Led燈及其設計方法

2023-05-18 12:31:31 1

專利名稱：Led燈及其設計方法
技術領域：
本發明涉及作為主獨立權利要求的前序部分的LED燈及其製造方法。正討論的燈旨在有利地用於戶內照明(例如，房間、辦公室、電影院大廳、工業庫 房、倉庫、房屋等)和外部環境(例如，街道、廣場、體育場等)。更精確地，本發明是製造器具和照明裝置的工業領域的一部分，並且有利地用於 照明技術中的設計。
背景技術：
傳統的照明系統最通常的代表是白熾燈、螢光燈和放電燈或電弧燈。如已知的，白熾燈通過使電流通過細燈絲來產生光，所述細燈絲在高溫下變熱並 且產生可見光譜內的光。通過燈絲的熾熱產生光是效率非常低的，這是由於所產生能量的 大部分是以熱的形式或者是紅外不可見光的形式給出。雖然白熾燈具有非常短的壽命(通 常是幾千小時)，但是它們的製造成本非常低，因此得以廣泛使用。螢光燈通過以下步驟工作使電流通過通常為汞的蒸氣，繼而產生紫外光，該紫外 光被覆蓋在燈內部的螢光體層吸收，從而使其發光。螢光燈產生的熱量比白熾燈產生的熱 量少，然而，因為在產生紫外光並且在其轉換成可見光的過程中損失了一部分能量，所以效 率低。螢光燈通常比白熾燈更貴，但能維持約1000小時。另外，這些燈具有在破裂的情況 下會洩露的有毒化合物並且需要特定的處置，這樣就增加了安裝成本。與螢光燈和白熾燈相比，作為氖燈的放電燈或電弧燈在每表面單位內產生的光量 高得多，因此更通常用於照明大的區域或者能量效率變成顯著影響安裝成本的因素的地 方。然而，即使這些燈也散發大量的熱，與給定的瓦特相比，降低了所產生流明的效 率。這些燈還沿著每個方向發光並且需要使用反射器，一旦在照亮裝置中安裝了反射器， 就會顯著降低和限制了產率。更有效的燈不輕易允許流動的減少，這是因為其功能特性並 且由於它們在改變供給的情況下改變了發射光譜，因此使得難以將其用在流動減少的條件 下。近來，使用LED作為光源的照明系統和燈越來越先進。除了金屬碘化物燈之外，已 知上述傳統的光產生系統的照明效率(以每瓦特的流明數來評估)較低並且比LED燈的照 明效率低得多，然而，所述金屬碘化物燈當安裝在照明體中時效率急劇下降30%-40%，並 且其還存在難以調節其光通量的缺點。然而，與LED燈相比，所述傳統的照明系統目前還是 優選的，這是因為它們的製造成本更低。這是由於LED燈現在的成本仍然非常高，並且每個LED所產生的流明十分低，使得 (如所提及的)傳統的燈仍然非常方便。LED的優點主要在於比上述傳統的燈消耗少得多的電力，這是由於作為副產物產 生的熱少得多並且它們具有等於(即使不超過的話)碘化物燈的高色域，LED的優點還在 於能通過使用不同的LED顏色來調節所需強度以及入射光線中產生的色度值。
目前市面上的LED燈具有過高的成本而CRI (顯色指數，即再現物體顏色的能力) 卻相當低。如已知的，技術革新造成的期望導致人們相信LED將克服當前問題並且將降低制 造成本，其改進程度使得它們將一直更利於取代傳統的照明系統。與傳統照明系統相比，LED是需要被大量組裝來構造功率設備的點光源。因此，LED照明的製造成本不僅受每個LED的成本影響，而且還明顯地受將其組裝 在用於燈實現的支撐件上的製造工藝的影響。目前，LED被設計成既通過傳統的PTH技術(穿通孔)又通過SMT技術(表面安 裝技術)安裝在印刷電路板上。參照最新的組裝技術，在印刷電路(下文中簡稱為CS)上， 曾經計劃過許多解決方法來去除LED所產生的熱量，如已知的，所述熱量對LED的性能和壽 命有顯著影響。另外，LED供電必須處於特定的恆定電流，因此不會隨溫度或幹線電壓的變化而變 化。為了解決散熱問題，LED被製造成為與金屬塊機械上關聯(特別是連接到電極)。 然而，如果沒有散熱的方式，該金屬塊不足以去除LED產生的熱，則特別在LED與其它緊鄰 的LED並排布置以增強燈照明功率的情況下。傳統上採用的解決方法是在CS的表面上設置散熱器，該散熱器通常是梳子狀以 增大散熱表面，通過穿過印刷電路的金屬化孔熱連接到LED。或者，使用合適的「MC」(「金 屬芯」)型材料，在該材料上得到隨後連接到散熱器的印刷電路的走線。除了由於存在散熱器並且進行連接散熱器的操作而導致成本高之外，已經證實， 該解決方法是不切實際的，這是因為散熱器中累積的熱將LED在高溫下暴露過長的時間， 所以製造工藝不允許用傳統的焊接系統將LED引腳焊接到CS焊盤。因此，在存在散熱器情 況下進行焊接非常困難並且在這段時間內通常出現破裂或致使虛假接合。將LED安裝在CS上的燈還需要使用支撐結構來支撐CS，從而能夠耐受機械應力， 通常用於組裝在街燈、屋頂、牆壁、幹道等上。對於安裝多個LED的需要必須與以允許根據特定環境照明需要將定向最優化的 構造來分布LED的需要結合。目前市面上可得到的用於LED燈的支撐結構並沒有很好地將LED內在對散熱的需 要與實現能夠以各種方式散布光的燈的需要結合起來滿足大多數不同的照明需要。傳送光以有效實現大距離的需要必須使用透鏡。通常，這些透鏡不僅造成內部反 射損失，而且還被用於相對於LED所處平面引導光，從而導致色差和效率損失。