用於交通工具照明的模塊化發光二極體系統的製作方法
2023-10-08 01:13:54 2
專利名稱：用於交通工具照明的模塊化發光二極體系統的製作方法
技術領域：
本申請的主題同樣涉及具有以下申請號的美國專利申請中的一個或更多個申請的主題，其整體作為參考併入本文: 12/101，377，2008 年 4 月 11 日提交; 61/099，713，2008 年 9 月 24 日提交； 61/105, 506,2008 年 10 月 15 日提交； 12/566，146，2009 年 9 月 24 日提交； 61/308，171，2010 年 2 月 25 日提交；* 61/320，545，2010 年 4 月 2 日提交； 61/345,378，2010年5 月 17 日提交；以及 61/492，125，2011 年 6 月 I 日提交。
背景技術：
交通工具照明，特別是飛行器照明，已從白熾燈照明轉變為螢光照明，並且再次轉變為發光二極體(LED)照明，特別是鑑於允許更高的光輸出的LED領域中的進步。LED照明與白熾燈和螢光照明相比具有多種優點，LED照明是重量輕的、相對易於驅動、低功率並且有效率。這些特性使得LED照明對考慮重量的交通工具是理想的。雖然更新的交通工具將圍繞LED技術的進步進行設計，但是許多具有數年使用壽命的現有交通工具仍然存在，並且由此有利的是將現有的螢光照明替換為LED照明，例如美國專利申請序列號為N0.12/101，377中所述，使得最小程度地破壞現有的電路、布線等。另外，模塊化設計是期望的，從而便於製造、安裝、維護和維修。
發明內容
重量輕和相對廉價的LED燈單元被提供作為可以被實現併集成到具有最小影響的交通工具設計中的交通工具照明系統的底座。通常，照明單元被設計為提供關注最近的LED技術的使用的簡單的低成本和低重量的照明方案，其具有最小的功耗、很長的壽命和高可靠性。以下的說明提供了關於本發明的各種示例性實施例的細節。照明單元設計是具有低功耗的重量優化的，並且還優選為被設計為使用飛行器或其他交通工具上的現有照明接口並且直接替換現有的照明單元，而不明顯改變現有布線、連接器或安裝點。對這些單元的替換處理被設計為容易、快速和十分安全。
在一個實施例中，具有在獨立的光模塊內的溫度傳感器的模塊化發光二極體系統提供了對交通工具內部的照明。所述模塊提供了色彩(對於彩色LED模塊)和照明控制的靈活性，並且替換飛行器或其他交通工具中使用白熾燈、螢光或其他照明形式的現有的模塊。雖然本文所述的系統是設計為在飛行器中使用的示例性實施例，但是應該注意這種系統可以被用在任意交通工具中，並且因此術語「飛行器」的使用在本文中被定義為更上位的術語「交通工具」的一種代替。彩色和白光照明設計優選為具有相同的物理和電氣接口，並且是可互換的，因此彩色或白光照明的使用可以是對生產線幾乎沒有影響的一種簡單的顧客選擇。因此，提供了一種發光二極體(LED)單元，包括:LED模塊，該LED模塊包括:多個LED ;驅動所述LED的LED驅動電路；運載LED照明控制信息到LED驅動電路的LED控制總線；以及至少部分圍繞LED模塊組件的外殼；電源和控制模塊，該電源和控制模塊包括:將第一電壓水平轉換為第二電壓水平的電源；接收來自外部源的照明指令的微控制器；接收來自微控制器的發光指令並且將LED照明信息傳送到LED驅動電路的LED驅動控制器；至少部分地圍繞電源和控制模塊組件的外殼；將LED驅動控制器連接到LED控制總線的接口。還提供了一種交通工具LED照明系統，包括如上所述的多個LED單元；其中多個LED單元由連接到座艙通信系統(CCS)的單個外部控制器控制。首字母縮略詞表ANSI 美國國家標準協會AP接入面板AWG 美國線規BIT 內置測試BITE 內置測試設備CCS 座艙通信系統CIE 國際照明委員會LC發光控制器LED 發光二極體LRU 線路可更換單元PA 乘客地址PWM 脈衝寬度調製RGBW 紅綠藍白VAC 交流電壓VDC 直流電壓
