Реконфигурируемая светодиодная матрица и ее использование в осветительной системе
Изобретение относится к осветительным устройствам, которые могут работать от источника питания переменного тока или нерегулируемого источника питания постоянного тока. Техническим результатом является повышение эффективности управления питанием светоизлучающего устройства. Светоизлучающее устройство содержит: первый и второй выводы для подключения источника питания, матрицу источников света на основе светодиодов, содержащую множество последовательно соединенных секций, включающее первую секцию и последнюю секцию, каждая из которых содержит светодиод, при этом упомянутая первая секция содержит первый и второй переключатели, упомянутый первый переключатель соединяет первый вывод упомянутого светодиода в упомянутой секции с первой шиной электропитания, а упомянутый второй переключатель соединяет второй вывод упомянутого светодиода со второй шиной электропитания, упомянутая последняя секция содержит первый и второй переключатели, при этом упомянутый первый переключатель соединяет первый вывод упомянутого светодиода с первой шиной электропитания, а упомянутый второй переключатель соединяет первый вывод упомянутого светодиода со вторым выводом светодиода в соседней секции, и контроллер, который управляет упомянутыми переключателями в ответ на изменение во времени разности потенциалов между первым и вторым выводами для подключения источника питания. 3 з.п. ф-лы, 22 ил.
ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Заявляется приоритет в соответствии с заявкой на патент США №12/504,994, поданной 17 июля 2009 г., которая включена в настоящее описание путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Примеры аспекта (аспектов) настоящего изобретения относятся к осветительным устройствам. В частности, аспект (аспекты) настоящего изобретения относятся к генерации света светоизлучающими устройствами с использованием источника питания переменного тока (АС) или нерегулируемого источника питания постоянного тока (DC).
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Твердотельные светоизлучающие устройства, такие как светодиоды (light emitting diode, LED) являются привлекательными вариантами замены традиционных источников света, таких как лампы накаливания и люминесцентные лампы. Светодиоды обычно характеризуются существенно более высокими эффективностями преобразования, чем лампы накаливания, и имеют больший срок службы, чем традиционные источники света. Некоторые типы светодиодов имеют более высокие эффективности преобразования, чем люминесцентные источники света, и еще более высокие эффективности преобразования были продемонстрированы в лабораторных условиях. Для светодиодов, приемлемых для использования в различных осветительных применениях, важно оптимизировать каждый шаг обработки и получить по возможности наибольшие значения эффективности.
[0004] Проблема, связанная с традиционным светодиодом или светодиодной осветительной системой, состоит в преобразовании мощности переменного тока в мощность постоянного тока, поскольку традиционные светодиоды используют регулируемую мощность постоянного тока. Обычно светодиоды работают при постоянном токе и постоянном напряжении. С другой стороны, коммунальные предприятия подают переменный ток и/или переменное напряжение. Традиционные источники питания, такие как электрические розетки, являются источниками мощности переменного тока. Доступные в настоящее время на рынке осветительные системы, такие как лампы накаливания и/или галогенные лампы работают при мощности переменного тока.
[0005] Традиционный подход для решения проблемы необходимости использования мощности постоянного тока для светодиодных осветительных систем заключается в обеспечении преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Преобразование мощности переменного тока в нерегулируемую мощность постоянного тока, а затем из нерегулируемой мощности постоянного тока в регулируемую мощность постоянного тока является сложным и дорогим. В частности, емкостные элементы, используемые в преобразователях переменного тока в постоянный ток, обычно имеют небольшой срок службы, что влияет на срок службы светодиодной осветительной системы в целом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Предложено светоизлучающее устройство с использованием реконфигурируемой светодиодной матрицы, которое может работать от источника питания переменного тока или нерегулируемого источника питания постоянного тока. В одном из аспектов светоизлучающее устройство соединено с контроллером, светодиодной матрицей и источником питания, который может быть источником питания переменного тока или нерегулируемым источником питания постоянного тока. Источник питания обеспечивает подачу электрической мощности, а контроллер генерирует различные сигналы управления светодиодами в ответ на флуктуацию электрической мощности. Светодиодная матрица обеспечивает возможность активации по меньшей мере части светодиодов в соответствии с логическими состояниями сигналов управления светодиодами.
[0007] Необходимо понимать, что другие аспекты настоящего изобретения станут очевидны специалистам в данной области техники из последующего подробного описания, причем в качестве иллюстрации показаны и описаны только примеры конфигураций светодиодных устройств. Понятно, что настоящее изобретение включает также другие аспекты и их отдельные подробности могут быть модифицированы в различных других аспектах без выхода за рамки настоящего изобретения. Соответственно, чертежи и подробное описание необходимо рассматривать в качестве иллюстрации, а не как ограничение настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Примеры аспектов настоящего изобретения будут более понятны из последующего подробного описания и сопровождающих чертежей, иллюстрирующих различные аспекты изобретения, которые, однако, не ограничивают настоящее изобретение конкретными аспектами, а приводятся только для пояснения и лучшего понимания.
Фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую реконфигурируемую светодиодную матрицу, включающую контроллер для управления светодиодами, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой схему, иллюстрирующую осветительную систему, включающую реконфигурируемую светодиодную матрицу с контроллером, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.
Фиг.3 представляет собой схему, иллюстрирующую другую топологию или компоновку реконфигурируемой светодиодной матрицы с контроллером, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.
Фиг.4A-D представляют собой схемы, иллюстрирующие реконфигурируемую светодиодную матрицу (матрицы), выполненную по схеме Н-моста в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.
Фиг.5-9 иллюстрируют примеры светодиодных схем, работающих при переменном токе, которые демонстрируют реконфигурируемую светодиодную матрицу в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.
Фиг.10 представляет собой схему, на которой показана группа графиков, иллюстрирующих рабочие характеристики подачи мощности в осветительную систему с использованием реконфигурируемой светодиодной матрицы в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.
Фиг.11 представляет собой схему, иллюстрирующую электрическую схему управления реконфигурируемой светодиодной матрицей в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.
Фиг.12 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую процесс реконфигурирования светодиодной матрицы с использованием контроллера в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.
На фиг.13 показано схематическое поперечное сечение, иллюстрирующее пример светодиода.
На фиг.14 показано схематическое поперечное сечение, иллюстрирующее пример светодиода со слоем люминофора.
На фиг.15А показан схематический вид сверху, иллюстрирующий пример светодиодной матрицы.
На фиг.15В показано схематическое поперечное сечение светодиодной матрицы, изображенной на фиг.15А.
На фиг.16А показан схематический вид сверху, иллюстрирующий пример альтернативной конфигурации светодиодной матрицы.
На фиг.16В показано схематическое поперечное сечение светодиодной матрицы, изображенной на фиг.16А.
На фиг.17 показаны примеры устройств, включающих светодиоды или светодиодные устройства, изготовленные путем лазерного скрайбирования, в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0009] Аспекты настоящего изобретения рассмотрены в настоящем описании в контексте способа и устройств для реконфигурирования светодиодной матрицы, способной использовать мощность переменного тока.
