Светодиод переменного тока с гибридными светодиодными каналами
Изобретение относится к светодиодной системе освещения, приводимой в действие посредством переменного тока (AC), преимущественно на основе принципа линейного драйвера с отводами. Техническим результатом является уменьшение количества компонентов электрического питания и уменьшение мерцания излучаемого света. Результат достигается тем, что обеспечивают светодиодную (LED) систему (1) освещения, содержащую цепочку (ST), включающую в себя несколько светодиодных (LED) элементов (10), функционально соединенную с источником (20) переменного напряжения, выполненным с возможностью подавать входное напряжение (Vi) на упомянутую цепочку (ST), причем цепочка (ST) содержит множество сегментов (S1, S2, S3, …), и каждый сегмент (S1, S2, S3, …) содержит по меньшей мере один или более упомянутых светодиодных (LED) элементов (10), причем светодиодная система (1) освещения выполнена с возможностью соединять первый сегмент (S1) в цепочке (ST) между и с приведением в действие посредством входного напряжения (Vi), когда упомянутое входное напряжение (Vi) больше первого порога, и соединять первый сегмент (S1) и второй сегмент (S2) в цепочке между и с приведением в действие посредством входного напряжения (Vi), когда упомянутое входное напряжение (Vi) больше второго порога, который больше упомянутого первого порога, причем каждый светодиодный элемент (10) содержит светодиод (100), выполненный с возможностью формировать синее светодиодное излучение (101), причем упомянутый первый сегмент (S1) содержит светодиодный элемент (210), содержащий второй фотолюминесцентный материал, причем светодиодный элемент (210), содержащий второй фотолюминесцентный материал, содержит (a) светодиод (100) и (b) второй фотолюминесцентный материал (230), выполненный с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения (101) во второе преобразованное излучение (231) в видимом диапазоне, и причем упомянутый второй фотолюминесцентный материал (230) имеет время затухания второго преобразованного излучения (231) только менее чем 1 мс, и упомянутый второй сегмент (S2) содержит светодиодные элементы (110), содержащие первый фотолюминесцентный материал, каждый из которых содержит (a) светодиод (100) и (b) первый фотолюминесцентный материал (130), выполненный с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения (101) в первое преобразованное излучение (131) в видимом диапазоне, и причем упомянутый первый фотолюминесцентный материал (130) имеет время затухания первого преобразованного излучения (131) только в диапазоне 1-500 мс. 12 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Изобретение относится к светодиодной системе освещения, приводимой в действие посредством переменного тока (AC), преимущественно на основе принципа линейного драйвера с отводами.
Уровень техники
Использование фотолюминесцентных материалов в контексте твердотельного освещения известно в области техники. Например, документ US 2014/0265921 описывает, что светоизлучающее устройство может включать в себя твердотельный источник освещения и люминофорную среду для преобразования с понижением частоты по меньшей мере части излучения, испускаемого твердотельным источником освещения. Люминофорная среда может включать в себя первый материал, который преобразовывает с понижением частоты излучение, испускаемое твердотельным источником освещения, в излучение, имеющее первую пиковую длину волны, и который имеет первое время затухания. Люминофорная среда может включать в себя второй материал, который преобразовывает с понижением частоты излучение, испускаемое твердотельным источником освещения, в излучение, имеющее вторую пиковую длину волны, и который имеет второе время затухания, которое больше, чем первое время затухания.
Сущность изобретения
Светодиоды переменного тока (AC-LED) рассматриваются в качестве тенденции для будущих светодиодных устройств, поскольку светодиоды переменного тока могут требовать в значительной степени меньшего количества компонентов электрического питания, и (таким образом) с помощью светодиодов переменного тока можно получить сокращение системных затрат и увеличение надежности по сравнению со светодиодами постоянного тока (DC). Тем не менее, современные светодиоды переменного тока имеют несколько фундаментальных недостатков, которые ограничивают их применение. Главным недостатком является мерцание, которое вызвано нелинейным колебанием напряжения с частотой переменного тока, например, 100 Гц (10 мс на цикл). Такое мерцание может вызвать значительный стробоскопический эффект и повредить здоровью человека. Таким образом, желательно уменьшение мерцания.
В соответствии с формулой вычисления показателя мерцания для заданного процентного значения мерцания (ρ, в процентах) частота с нулевой оценкой, соответствующая границе между приемлемостью и неприемлемостью стробоскопических эффектов (fb, в Гц), вычисляется следующим образом:
fb=130 log ρ - 73 (уравнение S1)
Для заданной частоты мерцания (f, в Гц) и с использованием пограничной частоты (fb, в Гц), вычисленной в уравнении S1, итоговая приемлемость (a, на основе упомянутой выше шкалы) может быть оценена следующим образом:
a=2-4/(1+f/fb) (уравнение S2)
Согласно данным Альянса систем и технологий твердотельного освещения (ASSIST) безопасная глубина мерцания на частоте 100 Гц составит ~0,24. Глубина выше 0,36 рассматривается как средний риск, и 0,7 считается высоким риском.
Оказывается, такое мерцание может быть удалено или сокращено посредством введения некоторой схемы фильтрации пульсации тока, которая включает в себя несколько компонентов электрического питания, например, с использованием конденсаторов. Однако, кажется, это решение несколько конфликтует с применением концепции светодиодов переменного тока, поскольку оно сопровождается большим пространством драйвера, более низкой надежностью и дополнительными расходами; т.е., теми аспектами, которых принцип светодиодов переменного тока пытается избежать.