專利U. S. 6045240和U. S. 2007/0187701示出燈實施例的兩個實例，其中多個LED 安裝在特殊CS上，該CS具有相關的散熱裝置並且所述多個LED連接到剛性機械支撐結構。目前，用於限定能夠對特定區域進行照明的光源分布的方法在設計燈的特性方面 不是特別靈活，所述特性例如是要使用的LED的數量、分布、定向、功率和成本以及燈的尺 寸。因此，在每次優化所利用的功率、燈成本、照射的分布均勻度等的靈活策略選擇方 面，這類方法是無效的。此外，根據目前已知的照明技術，通常根據先驗選擇燈，使得需要正確數量的LED以確保所需的功率，從而在要被照明的表面上得到所需的照射。已知的方法計劃用來驗證 基於指定功率來選擇並且被分布和定向為更接近所需的整體照射分布的燈的先驗確定的 構造所需的照明條件性能。因為不能自由改變照射光源的特性，該經驗性方法在實踐上被證實不是沒有缺 陷，其不允許LED使用的優化，從而最終導致成本高昂。

發明內容
在這種情形下，本發明的基本目的因此在於克服了已知類型的解決方法所表現出 的已知缺陷，製作LED燈供使用，該LED等的製造成本低並且操作上完全可靠。本發明的另一目的在於使得能夠有效地處置熱量的LED燈可用。本發明的另一個目的在於提供一種LED燈，該LED燈設置有能夠容易地安裝LED 的支撐結構。本發明的再一個目的在於提供一種LED燈，該LED燈設置有支撐結構，該支撐結構 能夠根據照明項目的不同需要來容易地定向LED。因此，本發明的另一個目的在於解決由當前已知的方法表現出的缺陷，以限定對 環境(內部和外部)進行照明的方式，本發明還提供了一種燈的設計方法，具體來講是LED 燈的設計方法，其能夠以非常容易的方式限定能夠滿足所需照明需要的燈。本發明的另一個目的在於使得燈的設計方法可用，該方法能夠以經濟的方式照亮 環境。


在以下權利要求的內容中清楚地發現根據以上目的的本發明的技術特性，並且從 以下參照附圖的具體實施方式
中，本發明的優點將變得更清楚，附圖表示純示例性的兩個 實例而不是限制性的實施例，其中圖1示出與金屬支撐片的第一面安裝的功率和控制卡組裝的本發明的燈物體的 實施例的第一實例的示意性立體圖；圖2示出圖1中的燈的另一個立體圖，其中一些LED安裝在所述支撐片的第二面；圖3示出參照支撐片的翅片(fin)的圖2中的放大細節；圖4示出參照支撐LED的印刷電路的燈的細節放大圖，其中去除了一些部分以更 好地突出其它部分；圖5示出預定要安裝在圖4中的印刷電路上的LED的支撐基體的立體圖；圖6和圖7示出圖4中的印刷電路的兩個立體圖；圖8示出本發明的燈物體實施例的第二實例的透視示意圖，其中去除了一些部分 以更好地突出其它部分並且LED以不同的方式機械地或電地連接到金屬支撐片的第一側；圖9示出圖8中燈的另一個立體圖，其突出了所述支撐片的第二側；圖10和圖11示出與示出了其兩側的支撐片的翅片相關的圖8中的燈的放大細 節；圖12示出預定要安裝在圖8至圖11中燈上的LED ；圖13示出用於覆蓋LED的金屬支撐片的第二側的罩；
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圖14示出參照通過分隔件支撐在金屬片上的LED的支撐翅片的本發明的燈物體 實施例的第三實例的具體的示意性立體圖；圖15示出本發明的燈物體實施例的第四實例的立體示意圖，其中去除了一些部 分以更突出其它部分，具有LED，以不同方式形成金屬片；圖16示出圖15中燈的另一個立體圖，其突出了所述支撐片的第二側；圖17示出參照圖15中燈罩的圖15中燈的放大的具體細節；圖18示出參照用於LED的覆蓋透鏡的之前任何圖中燈的放大的具體細節；圖19、圖20示意性示出要被照明的兩個表面，其中第一個是內部的，第二個是外 部的；圖21示意性示出圖20中要被照明的表面，其中進行疊加平鋪以將整個表面分成 多個小片；圖22示出通過表現相對於表面上的最大值的照明百分比的兩個曲線的組合得到 的可能增大的包絡線；圖23以示意性的方式示出要被照明的表面S的一部分；圖24示出前面被劃分成小片的附圖中的要被照明的表面S ；圖25示出由兩個燈在表面上產生的照射的行為，其中Y軸上表示照射功率並且在 表面的平面的平面圖中的投影表示與最大中心值相比具有不同的照射百分比的點軌跡；圖26和圖27示出根據本發明的燈的LED的兩個不同的電源電路。
具體實施例方式參照附圖，本發明的目的的燈被示出為1。發明目的的燈可以適用於戶外或戶內，並且在不超出本專利申請的保護範圍的情 況下，可以採用其更好的形式完成。燈1設置有多個不同的白光LED 2 (功率LED)，這些LED 2安裝在公共支撐結構 (以下將進行說明)上並且彼此電連接，以從公共電源(在附圖中沒有詳細示出)接收功率。根據本發明潛在的構思，支撐結構包括適當成型的金屬板片3，其能夠組裝和定位 LED 2並且還用作散熱器。更具體來講，該金屬板片3優選地由鋁片製成，其厚度範圍為0. 5mm-2mm並且具有 上面安裝有LED 2的看得到的第一側3'和上面安裝有電組件的第二側3"，所述電組件用 於使包括電流和電壓的功率控制卡40和功率卡30的燈1能運行。優選地呈方形的鋁片2的外周被摺疊，以實現加固框架，該加固框架旨在給燈1賦 予結構剛性。更具體來講，該框架包括通過摺疊金屬片3的邊的端部得到的至少一個外周 邊緣4，優選地沿著相對於金屬片3伸展的正交方向。此外，可以通過進一步摺疊與金屬片3位於同一平面的外周邊緣實現周界帶 (perimetral band) 5,以限定用作緊固構件的突出部分。顯然可以按不同的構造(例如，通過製成管狀框架)得到框架加固件，為此，以多 種不同方式彎曲金屬片3的邊的端部以給結構賦予剛性，因此其落入本專利申請的保護範 圍內。