[0010] Далее настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показаны различные аспекты настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во множестве различных форм и его не следует понимать как ограниченное различными аспектами, представленными в данном описании. Точнее, эти аспекты приведены для того, чтобы данное описание было полным и всесторонним и в полной мере передавало объем настоящего изобретения для специалиста в данной области техники. Различные аспекты настоящего изобретения, проиллюстрированные на чертежах, могут быть показаны не в масштабе. Точнее, размеры различных элементов для ясности могут быть увеличены или уменьшены. Дополнительно, некоторые из чертежей для ясности могут быть упрощены. Таким образом, на чертежах могут быть показаны не все компоненты данного устройства или способа.
[0011] Различные аспекты настоящего изобретения будут рассмотрены в данном описании со ссылкой на чертежи, на которых схематически проиллюстрированы идеализированные конфигурации настоящего изобретения. По существу, возможны изменения формы проиллюстрированных конфигураций в результате, например, различных техник изготовления и/или применяемых допусков. Таким образом, необходимо понимать, что различные аспекты настоящего изобретения, представленные в данном описании, не ограничены конкретными формами элементов (например, областей, слоев, сегментов, подложек и т.д.), проиллюстрированных и рассмотренных в данном описании, но также включают отклонения от данных форм, которые происходят, например, при их изготовлении. Например, элемент, проиллюстрированный или описанный как прямоугольник, может иметь закругленные или изогнутые детали, и/или плавное изменение концентрации на краях, а не дискретное изменение от одного элемента к другому элементу. Таким образом, элементы, показанные на чертежах, являются схематическими и их форма не иллюстрирует точную форму элемента и не ограничивает объем настоящего изобретения.
[0012] Необходимо понимать, что если указано, что элемент, такой как область, слой, сегмент, подложка или т.п., расположен «на» другом элементе, он может быть расположен непосредственно на другом элементе или могут присутствовать промежуточные элементы. В отличие от этого, в случае, если указано, что элемент расположен «непосредственно на» другом элементе, промежуточные элементы отсутствуют. Кроме того, если указано, что элемент «сформирован» на другом элементе, он может быть выращен, нанесен, вытравлен, прикреплен, соединен, подключен или как-либо иначе подготовлен или изготовлен на другом элементе или промежуточном элементе.
[0013] Кроме того, термины, характеризующие относительное расположение, такие как «нижний» или «низ» и «верхний» или «верх», могут быть использованы в настоящем документе для описания взаимоотношения одного элемента с другим элементом, как проиллюстрировано на чертежах. Необходимо понимать, что такие термины охватывают различные ориентации устройства в дополнение к ориентации, показанной на чертежах. Например, если устройство на чертежах перевернуто, элементы, описываемые как элементы, находящиеся на «нижней» стороне других элементов, будут расположены на «верхней» стороне других элементов. Термин «нижний», следовательно, может охватывать как ориентацию «нижний», так и ориентацию «верхний», в зависимости от конкретной ориентации устройства. Аналогично, если устройство на чертеже перевернуто, элементы, описываемые как элементы, находящиеся «ниже» или «под» другими элементами, будут расположены «над» другими элементами. Термины «ниже» или «под», следовательно, могут охватывать как ориентацию «выше», так и ориентацию «ниже».
[0014] До тех пор пока не указано обратное, все термины (включая технические и научные термины), используемые в настоящем описании, имеют одинаковое значение, общеизвестное для специалиста в данной области техники. Необходимо также понимать, что термины, например термины, широко применяемые в словарях, следует интерпретировать как термины, имеющие значение, которое согласуется с их значением в контексте соответствующей области техники и данного описания.
[0015] В настоящем описании формы единственного числа включают также формы множественного числа, если в контексте настоящего описания очевидным образом не указано обратное. Необходимо также понимать, что термины «включать» и/или «включающий» при использовании в данном описании указывают на наличие заданных деталей, целых чисел, шагов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более других деталей, целых чисел, шагов, операций, элементов, компонентов и/или их групп. Термин «и/или» включает любые или все комбинации из одного или более соответствующих перечисленных элементов.
[0016] Далее в настоящем описании представлены различные аспекты светодиодного светильника. Однако, как легко будет понять специалисту в данной области техники, эти аспекты могут быть распространены на аспекты светодиодных светильников без выхода за рамки настоящего изобретения. Светодиодные светильники могут быть выполнены в качестве непосредственной замены традиционных светильников, включая, например, встроенные светильники, светильники для поверхностного монтажа, подвесные светильники, уличные фонари, контурные светильники, светильники с изменяемым направлением освещения, мебельную подсветку, полосковые светильники, промышленные светильники, аварийные светильники, светильники с уравновешенным кронштейном, источники направленного освещения, источники фонового освещения и другую осветительную арматуру.
[0017] В настоящем описании термин «осветительная арматура» означает внешнюю оболочку или корпус светильника. Под термином «светильник» подразумевается осветительная арматура, укомплектованная источником света и, если необходимо, другими компонентами (например, вентилятором для охлаждения источника света, отражателем для направления света и т.д.). Термин «светодиодный светильник» означает светильник с источником света, включающим один или более светодиодов. Светодиоды общеизвестны в данной области техники и, следовательно, будут рассмотрены только кратко для обеспечения полного описания настоящего изобретения.
[0018] Кроме того, понятно, что аспекты настоящего изобретения могут включать интегральные микросхемы, которые легко изготавливаются с использованием традиционных полупроводниковых технологий, таких как технология CMOS (complementary metal-oxide semiconductor, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), или другие процессы изготовления полупроводников. Дополнительно, аспект настоящего изобретения может быть реализован с использованием других процессов изготовления для выполнения оптических, а также электрических устройств. Необходимо сделать ссылку на сопровождающие чертежи, на которых проиллюстрированы варианты выполнения примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения. Одинаковые ссылочные указатели использованы на чертежах и в последующем подробном описании для обозначения одинаковых или подобных частей.
[0019] В одном из аспектов светоизлучающее устройство соединено с контроллером, светодиодной матрицей и источником питания, который может быть источником питания переменного тока или нерегулируемым источником питания постоянного тока. Источник питания обеспечивает подачу электрической мощности, а контроллер генерирует различные сигналы управления светодиодами в ответ на флуктуацию электрической мощности. Светодиодная матрица обеспечивает возможность активации по меньшей мере части светодиодов в соответствии с логическими состояниями сигналов управления светодиодами. Реконфигурирование светодиодов в светодиодной матрице позволяет светодиодной системе принимать мощность непосредственно от нерегулируемого источника постоянного тока и/или источника переменного тока.
[0020] Фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую осветительную систему 100, включающую контроллер для управления светодиодами, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Осветительная система 100 включает контроллер 102, устройство 104 реконфигурирования светодиодов, светодиодную матрицу 106 и источник питания 108. В одном из аспектов источник питания 108 может представлять собой источник питания переменного тока, источник питания выпрямленного переменного тока и/или нерегулируемый источник питания постоянного тока. Необходимо отметить, что основная концепция примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения не изменится, если один или более элементов (или устройств) будут добавлены или удалены из системы 100.
[0021] Светодиодная матрица 106 включает четыре светодиода 120-126, соединенные последовательно и способные генерировать свет. Один или более светодиодов 120-124 могут быть включены и/или выключены в зависимости от логических значений (или логических состояний) сигналов управления светодиодами. Например, при токе 116, текущем от контроллера 102 к светодиодной матрице 106 через шину 132, светодиоды 120-126 загораются, если переключатели в устройстве 104 реконфигурирования светодиодов выключены. В зависимости от применений, дополнительные светодиоды могут быть добавлены или удалены из светодиодной матрицы 106. В альтернативном аспекте светодиоды в светодиодной матрице 106 могут быть расположены параллельно или в комбинации конфигураций с последовательным и параллельным расположением.
