CN101189736A - Led组件和模块 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管(LED)组件和模块，包括：基板(48)，其具有相对的第一和第二面(50、52)；电容器(32)，其具有第一和第二电传导极板(44、46)，其分别被安置为与基板(48)的第一和第二面(50、52)接近；以及反并联LED结构(34)，其电气连接到第一电传导极板(44)并且热耦合到基板(48)。

Description

LED组件和模块
技术领域
本发明通常涉及发光二极管(LED)，更具体地，涉及LED组件和模块。
背景技术
发光二极管(LED)广泛地用于多种应用，诸如交通信号和标志。预期LED将在不久的将来替换汽车应用中的白炽灯，并且将在数年内替换许多日常照明应用中的白炽灯、卤素灯和荧光灯。LED高效率地提供明亮的照明。
然而，由于工作特性和制造限制，LED呈现出某些问题。LED展现出随着小电压变化的大电流变化，因此LED驱动器必须控制流向LED的电流。尽管一个解决方案通过安置与LED串联的电阻器限制电流，但是该解决方案未能使特定的LED在特定的应用中的功能和效率要求最优化。电阻器增加了LED组件的尺寸和开支。该电阻器还生成热，其必须与来自LED自身的热一起被消除。
LED制造中的大的工艺变化导致了工作特性的大的变化。为了考虑工作特性变化，制造商对工作特性采样并且将LED分为具有相似工作特性的批次，其被称为仓(bin)。仓的示例是电压仓，其考虑电压差异；通量仓，其考虑给定驱动电流下的光输出差异；和色彩仓，其考虑色彩差异。用于补偿工作特性变化的LED驱动器是复杂的和昂贵的。当LED组件中使用多种颜色的LED时，需要具有多个输出的单个的驱动器或者多个驱动器，这首先增加了复杂度，其次还增加了开支。
理想的是，提供一种克服上文的缺陷的LED组件和模块。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种发光二极管(LED)组件，其包括：基板，其具有相对的第一和第二面；电容器，其具有第一和第二电传导极板，其分别被安置为与基板的第一和第二面接近；和反并联LED结构，其电气连接到第一电传导极板并且热耦合到基板。
本发明的另一方面提供了一种可调节输出的发光二极管(LED)模块，其包括：LED驱动器；和至少一个LED组件，其电气并联连接到LED驱动器，该LED组件具有LED阵列和可开关阻抗阵列。该LED阵列包括至少一个反并联LED结构，并且该可开关阻抗阵列包括多个并联连接的阻抗电路。多个阻抗电路中的每个阻抗电路包括串联连接到开关的电容器。
本发明的另一方面提供了一种可调节输出的发光二极管(LED)模块，其包括：LED驱动器；至少一个LED组件，其电气并联连接到LED驱动器，该LED组件具有LED阵列和可开关阻抗阵列，该LED阵列具有至少一个LED结构，该可开关阻抗阵列具有多个并联连接的阻抗电路，多个阻抗电路中的每个阻抗电路包括串联连接到开关的电阻器；控制器，其可操作地连接到可开关阻抗阵列，以致动多个阻抗电路中的开关，该控制器响应温度信号；和温度传感器，其热连接到LED阵列以生成温度信号。
本发明的另一方面提供了一种可调节输出的发光二极管(LED)系统，其包括：反并联LED结构；阻抗阵列，其与反并联LED结构电气串联连接；用于向反并联LED结构提供交变电流的装置；和用于开关阻抗阵列的阻抗的装置。
附图说明
通过结合附图阅读下面的目前的优选实施例的详细描述，本发明的前面的和其他的特征和优点将变得更加显而易见。该详细描述和附图仅是本发明的说明，而非限制，本发明的范围由所附权利要求及其等效物限定。在附图中相似的元件共用相似的参考数字。
图1是根据本发明制作的LED组件的示意图；
图2A和2B是根据本发明制作的LED组件的方向视图；
图3A～3C是根据本发明制作的具有电容极板的LED组件的方向视图；
图4是根据本发明制作的具有可选电容的LED组件的示意图；
图5A～5D是根据本发明制作的具有可选电容的LED组件的方向视图；
图6是根据本发明制作的具有可选电容的LED组件的示意图；
图7A～7E是根据本发明制作的具有可选电容的LED组件的方向视图；并且