本發明的各個實施例在附圖中說明並且在下面進行更詳細的討論。圖1A是附連到交通工具安裝元件的光(燈，light)單元的一個實施例的底部透視圖；圖1B是圖1A中所示的光單元的所述實施例的頂部透視圖；圖2A是附連到交通工具安裝元件的光單元的另一個實施例的底部透視圖2B是圖2A中所示的光單元的所述實施例的頂部透視圖；圖2C是圖2A中所示的光單元的所述實施例的可替換的底部透視圖；圖2D是圖2A中所示的光單元的所述實施例的側視圖；圖2E是模塊連接器的端視圖；圖2F是電源和控制單元的透視圖；圖2G是電源和控制單元的側視圖；圖2H是電源和控制單元的端視圖；圖3A是使用LED單元的飛行器發光系統的框圖；圖3B是示例性LED單元的框圖；圖3C是另一個示例性LED單元的框圖；圖4是具有多個LED模塊的LED單元的框圖；圖5A-C是CIE色度圖；以及圖6-12是示出了 LED單元放置的各種飛行器機身截面圖。
具體實施例方式圖1A是示例性LED單元10的底部透視圖。所述單元10可以按照其長度變化，但優選為以標準化的長度設置製造。與飛行器的機械接口可以獨立於安裝環境並且對於每種長度的LED單元均是對等的。每個變體可以提供多個附連點以容納對稱的機械安裝，如下面更詳細的討論。對於飛行器電力和座艙通信系統(CCS)接口的電連接器的位置可以可適應性地位於LED單元10的左手端或右手端。提供了一行LED50(顯示在所述單元的底部)。在一個實施例中，使用了彩色的LED，其可以用於產生基本上任意色彩或強度的照明。在另一個實施例中，僅使用白光LED或白光和琥珀色LED。LED可以分組為串狀。LED單元10包括電源和控制單元100，該電源和控制單元100優選為固定到LED模塊20的外殼30的頂部，所述LED模塊20自身包含LED50。外殼30優選為由重量輕的金屬製造，例如鋁。模塊連接器120被提供以允許所述模塊連接到交通工具電力和通信系統。單元10可以安裝到交通工具安裝元件302 (其不構成單元10的一部分)。圖1B是圖1A中所示的單元10的頂部透視圖，並且該視圖進一步說明了將連接器120與電源和控制單元100的電子器件接合的模塊連接器電纜122。圖2A-D示出了另一個實施例，其中連接器120不使用延伸到電源和控制單元100的外部的連接器電纜122。圖2D提供了三個示例性LED單元10的組件的標稱長度。圖2E示出了示例性連接器120的引腳分配，其包括與CCS的串行接口、電源和電源迴路。圖2F是圖2A-D中所示的電源和控制單元100的頂部透視圖。除了提供控制單元100的更詳細的說明以外，其進一步說明了附連元件130。圖2G是具有更短長度的示例性單元10的側視圖並且示出了附連元件130。圖2H是所述模塊的端視圖，其示出了模塊連接器120。以下將更詳細地討論的是，LED模塊10的實施例的變化包括(但不限於)模塊的尺寸、插頭配置(即具有或不具有延伸到模塊連接器的外部電纜122)、補償或未補償的、以及彩色或白光的LED。補償和未補償的區別在於LED可以基於製造變量、工作溫度和老化程度而變化色彩和強度的事實。補償的LED模塊10通常是彩色模塊，其中安裝前的校準已被執行並且之後校準和調節信息被存儲在所述模塊內或所述交通工具的控制系統內。在這些設計中，高水平的彩色信息可以被提供到單元10，並且可以進行適當的修改以確保單元10內以及模塊間的色彩在某種程度上不改變，使得其可以易於被乘客發覺。然而，實現這種配置所必須的補償、校準和電路引入了附加的成本，由此可能期望，特別是在需要白光LED時可能期望消除附加的硬體開銷和生產成本。更低端的設計意圖成為簡單的低成本設計結構，其在固定的白色光溫度下布置硬體和軟體/固件。