發光單元，其中，所述傳感器包括溫度傳 感器，所述溫度傳感器附裝到所述熱傳播層并通過所述光產生部分連接器 連接到所述控制器。
11. 根據權利要求9所述的發光單元，其中，所述傳感器包括所述基 座部分中的紅外檢測器。
12. 根據權利要求2所述的發光單元，其中，所述基座部分還包括通 信接口，所述通信接口用于在所述控制器與連接到所述AC電插座的裝置 之間發送和接收信息。
13. 根據權利要求3所述的發光單元，其中，所述光產生部分還包括 殼體，所述殼體容納所述LED和所述混合結構，所述殼體具有與相應的商 業可獲取的白熾燈或熒光燈匹配的形狀和尺寸。
全文摘要
本發明公開了一種具有光產生部分和基座部分的發光單元。基座部分和光產生部分通過一系列匹配連接器可拆卸地連接。光產生部分包括多組LED以及混合結構。基座部分包括將發光單元連接到AC電插座的適配器，所述AC電插座被設計成容納白熾燈或熒光燈。基座部分還包括對LED供電的控制器。發光單元還包括傳感器，在發光單元正常工作期間，傳感器周期性地測量與各組LED產生的光強度相關的參數。控制器使用該傳感器來控制LED。發光部分還可以包括殼體，該殼體具有傳統白熾燈或熒光燈結構或者燈泡的形狀。
文檔編號F21V21/00GK101210665SQ20071019482
公開日2008年7月2日 申請日期2007年11月22日 優先權日2006年12月29日
發明者潘國振, 陳文杰 申請人:安華高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司