根據附圖中所示的優選實例，在安裝燈時，金屬片3限定優選地要水平布置的平 面的放置，或者更通常地，將其向著要被照射的環境設置。然而，金屬片3將按照任何三維方式成型，例如，可以通過被模製成凸形、凹形或 按不同方式成型的形狀來成型。在金屬片3上，LED 2分開的距離足以能夠適當地散熱，以使LED 2保持在所設計 的最佳操作特性的範圍內。在金屬片3上，通過切割或衝壓得到多個凹槽6，每個凹槽6限定上面安裝有對應 的LED 2的翅片7的邊界。因此翅片7是同一金屬片3的一部分，並且由沿著一個連接邊設置的摺疊件8連 接，而不會妨礙金屬片3的剩餘平坦部分，如附圖中的實例所示。當然，可以設置一個或多個連接邊緣(特別是沿著摺疊件對齊)，來替代在翅片7 的一邊的整個延伸長度上延伸的摺疊件。一旦根據翅片7的所需形狀雕刻了金屬片3的板，就可以通過沿著連接邊的摺疊 件8塑性摺疊翅片的金屬片，將翅片7從一側推動，使得其出現在金屬片的所需側。可以根據相對於LED光椎的定向來限定每個翅片7的摺疊角度。這種角度可以有 利地通過合適的燈設計方法來確定，其形成本發明的主題並且旨在根據對環境的照明來構 建LED的分布和定向。因此，有利地，可以根據人們希望LED所處的定向來調節翅片7的角度。旨在限定翅片7的數量和位置的凹槽6在板3上的位置可以響應於燈1的不同設 計需要，以根據該燈所指定的應用得到差不多寬的光發射和差不多的強度。為了能夠穩定調節翅片7的角度，後者設置有支撐腿部9，具體來講其是從與連接 邊相對的邊突出的。腿部9具有齒部10，該齒部10適於在板片3上得到的開口 11中在不 同高度進行接合來保持關係。有利地，通過根據開口 11的形狀對片進行切割得到每個翅片7。根據圖1至圖3中所示的第一實施例，每個翅片7支撐印刷電路板12(下文中簡 稱為CS)，採用SMT技術將印刷電路板12的自由面固定到對應的LED 2。通過(例如)由 一個或多個鉚釘60 (根據附圖的實例，即使是單個鉚釘也是足夠的)組成的緊固裝置的裝 置將該CS固定到翅片，每個鉚釘被插入到在翅片7中具有對應對齊的孔81的金屬化孔80。 CS 12設置有金屬化通道90，該金屬化通道90位於LED 2下面並且位於CS 12上，用於將 其熱量傳遞到固定至CS的相對側的板片3。在CS上，設置了兩個通過走線71連接到LED 的電極72的兩個金屬化孔70，其中，可以通過緊固鉤(fast-hook)裝置將電源線的端部焊 接或固定到LED。優選地，導體穿過翅片7上得到的開口 50，從安裝了電組件的第二側3" 通向安裝了 LED的第一側3'。翅片7所處的平面在空間中的定向使得LED產生的光椎在所需方向中發送，如下 所述，優選地由本發明的目的的燈1的設計方法來限定。因此，在它們已經有定向的燈內，並且在一般情況下，很有可能根據如圖9中的實 例所示的相互傾斜的平面，其中凹槽6'的組產生傾斜平面上定向的板片3上的翅片7。根據圖8至圖12中所示的第二實施例，每個LED 2設置有與金屬片3直接接觸的 至少第一引腳導體13。第一引腳導體13設置有第一孔14，鉚釘15穿過翅片7上設置的對
9應對齊的孔容納到第一孔14中，從而機械連接LED 2並且在LED 2和金屬片3之間生成熱 橋接，以將其熱量傳遞到結構。翅片7設置在絕緣層16的兩側，在對應於所述第一引腳導 體13的位置處不存在，從而允許電傳輸到金屬片3。優選地，LED 2設置有第二引腳導體17，該第二引腳導體17電連接到布置在絕緣 層16上方的金屬走線18，絕緣層16被設置為金屬片3的第一面3 』的覆蓋物，並且如上所 述，限定第一引腳電極13下面的導電區域的邊界，以實現與支撐片3的電連接。所述金屬走 線18連接到第一連接器20，該第一連接器20能夠接收用於連接到電源的插頭(未示出)， 並且所述金屬走線18在金屬片3的第一面3'上發展出分支18'，從而將多個LED 2電連 接在一起。可以設置另外的第二連接器21，以將金屬片連接到地或者連接到其它電源電極。 因此，用於LED的支撐件將類似地通過繼而固定在翅片7上的金屬板形成(因此，應該理解 在圖10和圖11中的附圖標記7是翅片7和被預定安裝在翅片7上的所述支撐板)。根據本發明的優選解決方案，提供了一種塑料材料(例如，賽璐玢等材料)的塗 層，其用於保護燈使其免於受天氣影響並且出於安全原因將其隔離，即使所涉及的功率通 常不會對人造成危害。在圖13中示出了具有孔101的罩100，該孔101有利於空氣流通以冷卻LED，所述 罩100預定用於覆蓋LED 2的金屬支撐片3的第二側3〃。根據圖14中所示的第三實施例，保持翅片，使其一側與金屬片3有一定距離，以通 過分隔件9'像所希望的那樣定向該翅片7所處的平面，該分隔件9'的長度可調，具有接 合到在翅片7和該金屬片3上得到的孔中的頭部。