CN101652869A - 改进的发光二极管照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括一个或多个发光二极管(LED)的照明装置。该装置包括涂有一层导热材料的陶瓷板片。该装置提供充分的电绝缘，以使其即使在连接到作为电源的电力网时也能安全使用。

Description

改进的发光二极管照明装置
技术领域
本发明涉及包括一个或多个发光二极管的照明装置。本发明解决了对在发光二极管被使用时确保充分消散其产生的热量的同时提供足够的电绝缘的需求。
背景技术
直到十年以前，发光二极管还主要用在需要较低亮度水平的情形中，诸如电子设备上的指示灯。为这种目的所用的发光二极管的功率消耗低，因此在使用时产生的热量相对较少。
需要更高亮度水平的其他用途，包括近十年中开发出来的交通指挥灯和汽车尾灯。对于这些用途，发光二极管的单色特性并不妨碍使用。实际上，这种单色特性对这些用途有利。尽管在这种应用中通常使用多个发光二极管，但这些发光二极管可放置得彼此相隔足够远，使得散热并不会成为主要问题。
已经提出利用不同颜色的发光二极管的组合来产生被认为接近白光的光。为了适当混合不同发光二极管发出的光，考虑到光学均匀性，有必要将这些发光二极管放置在物理上彼此靠近的位置。因此，消散由这些二极管的光产生的热量就更难以解决了。为了能作为在亮度方面可与传统的白炽灯泡甚至卤素灯匹敌的光源使用，基于发光二极管的照明装置需要利用所谓的功率LED(发光二极管)，这就进一步增大了由散热需求所带来的挑战。
另一方面，特别是在照明装置直接连到作为电源的电力网时，而不是连到低压电源时，很重要的是，在LED芯片装置与其所需的散热装置(heat sink)之间提供充分的电绝缘，以便确保安全操作和安全使用基于发光二极管的照明装置。提供电绝缘和提供散热这两种需要趋向于彼此冲突。
本发明的目的是提供一种基于LED的照明装置，这种照明装置即使在包括彼此靠近地放在一起的多个发光二极管时也能提供充分的散热，同时还为照明装置提供足够的电绝缘，以便使照明装置在电力网作为其电源的情况下能够被安全地使用。
发明内容
本发明涉及基于LED的照明装置，该照明装置包括：
a)具有安装面和固定面的陶瓷材料的板片(disc)；
b)覆盖板片的安装面的至少一部分的一层导电且导热材料；
c)安装在板片的安装面上的至少一个LED，所述LED与上述的导电且导热材料导热接触。
优选地，该导电且导热材料是金属。导热且导电材料层的厚度可以在5微米至40微米的范围，优选的是从10微米至30微米。
本发明的照明装置特别适合用在组合起来发出白光的多个发光二极管上。
附图说明
图1示出了根据本发明的照明装置的横截面示意图。
图2示出了在本发明中使用的优选照明装置的电路图。
图3a、图3b和图3c示出了在图2的电路中不同点处的电压起伏图。
图4是图1中的照明装置的俯视图。
具体实施方式
本发明涉及一种基于LED的照明装置，这种照明装置包括：
a)具有安装面和固定面的陶瓷材料板片；
b)覆盖板片的安装面的至少一部分的一层导电且导热材料；
c)安装在板片的安装面上的至少一个LED，所述LED与导电且导热材料导热接触。
一般来说，许多导电材料也是导热材料。然而，即使对于明亮的功率LED的功率需要来说，电功率需求也是很小的，为几瓦特的数量级。因此与LED一起使用的导电材料层通常非常薄。这就使得这些层可以通过例如在制造集成电路的半导体工业和包装工业中通常使用的薄膜技术来沉积。薄层的沉积可通过例如电镀、化学汽相淀积或溅射等方法来实现。
对本发明来说，不能简单地将这种层认为是“导热”的，因为这种层太薄而无法消散掉有意义的热量。在本发明的意义中，被认为是“导热材料层”的层厚度优选地在5微米至40微米的范围内，优选在10微米至30微米的范围内。用于这种导热材料层的优选材料是金属，特别是银、金、铜和铝。银是最优选的。
因为预期厚度，通常不方便通过薄膜技术来沉积导热材料层。已经发现，平版印刷技术适于沉积本发明的照明装置所希望的厚度的导热层。与薄膜沉积技术相比，平版印刷技术具有沉积层的表面比较粗糙的缺点。可能有必要在沉积之后对该层进行后处理，以降低层表面粗糙程度。适当的后处理技术的例子包括电镀或激光增强电镀(lepping)(磨光)。