[0022] Устройство 104 реконфигурирования светодиодов представляет собой переключающее устройство, включающее или выключающее отдельные светодиоды в светодиодной матрице 106 в соответствии с логическими состояниями сигналов управления светодиодами. В одном из аспектов устройство 104 включает три переключателя 110-114, каждый из которых управляется сигналом управления светодиодами. Сигналы управления светодиодами генерируются контроллером 102. Сигналы управления светодиодами управляют переключателями 110-114 посредством управляющих терминалов переключателей 110-114 через шину 134 управления переключателями. Как показано на фиг.1, переключатели 110-114 используются для управления светодиодами 120-124, соответственно. Например, если переключатель 110, который может содержать один или более транзисторов, активирован, переключатель 110 перенаправляет ток 116 из шины 132 в шину 138. При протекании тока из шины 132 в шину 138 в обход светодиода 120, светодиод 122 будет активирован, в то время как светодиод 120 будет деактивирован. По существу светодиод 120 может быть эффективно включен или выключен в зависимости от логического статуса или логического состояния сигнала управления светодиодами для переключателя 110. Необходимо отметить, что устройство 104 реконфигурирования светодиодов и светодиодная матрица 106 могут быть объединены в единое устройство.
[0023] Контроллер 102 представляет собой схему управления, выполняющую функции управления различными сигналами, такие как регулирование тока, управление переключателями, управление мощностью, контроль мощности и т.д. В одном из аспектов мощность от источника питания 108 поступает в контроллер 102 через шину 130, при этом упомянутая мощность может представлять собой мощность переменного тока, нерегулируемую мощность постоянного тока или регулируемую мощность постоянного тока. После получения мощности из шины 130 мощность перенаправляется в светодиодную матрицу 106 через шину 132 и/или шину 138. Мощность, или электрическая мощность, представляет собой электрическую энергию, создающую электрический ток и/или разность электрических потенциалов. После обнаружения подачи электрической мощности контроллер 102 генерирует сигналы управления светодиодами в соответствии с флуктуациями электрического потенциала. В одном из аспектов контроллер 102 выборочно активирует дополнительные светодиоды в светодиодной матрице 106 при увеличении уровня электрических потенциалов. Аналогично, контроллер 102 выборочно деактивирует один или более светодиодов при уменьшении уровня электрических потенциалов. Необходимо отметить, что источник переменного тока доставляет электрическую мощность в виде синусоидальной волны, в которой уровень электрических потенциалов флуктуирует со временем.
[0024] Во время функционирования контроллер 102 обеспечивает включение одного, двух, трех или четырех светодиодов независимо или в одно и то же время на основе флуктуации мощности переменного тока. Необходимо отметить, что концепция, при которой в светодиодной матрице имеются четыре светодиода, может быть расширена либо вследствие наличия большего количества отдельных светодиодов, либо за счет того, что каждый светодиод включает множество суб-светодиодов в последовательной, параллельной или последовательно-параллельной комбинациях. На фиг.1 светодиод 126, который является последним светодиодом при их последовательной комбинации, всегда включен до тех пор, пока ток 116 протекает через шину 132 в шину 136.
[0025] Преимущество использования реконфигурируемой светодиодной матрицы, обозначенной на схеме позицией 100, заключается в том, что светодиодный светильник имеет возможность потребления непосредственно мощности переменного тока или нерегулируемой мощности постоянного тока для более эффективной генерации света и в течение большего периода времени без необходимости использования традиционного преобразователя переменного тока. Для обеспечения возможности работы светодиода с нерегулируемой мощностью постоянного тока или мощностью переменного тока контроллер реконфигурируемой светодиодной матрицы включает и выключает множество светодиодов в зависимости от приложенного напряжения.
[0026] Фиг.2 представляет собой схему, иллюстрирующую осветительную систему 200, включающую реконфигурируемую светодиодную матрицу с контроллером, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Осветительная система 200 включает контроллер 202, осветительный компонент 240 и источник питания 208. Необходимо отметить, что источник питания 208 может быть устройством, аналогичным источнику питания 108, показанному на фиг.1. Следует отметить, что основная концепция примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения не изменится, если один или более элементов (или слоев) будут добавлены или удалены из системы 200.
[0027] В одном из аспектов источник питания 208 может представлять собой мощность переменного тока, предоставляемую коммунальным предприятием посредством традиционных линий электропередачи. Альтернативно, источник питания 208 может представлять собой нерегулируемую мощность постоянного тока, предоставляемую генератором мощности. Источник питания 208 подает электроэнергию, например, электрический ток 116 для схемы. Электроэнергия может быть интерпретирована как напряжение, разность потенциалов, ток или комбинация тока и напряжения. Термины «мощность», «электрическая мощность», «ток», «электрический ток», «напряжение» и «разность потенциалов» используются в настоящем описании взаимозаменяемо. Когда мощность 116 достигает контроллера 202, она последовательно перенаправляется в осветительное устройство 240 через шину 232.
[0028] Контроллер 202, выполняющий функции, аналогичные функциям, выполняемым контроллером 102, который показан на фиг.1, контролирует флуктуацию мощности 116 и обновляет сигналы управления светодиодами в ответ на флуктуацию мощности 116. Флуктуация мощности, например, представляет собой возрастание или падение мощности, аналогичные возрастанию или падению, наблюдаемым в волнах или синусоидальных волнах, переносимых шиной 130. После обнаружения флуктуации мощности сигналы управления светодиодами регулируются в соответствии с флуктуациями мощности. Например, контроллер 202 включает больше светодиодов при увеличении уровня мощности и выключает один или более светодиодов при падении уровня мощности. Необходимо отметить, что источник питания переменного тока доставляет мощность в виде синусоидальной волны, которая флуктуирует со временем.
[0029] Сигналы управления светодиодами управляют переключателями с помощью их управляющих терминалов через шину 234, при этом переключатели управляют статусом каждого светодиода в осветительном компоненте 240. Управляющий вывод для каждого переключателя представляет собой, например, вывод затвора транзистора. Для упрощения схемы 200 шина 234 управления переключателями, переносящая сигналы управления светодиодами, не показана- Контроллер 202 обеспечивает отдельный доступ и/или управление каждым светодиодом, вследствие чего время во включенном состоянии или период активированного состояния для светодиодов может быть распределен более равномерно.
[0030] В одном из аспектов осветительный компонент 240 включает светодиодную матрицу 242 и массив переключателей 210-226, при этом переключатели используются для управления статусом включения или выключения каждого светодиода в светодиодной матрице 242. Светодиодная матрица 242 включает множество светодиодов 202-208, соединенных последовательно. Каждый светодиод в светодиодной матрице 242 управляется парой переключателей. Например, светодиод 202 управляется переключателями 210 и 218. Поскольку переключатели управляются сигналами управления светодиодами, светодиоды 202-208 могут быть включены и/или выключены в зависимости от логических значений сигналов управления светодиодами. Если переключатели 210 и 218 включены (или активны), светодиод 202, например, будет выключен, поскольку разность потенциалов на светодиоде 202 падает до нуля. Альтернативно, если переключатели 210 и 220 включены, а переключатели 218 и 212 выключены, ток 116 течет от переключателя 210 к светодиоду 204 и затем переключателю 220, вследствие чего светодиод 204 активируется и/или загорается.