Кроме того, также оказывается, что мерцание может быть удалено посредством применения люминофоров с длинным затуханием фотолюминесценции (время затухания фотолюминесценции > 100 мс, и даже более 500 мс, по сравнению с типичным люминофором с коротким затуханием со временем затухания фотолюминесценции 100 нс - 10 мкс). Тем не менее, такие люминофоры с длинным затуханием с поглощением синего, к сожалению, имеют довольно низкую эффективность преобразования света. Следовательно, они не подходят для использования в текущей системе светодиодов переменного тока на основе светодиодов с испусканием синего цвета. Таким образом, к сожалению, это также не является применимым решением.
Документ US2013187556A1 раскрывает люминофоры с длинным затуханием для применений в освещении. Он включает в себя и люминофор с длинным затуханием, и традиционный красный люминофор для светодиодов, которые непосредственно соединены между входами электросети переменного тока. Документ US2012229038A1 раскрывает люминофоры с миллисекундным затуханием для применений в светодиодном освещении с переменным током, и он также включает в себя эти люминофоры и красный люминофор. Недостатком на этом предшествующем уровне техники является низкая эффективность, поскольку люминофоры с длинным затуханием являются низкоэффективными, и вся мощность принимается от электросети переменного тока, которая питает все светодиоды.
Следовательно, аспект изобретения состоит в том, чтобы обеспечить альтернативу текущей системе освещения на основе светодиодов, которая предпочтительно дополнительно по меньшей мере частично устраняет один или более описанных выше недостатков. Преимущественно аспект изобретения состоит в том, чтобы обеспечить надежную, относительно дешевую и устойчивую систему освещения на основе светодиодов, преимущественно с минимумом электрических компонентов.
Удивительным образом было обнаружено, что нет необходимости использовать светодиоды с инкапсуляцией люминофора с полным долгим затуханием, чтобы достигнуть приемлемого мерцания. Низкая глубина мерцания оказалась достижимой, например, посредством смешивания светодиодов с люминофором со средним затуханием фотолюминесценции приблизительно 5-100 мс и традиционных люминофоров с коротким затуханием фотолюминесценции. Очень подходящим примером такого люминофора (в настоящем документе также обозначенного как "фотолюминесцентный материал") оказался K2TiF6:Mn4+ и другие люминофоры того же класса, которые испускают на уровне приблизительно 630 нм и проявляют время затухания около 10 мс. На основе, например, этих люминофоров со средним затуханием удивительным образом оказалось возможным сократить мерцание при требовании сверхнизкой емкости. В варианте осуществления по меньшей мере два светодиодных канала, из которых один сделан из инкапсуляции люминофора со средним/длинным затуханием и другой с инкапсуляцией с коротким затуханием, были использованы с очень хорошим результатом с точки зрения потенциала сокращения конденсатора. Тем не менее, конденсаторы могут быть применены, но применяется только значительно уменьшенный конденсатор, чтобы заполнить провал для канала с люминофором с коротким затуханием. Следовательно, настоящее изобретение может значительно сократить минимальное требование для емкости. Таким образом, это позволяет использовать твердотельный конденсатор для поддержания системных затрат и размера драйвера в намного большей степени. Глубина мерцания может быть сокращена, например, приблизительно до 20% или меньше кривой безопасности для мерцания.
Следовательно, в первом аспекте изобретение обеспечивает светодиодную (LED) систему освещения (которая также может быть обозначена как "система" или "устройство"), содержащую цепочку (ST), включающую в себя несколько светодиодных элементов, функционально соединенную с источником переменного напряжения, выполненным с возможностью подавать входное напряжение (Vi) на упомянутую цепочку (ST), причем цепочка содержит множество сегментов, и каждый сегмент содержит по меньшей мере один или более упомянутых светодиодных элементов, причем светодиодная система освещения выполнена с возможностью соединять первый сегмент в цепочке между и с приведением в действие посредством входного напряжения, когда упомянутое входное напряжение больше первого порога, и соединять первый сегмент и второй сегмент в цепочке между и с приведением в действие посредством входного напряжения, когда упомянутое входное напряжение больше второго порога, который больше, чем упомянутый первый порог, причем каждый светодиодный элемент содержит светодиод, выполненный с возможностью формировать светодиодное излучение, преимущественно синее светодиодное излучение, причем упомянутый первый сегмент содержит светодиодный элемент, содержащий второй фотолюминесцентный материал, причем светодиодный элемент, содержащий второй фотолюминесцентный материал, содержит (a) светодиод и (b) второй фотолюминесцентный материал, выполненный с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения во второе преобразованное излучение в видимом диапазоне, и причем упомянутый второй фотолюминесцентный материал имеет время затухания второго преобразованного излучения только менее 1 мс, и упомянутый второй сегмент содержит светодиодные элементы, содержащие первый фотолюминесцентный материал, каждый из которых содержит (a) светодиод и (b) первый фотолюминесцентный материал, выполненный с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения в первое преобразованное излучение в видимом диапазоне, и причем упомянутый первый фотолюминесцентный материал имеет время затухания (время затухания излучения) первого преобразованного излучения только в диапазоне 1-500 мс.
Следовательно, с помощью такой системы мерцание может быть сокращено без существенной необходимости большого количества конденсаторов. Кроме того, может быть обеспечена относительно надежная и дешевая система с выполнением оптических условий, например, относительно максимального мерцания.