图8是根据本发明制作的可调节输出的LED模块的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明制作的发光二极管(LED)的示意图。LED组件30包括电容器32和反并联LED结构34，其串联连接在第一连接36和第二连接38之间。反并联LED结构34包括以反并联方式连接的第一LED 40和第二LED 42，即第一LED 40和第二LED 42极性相反地连接。在一个实施例中，使反并联LED结构34和电容器32相匹配，以补偿反并联LED结构34的工作特性。可以使用生成交变电流的LED驱动器驱动LED组件30，如美国专利No.6,853,150中描述的，其整体内容在此处并入作为参考。本领域的技术人员应认识到，反并联LED结构34不限于单个LED对，而是可以包括多个串联、并联连接的LED和/或所需的其他的阵列配置。
图2A和2B分别是根据本发明制作的LED组件的顶视图和侧视图。电容器32包括第一电传导极板44和第二电传导极板46。具有与第二面52相对的第一面50的基板48被安置在第一电传导极板44和第二电传导极板46之间，第一和第二电传导极板分别被安置为与基板48的第一和第二面接近。第一连接36和第二连接38可用于连接到印刷电路板或者另外的电气部件。第一连接36电气连接到反并联LED结构34，其通过连接器54电气连接到第一电传导极板44。第二连接38电气连接到第二电传导极板46。反并联LED结构34热耦合到基板48。在一个实施例中，反并联LED结构34安装在第一电传导极板44上。在另一实施例中，反并联LED结构34安装在基板48上。
基板48可由任何合适的电介质制成，其提供所需的电容器32的电容，诸如在多层陶瓷电容器中使用的电介质。在一个实施例中，基板48具有响应于温度的介电常数。例如，基板48可以具有峰值处于预定温度(诸如100℃)的介电常数。随着反并联LED结构34使基板48的温度增加但低于预定温度，基板48的介电常数增加，从而增加了电容器32的电容，增加了通过反并联LED结构34的电流，并且保持反并联LED结构34的光输出。随着反并联LED结构34使基板48的温度增加到高于预定温度，基板48的介电常数下降，从而使电容器32的电容下降，使通过反并联LED结构34的电流下降，并且限制了温度并防止热失控。温度系数可以利用不同于安装在基板上的其他反并联LED结构的工作特性，补偿一个或多个反并联LED结构，使所有反并联LED结构的光输出均衡。
图3A～3C分别是根据本发明制作的具有电容极板的LED组件的顶视图、纵向剖面视图和横向剖面视图。示意图与图1相同。在该实施例中，电容器的第一和第二电传导极板是两组基本上平行的电容极板，基板安置在它们之间以增加电容器的电容。可以使用边缘连接器来实现LED组件中的内部连接，实现与LED组件的外部连接并且组装LED组件。
参考图3A～3C，LED组件130包括第一边缘连接器60，其对应于图1的第一连接36；第二边缘连接器62，其对应于图1的第二连接36；和第三边缘连接器64。第二边缘连接器62具有第一连接器部分66和第二连接器部分68。在另一实施例中，第一连接器部分66和第二连接器部分68可以是分立的部分。第一边缘连接器60通过第一连接器80电气连接到反并联LED结构34，并且反并联LED结构34通过第二连接器82电气连接到第三边缘连接器64。
第一和第二电传导极板分别包括多个第一电容极板70和多个第二电容极板72。第一电容极板70以第二电容极板72点缀并且基本上与第二电容极板72平行设置。相邻的电容极板以ABABA的模式在第一电容极板70和第二电容极板72之间交替。基板48安置在第一电容极板70和第二电容极板72之间。
第一电容极板70电气连接到第三边缘连接器64，并且第二电容极板72电气连接到第一连接器部分66。电容极板短于LED组件130的宽度，从而使得第一电容极板70未与第一连接器部分66相接触并且第二电容极板72未与第三边缘连接器64相接触。电容极板短于LED组件130的长度，以避免与第一边缘连接器60和第二连接器部分68相接触，其每一个均通过绝缘体76与基板48绝缘。按照需要，容纳反并联LED结构34的LED组件130的部分可以是最外侧的电容极板或者是基板48的一部分。
图4是根据本发明制作的具有可选电容的LED组件的示意图。LED组件230包括多个对应于图1的LED组件30的LED电路90，其并联连接在第一连接92和第二连接94之间。每个LED电路90包括电容器32和反并联LED结构34，其串联连接在第一连接92和第二连接94之间。反并联LED结构34包括以反并联方式连接的第一LED 40和第二LED 42，即第一LED 40和第二LED 42极性相反地连接。可以使用生成交变电流的LED驱动器驱动LED组件30，如美国专利No.6,853,150中描述的，其整体内容在此处并入作为参考。