[0031] В зависимости от применений дополнительные светодиоды могут быть добавлены или удалены из светодиодной матрицы 242. Светодиоды 202-208, например, могут быть расположены параллельно или с использованием комбинации последовательной и параллельной конфигураций. Осветительный компонент 240, который может представлять собой устройство, аналогичное реконфигурируемому светодиодному устройству 104, показанному на фиг.1, включает набор переключающих устройств и светодиодов для реконфигурирования светодиодов в соответствии с флуктуациями мощности. Во время функционирования контроллер 202 обеспечивает включение или выключение одного, двух, трех, четырех или более светодиодов независимо друг от друга на основе флуктуации мощности переменного тока.
[0032] Преимуществом использования устройства реконфигурирования, показанного на схеме 200, по сравнению со схемой 100, является улучшение надежности путем более равномерного распределения времени, в течение которого конкретный светодиод включен или активен. Альтернативно, аналогичная топология с использованием меньшего количества переключателей, но за счет более высоких потерь напряжения на переключателях, будет проиллюстрирована при последующем обсуждении.
[0033] Фиг.3 представляет собой схему, иллюстрирующую другую топологию или компоновку осветительной системы 300, включающей реконфигурируемую светодиодную матрицу с контроллером, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Осветительная система 300 включает контроллер 202, реконфигурируемое светодиодное устройство 304, светодиодную матрицу 342 и источник питания 108, при этом светодиодная матрица 342 включает множество светодиодов 302-308. В одном из аспектов источник питания 108 может представлять собой источник питания переменного тока, источник питания выпрямленного переменного тока и/или нерегулируемый источник питания постоянного тока. Необходимо отметить, что основная концепция примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения не изменится, если один или более элементов (или светодиодов) будут добавлены или удалены из схемы 300.
[0034] Устройство 304 реконфигурирования светодиодов включает множество переключателей 318-326, каждый из которых включает один или более транзисторов. Выводы затвора или управляющие выводы переключателей связаны с сигналами управления светодиодами через шину 234 для управления логическим статусом каждого переключателя. Каждый переключатель связан со светодиодом, при этом светодиод выключен, если соответствующий ему переключатель включен или активен. Например, если переключатель 318 включен, разность потенциалов на светодиоде 302 падает до нуля, вследствие чего светодиод 302 выключается. Альтернативно, если переключатели 318 и 324 включены, а переключатель 320 выключен, ток 116 течет от переключателя 318 к светодиоду 304, а затем от светодиода 304 к переключателю 324, вследствие чего светодиод 304 активируется. Необходимо отметить, что ток 116 должен пройти цепь переключателей от переключателя 318 до переключателя 326, чтобы достигнуть отрицательного вывода источника питания 108. Следует отметить, что в осветительной системе 300 при распространении тока 116 через каждый переключатель может произойти потеря мощности.
[0035] На фиг.4А представлена схема, иллюстрирующая осветительную систему 400 с использованием реконфигурируемой светодиодной матрицы, выполненной по схеме Н-моста, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Осветительная система 400 аналогична осветительной системе 200, показанной на фиг.2 за исключением того, что осветительный компонент 401 отличается от осветительного компонента 240, показанного на фиг.2. Необходимо отметить, что основная концепция примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения не изменится, если один или более элементов (или светодиодов) будут добавлены или удалены из осветительной системы 400.
[0036] Осветительный компонент 401 включает множество светодиодов 402-410 и переключателей 412-436, каждый из которых выполняет функции, аналогичные функциям, выполняемым переключателями 210-226. В одном из аспектов светодиоды соединены последовательно, при этом переключатель расположен между каждыми двумя светодиодами, соединенными последовательно. Например, переключатель 430 размещен между светодиодами 402-404. Размещение переключателя между каждыми двумя светодиодами позволяет контроллеру 202 реконфигурировать светодиоды параллельно, а также последовательно. Дополнительные переключатели, например, переключатели 430-436, упрощают работу Н-моста и обеспечивают возможность работы схемы при мощности переменного тока.
[0037] Хотя схема реконфигурирования, включающая переключатели 412-436, является более сложной, чем схемы реконфигурирования, проиллюстрированные на фиг.2-3, данная схема позволяет светодиодам работать последовательно или параллельно. Для светодиодной матрицы с четырьмя светодиодами, использующей компоновку схемы, показанную на фиг.4А, схема реконфигурирования обеспечивает возможность реконфигурирования светодиодов в виде следующих конфигураций: одна последовательность из четырех светодиодов; одна последовательность из трех светодиодов в двух различных направлениях; одна последовательность из двух светодиодов в трех различных направлениях; две параллельные последовательности из двух светодиодов в одном направлении и от одного до четырех отдельных светодиодов, расположенных параллельно. Если осветительный компонент 401 имеет конфигурацию из четырех светодиодов, могут быть сконфигурированы и сформированы две параллельные последовательности из двух светодиодов. Например, если переключатели 430, 422, 414, 434 и 426 замкнуты (или включены), а переключатели 412, 420, 432, 416, 424 и 436 разомкнуты (или выключены), первая последовательность светодиодов 402-404 параллельна второй последовательности светодиодов 406-408. Также первое направление одной последовательности из трех светодиодов 402-406 может быть сформировано, если переключатели 430, 432 и 424 замкнуты (или включены), а переключатели 412, 414, 434, 420 и 422 разомкнуты (или выключены). Альтернативно, второе направление одной последовательности из трех светодиодов 404-408 может быть сформировано, если переключатели 412, 432, 434 и 426 замкнуты (или включены), а переключатели 430, 414, 416, 436 и 420-424 разомкнуты (или выключены).
[0038] На фиг.4B-4D показаны три осветительные системы, включающие четыре светодиода, которые демонстрируют различные конфигурации 460-480 светодиодов в ответ на флуктуацию электрической мощности в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Переключатели или переключающие устройства, размещенные по схеме Н-моста, как показано на фиг.4А, могут быть использованы для формирования различных конфигураций светодиодов. Например, конфигурация 460 иллюстрирует четыре параллельные последовательности из одного светодиода, а конфигурация 470 иллюстрирует две параллельные последовательности из двух светодиодов. Конфигурация 480, с другой стороны, изображает конфигурацию из одной последовательности из четырех светодиодов.