假使後者被選擇成其厚度足以在按所需角度將翅片7摺疊之後就保持翅片7剛性 就位，則翅片7的自由邊緣可以完全沒有腿部9和分隔件9'。根據圖15至圖17所示的第四實施例，依照所確定的所處的平面，以連續形式以單 個主體的方式把金屬片成型為具有翅片7，優選地通過熔合、壓熔或者熱壓的工藝而成型。根據圖15至圖17所示的第四實施例，依照所處的平面，以連續形式以單個主體的 方式把金屬板片成型為具有翅片7，優選地通過熔合、壓熔或者熱壓的工藝而成型。在這些工藝中，實現了成型的主體200，該主體200從板片3開始形成並且具體來 講是通過具有多邊形形狀的凹陷形成。每個多邊形設置有由其表面得到的一些翅片，至少一個表面旨在支撐LED。由凹槽6得到的翅片7的優點在於，存在將金屬片3適用於某種程度上會發生變 化的特定需要的可能性。另外，通過切割製造翅片7的製造工藝非常簡單並且靈活。否則，上述和圖15至圖17所示的實施例中形成板片(具體來講是鋁)並且翅片 被定向但沒有凹槽，這使得標準化的製造工藝更快，並且特別有利於其中LED以恆定方式 定向的燈的主要製造工藝。根據該第四實施例，在第一面3'上設置由一層透明的塑料或玻璃得到的蓋300， 該層具有相對於板片3的多邊形主體300反向成型的形狀300'。因此，形狀300'的透明 表面與支撐LED的支撐翅片7的表面平行。然而，光可以保持在塑料或玻璃的層的厚度內部分地傳送，從而導致惱人的現象， 可以通過側面掩蓋或塗刷邊緣或者將其沉入到鋁的熔合體中來有效避免該現象。
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所述有利的特徵確保LED產生的光的內反射較少。類似地，如圖18所示，與LED相關以變化其發射光椎大小的可能的透鏡500與LED 平行地安裝，並且為此目的而具有位於LED底座上的側壁600 (特別是圓柱形的)。透鏡與LED平行的這種布置能夠避免由於下述原因導致的照明效率的損失在具 有傾斜透鏡的材料中行進更大的距離、光的更大的入射角度和因此增大的衍射和色差。如 已知的，存在使入射光發生全反射的物理極限角(Snell最大角)。如上定義的燈1用於照明內部和外部的環境，其在支撐片3上具有LED 2，並且使 用也形成本發明目標的設計方法來確定位置和定向，並且以下參照之前示出的燈1對其進 行描述，為了闡述起來方便，保持了附圖標記。因此，本發明的目的也是燈1 (特別是LED型，即之前描述中的目的)的設計方法。根據本發明的方法提供了要被照明的表面S的初始限定階段，其可以是指房間或 任何其它建築內界定的內部環境或外部環境。圖19和圖20示意性示出作為實例的要照明的兩個表面，這兩個表面中的一個與 外部環境相關並且另一個與交叉路相關。參照後一種情況，該方法特別適用於設計要安裝在燈柱上或者能夠對諸如道路、 十字路口、廣場等公共區域提供照明的燈1。具體來講，所述限定階段使用函數S(x，y，ζ)在例如正交的坐標中表示所述區域 S,P(x, y，ζ)被表示為該表面上的一個普通點，如圖23中所示的。進一步地定義表面S上的照射函數I (X，y，ζ)，目的在於描述表面S上任意點所需 的照明。所述函數表示表面上所需的照明，並且例如將甚至能夠包括暗區域，如圖20中用 B表示的實例，例如在花床上放置的。因此，該方法提供了通過圖21中示意性示出的分隔結構或小片將要被照明的表 面S離散化的階段，圖21以平面圖示出圖20中要被照明的區域。所述網膜狀結構允許在表面S上限定多個小片T的區域，每個區域設置有形心 (Centroid)Pa或小片元件T的區域的代表性點，並且與之相比，傳統上可以把元件T的整個 區域的照明值和幾何的平均特性作為屬性。為了簡化計算，例如，可以在小片T(參見圖24)的區域的質心，或者在限定小片T 的各邊的對角線的交叉處限定的點處(在小片為四邊形形式的情況下)，或者在小片的各 個角的中線的交叉處定義的點處(在為三角形小片的情況下)，標出形心Pa。形心Pa將具有通用坐標(Xa，Ya，Za)並且將因此表示小片T的整個區域的照明特性。通過離散化表面S的預測並且參照具有整個區域Ti的幾何和照明特性的點，使得 允許以簡化方式控制計算，以定義燈1的特性，如下所述。具體地說，將給出形心Pa的以下特性-小片元件T的方向矢量(versor)(xa, ya, za)，其被理解為與小片T的區域的表 面垂直的方向(通過對小片T的整個區域上的方向求平均得到的)或者被以簡單的方式理 解為在小片T的形心點Pa處的小片區域的垂直方向；-所需照射Ia的平均值。為每個形心定義係數K，該係數K考慮到了由於照向相對於小片元件T定向方向的