圖3A是說明了使用一系列補償或未補償的LED單元10的示例性結構的系統邏輯框圖，其中的每一個可以是圖1A至圖2H中說明(例示)的一個或更多個模塊。如可從圖3A中看出的，交通工具/飛行器電力發電機310可以經由電路斷路器面板312連接到LED單元10。LED單元10優選配置為與飛行器控制設備和115VAC400HZ電力一起使用。LED模塊控制器(LC-A) 200優選被設計為控制多達8個LED單元10，並且每個LED單元10接收來自控制器LC-A200的命令。在這種布置中，每個LED單元10可以具有自身的主電力連接以及專用串行通信，例如RS485控制信號。LED單元10還可以配置為具有兩個獨立的控制信號。在一個實施例中，由於每個控制信號路徑均是專用的，所以在LED單元10中無需尋址開關或引腳編程。控制器LC-A單元200傳送命令到LED單元10並且可以接收關於其健康的信息。在所示的實施例中，LED單元10和控制器LC-A200之間的通信結構是主從的，其中控制器LC-A200是主，而LED單元10是從。然而，其他配置是可行的，例如對等(peer-to-peer)結構。在這種設計中，不要求經過LED單元10的通信(和電力)的雛菊鏈。在本實施例中，每個LED單元10優選為具有專用RS485連接，但是如上所述，LED單元10可以具有兩個專用RS485埠。在這種配置中，LED單元10不要求尋址。然而，還可以提供用於LED單元10的一些形式的尋址。圖3B是說明了可以在所述系統中使用的示例性單元10的框圖。LED單元10可以包括LED模塊20，該LED模塊20容納可以被組織為LED串52的LED50，並且電源和控制模塊100經由連接器/接口 185連接在一起。LED模塊20包括外罩/外殼30,外罩/外殼30包含具有其各自的驅動器的多個LED50或LED串52。LED控制總線60提供控制信號信息到LED串。LED控制總線60經由連接器/接口 185連接到電源和控制模塊100。電源和控制模塊100在其電源150處以115VAC/400HZ接收線電壓140。隔離屏障145可以用於隔離飛行器主電壓115VAC與模塊/線路水平電壓LV，所述模塊/線路水平電壓LV是模塊20、100運轉所用的電壓。在沒有可用的機殼接地連接可用的配置中，提供了 一個實施例，其中在全部單元中的115VAC/400HZ電源模塊150位於塑料外殼中以避免電擊事故。所述模塊的低電壓(例如小於30VDC或VAC)輸出被傳遞到電源模塊內的控制電路並且之後被傳遞到鋁外殼30中的LED50上。鋁外殼30容納LED50和相關聯的電路，所述外殼未接地並且通常是浮動的。兩個電源例如可以考慮為:一個低功率C25VA)並且一個高功率r50VA)，並且可以按需使用。這些電源可以與其他電子部件在電流上隔離並且可以用於更大和/或更長的LED單元10。
已知的是對於給定的電壓或電流輸入，LED的光輸出可以基於溫度變化。換句話說，如果溫度被允許變化，則嚴格控制的電壓或電流不能確保嚴格控制的照明。因此，如果期望嚴格控制的照明，則可取的是監控溫度，使得可以進行適當的基於溫度的調節。圖3B提供了一個示例，其中溫度傳感器170被提供在電源和控制模塊100內。溫度傳感器170向微控制器160提供輸入，所述微控制器160可以使用用於調節由LED驅動控制190提供的驅動量的溫度信息。例如，微控制器160可以接入關於LED50或LED串20的信息，可能的是在特定溫度下(例如25°C )基於之前的測試和校準數據進行所述接入，並且所述微控制器160還可以利用公式或在校準期間獲得的附加數據，從而獲知如何補償被傳輸的電力以便維持例如35°C時的亮度和色彩。可行的是校準LED50或LED組/串52，使得可以獲知針對一定範圍的電壓或電流並且針對一定範圍的溫度的光輸出特性。