Как указано выше, система освещения содержит цепочку (ST), включающую в себя несколько светодиодных элементов, функционально соединенную с источником переменного напряжения, выполненным с возможностью подавать входное напряжение (Vi) на упомянутую цепочку (ST). Это входное напряжение варьируется, поскольку подается переменное напряжение. Источник переменного напряжения обеспечивает электропитание электрической схеме (драйверу), содержащей упомянутую цепочку. Выпрямитель, такой как выпрямитель полного цикла, может опционально использоваться для преобразования переменной полярности источника переменного напряжения в положительное напряжение. Такой выпрямитель может, например, включать в себя двухполупериодный мостовой выпрямитель с четырьмя диодами, который преобразует переменное напряжение в положительное напряжение. Это (выпрямленное) переменное напряжение подается на вершину светодиодной цепочки. Цепочка разделена на сегменты или подцепочки, которые соединены последовательно. Сегменты, преимущественно когда они включают в себя множество светодиодных элементов, иногда также обозначаются как "банки" (светодиодных элементов). Количество светодиодных элементов в сегментах может быть идентичным для каждого сегмента, но также могут быть сегменты с неравными количествами светодиодных элементов. Кроме того, светодиодные элементы в сегментах могут быть сконфигурированы последовательно или параллельно. Также могут быть применены комбинации; и также это может отличаться для каждого сегмента. Кроме того, также может иметься один или более сегментов с единственным светодиодным элементом. Термин "светодиодный элемент" применяется, поскольку светодиодный элемент в цепочке может содержать светодиод, такой как синий светодиод, без конвертера, но светодиодный элемент в цепочке также может содержать светодиод, такой как синий светодиод, включающий в себя конвертер (см. также ниже).
Следовательно, количество светодиодных элементов в упомянутой цепочке может быть адаптировано, поскольку количество сегментов, включенных в цепочку, может изменяться. Система выполнена с возможностью включать в себя некоторое количество сегментов как функцию входного напряжения. При самом высоком напряжении в состав могут быть включены все сегменты, тогда как с увеличением напряжения или уменьшением напряжения количество сегментов, включенных в цепочку, увеличивается или уменьшается, соответственно.
Кроме того, светодиодная система освещения, преимущественно электрическая схема (драйвер), может включать в себя блоки управления током. В частности, каждый сегмент функционально соединен с таким блоком управления током. Такой блок управления током преимущественно конфигурируется у основания каждого сегмента или подцепочки. Блоки управления током преимущественно включают в себя переключатель, пропускающий или блокирующий электрический ток через блок управления током (преимущественно переключатель). Следовательно, блоки управления током могут быть активированы или деактивированы в зависимости от того, является ли соответствующий сегмент в конкретной ступени последним сегментом в цепочке или нет (не последним элементом в цепочке). Следует отметить, что схема также может представлять собой схему одноступенчатой искусственной коммутации. Во время использования первоначально первый блок управления током (связанный с первым сегментом) активирован, но не проводит ток до тех пор, пока (выпрямленное) переменное напряжение Vi не повысится достаточно до напряжения прямого смещения светодиодных элементов в восходящем направлении от первого блока управления током, т.е. светодиодные элементы в первом сегменте смещены (все другие блоки управления током деактивированы). Первый блок управления током, однако, деактивируется, когда следующий расположенный в нисходящем направлении блок управления током начинает проводить ток и берет ток на себя (все другие блоки управления током деактивированы). Это происходит, когда светодиодные элементы в первых двух сегментах смещены. Последовательность для остальных ступеней повторяется до последней ступени, или когда достигнуто пиковое переменное напряжение. Последовательность заменяется на обратную при снижении переменного напряжения. Для дополнительных конкретных вариантов осуществления также делается ссылка на документ US2012/0262075, который в включен в настоящий документ посредством ссылки. В целом будет по меньшей мере три сегмента, например, по меньшей мере четыре сегмента. Следовательно, в варианте осуществления цепочка содержит несколько сегментов, и каждый сегмент содержит по меньшей мере один или более упомянутых светодиодных элементов, причем светодиодная система освещения выполнена с возможностью подавать напряжение смещения на соответствующие сегменты в зависимости от упомянутого входного напряжения (Vi). Термин ʺмножество сегментовʺ, таким образом, преимущественно относится по меньшей мере к двум сегментам. Такая схема иногда также обозначается как ʺлинейный драйвер с отводамиʺ или ʺлинейная схема драйвера с отводамиʺ. "С отводамиʺ, поскольку светодиодные элементы сконфигурированы последовательно с точками отводов, доступными для выбора сегментов или светодиодных элементов/банков из нескольких светодиодных элементов за один раз.
Как указано выше, каждый светодиодный элемент содержит светодиод, выполненный с возможностью формировать светодиодное излучение, преимущественно синее светодиодное излучение. Светодиодная система освещения преимущественно выполнена с возможностью обеспечивать видимый свет (в настоящем документе также обозначенный как ʺсвет светодиодной системы освещенияʺ). Преимущественно светодиодная система освещения выполнена с возможностью обеспечивать белый свет. Однако, опционально светодиодная система освещения может быть выполнена с возможностью обеспечивать цветной свет.
По меньшей мере из одного или более упомянутых светодиодных элементов, которые содержат светодиодные элементы, содержащие первый фотолюминесцентный материал, каждый содержит (a) светодиод и (b) первый фотолюминесцентный материал, выполненный с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения в первое преобразованное излучение в видимом диапазоне. Следовательно, светодиоды, используемые для светодиодных элементов, преимущественно включают в себя видимую длину волны, которая может - по меньшей мере для некоторых светодиодных элементов - использоваться для преобразования в видимый свет другой длины волны. Следовательно, преимущественно светодиоды выполнены с возможностью обеспечивать свет, имеющий интенсивность в диапазоне длин волн 380-600 нм, преимущественно в диапазоне 380-580 нм, таком как диапазон 400-580 нм, преимущественно в синем диапазоне. Свет преимущественно в синем или зеленом диапазоне может эффективно использоваться для преобразования в видимый свет в (зеленом), желтом, оранжевом и красном диапазонах. В предположении белого света светодиодная система освещения преимущественно основана на YB (желто-синем) принципе или на RGB (красно-зелено-синем) принципе, хотя также могут быть применены другие комбинации (известные в области техники для формирования белого света), такие как RYB (желто-синий+красный) или RYGB и т.д. Однако преимущественно могут быть применены синие светодиоды.