11方向的光源的距離和定向作用造成的小片元件T所接收輻射的衰減。為此，預先在燈(被示出為SL)的表面上任意地將點Ρ0(Χ0，Y0, Z0)定義為光源 的任意初始點，該光源具有圖20中用R表示的主發射方向，所述發射方向被定義為點PO和 Pa之間的連接線。換言之，我們假設初始燈1的所有LED光源集中在單個點PO(Χ0，Υ0，Z0)處，並且 具有將PO與Pa連接的方向。與這種初始點PO和這種照射方向R相比，因此可以給每個形心Pa分配形心 Pa(Xa, Ya, Za)的擴散係數(dissipation)Ka，該係數同時考慮到了 Pa和PO之間的距離 D(與距離的平方成反比地衰減)以及與形心矢量(Xa，ya，Za)限定的小片元件T的區域方 向相比的主發射軸R的照射方向(特別在使用小片區域的法線和將Pa與PO連接的線之 間的餘弦角的情況下，這種由於照射和小片T的表面之間的非正交性導致的擴散是有價值 的，其中，通過餘弦指向能知道所處位置的矢量坐標)。通常，要被照明的表面S上的K不僅取決於燈1的表面Sl上的光源的點PO而且 還取決於表示點PO處燈1的表面SL的函數和光源的照射函數Ψ (P，Θ，Φ)的偏導數，其 通常將是圓錐形或更趨向圓錐形的包絡線。在T片中要被照明的表面S離散的階段可以通過已知的數學計算方法得到，例如 具體來講是通過已知的超限插值和(例如)在以下的文獻中所描述的方法得到=Computing Discrete Minimal Surfaces and Their Conjugates. (Ulrich Konrad Pinkall ePolthier 1993)、Mean Value Coordinates (Michael S. Floater)、On transnite Barycentric Coordinates (Alexander Belyaev Max Planck Institut fui Inforormatik， Saarbrucken，Germany)0一旦限定了針對劃分了表面S的分隔T的每個區域並且已知這些部分的幾何特 性，即形心的點Pa(xa，ya, za)和其方向矢量(xa，ya, za)，如果已知表面S上的照射函數I 並且已知將假定會聚燈1的LED的點PO作為基準點，可以前進到燈1要經受的限制條件的 限定階段。該階段包括多個基準照射值(下文中稱作Irif)的限定，其等於這些部分的數 量並且在考慮到了懲罰因子Ka的情況下由第a部分所需的照射值Ia得到(進而由Pa與 PO的距離以及小片T的表面與照射方向之間的定向計算得出)。所述Irif的N個值因此表示設計LED燈特性的限制條件，以最終滿足離散化為具 有形心Pa的多個部分的要照明的表面S上的照射條件。在最終燈的組成中數量為Ni的LED光源本質上是如下的光源其沿著優選方向發 光，使得其發射軸R得以限定，該發射軸R可以被當作基準軸，針對第1個LED，其滿足以下 通式xi = xol+al * tyi = yol+bl * tzi = zol+cl * t其中xl、yl、zl是自變量t的函數。XO, yo和zo是在發射的初始點PO處的發射值。在所述軸周圍通常由圓錐形包絡線限定一定體積，這涉及LED光源的總發射，即 單個的第1個光源的總和。
這種體積確定要被照明的表面S上的區域，其可以在它們邊界中被計算為具有相 對於主發射軸上設置的最大發射的按任意選擇所選擇的預定百分比的照射的區域。為了驗證照明條件的實現或者為了降低在用於設計燈1的所述方法的計算中的 限制條件，如以下將說明的，使用這種區域。由第1個光源產生的最大照射因此被定義為Emaxi並且要照明的表面S的點Pa處產 生的照射被定義為KEmaxi，可以計算一些函數KE1/X(例如並且優選地，KE1/X)，將其設計為 要被照射的表面S上的點軌跡，所述點軌跡具有等於KEmaxl的的照射並且(例如)ΚΕ1/50 或者等於KEmaxi的50%的照射。所以，例如，假定第1個光源能夠在點Pa處產生lOOlux的照射KEmaxi，則所述方法 限定具有501ux( S卩，KEmaxi的50% )的點軌跡。通常，所使用光源的點軌跡「即使不緊密也是聯合的」，如(例如)在文本Gabriele Darbo"Punti uniti in transformazioni a codomino non compattO，，("Rendiconti del Seminario Matematico della University of Padova, tome 24 (1955, p. 84-92) ") ψIjfig 述的。照射函數Ψ (P，θ，φ)(例如，圓錐形)的發射軸的方向通常不和PO與Pa之間 的連接線重合。在這種情況下，進行角平移並且移動曲線Ψ (P，θ , Φ)，其將最大照射軸 和幾何基準軸Ro之間的角度θ ο當作基準0，並且通過角度θ = θ0+θ被取代為等式 Ψ (P，θ , Φ)，我們有平移公式，該公式使得Emax的計算得以簡化，這樣將一直有利地假 設形成中心圓形。所述方法因此提供了通過在特定LED類型中選擇至少一個光源從Irif的第一條 件(對應於由於與PO光源相比的定位元件的方向以及PA與PO的距離導致的具有一定懲 罰係數Ka的表面S上的點Pa)的實現中選擇驗證限制條件的階段。這種廣義的選擇(具體來講是LED)能夠確保可以用各種優化的條件來實現所請 求的Irif0對光源的選擇策略將優選地參照可用於這類功率照射Emaxi的帶索引的光源的 資料庫。選擇策略可以(例如)考慮選擇具有最接近需要用來滿足第一條件的Irif的功 率Emaxi的光源。只有當發現Emaxi使得由所選擇的第1個光源產生的照射偏離值ε時， 可以認為是實現了該相同的條件，所述值ε是根據該第一條件的基準照射來任意先驗地 限定的。可以存在如下情形為了滿足照射Irif的所述條件，許多光源1將必須用於指向 Irif所代表的表面S上的該相同的點。這個條件可以通過以下公式換算出來