這可以例如通過預先安裝的校準程序確定，其應用變化的電壓或電流以及溫度，並且之後測量光輸出。輸入和輸出變量之後可以被存儲在表格中並且與LED50或LED組52相關聯，使得LED可以被嚴格控制。可行的是即便是LED單元10內的溫度也可以基於多個因數變化，例如所述單元放置的位置處的溫度梯度、在特定位置的非均勻加熱等等。因此，期望獲知LED或LED組附近的具體溫度以用於更精確的控制。如圖3C所示，每個LED和驅動器53或LED串50、52具有其自身的相關聯的溫度傳感器54。然而，同樣可行的是使用更少的傳感器來採樣更大面積的溫度。同樣如圖3C所示，LED單元10可以包括LED控制總線60和外圍控制總線65，LED驅動器經由所述LED控制總線60接收用於控制LED照明的信號，所述外圍控制總線65允許至微控制器160的信息流。如可以從圖3B、3C中看出的，接入面板220可以用於指示仲裁器210，該仲裁器210用作飛行服務人員面板和 發光控制器之間的接口，從而通過控制器LC-A200傳送發光信息到單元10，優選為基於CCS數據總線250傳送。通過隔離電路180連接到微控制器160的串行總線125可以用於將各單元10連接到一起並且傳送相關信息。雖然LED模塊20以及電源和控制模塊100中的每一個均可以具有其自身獨立的外殼，但是同樣可行的是使其兩者均包含在相同的外殼內。如從中可以看出，在優選的實施例中，電源模塊100設置有標準飛行器115VAC/400HZ主電源電壓140。所述電壓可以被調節為例如5VDC (或VAC)以為LED模塊20供電。與電源150相關聯的電壓調製電路可以利用隔離變壓器作為使電壓下降的機構。所述變壓器可以利用不同的芯材，例如矽鋼、金屬玻璃和納米晶，這取決於成本和性能準貝U，最後的兩種材料具有更低的鐵芯損耗，但是具有更高的成本。在優選的實施例中，可以利用以下的變壓器規格: 額定電壓輸入:115Vrms 額定頻率:400Hz 輸入電壓範圍:97至132Vrms 次級功率輸出:20瓦 次級電壓輸出:33Vrms (作為最大效率的DC-DC轉換器)
DC輸出電壓:5 電介質強度>>1KV 效率=>95% 總變壓器損耗〈1.5瓦在優選的實施例中，變壓器可以具有3.44」x0.816"x0.763」的L xWxH，並且重量為0.37磅(含外罩和封裝)。期望在滿負荷時維持不具有功率因數補償的平均功率因數為約0.85至0.9，但是通過利用有源功率因數校正(例如單晶片方案)可以實現將功率因數增大到超過該數值。圖3C示出了連接到外圍總線65和LED控制總線60以獲得反饋並且提供控制信號到LED驅動器53的微控制器160。該模塊可以經由例如RS485125等通信鏈路與外部控制器通信。如所例示的，電源模塊可以基於應用被定級為各種功率等級。電源輸出電壓可以變化以說明LED Vf變化和LED熱Vf變化。LED單元理想地承載低電壓DC (+5V)，而LED驅動器53可以是恆流源。在優選的實施例中，LED驅動器53在至少150Hz的頻率下刷新LED。溫度傳感器54、170主要用於由於熱效應引起的光的色彩校正。圖4是說明了電源和控制模塊100控制多個LED模塊20的實施例的框圖，所述LED模塊20經由互連裝置120彼此互連。每個LED模塊20均具有其自身的標識符，並且微控制器160能夠使用所述標識符獨立地尋址每個LED模塊20。這示出了如何可以通過增加模塊化區段20來擴展LED單元10。通信和邏輯信號從一個LED模塊20傳遞到下一個L ED模塊20，但是控制器160可以獨立地尋址每個模塊