[0039] Конфигурации 460-480, показанные на фиг.4B-D обеспечивают возможность эффективного функционирования светодиодной матрицы и генерирования светодиодной матрицей одинакового количества света с различными входными напряжениями. На фиг.4B-D схематически проиллюстрированы схемные устройства со светодиодной матрицей из четырех светодиодов. На фиг.4В показана светодиодная матрица с четырьмя отдельными светодиодами, включенными параллельно. При низком напряжении (то есть 3,2 В) конфигурация 460 может потреблять большой ток (то есть 1,4 А) и каждый светодиод будет потреблять постоянную мощность (то есть 1,2 Вт) и генерировать соответствующее количество света. Если источник питания подает умеренное напряжение (то есть 6,4 В), светодиодная матрица реконфигурируется в виде двух параллельных последовательностей из двух светодиодов и потребляет половину тока (то есть 0,7 А), в качестве конфигурации 470, показанной на фиг.4С. Конфигурация 470 подает такую же мощность (то есть 1,2 Вт) на каждый светодиод и будет обеспечивать такое же количество света с той же эффективностью, что и конфигурация 460, проиллюстрированная на фиг.4В. Альтернативно, если источник питания достигает высокого напряжения (то есть 13,2 В), светодиодная матрица реконфигурируется в виде одной последовательности из четырех светодиодов, показанной на фиг.4D, и потребляет четверть тока (то есть 0,35 А), как конфигурация 460, показанная на фиг.4В. Конфигурация 480 также доставляет такую же или подобную мощность (то есть 1,2 Вт) на каждый светодиод и будет обеспечивать такое же количество света с той же эффективностью как конфигурации 460-470, показанные на фиг.4В-С. Необходимо отметить, что при увеличении электрического потенциала (напряжения) количество светодиодов и доставляемая электрическая мощность остаются прежними, в то время как конфигурация светодиодов изменяется в соответствии с выходным электрическим потенциалом. В некоторых применениях предпочтительным является выключение светодиодов при увеличении электрической мощности и включение светодиодов при уменьшении электрической мощности.
[0040] Схема реконфигурирования, показанная на фиг.4, позволяет адаптировать светодиодную матрицу и/или светодиодную систему к приложенному напряжению с использованием динамического управления в реальном времени, обеспечиваемого контроллером 202. Контроллер 202, который может представлять собой внешнюю цепь, интегрируется в светодиодный модуль. Преимуществом использования такого светодиодного модуля является обеспечение работы светодиодной матрицы без преобразователя переменного тока. Другим преимуществом использования светодиодного модуля является исключение электролитических конденсаторов из системы, поскольку электролитические конденсаторы способствуют уменьшению срока службы системы.
[0041] На фиг.5 показан пример светодиодной схемы 550, работающей при переменном токе, с реконфигурируемой светодиодной матрицей в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Схема 550 включает источник питания 552, выпрямитель 554, контроллер 556 и реконфигурируемую светодиодную матрицу 558. В одном из аспектов контроллер 556 включает контроллер переключателей и контроллер тока, при этом контроллер переключателей имеет возможность управления переключателями. Контроллер тока предназначен для передачи электрического тока от выпрямителя 554 в реконфигурируемую светодиодную матрицу 558. Необходимо отметить, что основная концепция примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения не изменится, если один или более элементов (или светодиодов) будут добавлены или удалены из схемы 550.
[0042] Выпрямитель 554 включает четыре диода, обеспечивающие возможность блокирования отрицательной и/или положительной части, волны. Вместо выпрямителя 554 могут быть использованы любые другие типы силовых выпрямителей. Источник питания 552 может представлять собой источник питания переменного тока, обеспечиваемый коммунальным предприятием через силовой кабель. Альтернативно, источник питания 552 представляет собой нерегулируемый источник питания постоянного тока, обеспечиваемый генератором мощности.
[0043] Реконфигурируемая светодиодная матрица 558 включает три переключателя 570-574 и четыре светодиода 560-568, которые соединены последовательно. Необходимо отметить, что переключатели 570-574 аналогичны переключателям 110-114, показанным на фиг.1, а светодиоды 560-568 аналогичны светодиодам 120-126, показанным на фиг.1. В то время как светодиод 568 включен большую часть времени, светодиоды 560-564 могут быть включены или выключены переключателями 570-574. Управление логическим статусом переключателей 570-576 обеспечивается сигналами управления светодиодами, управляемыми контроллером 556.
[0044] Преимущество использования схемы 550 заключается обеспечении возможности потребления светодиодами мощности непосредственно от источника питания переменного тока или нерегулируемого источника питания постоянного тока без преобразователя переменного тока.
[0045] Измерение рабочих характеристик светодиодной осветительной системы охватывает различные параметры, такие как световой поток, коэффициент мощности и эффективность. Идеальное значение потока составляет приблизительно 880 лм, а требуемый коэффициент мощности превышает 0,9. Например, если отдельный светодиод генерирует 75 лм/Вт холодного белого света при силе токе 700 мА и прямом напряжении 3,2 В, он может выдавать поток, приблизительно равный 175 лм. Если поток и эффективность поддерживаются в заранее заданном диапазоне, изменяется форма прямого напряжения (с приращением 3,2 В) и тока, благодаря чему поддерживается приблизительно постоянная плотность мощности. По существу, светодиод может генерировать поток, составляющий 175 лм, с прямым напряжением 6,4 В и силой тока 350 мА, или напряжением 9,6 В и силой тока 267 мА, или напряжением 12,8 В и силой тока 175 мА и т.д.
[0046] В одном из примеров эффективность включает эффективность светодиода, эффективность системы, и эффективность преобразования переменного тока в постоянный ток. Эффективность задается следующим образом:
[0047] Для получения высокого коэффициента мощности подается линейный ток, который должен быть в фазе с линейным напряжением. Подаваемая в систему мощность тогда будет приблизительно равна квадрату синусоидальной функции, которая имеет среднее значение отношения амплитуд, равное 0,5. Для получения среднего потока равного 880 лм, светодиоды, например, должны производить 1760 лм в максимуме, что предполагает, что в осветительной системе может должно быть по меньшей мере десять светодиодов для выполнения требований к потоку. Например, при линейном напряжении переменного тока 170 В в максимуме светодиод или набор светодиодов должен иметь прямое напряжение, равное 16 В, при силе тока 140 мА. Необходимо отметить, что если цепь включает включенный в линию резистор, разность между напряжением светодиода и напряжением линии должна поддерживаться низкой для улучшения эффективности системы.
[0048] На фиг.6 показана схема, иллюстрирующая пример реализации светодиодной схемы 650, работающей при переменном токе, которая включает реконфигурируемую светодиодную матрицу в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Схема 650 аналогична схеме 550, показанной на фиг.5, и включает источник питания 652, выпрямитель 554, контроллер 556 и реконфигурируемую светодиодную матрицу 558. Необходимо отметить, что в реконфигурируемую светодиодную матрицу 558 могут быть добавлены дополнительные светодиоды и переключатели. Следует также отметить, что основная концепция примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения не изменится, если один или более элементов (или светодиодов) будут добавлены или удалены из схемы 650.
[0049] При увеличении напряжения источника питания 652 от 0 до 3-6 В изменяющийся прямой ток передается от выпрямителя 554 в контроллер 556. После обнаружения прямого напряжения, равного 3-6 В контроллер переключателей передает сигнал управления светодиодами для активации переключателя 574. Если переключатели 570-572 инактивированы, а переключатель 574 активирован, прямой ток обходит светодиоды 560-564 и достигает светодиода 568 непосредственно через переключатель 574 посредством соединения 656. Осветительная арматура, использующая набор светодиодов с изменяемым напряжением может поддерживать минимальную разность напряжений между источником питания и светодиодами путем активации или деактивации светодиодов при необходимости. В зависимости от применений, может быть использована более сложная схема переключения для обеспечения дополнительной эксплуатационной гибкости для реконфигурирования светодиодов.
[0050] На фиг.7 показана схема, иллюстрирующая пример реализации светодиодной схемы 750, работающей при переменном токе, которая включает реконфигурируемую светодиодную матрицу в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Схема 750 аналогична схеме 550, показанной на фиг.5, и включает источник питания 752, выпрямитель 554, контроллер 556 и реконфигурируемую светодиодную матрицу 558. Необходимо отметить, что в реконфигурируемую светодиодную матрицу 558 могут быть добавлены дополнительные светодиоды и переключатели. Следует также отметить, что основная концепция примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения не изменится, если один или более элементов (или светодиодов) будут добавлены или удалены из схемы 750.