Термин "белый свет" в настоящем документе известен специалисту в области техники. Это преимущественно относится к свету, имеющему коррелированную цветовую температуру (CCT) приблизительно между 2000 и 20000 K, преимущественно 2700-20000 K, для общего освещения преимущественно в диапазоне приблизительно 2700 K и 6500 K, и для целей подсветки преимущественно в диапазоне приблизительно 7000 K и 20000 K, и преимущественно приблизительно в пределам 15 SDCM (стандартное отклонение выравнивания цвета) от BBL (локуса черного тела), преимущественно приблизительно в пределах 10 SDCM от BBL, еще более преимущественно приблизительно в пределах 5 SDCM от BBL.
В варианте осуществления источник света также может обеспечить свет от источника света, имеющий коррелированную цветовую температуру (CCT) приблизительно между 5000 и 20000 K, например, светодиод с прямым люминофором (светодиод синего света с тонким слоем люминофора, например, для получения 10000 K). Следовательно, в конкретном варианте осуществления источник света выполнен с возможностью обеспечивать свет от источника света с коррелированной цветовой температурой в диапазоне 5000-20000 K, еще более преимущественно в диапазоне 6000-20000 K, таком как 8000-20000 K. Преимущество относительно высокой цветовой температуры может состоять в том, что может иметься относительно интенсивный синий компонент в свете от источника света.
Термины ʺфиолетовый светʺ или ʺфиолетовое излучениеʺ преимущественно относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне приблизительно 380-440 нм. Термины "синий свет" или ʺсинее излучениеʺ преимущественно относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне приблизительно 440-495 нм (в том числе некоторые фиолетовые и голубые оттенки). Термины "зеленый свет" или ʺзеленое излучениеʺ преимущественно относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне приблизительно 495-570 нм. Термины ʺжелтый светʺ или ʺжелтое излучениеʺ преимущественно относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне приблизительно 570-590 нм. Термины ʺоранжевый светʺ или ʺоранжевое излучениеʺ преимущественно относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне приблизительно 590-620 нм. Термины "красный свет" или ʺкрасное излучениеʺ преимущественно относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне приблизительно 620-780 нм. Термин ʺрозовый светʺ или ʺрозовое излучениеʺ относится к свету, имеющему синий и красный компонент. Термин "видимый", ʺвидимый светʺ или ʺвидимое излучениеʺ относится к свету, имеющему длину волны в диапазоне приблизительно 380-780 нм. В настоящем документе такие термины, "зеленый свет", "красный свет", ʺвыполненный с возможностью обеспечивать красный светʺ и подобные термины преимущественно относятся к излучению, имеющему доминирующую длину волны в видимом диапазоне в указанном цвете видимого спектра.
Один или более сегментов включают в себя светодиодные элементы с фотолюминесцентным материалом, который преобразовывает (синее) светодиодное излучение в видимый свет фотолюминесцентного материала. Конкретные хорошие результаты были получены с синими светодиодами с желтым/зеленым фотолюминесцентным материалом, имеющим быстрое время затухания, и с красным фотолюминесцентным материалом с относительно медленным временем затухания (см. также ниже). Однако также возможны другие варианты осуществления (см. также ниже).
Фотолюминесцентный материал с относительно медленным затуханием в настоящем документе обозначен как ʺпервый фотолюминесцентный материалʺ, и фотолюминесцентный материал с относительно быстрым затуханием, по меньшей мере быстрее, чем затухание излучения первого фотолюминесцентного материала, в настоящем документе также обозначено как ʺвторой фотолюминесцентный материалʺ.
Фотолюминесцентный материал может быть выполнен с возможностью преобразовывать все светодиодное излучение конкретного светодиода или только его часть. Преимущественно один или несколько сегментов включают в себя светодиоды, светодиодное излучение которых по меньшей мере частично преобразовывается фотолюминесцентным материалом в свет фотолюминесцентного материала, и один или более сегментов включают в себя светодиоды, излучение которых не преобразовывается. Кроме того, один или более сегментов могут включать в себя светодиоды, излучение которых преобразовывается вторым фотолюминесцентным материалом (см. ниже).
Применяется по меньшей мере первый фотолюминесцентный материал. Этот первый фотолюминесцентный материал имеет время затухания первого преобразованного излучения в диапазоне 1-500 мс. Преимущественно время затухания может находиться в диапазоне 2-200 мс, таком как 5-100 мс, как 10-50 мс. Следовательно, в варианте осуществления первый фотолюминесцентный материал имеет время затухания первого преобразованного излучения в диапазоне 5-100 мс. С более короткими временами затухания, чем 5 мс, например, короче, чем 2 мс, сокращение мерцания может не быть достаточным; то же самое относится ко временами затухания больше 100 мс, например, преимущественно больше 500 мс. Тогда излучение может быть необходимо замедлить, чтобы обеспечить преимущества в более поздних последовательностях. Время затухания преимущественно определено как время, при котором начальная интенсивность люминесценции (например, после импульса возбуждения) сокращается до 1/e от начальной интенсивности. Преимущественно по меньшей мере 50% интенсивности люминесценции в видимом свете (в Вт) имеют такое время затухания. Термин ʺпервый фотолюминесцентный материалʺ также может относиться к множеству разных первых фотолюминесцентных материалов (преимущественно каждый из которых удовлетворяет указанным в настоящем документе условиям, таким как время затухания в диапазоне 1-500 мс, например, в диапазоне 2-200 мс).