20。每個包括兩個埠類型XIII LED單元的LED單元的控制模塊100僅具有一個集成電源。在本實施例中，每個LED模塊20僅需要一個電源150。每個LED模塊20可以連接到另一個LED模塊，並且LED模塊20可以通過雛菊鏈而連結在一起。所有通信和邏輯均可以從一個LED板傳遞到下一個LED板，並且每個通信和邏輯均返回來與電源和控制模塊100中的微控制器160通信。更詳細地，在一個實施例中，對於LED控制、反饋和過溫保護，LED驅動器53可以使電流脈動大於要求的150Hz，從而最小化乘客和乘務人員察覺到的閃爍。任意兩個連續的調光步驟之間的步驟響應時間優選為0.4s±0.1s。由LED50和其他組件生成的熱量由饋送到LED單元微處理器160中的溫度傳感器54測量。所述微處理器160進而調節送至LED的當前脈衝的佔空比，以將LED模塊20的溫度維持在期望的工作範圍內。這種方法進一步結合校正算法和使LED單元10能調節光度計性能和光輸出，從而在LED老化時維持期望的強度和色彩。LED單元10的輸出色彩和亮度能夠經由CCS250被控制。CCS250是用於控制、工作和測試乘客地址(PA )、座艙對講機、乘客呼叫、乘客發光標誌、一般照明和緊急疏散信號指示的微處理器控制的數據總線系統。該CCS250包括的設備允許飛行員和飛行服務人員進行與乘客的音頻通信並激活特定的視頻信號發生設備。例如，希望對乘客進行音頻通知的飛行員激活以數字形式發射信號的公共地址麥克風。編碼/解碼裝置將該信號轉換為模擬格式，該模擬格式的信號之後通過CCS250傳輸到PA揚聲器。相同的處理使飛行員或飛行服務人員能轉變為控制飛行器內的特定儀器。
LED單元處理器160可以提供可與更老的螢光發光單元的測試相比較的內置測試(BIT)0在這種配置中，處理器160在啟動後執行上電BIT，此時處理器160檢查其存儲器、LED驅動器53和溫度傳感器54、170的工作。LED單元10的照明強度可以變化為以人眼不可注意到的方式控制LED溫度。此外，熱控開關可以用於電源150中以在所述電源的工作溫度超過(例如針對地面生存的)安全限度時獨立地斷開所述電源。BIT特徵可以被添加以經由CCS接口提供更多狀態信息。這些特徵可以包括例如通信統計的工作度量、LED工作壽命數據、以及時間戳事件記錄、或例如序列號、部件編號和HW/SW修訂級別等配置數據。可以利用BITE (內置測試設備)，其提供軟體/固件冗餘、故障隔離和監控等等。可以利用BITE (內置測試設備)，其在微控制器和相關聯的硬體完全損耗的情況下提供全部軟體/固件和硬體的完整複製。這種BITE可以包括附加的溫度傳感器和其他支持電路。在優選的結構中，控制器LC-A200是總線主控，而LED單元10是從屬。這意味著LED單元10僅在被控制器LC-A200調查時才報告其健康。當被調查時，LED單元處理器160通過檢索來自LED單元10的數據而報告其當前健康狀態，所述LED單元10可以包括:I) CRC 校驗2)溫度傳感器故障3)看門狗定時計數器4) RAM校驗和故障5)以不匹配的CRC下載的色彩場景數據維護人員由此可以使用接入面板(AP)220從所有LED單元10儀器查看健康報告，從而接入相應的讀出值。在一個實施例中，如果在大於一定的預定時間量(例如60秒)的時間內沒有自控制器LC-A200的通信，則LED單元10適當地根據故障安全模式設置將LED驅動器53設定為預設值，所述預設值試驗性地為全照明的50%。基於對重新開始命令的檢測，LED單元10恢復到正常工作。同樣，每個LED單元10可以具有內置的保險絲以防備內部短路。LED單元10是柔性設計的結構，其可以利用硬體和固件以使顧客能在安裝的時間之前、之中或之後可選擇白光溫度。LED單元電源150提供低壓到單元10的電子器件並且為LED驅動器53提供電力。在115VAC飛行器總線上的功率因數在最大負荷時大於0.90。在工作模式期間對單元10應用功率因數限制(其在備用模式中可以更小)。各種配置的LED單元尺寸的示例性功耗在下面的表I中列出。其他配置的LED單元尺寸的功耗在下面的表2中列出。優選為提供兩個電源:一個是低電力C25VA)，而另一個是高電力r50VA)，並且可以按需使用。