\{lrif - ￡maxror)J<=6其中Emaxtot表示所有Emaxi的總和接近Irif，其差值小於ε。否則，可能會發生的是，如果指向該點，沒有可用的功率源Emaxi低得足以滿足設 置的照射條件。對光源的選擇導致形成所選擇光源的矩陣Μ,每個光源都具備其自身的定向和自 身的特性發射。
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可用的光源的資料庫可以通過由Emaxi值識別的光源I的可用性來適當擴展，該 Emaxi值等於通過如下所述地調節Emax的發射功率得到的表面百分比值。在沒有任何可用的足夠低的功率源Emaxl的情況下，這種用於計算的限制條件可 以被去除並且可以自動導致被滿足為從其它相鄰光源發射的光。必須對計算進行迭代，直到滿足所有這些Irif的限制條件為止。在驗證限制條件的這個階段的末尾，將確定功率Emaxl和每個所選擇的光源Nl的 指向。根據本發明的方法目標，實現限制條件確定用於隨後計算的交互作用的驗證的限制 條件的去除。另外，一旦確定了能夠滿足這種條件的光源(一個或多個)，就將提供控制階段， 以在添加更多光源來滿足對Irif的其它限制之前來驗證最終實現其它的限制條件。另外，這種控制階段可以包括通過計算函數K Emaxl/X(即計算如上所述的作為要 被照射的表面S上的點軌跡的區域)來限定影響區域的階段，其中照射等於(K Emaxl), 例如 KE1/50 等於 K Emaxl 的 50%。根據上述方法的優選實施例，將自動刪除落入由函數K Emaxl/X所對應的範圍內 的點的所有關聯條件。以此方式，在計算的每個步驟中，與計算中的迭代步驟相比，關聯條件減少地更 快，這使得能夠更快收斂到解決方案，即燈1的設計條件。此外，以上對影響區域的限定階段會導致已選擇的光源的函數KEmaxl/X的包絡 相，這是為了限定位於延伸區域下面的增大的包絡線，產生關聯條件的點會落入該延伸區 域內並且將被自動地去除。這些去除步驟的目的是雙重的，即用於加快計算並且用於避免當根據之前的選擇 已經滿足了條件時再引入不必要的光源。為此，確定包絡曲線(例如，優選地KE1/50)作為 點軌跡，通過已經選擇的N個光源的疊加在一起得到的選擇的百分比照射，將單個的曲線 輪廓鏈在一起，以限定出所述增大的包絡線。因此，在進行到驗證與另一個點相關的條件或 者通過其它光源實現其它Irif之前，必須執行以上的檢驗，這些檢驗能夠去除更多的已經 通過對之前LED的相同選擇而滿足的條件。在圖22中，示出了增大的包絡線，該包絡線是通過表面S上的照射KE1/50的兩個 曲線的組合形成的，其中一個曲線是橢圓形而另一個大體是四邊形。作為兩個曲線之和得 出的增大的包絡線再次是存在照射(例如，等於KE1/50)的點軌跡。在被設計用於滿足Irif的新限制條件的每個計算的迭代中，由此進行控制，以檢 測所選擇光源的照射是否對周圍的點產生了影響，即是否滿足其它限制條件。在進行該檢查過程中，優選地將考慮在環境區域的新關聯條件的照射中的光源的 權重。影響區域的限定階段將考慮到這個權重，其取決於對KEX%的選擇。例如，假設已經 選擇了 KE1/50，則將考慮到將影響區域的半徑乘以百分比的倒數(即，在這種情況下，乘以 2)，並且將從隨後邊界條件的驗證計算中去除所有落入雙倍半徑的影響區域內的點。事實 上，如果設置了另外的指向以雙倍半徑的距離設置的點的光源，則將通過照射的疊加確定 如附圖25中所示的中間區域中均勻的照射。一旦所有邊界條件的計算或驗證的階段結束，就將完成M個光源的矩陣，其中每 個都具有已知功率Emaxl和指向。
現在以下是把識別的光源定位在燈1的表面Sl上的階段。該階段看起來特別容易，上述的燈1允許設置光源，每個光源在可調傾斜的翅片7 上具有自身的定向。在使用資料庫中提出的光源不能滿足對一些點施加的條件的情況下， 該方法再次將進行計算，提供了不同的供應，其旨在變化LED光源的發射功率Emax，通過 (例如)在以下指定的實例中添加組件，即，包括使用不同的透鏡放大或縮小光錐的區域並 由此以預定的K EmaXl/X%來變化點軌跡，將正確地更改LED光源的發射功率Emax。沿著散熱的相對區域Ad的限制進行對每個光源的選擇，這在燈1的設計中是應該 納入考慮的。因此，該方法的最後階段構成燈1的設計，或者更通常地，本發明目的的整個 照明裝置，其已經通過所計算出數據在每個方面進行限定，所述數據為-光源的總數(特別有利地在不同性能LED之間進行選擇)；-每個光源的類型和功率；-將每個光源指向點Pa，其中滿足了Irif條件；-一個光源和另一個光源之間的最小距離，即必須對光源保證的用於冷卻耗散所 必須的以mm2為單位的區域Ad ；-針對每個光源的功率類型，因此存在光源附近分布的最終電源子電路功率，其用 於使所提供的總電源適於光源或單個光源組的需要。