[0051] При увеличении напряжения источника питания 752 от 3-6 В до 6-9 В изменяющийся прямой ток передается от выпрямителя 554 в контроллер 556. После обнаружения прямого напряжения, равного 6-9 В контроллер переключателей передает сигнал управления светодиодами для активации переключателя 572. Если переключатели 570 и 574 инактивированы, а переключатель 572 активирован, прямое напряжение или ток обходит светодиоды 560-562 и достигает светодиодов 564-568 через переключатель 572 посредством соединения 756. Осветительная арматура, использующая набор светодиодов с изменяемым напряжением может поддерживать минимальную разность напряжений между источником питания и светодиодами путем активации или деактивации светодиодов при необходимости.
[0052] На фиг.8 показана схема, иллюстрирующая пример реализации светодиодной схемы 850, работающей при переменном токе, которая включает реконфигурируемую светодиодную матрицу в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Схема 850 аналогична схеме 550, показанной на фиг.5, и включает источник питания 852, выпрямитель 554, контроллер 556 и реконфигурируемую светодиодную матрицу 558. Необходимо отметить, что в реконфигурируемую светодиодную матрицу 558 могут быть добавлены дополнительные светодиоды и переключатели. Следует также отметить, что основная концепция примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения не изменится, если один или более элементов (или светодиодов) будут добавлены или удалены из схемы 850.
[0053] При увеличении напряжения источника питания 852 от 6-9 В до 9-12 В изменяющийся прямой ток передается от выпрямителя 554 в контроллер 556. После обнаружения прямого напряжения, равного 9-12 В контроллер переключателей передает сигнал управления светодиодами для активации переключателя 570. Если переключатели 572-574 инактивированы, а переключатель 570 активирован, прямой ток обходит светодиод 560 и достигает светодиодов 562-568 через переключатель 570 посредством соединения 856.
[0054] Другие применения реконфигурируемой светодиодной матрицы обеспечивают альтернативные варианты для уменьшения силы света путем модуляции тока. Традиционные способы уменьшения силы света светодиодов используют модуляцию тока через светодиод либо по времени, либо по амплитуде. В целом, уменьшение напряжения для традиционных светодиодов не является предпочтительным, поскольку даже небольшие изменения напряжения приводят к большим изменениям светоотдачи. В реконфигурируемой светодиодной матрице ступенчатое уменьшение напряжения может быть выполнено путем включения светодиодов при увеличении электрической мощности и выключения светодиодов при уменьшении электрической мощности.
[0055] На фиг.9 показана схема, иллюстрирующая пример реализации светодиодной схемы 950, работающей при переменном токе, которая включает реконфигурируемую светодиодную матрицу в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Схема 950 аналогична схеме 550, показанной на фиг.5, и включает источник питания 952, выпрямитель 554, контроллер 556 и реконфигурируемую светодиодную матрицу 558. Необходимо отметить, что в реконфигурируемую светодиодную матрицу 558 могут быть добавлены дополнительные светодиоды и переключатели. Следует также отметить, что основная концепция примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения не изменится, если один или более элементов (или светодиодов) будут добавлены или удалены из схемы 950.
[0056] При увеличении напряжения источника питания 952 от 9-12 В до значения, превышающего 12 В, изменяющийся прямой ток передается от выпрямителя 554 в контроллер 556. После обнаружения прямого напряжения, превышающего 12 В, контроллер переключателей выключает все переключатели 570-574 посредством сигналов управления светодиодами. Если переключатели 570-574 инактивированы, прямой ток достигает светодиодов 560-568 посредством соединения 956. Необходимо понимать, что могут быть включены дополнительные переключатели и светодиоды, если имеет место более высокое прямое напряжение.
[0057] Фиг.10 представляет собой схему, на которой показан набор графиков, иллюстрирующих рабочие характеристики подачи мощности в осветительную систему с использованием реконфигурируемой светодиодной матрицы в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Схема 1006 включает график 1000 напряжения, график 1002 тока и график 1004 мощности. Собранные и показанные на графиках 1000-1004 данные основаны на наборе заранее заданных параметров, таких как коэффициент мощности и коэффициент мерцаний. Коэффициент мерцаний измеряет количество света, превышающее среднее количество света. Коэффициент мощности предоставляет отношение фактической мощности, приложенной к нагрузке, и кажущейся мощности. Графики 100-104 построены при следующих условиях: коэффициент мощности равен 0,995; коэффициент мерцаний равен 0,34; 50 переходов свыше 160 В.
[0058] График 1000 иллюстрирует кривую 1010 линейного напряжения, кривую 1012 напряжения на светодиодах и кривую 1014 падения напряжения со временем. Как видно из кривых 1010-1014 на графике 1000, осветительная система является довольно эффективной, поскольку кривая 1012 напряжения на светодиодах сходна с кривой 1010 линейного напряжения. Также кривая 1014 падения напряжения является относительно небольшой по сравнению с кривой 1012 напряжения на светодиодах.
[0059] На графике 1002 показана кривая изменения 1020 линейного тока со временем. Необходимо отметить, что кривая 1014 падения напряжения представляет приблизительные потери мощности в цепи где-либо в системе, которые являются неустранимыми. На графике 1004 показана мощность, поданная на светодиоды, в течение одного цикла. На графике 1004 показаны кривая 1030 линейной мощности, кривая 1032 мощности, поданной на светодиоды, и кривая 1034 потерь мощности. Из графика 1004 видно, что поданная в систему мощность является довольно эффективной, поскольку кривая 1032 поданной мощности очень близка к кривой 1030 линейной мощности. Также кривая 1034 потерь мощности относительно невелика по сравнению с кривой 1032 поданной мощности. По существу, преимущество использования реконфигурируемой светодиодной матрицы заключается в обеспечении светодиодной системы, которая может работать от источника питания переменного тока, выпрямленного переменного тока и/или нерегулируемого источника питания постоянного тока.
[0060] Фиг.11 представляет собой схему 1100, иллюстрирующую схему управления, такую как контролер 202, показанный на фиг.2, для управления реконфигурируемой светодиодной матрицей в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Схема 1100 включает источник питания переменного тока, выпрямитель 1102 волны переменного тока, резисторы R1-R2, светодиод LED1, светодиод LED2, транзисторы U1-U5 и опорный светодиод. Необходимо отметить, что основная концепция примеров аспекта (аспектов) настоящего изобретения не изменится, если один или более элементов (или устройств) будут добавлены или удалены из схемы 1100.