陶瓷材料板片的主要用途是提供电绝缘，同时维持热传导。任何具有所需绝缘性质的陶瓷材料都适于该用途。陶瓷材料板片的第二用途是为照明装置提供机械强度。因此，机械强度相当大的陶瓷材料是优选的。合适材料的例子包括所谓的高熔点氧化物，特别是氧化铝，也称为共烧陶瓷。
本文中用到的术语“板片”指的是能容纳照明装置的一个或多个LED的任何适当形状的陶瓷材料片。其形状可以是圆形的、长方形的、正方形的，或适于该用途的任何其它几何形状。陶瓷材料板片的厚度优选地在200微米至500微米的范围内。
板片具有安装面和固定面。导电且导热的材料层被设置在板片的安装面上。单个或多个LED芯片以使得它们与导电且导热的材料导热接触的方式安装在板片的安装面上。可通过在板片的固定面处设置散热装置来进一步改善照明装置的散热。
图1示出了在本发明的照明装置中使用的陶瓷板片的一个优选实施例。图中显示的陶瓷板片10的安装面朝上，其固定面12朝下。安装面11上设置有导电且导热的材料的层13。板片10具有厚度15。厚度15决定了陶瓷板片的电绝缘值。厚度优选地在200微米至500微米的范围内。层13限定了具有宽度16的陶瓷板片的边缘。此边缘决定了相对于板片表面上的瞬间放电(sparking)的绝缘值。由于(电离的)空气的绝缘性次于陶瓷材料，宽度16通常大于厚度15。优选地，宽度16至少为1mm，更优选的，至少为4mm至6mm。这种类型的板片使照明装置具有至少3kV的电绝缘。
LED芯片17安装在导热层13上。在此优选实施例中，LED芯片被封装在基本透明材料制成的顶盖罩18中，这种材料可以是本领域已知的类型。合适的材料的例子包括环氧材料和聚氨酯材料。
为了能作为代替例如白炽灯泡的光源使用，希望照明装置发出的光的显色指数至少为80，更优选的，显色指数至少为90。此外，希望提供色温在2000开至8000开的范围内光，更优选的，提供色温在2000开至3700开的范围内的光。
在一个优选实施例中，本发明的照明装置包括第一组至少四个LED和第二组至少一个LED。第一组中的至少四个LED形成整流电桥电路。这种结构使得可以将电路连到交流电源，也可以连到直流电源，以下参考图2更详细地解释。
当电路被连到交流电源时，整流电桥的LED发出的光以与交流电源的周期频率相等的频率闪光。此频率是相对较低的值，例如在大多数欧洲国家为50赫兹，而在北美洲为60赫兹。与白炽灯泡不同，发光二极管在电源中断时立刻停止发光。结果，与电力网相连的发光二极管发出的光可能使人眼感到不稳定并且是闪烁的。出于这个原因，对于整流电桥中的至少四个LED，优选地使用发出峰值波长在600nm至630nm的范围内的光的红色LED，这四个LED彼此交替。人眼对这种波长范围内的光并不是很敏感，因此不会感到令人不悦的闪烁。
离开整流电桥的间歇直流电流，可用于为第二组LED供电。这种间歇直流电流的频率为所连接的交流电源的频率值的两倍。因此，第二组中的LED可被选择为发出波长在人眼更为敏感的范围内的光，诸如绿色光。在一个优选实施例中，第二组包括至少一个发出的光的峰值波长在500nm至560nm范围内的绿色LED，和至少一个发出的光的峰值波长在460nm至500nm范围内的蓝色LED。在另一优选实施例中，第二组由三个绿色LED和一个蓝色LED组成。
图2示出了代表本发明的一个优选实施例的电路20。整流电桥的四个LED 21、22、23和24是发出峰值波长在600nm至630nm的范围内的光的红色LED。这四个红色LED为第二组供电，第二组由三个绿色LED 31、32和33以及一个蓝色LED 41组成。优选的，发出绿光的LED的峰值波长在500-560nm的范围内，而蓝色LED的峰值波长在460-500nm的范围内。已经发现，这种布置提供的光可被认为是白光，其色温在2000开至8000开的范围内。重要的是，已经发现，可在8000开至2000开的范围内对色温进行调节。调节后的光让人眼感觉愉悦而温暖。迄今为止，还不可能使用LED有效地产生这种色温的光。