如上所述的方法使得能夠根據特定需要(例如，所用功率或整體成本)易於設計 燈1。事實上，每個燈1的Emaxl可以附以對選擇有利或有害的權重，該選擇是在用於滿足 單個關聯條件的驗證階段執行的，可以根據所選擇的策略來限定權重。例如，可以期望來處 罰更昂貴的LED以實現最少的成本。以發光二極體(LED)完成的方法設計該裝置的每個部分，以獲取所需種類的照明。圖26示出已知的LED自身的可能的電路構造。該電路的目的在於向LED提供恆 定電流，而不管電源所提供的電壓Va的值或變化如何，從而獲得穩定發光。該電路的優點在於其實現的簡便性。然而，採用該構造電路，將要去除的功率會非常高。事實上，如果需要提供比標稱 照明少的照明，則提供到LED的電流應該減小，這就意味著電源提供的大部分功率應該在 電路的電阻器上耗散，而沒有用於照明。為了使效率提高，應該改變電壓值Va，然而，在這種 情況下，必須針對每個二極體提供不同電平的電壓，要求所述每個二極體發出不同強度的光。為了變化所發射光的強度，應該改變電路內的電阻器30和40。更詳細地，根據圖 26，流過二極體的電流Id是穿過電阻器40的電流140與從BJT的基極流出的Ib之和。如 果在有源區中BJT被偏置為基極和發射集之間的電壓(與電阻器40的端子的電壓相符) 並保持恆定，則電流140將是恆定的。電流Ib取決於從電源A提供的電壓。這種電流通常 小於140。這就造成電源電壓的變化只造成電流Id發生有限的變化(理論上可忽略不計)。 根據本發明，在圖27中提供了一種用於給LED供電的新型集成電路，其適於容易地變化所 提供的照明。內部電路包含設置有反饋網絡的LED，該反饋網絡由模擬組件和數字組件組成的。
15兩個外部元件(即電感器33和電阻器43)連接到該電路，除此之外，電路170的電容器50 也可以設置在外部。這些組件用作控制二極體發射的光強度的參數。提供到LED的電流為方波形式，其頻率範圍為ΙΚΗζ。二極體將間歇地工作，只有當 信號電平為高時才發光。波的頻率使得人眼意識不到間歇光並將其視為連續的。如果想要 更高強度的光，則電流的高電平在信號的較長一段時間內得以保持，所以二極體將在每個 時間段內在較長的時間間隔內發光以此方式人眼將看到更強的光。相反地，如果二極體在 比信號長的時間段內保持不工作，則眼睛將看到較少的光。該構造比之前的更複雜，另一方面，該技術使得實施例不難實現。採用該方案，可以使用相同的電壓控制每個單個二極體的亮度。LED保持與所需的光強度成比例的一段時間間隔，這樣減小了電源提供的能耗。因 此功率耗散較低。因此，如此想出的本發明實現了所設置的目標。顯而易見地，在其實際實現方式中，在(為此原因)不脫離保護範圍的情況下採用 與上述不同的形式和構造。另外，可以通過技術上等效的元件取代所有的細節，並且根據需 要，所使用的形式、尺寸和材料可以是任意的。
權利要求
一種LED燈，所述LED燈包括多個單個的LED和散熱裝置，所述LED安裝在公共支撐結構上並且電連接在一起以從公共電源接收電流，所述散熱裝置適於擴散所述LED產生的熱，其特徵在於，所述支撐結構由板片組成並且熱連接到所述LED以對其進行散熱。
2.根據權利要求1所述的LED燈，其特徵在於，所述片設置有根據預定所處平面定向的 多個翅片，每個翅片攜載LED，所述LED通過沿著至少一個連接邊設置的至少一個摺疊件無 縫地安裝並連接到所述板片。
3.根據權利要求1或2所述的LED燈，其特徵在於，由對應的多個凹槽限定的所述多個 定向的翅片。
4.根據權利要求1或2所述的LED燈，其特徵在於，通過熔合、壓熔合或熱壓成連續形 狀一體式地成型所述金屬板片，使得所述翅片根據這些預定所處的平面進行定向。
5.根據權利要求4所述的LED燈，其特徵在於，所述多個定向的翅片通過成型的主體來 限定，特別是以多邊形的形式，所述翅片從所述板片開始形成，特別是作為凹陷。
6.根據權利要求5所述的LED燈，其特徵在於，由透明塑料或玻璃層得到的蓋或者被布 置成覆蓋所述金屬板片的第一表面的蓋，所述層設置有相對於所述金屬板片的多邊形主體 的反向成型的形狀，使得所述成型結果的透明表面平行於所述成型主體界定的所述翅片的 表面。
7.根據權利要求5所述的LED燈，其特徵在於，包括與至少一個LED相關的平行於該 LED底座布置的至少一個透鏡，並且為此具有位於所述LED底座上的側壁，特別是圓柱形 的。
8.根據權利要求2所述的LED燈，其特徵在於，每個所述翅片的摺疊角度可被調節以定 向所述LED。
9.根據權利要求2所述的LED燈，其特徵在於，每個所述翅片具有能夠根據定向角度支 撐所述翅片的突出腿部或分隔件。
10.根據權利要求9所述的LED燈，其特徵在於，所述突出腿部裝配有齒狀部，所述齒狀 部與所述板片上得到的開口以不同的高度接合成固定關係。
11.根據權利要求3所述的LED燈，其特徵在於，所述翅片中的每一個是通過切割所述 片並且根據所述預定所處平面進行定向來得到的。
12.根據權利要求1所述的LED燈，其特徵在於，用SMT技術安裝所述LED中的每一個， 使其與設置有金屬溝道的CS的一側接觸，以將其熱量傳遞到所述支撐板片，其通過固定裝 置將所述CS固定到對應的翅片上。