图5A～5D分别是根据本发明制作的具有可选电容的LED组件的顶视图、详细顶视图、底视图和侧视图。在该实施例中，在LED电路中提供了多个反并联LED结构以生成光。每个LED电路中的每个电容器的一个电传导极板是电传导岛。每个电传导岛的面积可被选择以提供LED电路和相关联的反并联LED结构所需的电容。
LED组件230包括基板48，其具有与第二面52相对的第一面50。公共连接器96和多个电传导岛100被安置在第一面50上。每个电传导岛100的面积可被选择以提供LED电路和相关联的反并联LED结构34所需的电容。反并联LED结构34和电容器32的匹配可以补偿反并联LED结构34的工作特性。不同的电传导岛可以具有不同的面积。反并联LED结构34安置在电传导岛100上并且热耦合到基板48。在另一实施例中，反并联LED结构34直接安置在基板48上。第一连接器98将公共连接器96电气连接到每个反并联LED结构34，并且第二连接器102将每个反并联LED结构34电气连接到每个电传导岛100。第二电传导极板46安置在基板48的第二面52上。在一个实施例中，公共连接器96和/或第二电传导极板46环绕基板48的边缘。公共连接器96和第二电传导极板46可以环绕相对的边缘，以分离到LED组件230的外部连接。本领域的技术人员应认识到，与电传导岛100相似，第二电传导极板46可被划分为基板48的第二面52上的第二电传导岛，按照特定电路配置的需要，每个第二电传导岛与一个或多个电传导岛100相对。
图6是根据本发明制作的具有可开关电容的LED组件的示意图。LED组件330包括LED阵列106，其在第一连接92和第二连接94之间与可开关电容阵列108串联连接。LED阵列106包括并联连接的一个或多个反并联LED结构34。反并联LED结构34包括以反并联方式连接的第一LED 40和第二LED 42，即第一LED 40和第二LED 42极性相反地连接。本领域的技术人员应认识到，反并联LED结构34不限于单个LED对，而是可以包括多个串联、并联连接的LED和/或所需的其他的阵列配置。可开关的电容阵列108包括一个或多个并联连接的电容电路110。每个电容电路110包括串联连接的电容器32和开关120。可以使用生成交变电流的LED驱动器驱动LED组件330，如美国专利No.6,853,150中描述的，其整体内容在此处并入作为参考。
图7A～7E分别是根据本发明制作的具有可开关电容的LED组件的顶视图、详细顶视图、底视图、详细底视图和侧视图。在该实施例中，提供了多个反并联LED结构，其与提供可开关电容的开关串联，以控制通过反并联LED结构的电流。
LED组件330包括基板48，其具有与第二面52相对的第一面50。公共连接器96和多个电传导极板114被安置在第一面50上。反并联LED结构34安置在电传导极板114上并且热耦合到基板48。在另一实施例中，反并联LED结构34直接安置在基板48上。第一连接器98将公共连接器96电气连接到每个反并联LED结构34，并且第二连接器102将每个反并联LED结构34电气连接到电传导极板114。电传导岛116安置在基板48的第二面52上。开关120安置在电传导岛116上。在另一实施例中，开关120直接安置在基板48上。第三连接器118将电传导岛116电气连接到开关120，并且第四连接器122将开关120电气连接到公共连接器124。在一个实施例中，公共连接器96和/或公共连接器124环绕基板48的边缘。公共连接器96和公共连接器124可以环绕相对的边缘以分离到LED组件330的外部连接。
开关120可以是DIP开关、驱动多路开关、薄膜电阻开关等。在一个实施例中，开关120可以响应开关控制信号，诸如来自控制器的开关控制信号，以在工作期间开关可开关电容和通过反并联LED结构34的电流。多个LED组件330可以与LED驱动器并联连接以提供可调节输出的LED模块。
图8是根据本发明制作的可调节输出的LED模块的示意图。与LED阵列串联的可开关阻抗阵列控制通过LED阵列的电流。该电流控制可以考虑LED的工作特性变化，补偿随温度变化的光输出，限制LED温度，生成所需的光颜色和/或强度等。