[0061] Схема 1100 представляет собой цепь, обеспечивающую выполнение задач в системе с двумя светодиодами. Выпрямитель 1102 волны используется для выпрямления переменного линейного напряжения. Резисторы R1 и R2 обеспечивают протекание тока через транзистор U2, при этом ток совпадает по фазе с линейным напряжением. Транзистор U1 отражает ток через транзистор U2 в стандартной топологии «токового зеркала». Транзистор U3 обеспечивает замыкание на светодиод LED2, если напряжение стока транзистора U5 больше, чем напряжение, которое задано делителем напряжения R1 и R2. Компаратор U4, известный также как дифференциальный усилитель, активируется и запирает транзистор U3 перед включением транзистора U1 и светодиода LED1. В одном из примеров преимуществом может быть большое прямое напряжение для светодиода LED1. Для обеспечения соответствующего напряжения для переключения в стоке транзистора U5 размещают небольшой опорный светодиод. Необходимо отметить, что схема переключения, включающая транзисторы U3, U4 и резистивную цепь, может быть удвоена для светодиодной матрицы, включающей более двух светодиодов. Следует отметить, что может быть необходимо, чтобы все компараторы работали в довольно большом диапазоне напряжений источника питания.
[0062] Пример аспекта настоящего изобретения включает различные шаги обработки, которые будут описаны далее. Шаги данного аспекта могут быть осуществлены с использованием исполняемых машиной или компьютером инструкций. Указанные инструкции могут использоваться для обеспечения выполнения системой общего назначения или специального назначения, которая программируется указанными инструкциями, шагов примера аспекта настоящего изобретения. Альтернативно, шаги примера аспекта настоящего изобретения могут быть выполнены посредством конкретных аппаратных компонентов, которые содержат схемно-реализованную логику для выполнения указанных шагов, или с помощью любой комбинации программируемых компьютерных компонентов или пользовательских аппаратных компонентов.
[0063] Фиг.12 представляет собой блок-схему 1200, иллюстрирующую процесс реконфигурирования светодиодной матрицы с использованием контроллера в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. В блоке 1202 для обеспечения процесса генерации света осуществляется прием электрической мощности от источника питания. В одном из аспектов для указанного процесса допускается прием электрической мощности от источника питания переменного тока.
[0064] В блоке 1204 осуществляется контроль флуктуации электрической мощности. При этом может быть обнаружена флуктуация напряжения и/или флуктуация тока источника питания переменного тока
[0065] В блоке 1206 осуществляется генерация сигналов управления светодиодами в ответ на флуктуацию электрической мощности. В одном из аспектов осуществляется реконфигурирование светодиодной матрицы в соответствии с множеством сигналов управления светодиодами.
[0066] В блоке 1208 активируется по меньшей мере часть светодиодной матрицы в соответствии с логическими состояниями сигналов управления светодиодами. После динамического обновления логических состояний сигналов управления светодиодами в соответствии с динамической флуктуацией электрической мощности осуществляется динамическая активация и/или деактивация светодиодов светодиодной матрицы в ответ на изменение логических состояний сигналов управления светодиодами. В зависимости от применений, некоторые переключатели могут быть разрешающими, в то время как другие переключатели могут быть запрещающими. Термин «разрешающий» означает, что переключатель срабатывает или включается (или замыкается) посредством активного состояния сигнала управления, а термин «запрещающий» означает, что переключатель срабатывает или включается посредством неактивного состояния сигнала управления. Активное и/или неактивное состояния сигналов управления могут быть реализованы посредством схемы цифровой обработки, схемой аналоговой обработки или схемой обработки фиксированного сигнала.
[0067] В некоторых приложениях цифровой обработки активное и неактивное состояния также известны как логическое состояние «1» и логическое состояние «0», соответственно. В одном из аспектов, под активным состоянием или логическим состоянием «1» подразумевается состояние с высоким напряжением, в то время как под неактивным состоянием или логическим состоянием «0» подразумевается состояние с низким напряжением. В зависимости от применений, активное состояние или логическое состояние «1» альтернативно может быть конфигурировано как состояние с низким напряжением, в то время как неактивное состояние или логическое состояние «0» может быть конфигурировано как состояние с высоким напряжением. Например, дополнительные активные состояния сигналов управления светодиодами могут быть заданы при увеличении электрической мощности. С другой стороны, при уменьшении электрической мощности также могут быть заданы дополнительные неактивные состояния сигналов управления светодиодами.
[0068] Выше были кратко описаны аспекты осветительных систем, имеющих возможность непосредственно потреблять мощность переменного тока или нерегулируемую мощность постоянного тока, с использованием реконфигурируемой светодиодной матрицы, в которых обеспечивается функционирование настоящего изобретения. На последующих чертежах проиллюстрированы процесс и/или способ изготовления и помещения в корпус светодиодных кристаллов, чипов, устройств и/или приспособлений.
[0069] На фиг.13 показано схематическое поперечное сечение, иллюстрирующее пример процесса изготовления светодиода или светодиодных устройств. Светодиод представляет собой полупроводниковый материал, обогащенный, или легированный, примесями. Эти примеси увеличивают количество «электронов» или «дырок» в полупроводнике, которые могут перемещаться в материале относительно свободно. В зависимости от вида примеси, в легированной области полупроводника могут быть преимущественно электроны или дырки, при этом указанная область называется, соответственно, областью полупроводника n-типа или р-типа. На фиг.13 светодиод 500 включает область 504 полупроводника n-типа и область 508 полупроводника р-типа. В переходе между двумя областями формируется обратное электрическое поле, которое заставляет электроны и дырки перемещаться из перехода с формированием активной области 506. Если прямое напряжение, достаточное для преодоления обратного электрического поля, прикладывается к р-n-переходу посредством пары электродов 510, 512, электроны и дырки вытесняются в активную область 506 и рекомбинируют. Если электроны рекомбинируют с дырками, их энергия падает до нижнего уровня, при этом высвобождается энергия в виде света.
[0070] В этом примере область 504 полупроводника n-типа сформирована на подложке 502, а область 508 полупроводника р-типа сформирована на активной области 506, однако эти области могут быть инвертированы. То есть, область 508 полупроводника р-типа может быть сформирована на подложке 502, а область 504 полупроводника n-типа может быть формирована на активной области 506. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что различные концепции, рассмотренные в настоящем описании, могут быть распространены на любые подходящие многослойные структуры. В светодиод 500 могут также быть включены дополнительные слои или области (не показаны), включая, но не ограничиваясь перечисленным, буферные слои или области, слои или области ядрообразования, контактные слои или области, слои или области растекания тока, а также слои выведения света.
[0071] Область 508 полупроводника р-типа размещена на верхней поверхности и, следовательно, на ней может быть легко сформирован электрод 512 р-типа. Однако область 504 полупроводника n-типа скрыта под слоем 508 полупроводника р-типа и активным слоем 506. Соответственно, для формирования электрода 510 n-типа на области 504 полупроводника n-типа формируется выемка или «площадка» путем удаления части активного слоя 506 и области 508 полупроводника р-типа известными из уровня техники средствами для обнажения под ними слоя 504 полупроводника n-типа. После удаления этого участка может быть сформирован электрод 510 n-типа.
[0072] На фиг.14 показано схематическое поперечное сечение, иллюстрирующее пример светодиода со слоем люминофора (фосфора). В этом примере слой 602 люминофора формируется на верхней поверхности светодиода 500 известными из уровня техники средствами. Слой 602 люминофора преобразует часть света, испущенного светодиодом 500, в свет, спектр которого отличается от спектра света, испущенного светодиодом 500. Светодиодный источник белого света может быть сконструирован путем использования светодиода, который испускает свет в голубой области спектра, и люминофора, преобразующего голубой свет в желтый свет. Источник белого света хорошо подходит в качестве лампы замены для традиционных источников света; однако, настоящее изобретение может быть реализовано на практике с использованием других комбинаций светодиодов и люминофора для получения света различного цвета. Слой 602 люминофора может включать, например, частицы люминофора, суспендированные в носителе, или может быть сформирован из растворимого люминофора, который растворен в носителе.