13.根據權利要求12所述的LED燈，其特徵在於，每個翅片設置有至少一個開口，所述 開口用作適於實現與LED的電極的電連接的導體通路。
14.根據權利要求1所述的LED燈，其特徵在於，通過由所述片的端部的至少一個摺疊 得到的機械加固框架形成所述片的輪廓。
15.根據權利要求1所述的LED燈，其特徵在於，每個所述LED設置有與所述金屬片直 接接觸的至少第一導電引腳並且設置有第一孔，所述第一孔具有容納在其中的鉚釘，所述 鉚釘穿過所述翅片上得到的對齊孔，以將所述LED機械連接到所述翅片並在所述LED和所 述片之間產生熱橋接。
16.根據權利要求15所述的LED燈，其特徵在於，所述LED具有與絕緣層上得到的金屬走線電連接的第二導電引腳，所述絕緣層被設置成覆蓋所述翅片的第一側，所述絕緣層限 定所述第一引腳下面的導電區域。
17.根據權利要求14所述的LED燈，其特徵在於，所述金屬走線連接到第一連接器，所 述第一連接器能夠接收用於連接到所述電源的插頭。
18.根據權利要求14所述的LED燈，其特徵在於，所述金屬走線形成有在所述第一表面 上分布的分支，以使至少一組所述多個LED彼此電連接。
19.根據權利要求2所述的LED燈，其特徵在於，所述翅片中的每一個限定相對於所述 金屬板片的所處平面，並且其特徵在於，存在界定傾斜邊界平面的至少兩個翅片。
20.根據之前權利要求中的任一項所述的LED燈，其特徵在於，包括塑料的塗層，例如 賽璐玢或類似材料，其被設計成塗覆其上具有LED以及其它組件的金屬材料片，以保持燈 免受天氣影響或者出於安全原因將其隔離。
21.一種燈的設計方法，特別是根據上述權利要求中的任一項所述的LED燈的設計方 法，其特徵在於包括以下階段-要被照明的表面(S)的限定階段；-通過界定多個部分(T)的多個區域將要被照明的表面(S)離散化的階段，在所述每個 部分中限定形心(Pa)，相對於該形心(Pa)給出所述部分(T)的整個區域的平均幾何特性和 照射值；-定義施加給所述燈(1)的關聯條件的限定階段，所述限定階段包括以下步驟限定基 準照射值Irif，Irif的數量等於部分(T)的數量並且得自所述部分(T)上所需的所需照射 值，這考慮到每個部分(T)特定的懲罰因子(Ka)，為了進行計算，取光源(1)的任意初始點 (PO)，相對於該初始點(PO)計算每個部分(T)的距離(D)和定向；-驗證和驗證迭代階段，所述驗證用於滿足部分(T)上的基準照射條件Irif的限制條 件的驗證，以及所述驗證迭代用於滿足從資料庫中選擇的光源(1)的所有這些部分(T)的 基準照射條件Irif，其中每個光源(1)已知其照射功率為Emax，所述限制條件中的每個滿 足以下關係(Irif-Emaxtot) | <= ε其中Emaxtot表示所有Emax的總和，所有Emax被求和以接近Irif，其差值小於ε ；-在所述燈⑴上將限制條件的所述驗證階段中限定的光源⑶定位的階段。
22.根據權利要求21所述的燈的設計方法，其特徵在於如下事實，即所述限制條件的 驗證階段包括針對每個迭代步驟的控制階段，所述控制階段用於實現從被選擇以滿足之前 限制條件的光源(1)開始的剩餘限制條件。
23.根據權利要求22所述的燈的設計方法，其特徵在於如下事實，即所述控制階段包 括通過計算函數KEmaxl/X限定光源(1)的影響區域的階段，所述函數KEmaxl/X限定要 被照明的表面(S)上的點軌跡，其照射等於KEmaxl的X%，所述階段導致對於落入所述函數 KEmaxl/X限定的區域內點的限制條件的去除。
24.根據權利要求23所述的燈的設計方法，其特徵在於如下事實，即所述影響區域的 限定階段包括已經被選擇適於限定增大的包絡線(IA)的所述光源(1)的函數KEmaxl/X的 包絡階段，所述階段包含與落入由所述增大的包絡線(IA)限定的區域內的點相關的限制 條件的刪除。
25.根據權利要求23所述的燈的設計方法，其特徵在於如下事實，即所述影響區域的 限定階段包括將從KEmaxl/X開始的選定區域的半徑乘以百分比的倒數。
26.根據權利要求21所述的燈的設計方法，其特徵在於如下事實，即所述光源(1)的所 述定位階段需要布置所述光源(1)，使得針對每個光源(1)維持該光源(1)的擴散預定區域 (Ad)。
27.根據權利要求21所述的燈的設計方法，其特徵在於，所述LED插入到集成電路內 部，至少一個電感器(33)和至少電阻(43)從外部連接到所述集成電路，用於變化所述LED 的照射功率。
全文摘要
本發明提供了一種LED燈，所述LED燈包括多個單個的LED，所述LED安裝在公共支撐結構上並且電連接在一起以從公共電源接收電流。所述支撐結構由板片組成，熱連接到所述LED以對其進行散熱，所述支撐結構具有根據所處平面定向的多個翅片，每個翅片安裝有LED。還提供了一種燈的設計方法，該方法源於對要被照射的表面的照明需要，所述照射需要被換算成用於實現燈並且用於設置更多合適光源的限值條件。
文檔編號H05K1/00GK101970929SQ200980106449
公開日2011年2月9日 申請日期2009年2月26日 優先權日2008年2月26日
發明者A·康蒂, M·比安基, V·阿巴特 申請人:怡賽國際有限責任公司