这种多LED配置的重要优点是能够利用同色的LED芯片，使主波长基本上分布在上文提到的范围内。该分布允许重新分级(binning)不那么严格，从而提高了可用芯片的产量，因此降低了成本。人们希望找到用于本实施例中的波长的最优分布的高级分类技术(sorting technique)。
图2中还示出了分压器51。该分压器可用于调节供应给第二组中的LED的间歇直流电流，从而对照明装置发出的光的色温进行调节。已经意外地发现，利用分压器来调节会导致发出的光的色温大体上沿黑体曲线变化。换言之，该调节并不会导致与被认为是自然白光的光偏离太大。这个特征是本发明此实施例的非常有吸引力的一个方面。
LED的亮度通常随LED的温度而变，特别是随p-n过渡层(也称为pn结)处的温度(Tj)而变。该温度是由LED内发热的速率以及热量能够被消散到环境中的速率决定的。结果是，LED的工作温度趋向于随环境温度的波动而变。不同颜色类型的LED对环境温度的波动的响应是不同的。这意味着，如果环境温度升高或降低，则装置发出的光的颜色可能会改变。尽管可以利用分压器51来调节色温，但这需要人工干预，因此并不是很实用。
提供光传感器54，以确保通过动态反馈而连续并且自动地精调和保持色温。如果，因为外部环境，诸如环境温度的升高，LED装置发出的红光的量减少，则光传感器54运行以减小供给第二组的LED的电功率的量。在图2所示的实施例中，供给三个绿色LED和一个蓝色LED的功率被减小。这就重新平衡了装置发出的光的颜色混合。供给红色LED 21、22、23和24的功率不是由晶体管来调节的，因为该桥式电路是由恒流源供电的。这对感知到的颜色并没有明显影响，因为人类对光强度的改变比较不敏感。优选地，利用达林顿(Darlington)晶体管作为调节晶体管52，因为这种晶体管具有高电流响应。裸露的林顿晶体管芯片也可用作光传感器。
红色LED和绿色LED在使用寿命期间的流明维持状况是不同的。在经过多年的使用寿命后，由AIInGaP化合物构成的红色LED的流明维持状况比绿色GaN LED要好得多。这种随着时间而产生的老化，也可以用用于热量补偿的同一晶体管电路来补偿，因为该电路是基于光学动态反馈的。这需要与分压器(51)串联的光传感器。
为了进一步改善装置发出的光的光谱分布，希望向电路添加至少一个淡黄色(amber)LED(未示出)，这种淡黄色LED的峰值波长在570nm至590nm的范围内。
图2所示布置的独特优点在于，电源可以是交流电源，也可以是直流电源。这意味着，照明装置可以无需变压器或独立的整流器而直接连到电力网。另一方面，可在不需要对制造处理作出任何改变的情况下，提供消费者想要的利用直流电流工作的照明装置。无论照明装置是用交流电源还是用直流电源供电，照明装置是相同的。因为这两种照明装置共用相同的电路，所以这个特征会大大降低制造这两种照明装置的成本。
对于AC操作，电路配备了电容器53，该电容器53将从电压为V而频率为f的外部AC电源60接收到的功率，降低到相同频率的低压间歇功率，同时维持电流恒定。例如，在实施例中，230伏特50赫兹的AC功率可被转换成350mA的恒定AC电流，从而产生12伏特的AC电压。图3a示出了供应给LED 21和24的电流波形。图3b示出了供应给LED 22和23的电流波形。从图3a和图3b中可看出，这两个波形均具有50赫兹的频率，图3b的波形相对于图3a的波形偏移了1/2个周期。LED 21和24发出闪光频率为50Hz的闪光。LED 22和23也发出闪光频率为50 Hz的偏移了1/2个周期的闪光。这两套LED彼此互补，当LED 22和23不发光时，LED 21和24发光，反之亦然。因此，人眼察觉不出发出的光的闪光特性。LED 21、22、23和24发出的光的波长范围是人眼并不特别敏感的这个事实进一步有助于实现这种效果。需要电阻器55来平衡蓝色LED的光量，而电阻器55的值在零至一欧姆之间。
图3c示出了供给第二组LED的电流波形。这是频率为2f，或者，在此情况下，为100Hz的间歇DC。
应理解，LED芯片仅仅在供电电压超过阈值时才会发光。因此，即使是由图3c中的间歇直流电流供电的第二组LED芯片，也间歇地发光。这些LED的闪光频率是AC电源的频率的两倍。如果照明装置由电力网供电，则在欧洲，闪光频率为100Hz，而在北美洲，闪光频率为120Hz。在这些频率，人眼感觉到的是恒定的光。