權利要求
1.一種發光二極體(LED)單兀,包括: LED模塊，包括: 多個LED ； 驅動所述LED的LED驅動電路； 運載LED照明控制信息到所述LED驅動電路的LED控制總線；以及 至少部分圍繞LED模塊組件的外殼； 電源和控制模塊，包括: 將第一電壓水平轉換為第二電壓水平的電源； 接收來自外部源的照明指令的微控制器； 接收來自所述微控制器的發光指令並且將LED照明信息傳送到所述LED驅動電路的LED驅動控制器； 至少部分地圍繞電源和控制模塊組件的外殼； 將所述LED驅動控制器連接到所述LED控制總線的接口。
2.按權利要求1所述的LED單元,進一步包括: 向所述微控制器提供溫度信息的溫度傳感器。
3.按權利要求2所述的LED 單元，其中: 所述微控制器包括用於與所述LED的亮度和色彩無關地維持溫度的溫度補償信息和軟體。
4.按權利要求2所述的LED單元，其中: 所述微控制器包括在檢測到過溫狀態時減小對所述LED的供電的軟體。
5.按權利要求2所述的LED單元，其中: 所述溫度傳感器位於與所述LED驅動電路相鄰，以測量所述LED驅動電路的溫度。
6.按權利要求5所述的LED單元，其中所述LED模塊進一步包括: 將所述溫度傳感器連接到所述微控制器的外圍控制總線。
7.按權利要求1所述的LED單元,進一步包括: 由所述電源和控制模塊供電的附加的LED模塊；以及 將所述附加的LED模塊連接到所述LED模塊的LED模塊連接器。
8.按權利要求1所述的LED單元,進一步包括: 存儲用於LED的校準信息的資料庫，所述校準信息在安裝所述LED單元之前的測試期間獲得。
9.按權利要求1所述的LED單元，其中: 所述LED單元配置為從外部源讀取信息，所述外部源是外部控制器並且連接到座艙通信系統(CCS)。
10.按權利要求9所述的LED單元，其中在所述外部控制器和所述LED單元之間提供RS-485 接口。
11.按權利要求1所述的LED單元，其中所述電源和控制模塊包括隔離屏障，該隔離屏障將所述電源的第一電壓水平與所述第二電壓水平電隔離。
12.一種交通工具LED照明系統，包括: 如權利要求1所述的多個LED單元；其中所述多個LED單元由連接到座艙通信系統(CCS)的單個外部控制器控制。
13.按權利要求12所述的照明系統，其中至少兩個LED單元具有不同的尺寸。
14.按權利要求12所述的照明系統，進一步包括: 接入面板和仲裁器，所述仲裁器連接到所述外部控制器並且允許用戶控制所述系統內的所述LED單元。
全文摘要
本發明涉及用於交通工具照明的模塊化發光二極體系統。因此提供了一種發光二極體(LED)單元，包括LED模塊，該LED模塊包括多個LED；驅動所述LED的LED驅動電路；運載LED照明控制信息到所述LED驅動電路的LED控制總線；以及至少部分圍繞LED模塊組件的外殼；電源和控制模塊，該電源和控制模塊包括將第一電壓水平轉換為第二電壓水平的電源；接收來自外部源的照明指令的微控制器；接收來自所述微控制器的發光指令並且將LED照明信息傳送到所述LED驅動電路的LED驅動控制器；至少部分地圍繞電源和控制模塊組件的外殼；將所述LED驅動控制器連接到所述LED控制總線的接口。
文檔編號H05B33/00GK103098544SQ201180036749
公開日2013年5月8日 申請日期2011年6月20日 優先權日2010年6月18日
發明者D·P·艾克爾, K·勞倫斯, G·T·佳姆貝斯基, S·K·塞希爾米斯, V·S·西普拉, M·哥拉特, G·T·施米迪特 申請人:B/E航空公司