[0073] В конфигурации светодиодных источников света светодиодная матрица может быть использована для обеспечения повышенной яркости. На фиг.15А показан схематический вид сверху, иллюстрирующий пример светодиодной матрицы, а на фиг.15 В показано схематическое поперечное сечение светодиодной матрицы, изображенной на фиг.15А. В этом примере на подложке 702 может быть сформирован ряд светодиодов 600, покрытых слоем люминофора. Соединительные провода (не показаны), распространяющиеся от светодиодов 600, могут быть соединены с проводниками на поверхности подложки 702, которые соединяют светодиоды 600 параллельно и/или последовательно. Обычно светодиоды 600 могут быть соединены в параллельные ряды последовательно расположенных светодиодов с токоограничивающим резистором (не показан) в каждом ряду. Подложка 702 может быть изготовлена из любого подходящего материала, который обеспечивает поддержку светодиодов и может быть установлен в осветительную арматуру.
[0074] На фиг.16А показан схематический вид сверху, иллюстрирующий пример альтернативной конфигурации светодиодной матрицы, а на фиг.16В показано схематическое поперечное сечение светодиодной матрицы, изображенной на фиг.16А. Аналогично вышеописанному в отношении фиг.15А и 15В, для поддержки матрицы из светодиодов 500 может быть использована подложка 702, предназначенная для установки в осветительную арматуру (не показана). Однако в этой конфигурации слой люминофора на каждом отдельном светодиоде не формируют. Вместо этого люминофор 806 наносят в полость 802, ограниченную кольцом 804, которое проходит по окружности вокруг внешней поверхности подложки 702. Кольцо 804 может быть сформировано путем сверления цилиндрического отверстия в материале, формирующем подложку 702. Альтернативно, подложка 702 и кольцо 804 могут быть сформированы с использованием подходящей пресс-формы или кольцо 804 может быть сформировано отдельно от подложки 702 и прикреплено к подложке с использованием клеящего или другого подходящего средства. В последней конфигурации кольцо 804 прикреплено к подложке 702 до установки светодиодов 500, однако в некоторых конфигурациях сначала могут быть прикреплены светодиоды. После прикрепления светодиодов 500 и кольца 804 к подложке 702 суспензия из частиц люминофора в носителе может быть введена в полость 802. Носитель может представлять собой такой материал, как эпоксидная смола или силикон; однако, также могут быть использованы носители на основе других материалов. Материал носителя может быть отвержден с получением твердого материала, в котором частицы люминофора иммобилизованы.
[0075] На фиг.17 показаны примеры устройств, включающих светодиоды или светодиодные устройства, изготовленные путем лазерного скрайбирования, в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Устройства 900 включают светильник 902, осветительное устройство 904 и уличный фонарь 906. Каждое из устройств, показанных на фиг.17, включает по меньшей мере один светодиод или светодиодное устройство, отделенное посредством технологии лазерного скрайбирования в соответствии с настоящим описанием. Например, светильник 902 включает корпус 916 и светодиод 908, который отделен с использованием лазерного скрайбирования в положении по направлению к обратной стороне устройства. Светильник 902 может использоваться для любого типа общего освещения. Например, светильник 902 может использоваться в автомобильной фаре, уличном освещении, верхнем освещении или в любом другом общем освещении. Осветительное устройство 904 включает источник питания 910, электрически соединенный со светильником 912, который может быть выполнен как светильник 902. В одном из аспектов источник питания 910 может представлять собой аккумуляторы или любой другой источник питания подходящего типа, например, солнечный элемент. Уличный фонарь 906 включает источник питания, соединенный со светильником 914, который может быть выполнен как светильник 902. Необходимо понимать, что аспекты светодиода, рассмотренные в настоящем описании, подходят для использования практически с любым типом светодиодной сборки, которая в свою очередь может быть использована в любом типе осветительного устройства и не ограничивается устройствами, показанными на фиг.17.
[0076] В настоящем описании предложены различные аспекты для предоставления специалисту в данной области техники возможности реализации настоящего изобретения на практике. Различные модификации аспектов, представленных в данном описании, будут очевидны специалистам в данной области техники, а концепции, раскрытые в настоящем описании, могут быть распространены на другие конфигурации светодиодных светильников независимо от формы или диаметра стеклянного корпуса и основы и расположения электрических контактов на светильнике. Таким образом, формула настоящего изобретения не ограничивается различными аспектами данного описания, но соответствует полному объему изобретения, согласно содержанию пунктов формулы изобретения. Все структурные и функциональные эквиваленты элементов различных аспектов, рассмотренных в данном описании, которые известны или будут известны позднее специалистам в данной области техники, включены в настоящее описание путем ссылки и охватываются пунктами формулы изобретения. Кроме того, ничто из раскрытого в настоящем описании, не делает настоящее изобретение всеобщим достоянием, независимо от того, было ли такое раскрытие явно изложено в формуле изобретения. Ни один из элементов пункта формулы изобретения не должен быть истолкован согласно положениям п.6 §112 раздела 35 Кодекса законов США, если указанный элемент не будет явным образом изложен с использованием фразы «средство для» или, в случае пункта формулы изобретения, в котором заявлен способ, с использованием фразы «шаг для».
1. Светоизлучающее устройство, содержащее:
первый и второй выводы для подключения источника питания, матрицу источников света на основе светодиодов, содержащую множество последовательно соединенных секций, включающее первую секцию и последнюю секцию, каждая из которых содержит светодиод, при этом упомянутая первая секция содержит первый и второй переключатели, упомянутый первый переключатель соединяет первый вывод упомянутого светодиода в упомянутой секции с первой шиной электропитания, а упомянутый второй переключатель соединяет второй вывод упомянутого светодиода со второй шиной электропитания, упомянутая последняя секция содержит первый и второй переключатели, при этом упомянутый первый переключатель соединяет первый вывод упомянутого светодиода с первой шиной электропитания, а упомянутый второй переключатель соединяет первый вывод упомянутого светодиода со вторым выводом светодиода в соседней секции, и
контроллер, который управляет упомянутыми переключателями в ответ на изменение во времени разности потенциалов между первым и вторым выводами для подключения источника питания.
2. Светоизлучающее устройство по п.1, также включающее одну или более промежуточных секций, каждая из которых содержит светодиод и множество переключателей, при этом упомянутые промежуточные секции включают первый, второй и третий переключатели, причем упомянутый первый переключатель соединяет первый вывод светодиода в упомянутой секции с упомянутым первым выводом для подключения источника питания, упомянутый второй переключатель соединяет второй вывод светодиода с упомянутым вторым выводом для подключения источника питания, а упомянутый третий переключатель прерывает последовательное соединение между упомянутым светодиодом и светодиодом в соседней секции.
3. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором каждая конфигурация характеризуется количеством светодиодов, последовательно включенных между упомянутыми первым и вторым выводами для подключения источника питания, и в котором упомянутый контроллер управляет упомянутыми переключателями так, чтобы количество светодиодов соответствовало упомянутой разности потенциалов.
4. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором упомянутый контроллер управляет переключателями так, чтобы максимизировать общую светоотдачу упомянутой матрицы при изменении упомянутой разности потенциалов со временем.