Преимущественно оказывается, что в варианте осуществления использование красного фотолюминесцентного материала со временем затухания в указанном выше диапазоне обеспечивает по меньшей мере часть желаемых эффектов сокращения мерцания. Очень полезным красным фотолюминесцентным материалом оказался фотолюминесцентный материал типа Mn(IV). Следовательно, в варианте осуществления первый фотолюминесцентный материал содержит красный фотолюминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из фотолюминесцентных материалов Mn(IV), еще более преимущественно первый фотолюминесцентный материал содержит фотолюминесцентный материал типа M2AX6, легированный с помощью четырехвалентного марганца, причем M содержит щелочной катион, причем A содержит четырехвалентный катион, и причем X содержит одновалентный анион, по меньшей мере содержащий фтор (F). Например, M2AX6 может содержать K1.5Rb0.5AX6. M относится к одновалентным катионам, например, выбранным из группы, состоящей из калия (K), рубидия (Rb), лития (Li), натрия (Na), цезия (Cs) и аммония (NH4+), и преимущественно M содержит по меньшей мере один или более из K и Rb. Предпочтительно по меньшей мере на 80%, еще более предпочтительно по меньшей мере на 90%, например, на 95% M состоит из калия и/или рубидия. Катион A может содержать один или более из кремния (Si), титана (Ti), германия (Ge), олова (Sn) и цинка (Цинк). Предпочтительно по меньшей мере на 80%, еще более предпочтительно по меньшей мере на 90%, например, по меньшей мере на 95% M состоит из кремния и/или титана. Преимущественно M содержит калий, и A содержит титан. X относится к одновалентному аниону, но преимущественно по меньшей мере содержит фтор. Другие одновалентные анионы, которые могут опционально присутствовать, могут быть выбраны из группы, состоящей из хлора (Cl), брома (Br) и йода (I). Предпочтительно по меньшей мере на 80%, еще более предпочтительно по меньшей мере на 90%, например, на 95% X состоит из фтора. Термин ʺчетырехвалентный марганецʺ относится к Mn4+. Это известный фотолюминесцентный ион. В формуле, как указано выше, часть четырехвалентного катиона (такого как Si) заменяется марганцем. Следовательно, M2AX6, легированный посредством четырехвалентного марганца, также может быть обозначен как M2A1-mMnmX6. Мольный процент марганца, т.е. процент, на который он заменяет четырехвалентный катион A, в целом будет находиться в диапазоне 0,1-15%, преимущественно 1-12%, т.е., m находится в диапазоне 0,001-0,15, преимущественно в диапазоне 0,01-0,12. Дополнительные варианты осуществления могут быть получены из документа WO2013/088313, который включен в настоящий документ посредством ссылки. Однако также могут быть применены другие красные фотолюминесцентные материалы.
Другой цвет (цвета), чтобы составить белый свет, преимущественно может быть обеспечен посредством дополнительного фотолюминесцентного материала, в настоящем документе также указанного как второй фотолюминесцентный материал. Такой второй фотолюминесцентный материал, например, может быть выполнен с возможностью обеспечивать зелено-желтую люминесценцию. В сочетании с красной люминесценцией первого фотолюминесцентного материала и синим светодиодным излучением может быть обеспечен белый свет. Преимущественно оказалось выгодным, когда такой второй фотолюминесцентный материал имеет относительно короткое время затухания и преимущественно по меньшей мере короче, чем время затухания первого фотолюминесцентного материала. Следовательно, в еще одном дополнительном варианте осуществления один или более упомянутых светодиодных элементов содержат светодиодный элемент, содержащий второй фотолюминесцентный материал, содержащий (a) светодиод и (b) второй фотолюминесцентный материал, выполненный с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения во второе преобразованное излучение в видимом диапазоне, причем упомянутый второй фотолюминесцентный материал преимущественно имеет время затухания второго преобразованного излучения, которое меньше, чем время затухания первого фотолюминесцентного материала, преимущественно меньше 1 мс. Термин ʺвторой фотолюминесцентный материалʺ также может относиться к множеству разных вторых фотолюминесцентных материалов (преимущественно каждый из которых удовлетворяет указанным в настоящем документе условиям, таким как время затухания, которое короче, чем люминесценция первого фотолюминесцентного материала (материалов)). Кроме того, преимущественно первое преобразованное излучение и второе преобразованное излучение имеют разные цвета (см. выше для определения цветов).
Как в некоторых описанных выше вариантах осуществления, первый фотолюминесцентный материал содержит фотолюминесцентный материал испускания красного света, второй фотолюминесцентный материал может преимущественно содержать фотолюминесцентный материал испускания зелено-желтого света (после возбуждения светодиодным излучением). Преимущественно второй фотолюминесцентный материал может содержать легированный церием материал, преимущественно легированный церием фотолюминесцентного материала типа граната.
(Второй) фотолюминесцентный материал также может содержать один или несколько люминофоров, выбранных из группы, состоящей из трехвалентного церия, содержащего гранат, и трехвалентного церия, содержащего (оксид) нитрид.