可调节输出的发光二极管(LED)模块400包括LED驱动器152和至少一个LED组件148，其与LED驱动器152电气并联连接。LED组件148具有LED阵列150，其具有至少一个LED结构和可开关阻抗阵列154。可开关阻抗阵列154包括多个并联连接的阻抗电路156，多个阻抗电路156中的每个阻抗电路包括串联连接到开关160的阻抗器件158。当LED驱动器152是生成交变电流的LED驱动器时，LED结构是反并联LED结构并且阻抗器件158是电容器。当LED驱动器152是生成直流电流的LED驱动器时，LED结构是单极性LED结构，即其中所有的LED以相同的极性连接的结构，并且阻抗器件158是电阻器。
开关160可以是手动或受控开关，诸如DIP开关、驱动多路开关、薄膜电阻开关等。薄膜电阻开关可以在制造过程中通过激光微调设定，并且可以提供阻抗器件158的某些或所有阻抗。在一个实施例中，开关160响应来自可选的控制器162的开关控制信号170，该可选的控制器162可操作地连接到可开关阻抗阵列154以致动开关160。可调节输出的LED模块400还可以包括温度传感器164，其热连接到LED阵列150以生成温度信号168，控制器162响应温度信号168。控制器162可以在温度信号超过温度限制时使用温度信号168，以减少通过LED阵列150的电流，并且/或者独立于LED阵列150的温度，保持来自LED阵列150的恒定的光输出。控制器162可以是微处理器并且使用查找表来确定对于特定的温度信号168所需的开关位置。
可开关阻抗阵列154的阻抗值可被选择以实现特定的效果。在一个实施例中，可开关阻抗阵列154中的一个可开关阻抗阵列中的每个阻抗器件158的阻抗值不同于同一可开关阻抗阵列154中的其他阻抗器件158的阻抗值。在另一实施例中，可开关阻抗阵列154中的一个可开关阻抗阵列中的阻抗器件158的阻抗值的模式是1：2：4：8：...2(n-1)，其中n是可开关阻抗阵列154中的阻抗器件158的数目。当可开关阻抗阵列154中存在四个不同的阻抗器件158时，对于开关160的不同组合，十六个不同的阻抗值是可能的。
LED组件148可被选择为使得每个LED组件生成不同颜色的光，从而不同强度的不同颜色的光的组合产生不同的感知色彩。例如，三个LED组件148可以是红、绿和蓝光LED组件，以形成RGB混合光源，或者四个LED组件148可以是红、绿、蓝和黄光LED组件，以形成RGBY混合光源。
尽管此处公开的本发明的实施例目前被视为优选的，但是在不偏离本发明的范围的前提下，可以进行多种变化和修改。所描述的反并联LED结构不限于单个LED对，而是可以包括多个串联、并联连接的LED和/或所需的其他的阵列配置。本领域的技术人员应认识到，关于图1～8描述的实施例是示例性的，并且按照需要，可替换的电路可以用于特定的应用。在所附权利要求中指出了本发明的范围，并且落于其等效物的含义范围内的所有变化应涵盖于其中。

Claims (29)

1.一种发光二极管(LED)组件，包括：
基板48，其具有相对的第一和第二面50、52；
电容器32，其具有第一和第二电传导极板44、46，其分别被安置为与基板48的第一和第二面50、52接近；和
反并联LED结构34，其电气连接到第一电传导极板44并且热耦合到基板48。
2.权利要求1的组件，其中反并联LED结构34安置在第一电容极板28上。
3.权利要求1的组件，其中基板48具有响应温度的介电常数。
4.权利要求1的组件，其中基板48具有在预定温度处达到峰值的介电常数。
5.权利要求1的组件，其中反并联LED结构34和电容器32相匹配，以补偿反并联LED结构34的工作特性。
6.权利要求1的组件，其中：
第一电传导极板44包括多个第一电容极板；
第二电传导极板46包括多个第二电容极板；
第一电容极板以第二电容极板点缀并且基本上与第二电容极板平行配置；并且
基板48安置在第一电容极板和第二电容极板之间。
7.权利要求1的组件，其中：
电容器32是第一电容器；
第一电传导极板44是第一电传导岛，其被安置为与基板48的第一面接近；并且
反并联LED结构34是第一反并联LED结构，其电气连接到第一电传导岛；
进一步包括：
第二电容器，其具有被安置为与基板48的第一面接近的第二电传导岛和被安置为与基板48的第二面接近的第二电传导极板；
第二反并联LED结构，其电气连接到第二电传导岛；和
公共连接器，其电气连接到分别与第一和第二电传导岛相对的第一和第二反并联LED结构。
8.权利要求7的组件，其中第一电传导岛和第二电传导岛具有不同的面积。
9.权利要求1的组件，其中：
电容器32是第一电容器；
第一电传导极板44是第一电传导平面，其被安置为与基板48的第一面接近；