可如下地从LED装置的工作电压Vop和工作电流Iop计算出电容器53的电容。
Vop＝Vop，21+Vop，31+Vop，32+Vop，24
其中，Vop，21是从制造商的说明书获得的LED 21的工作电压，依此类推。
根据下式计算装置的有效电阻Reff
Reff＝Vop/Iop
根据下式计算电容器52的电阻Rx
Rx＝Reff*(Vac-Vop)/Vop
其中，Vac是外部AC电源60的电压。
最后，根据下式计算电容器53的电容C
C＝1/(Rx*2π*f)
如果Vac＝230伏特并且f＝50Hz，则工作电压为12V并且工作电流为350mA的装置所需的电容器为4.9μF。
再次参考图2，可通过相应地简化连接焊点(connection pad)，利用DC电源70来代替AC电源60。
对于包括发光二极管的任何类型半导体装置来说，静电放电都是有害的。为了避免受到静电放电(EDS)的损害，设置了与一个或多个LED并联的变阻器56。通过这种措施，可以提供至少8kV的静电放电保护。
为了避免LED受到环境的影响并提供机械强度，优选地，各LED被一个一个地单独封装在基本上透明的材料中。这种封装还提供了从发光结到周围环境的更好的光学分界面。合适的透明材料是本领域内众所周知的。本文中所使用的优选材料为环氧材料和聚氨酯材料。
尽管由红色LED、绿色LED和蓝色LED发出的光可被混合成白光，但其光谱分布并不是最优的，因为560nm与600nm之间的波长并未在光谱分布中充分表现出来。希望用淡黄色LED来代替照明装置中的至少两个红色LED，淡黄色LED发出的光的峰值波长在570nm至590nm的范围内。淡黄色LED优选地以交替的顺序布置在红色LED的电桥电路中。例如，图2中的LED 21和22可以是红色LED，而LED 23和24可以是淡黄色LED。
熟练技术人员将会理解，照明装置中所用的LED可以是横式的(horizontal type)，也可以是纵式的(vertical type)。甚至可以用横式的并且通常为纵式的LED的组合来制造照明装置。这种灵活性是本发明的照明装置的另一个优点。
纵式的LED的底部上有一个电连接，顶部上也有一个电连接，通过引线焊接(wire bond)连接到电路。纵向传导电和热的LED的热传导比横向结构的LED好十倍。
纵式LED的另一个主要优点在于，红色芯片和绿色芯片的平面辐射图(planar radiation pattern)相同，从而导致产生同源的白光的最优混合。可通过优化LED的几何布置，例如采用图4所示的布置，来进一步改善不同颜色光的混合。优选地，LED被布置成具有一条对称轴的图案。在图4中，对称轴用虚线40表示。
图4示出了本发明中的照明装置的俯视图。可清楚地看到，以能够形成图2所示的电路那样的模式来设置导热层13。当用交流电为装置供电时，使用接触点60a和60b。当用直流电为装置供电时，使用接触点70a和70b，其中70a是正极的连接点，70b是负极的连接点。
这样，通过参考以上讨论的某些实施例描述了本发明。应理解，对这些实施例，可进行本领域技术人员公知的各种修改，并可具有本领域技术人员公知的各种可替代形式。

Claims (33)

1.一种基于LED的照明装置，包括：
a)具有安装面和固定面的陶瓷材料的板片；
b)覆盖所述板片的安装面的至少一部分的一层导电且导热材料；
c)安装在所述板片的安装面上的至少一个LED，所述LED与所述导电且导热材料导热接触。
2.如权利要求1所述的照明装置，其中所述导电且导热材料是金属。
3.如权利要求1或2所述的照明装置，其中所述板片的厚度在200微米至500微米的范围内。
4.如权利要求3所述的照明装置，其中所述导电且导热材料的层厚度在5微米至40微米的范围内，优选地在10微米至30微米的范围内。
5.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述导热材料选自包括银、金、铜和铝的组。
6.如权利要求5所述的照明装置，其中所述导热材料是银。