Преимущественно (второй) фотолюминесцентный материал может далее содержать (второй) фотолюминесцентный материал M3A5O12:Ce3+, причем M выбран из группы, состоящей из Sc, Y, Tb, Gd и Lu, при A выбран из группы, состоящей из Al, Ga, Sc и In. Предпочтительно M по меньшей мере содержит один или более из Y и Lu и причем по меньшей мере содержит Al и/или Ga. Эти типы материалов могут дать наиболее высокую эффективность. Варианты осуществления гранатов преимущественно включают в себя гранаты M3A5O12, причем M содержит по меньшей мере иттрий и/или лютеций, и причем A содержит по меньшей мере алюминий. Такой гранат может быть легирован посредством церия (Ce), празеодима (PR) или комбинации церия и празеодима; однако преимущественно посредством Ce. Преимущественно A содержит алюминий (Al), однако A также может частично содержать галлий (Ga), и/или скандий (Sc), и/или индий (В), преимущественно приблизительно до 20% Al, более преимущественно приблизительно до 10% Al (т.е., ионы по существу состоят из 90 или больше мольных процентов Al и 10 или меньше мольных процентов одного или более из Ga, Sc и In); A может преимущественно содержать приблизительно до 10% галлия. В другой модификации A и O могут быть по меньшей мере заменены посредством Si и N. Элемент M преимущественно может быть выбран из группы, состоящей из иттрия (Y), гадолиний (Gd), тербия (Tb) и лютеция (Lu). Кроме того, Gd и/или Tb преимущественно присутствуют только до количества приблизительно 20% от M. В конкретном варианте осуществления (второй) фотолюминесцентный материал граната содержит (Y1-xLux)3B5O12:Ce, причем x равен или больше 0 и равен или меньше 1. Термин ":Ce" или ʺ:Ce3+ʺ, указывает что часть ионов металла (т.е., в гранатах: часть ионов "M") во (втором) фотолюминесцентном материале заменена на Ce. Например, в предположении (Y1- xLux)3Al5O12:Ce часть Y и/или Lu заменена на Ce. Это обозначение известно специалисту в области техники. Ce заменит M в целом не больше чем для 10%; в целом концентрация Ce будет находиться в диапазоне 0,1-4%, преимущественно 0,1-2% (относительно M). В предположении 1% Ce и 10% Y полная правильная формула может представлять собой (Y0.1Lu0.89Ce0.01)3Al5O12. Ce в гранатах находится в значительной степени или только в трехвалентном состоянии, как известно специалисту в области техники. Термин "YAG" преимущественно относится к M=Y и A=Al; термин "LuAG" преимущественно относится к M=Lu и A=Al.
В конкретном варианте осуществления количество светодиодных элементов, включающих в себя первый фотолюминесцентный материал, в сегментах, которые меньше находятся во включенном состоянии, может быть больше, чем количество светодиодных элементов, включающих в себя первый фотолюминесцентный материал, в сегментах, которые чаще находятся во включенном состоянии. В качестве альтернативы или дополнительно, в конкретном варианте осуществления количество светодиодных элементов, включающих в себя второй фотолюминесцентный материал, в сегментах, которые чаще находятся во включенном состоянии, может быть больше, чем количество светодиодных элементов, включающих в себя второй фотолюминесцентный материал, в сегментах, которые меньше находятся во включенном состоянии. Однако в других вариантах осуществления каждый сегмент может включать в себя один или более светодиодных элементов, включающих в себя первый фотолюминесцентный материал, и/или один или более светодиодных элементов, включающих в себя второй фотолюминесцентный материал. Кроме того, опционально один и тот же светодиодный элемент может включать в себя и первый фотолюминесцентный материал, и второй фотолюминесцентный материал (см. также ниже).
В некоторых описанных выше вариантах осуществления первый фотолюминесцентный материал с относительно длинным временем затухания, таким как по меньшей мере 1 мс, как в диапазоне 1-500 мс, содержит фотолюминесцентный материал с испусканием красного света. Однако в альтернативном варианте осуществления первый фотолюминесцентный материал содержит фотолюминесцентный материал, который выполнен с возможностью обеспечивать зеленый и/или желтый свет. Следовательно, в еще одном дополнительном варианте осуществления первый фотолюминесцентный материал содержит фотолюминесцентный материал, выполненный с возможностью обеспечивать один или более из зеленого и желтого первого преобразованного излучения. Такие варианты осуществления описаны ниже.
Следовательно, в вариантах осуществления первый фотолюминесцентный материал выбран из группы, состоящей из фотолюминесцентных материалов, содержащих двухвалентный европий, и фотолюминесцентных материалов, содержащих двухвалентный европий и двухвалентный марганец. Некоторые из них могут проявлять времена затухания, которые являются относительно длинными, и это может улучшить поведение мерцания (сократить мерцание). Преимущественно первый фотолюминесцентный материал выбран из группы, состоящей из (i) хлорсиликата, легированного посредством Eu2+ и Mn2+, (ii) (оксида) нитрида, легированного посредством Eu2+ и Mn2+, и (iii) алюмината, легированного посредством Eu2+ и Mn2+. Преимущественно такие фотолюминесцентные материалы могут иметь время затухания в диапазоне 1-500 мс.
Примеры синих и/или зеленых фотолюминесцентных материалов, имеющих длинное время затухания, могут быть выбраны, например, из группы, состоящей из хлорсиликат:Eu2+,Mn2+, MSi2O2N2:Eu2+,Mn2+ и MAl2O4: Eu2+,Ce3+,Li+, причем M выбран из группы, состоящей из Mg, Ca, Sr, Ba, преимущественно M содержит по меньшей мере стронций (еще более преимущественно только Sr). Хлорсиликаты описаны, например, в документе WO2005030904, который включен в настоящий документ посредством ссылки. Время затухания, например, может быть настроено посредством совместного легирования двухвалентного европия посредством других элементов, поскольку обычное время затухания двухвалентного европия в целом является относительно коротким (fd переход; см. также ниже, где легированные двухвалентным европием системы предложены в качестве второго фотолюминесцентного материала).