第二电传导极板46是第二电传导岛，其与第一电传导平面相对；并且
反并联LED结构34是第一反并联LED结构，其电气连接到第一电传导平面；
进一步包括：
第一开关，其电气连接到第二电传导岛；
第二电容器，其具有被安置为与基板48的第一面接近的第一电传导平面和被安置为与基板48的第二面接近与第一电传导平面相对的第三电传导岛；和
第二反并联LED结构，其电气连接到第一电传导平面；和
第二开关，其电气连接到第三电传导岛。
10.权利要求9的组件，进一步包括公共连接器，其电气连接到分别与第一电传导平面相对的第一和第二反并联LED结构。
11.权利要求9的组件，进一步包括公共连接器，其电气连接到分别与第二和第三电传导岛相对的第一和第二开关。
12.权利要求9的组件，其中第一开关选自包括DIP开关、驱动多路开关和薄膜电阻开关的组。
13.权利要求9的组件，其中第一开关响应开关控制信号。
14.一种可调节输出的发光二极管(LED)模块，包括：
LED驱动器152；和
至少一个LED组件148，其电气并联连接到LED驱动器152，LED组件148具有LED阵列150和可开关阻抗阵列154；
其中LED阵列150包括至少一个反并联LED结构，并且可开关阻抗阵列154包括多个并联连接的阻抗电路156，多个阻抗电路156中的每个阻抗电路包括串联连接到开关160的电容器。
15.权利要求14的模块，进一步包括控制器162，其可操作地连接到可开关阻抗阵列154，以致动多个阻抗电路156中的开关160。
16.权利要求15的模块，进一步包括温度传感器164，其热连接到LED阵列150以生成温度信号168，其中控制器162响应温度信号168。
17.权利要求16的模块，其中控制器162在温度信号超过温度限制时响应温度信号168，以减少通过LED阵列150的电流。
18.权利要求16的模块，其中控制器162响应温度信号168，以保持来自LED阵列150的恒定的光输出。
19.权利要求14的模块，其中可开关阻抗阵列154中的一个可开关阻抗阵列中的每个电容器的电容不同于所述一个可开关阻抗阵列154中的其他电容器的电容。
20.权利要求14的模块，其中可开关阻抗阵列154中的一个可开关阻抗阵列中的电容器的电容模式是1：2：4：8：...2(n-1)，其中n是所述一个可开关阻抗阵列154中的电容器的数目。
21.权利要求14的模块，其中所述至少一个LED组件148包括多个LED组件148，多个LED组件148中的每个LED组件生成颜色不同于所述多个LED组件148中的其他LED组件的光。
22.一种可调节输出的发光二极管(LED)模块，包括：
LED驱动器；
至少一个LED组件，其电气并联连接到LED驱动器，所述LED组件具有LED阵列150和可开关阻抗阵列154，LED阵列150具有至少一个LED结构，可开关阻抗阵列154具有多个并联连接的阻抗电路156，多个阻抗电路156中的每个阻抗电路包括串联连接到开关160的电阻器；
控制器162，其可操作地连接到可开关阻抗阵列154，以致动多个阻抗电路156中的开关160，控制器162响应温度信号168；和
温度传感器164，其热连接到LED阵列150以生成温度信号168。
23.权利要求22的模块，其中控制器162在温度信号超过温度限制时响应温度信号168，以减少通过LED阵列150的电流。
24.权利要求22的模块，其中控制器162响应温度信号168，以保持来自LED阵列150的恒定的光输出。
25.权利要求22的模块，其中可开关阻抗阵列154中的一个可开关阻抗阵列中的电阻器的电阻值的模式是1：2：4：8：...2(n-1)，其中n是所述一个可开关阻抗阵列154中的电阻器的数目。
26.权利要求22的模块，其中所述至少一个LED组件148包括多个LED组件148，多个LED组件148中的每个LED组件生成颜色不同于所述多个LED组件148中的其他LED组件的光。
27.一种可调节输出的发光二极管(LED)系统，包括：
反并联LED结构；
阻抗阵列，其与反并联LED结构电气串联连接；
用于向反并联LED结构提供交变电流的装置；和
用于开关阻抗阵列的阻抗的装置。
28.权利要求27的系统，进一步包括用于控制阻抗开关装置的装置。
29.权利要求28的系统，进一步包括用于感测可操作地连接到控制装置的反并联LED结构的温度的装置。
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