7.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，还包括固定到所述板片的固定面上的散热装置。
8.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，其发出显色指数至少为80的光。
9.如权利要求8所述的照明装置，其发出显色指数至少为90的光。
10.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，其发出色温在2000K至8000K的范围内的光。
11.如权利要求10所述的照明装置，其发出色温在2000K至3000K的范围内的光。
12.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，包括第一组至少四个LED和第二组至少一个LED，其中所述第一组至少四个LED形成整流电桥电路。
13.如权利要求12所述的照明装置，其中所述第一组LED向第二组LED提供直流电流。
14.如权利要求12或13所述的照明装置，其中所述第一组至少四个LED为红色LED，发出峰值波长在600nm至630nm的范围内的光。
15.如权利要求12至14中任一项所述的照明装置，其中所述第二组LED包括至少一个发出峰值波长在500nm至560nm范围内的光的绿色LED，和至少一个发出峰值波长在460nm至500nm范围内的光的蓝色LED。
16.如权利要求15所述的照明装置，其中所述第二组LED由三个绿色LED和一个蓝色LED组成。
17.如权利要求13至16中任一项所述的照明装置，具有跨接在所述整流电桥两端的电流调节电路，用于调节供给所述第二组中的至少一个LED的直流电流。
18.如权利要求13至17中任一项所述的照明装置，其中所述电流调节电路包括光电晶体管。
19.如权利要求14或15所述的照明装置，还包括至少一个淡黄色LED，其发出峰值波长在570nm至590nm的范围内的光。
20.如权利要求12至19中任一项所述的照明装置，其由交流电源供电。
21.如权利要求12至19中任一项所述的照明装置，其由直流电源供电。
22.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，所述LED中的至少一个LED由与该至少一个LED并联的变阻器提供静电放电保护。
23.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述陶瓷材料的板片具有边缘，所述导热材料层与该边缘的距离为至少1mm。
24.如权利要求23所述的照明装置，其中所述距离为至少4mm。
25.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中一个或多个LED被封装在由基本透明的材料制成的半球形状的半球中。
26.如权利要求23所述的照明装置，其中所述基本透明的材料是环氧材料或聚硅氧烷材料或聚氨酯材料。
27.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中发出的光的颜色可沿着黑体曲线调节。
28.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，具有至少3kV的电绝缘。
29.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述LED是横式的。
30.如权利要求1至28中任一项所述的照明装置，其中所述LED是纵式的。
31.如权利要求30所述的照明装置，其中所述LED具有类似的平面辐射图。
32.如前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中所述LED被布置成具有至少一个对称轴的图案。
33.如权利要求1至28中任一项所述的照明装置，包括至少2个LED，其中至少1个LED是横式的，并且至少一个LED是纵式的。
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