Опционально может быть применен второй фотолюминесцентный материал, который может быть выполнен с возможностью обеспечивать один или более из зеленого, желтого и красного цвета, но преимущественно в значительной степени не в том же спектральном регионе, как первый фотолюминесцентный материал (хотя это не обязательно исключено). Однако, как указано выше, преимущественно первое преобразованное излучение и второе преобразованное излучение имеют разные цвета. Второй фотолюминесцентный материал также в этих вариантах осуществления (как в вариантах осуществления с первым фотолюминесцентным материалом, испускающим по существу в красном диапазоне), преимущественно имеет затухание более короткое, чем первый фотолюминесцентный материал, например, преимущественно ниже 1 мс.
Например, второй фотолюминесцентный материал может (теперь) включать в себя красный фотолюминесцентный материал. В дополнительном конкретном варианте осуществления второй фотолюминесцентный материал содержит один или более фотолюминесцентных материалов, выбранных из группы, состоящей из двухвалентного европия, содержащего фотолюминесцентный материал нитрида, или двухвалентного европия, содержащего фотолюминесцентный материал оксида нитрида. Второй фотолюминесцентный материал в варианте осуществления может содержать один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из (Ba,Sr,Ca)S:Eu, (Ba,Sr,Ca)AlSiN3:Eu и (Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu. В этих соединениях европий (Eu) является в значительной степени или только двухвалентным и заменяет один или более указанных двухвалентных катионов. В целом Eu не будет присутствовать в количествах более чем 10% от катиона, преимущественно в диапазоне приблизительно 0,5-10%, более преимущественно в диапазоне приблизительно 0,5-5% относительно катиона (катионов), который он заменяет. Термин ":Eu" или ʺ:Eu2+ʺ указывает, что часть ионов металла заменена на Eu (в этих примерах на Eu2+). Материал (Ba,Sr,Ca)S:Eu также может быть обозначен как MS:Eu, причем M является одним или более элементами, выбранными из группы, состоящей из бария (Ba), стронция (Sr) и кальций (Ca); преимущественно M содержит в этом соединении кальций или стронций, или кальций и стронций, более преимущественно кальций. Здесь вводится Eu и заменяет по меньшей мере часть M (т.е. один или более из Ba, Сr и Ca). Кроме того, материал (Ba5Sr5Ca)2Si5N8:Eu также может быть обозначен как M2Si5N8:Eu, причем M является одним или более элементами, выбранными из группы, состоящей из бария (Ba), стронция (Sr) и кальция (Ca). Здесь вводится Eu и заменяет по меньшей мере часть M, т.е. один или более из Ba, Sr и Ca. Аналогичным образом, материал (Ba5Sr5Ca)AlSiN3:Eu также может быть обозначен как MAlSiN3Eu5, причем M является одним или более элементами, выбранными из группы, состоящей из бария (Ba), стронция (Sr) и кальция (Ca); преимущественно M содержит в этом соединении кальций или стронций, или кальций и стронций, более преимущественно кальций. Здесь вводится Eu и заменяет по меньшей мере часть M (т.е. один или более из Ba, Sr и Ca). Преимущественно первый второй фотолюминесцентный материал содержит (Ca,Sr,Ba)AlSiN3:Eu, предпочтительно CaAlSiN3:Eu. Кроме того, в другом варианте осуществления, который может быть объединен с первым, первый второй фотолюминесцентный материал содержит (Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu, предпочтительно (Sr,Ba)2Si5N8:Eu. Термины "(Ca,Sr,Ba)" указывают, что соответствующий катион может быть занят кальцием, стронцием или барием. Они также указывают, что в таком материале соответствующий участок катиона может быть занят катионами, выбранными из группы, состоящей из кальция, стронция и бария. Таким образом, материал может, например, содержать кальций и стронций, или только стронций и т.д. Следовательно, в варианте осуществления второй фотолюминесцентный материал далее может содержать M2Si5N8:Eu2+, причем M выбран из группы, состоящей из Ca, Sr и Ba, еще более преимущественно M выбран из группы, состоящей из Sr и Ba. В еще одном варианте осуществления, который может быть объединен с предыдущим, второй фотолюминесцентный материал далее может содержать MAlN3:Eu2+, причем M выбран из группы, состоящей из Ca, Sr и Ba, еще более преимущественно M выбран из группы, состоящей из Sr и Ba.
В еще одном дополнительном конкретном варианте осуществления первый фотолюминесцентный материал содержит M3A5O12:Ce3+, причем M отобран из группы, состоящей из Sc, Y, Tb, Gd и Lu, причем A отобран из группы, состоящей из Al, Ga, Sc и In, причем M по меньшей мере содержит Gd, и причем A по меньшей мере содержит Al и Ga, и причем второй фотолюминесцентный материал, второй фотолюминесцентный материал выполнен с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения во второе преобразованное излучение в красном свете. Первый фотолюминесцентный материал имеет относительно длинное время затухания в зеленом свете, и второй фотолюминесцентный материал имеет относительно короткое время затухания в красном свете. Удивительным образом оказалось, что наблюдатели этого света, даже при том, что красный свет мерцает, не чувствуют свет системы как мерцающий. Следовательно, относительно простым образом проблема мерцания может быть решена при помощи конкретных медленных зеленых и быстрых красных фотолюминесцентных материалов. Следовательно, оказалось, что для хороших результатов, например, только зеленый/желтый фотолюминесцентный материал может быть выбран как медленный, тогда как синий (светодиод) и красный имеют относительно короткие времена затухания. В конкретном варианте осуществления M3A5O12:Ce3+ содержит Gd3(Al,Ga)5O12:Ce3+. Удивительным образом оказалось, что эти конкретные типы гранатов являются фотолюминесцентным материалом с длинным затуханием, преимущественно Gd3(Al1-yGy)5O12:Ce3+, где y преимущественно находится в диапазоне 0,1-0,9, таком как 0,2-0,8, таком как 0,3-0,7, например, Gd3Al2G3O12:Ce3+.
Фотолюминесцентный материал, являющийся первым фотолюминесцентным материалом или вторым фотолюминесцентным материалом, может быть непосредственно нанесен, например, на светодиодный кристалл, например, наложен на светодиодный кристалл, или может быть встроен в среду, такую как кремний, и такая среда непосредственно нанесена, например, светодиодный кристалл, или может быть сконфигурирован на удалении, т.е. на (самом коротком) отличном от нуля расстоянии от светодиодного кристалла, таком как по меньшей мере 1 мм от светодиодного кристалла, например, по меньшей мере 5 мм, либо в качестве слоя, либо встроенный в другой материал, и т.д. Фотолюминесцентный материал опционально может быть обеспечен как керамическая плитка или пластинка.
Как указано выше, в вариантах осуществления цепочка содержит множество сегментов, и каждый сегмент (содержит по меньшей мере один или более упомянутых светодиодных элементов). Преимущественно светодиодная система освещения выполнена с возможностью подавать напряжение смещения на соответствующие сегменты в зависимости упомянутого входного напряжения (Vi). В конкретном варианте осуществления светодиодная система освещения выполнена с возможностью соединять первый сегмент в цепочке, когда упомянутое входное напряжение (Vi) больше первого порога, и соединять первый сегмент и второй сегмент в цепочке, когда упомянутое входное напряжение (Vi) больше второго порога, который упомянутого первого порог, и т.д., и т.д., причем преимущественно первый сегмент содержит светодиодный элемент, содержащий второй фотолюминесцентный материал, и причем второй сегмент содержит упомянутый светодиодный элемент, содержащий первый фотолюминесцентный материал. Преимущественно светодиодный элемент, содержащий второй фотолюминесцентный материал, выполнен с возможностью обеспечивать второе излучение светодиодного элемента, содержащее синий свет и один или более из зеленого света и желтого света, преимущественно желтый свет.
Как указано выше, желательно сокращение электронных компонентов. Введение первого фотолюминесцентного материала и опционально второго фотолюминесцентного материала может уже сократить мерцание на 10% или больше. Тем не менее, дополнительное сокращение мерцания может быть получено посредством конфигурации конденсатора параллельно одному или более сегментам. Следовательно, в конкретном варианте осуществления параллельно одному или более упомянутых сегментов конфигурируется конденсатор. Кроме того, преимущественно при использовании такого конденсатора (конденсаторов) между упомянутыми сегментами конфигурируются диоды (не светового излучение). Это может дополнительно стабилизировать схему.
В конкретном варианте осуществления светодиодная система освещения содержит один или более сегментов, содержащих первый фотолюминесцентный материал, причем один или более других сегментов не содержат первый фотолюминесцентный материал, причем параллельно одному или более из упомянутых одного или более сегментов, не содержащих первый фотолюминесцентный материал, конфигурируются конденсаторы.
Следовательно, в вариантах осуществления светодиодные элементы, содержащие первый фотолюминесцентный материал, содержат один или более описанных в настоящем документе первых фотолюминесцентных материалов, испускающих красный свет, и зеленых первых фотолюминесцентных материалов и желтых первых фотолюминесцентных материалов.
Во еще одном дополнительном варианте осуществления количество светодиодных элементов в первой цепочке больше, чем количество светодиодных элементов во второй цепочке, прием светодиодные элементы в первой цепочке содержат упомянутый первый фотолюминесцентный материал, и причем светодиодные элементы во второй цепочке содержат упомянутый второй фотолюминесцентный материал.
Краткое описание чертежей
Теперь будут описаны варианты осуществления изобретения только в качестве примера со ссылкой на приложенные схематические чертежи, на которых соответствующие опорные символы указывают соответствующие части.
Фиг. 1a-1c схематично изображают некоторые аспекты системы освещения;
Фиг. 2a-2b схематично изображают некоторые аспекты системы освещения и влияние на мерцание; и
Фиг. 3a-3b схематично изображают некоторые аспекты системы освещения.
Схематические чертежи не обязательно соблюдают масштаб.
Подробное описание вариантов осуществления
Фиг. 1a схематично изображает светодиодную (LED) систему 1 освещения, содержащую цепочку ST, включающую в себя несколько светодиодных элементов 10, функционально соединенных с источником 20 переменного напряжения, выполненным с возможностью подавать входное напряжение Vi на упомянутую цепочку ST. Количество светодиодных элементов 10 в упомянутой цепочке может быть адаптировано в зависимости от упомянутого входного напряжения Vi. При низком напряжении напряжение смещения может быть подано только на первый сегмент, при промежуточном напряжении на первый и второй сегменты, и при высоком напряжении на все три сегмента. Следовательно, светодиодная система 1 освещения выполнена с возможностью подавать напряжение смещения на соответствующие сегменты S1, S2, S3, … в зависимости от упомянутого входного напряжения Vi. Следует отметить, что в качестве примера изображены только три сегмента S1-S3. Ссылки ST1-ST3 указывают (под)цепочки. ST3 является полной цепочкой, например, при максимальном напряжении, и ST1 относится к цепочке, включающей в себя только первый сегмент S1. Ссылка 330 указывает факультативный выпрямитель. Ссылка 340 указывает блок управления током, который сконфигурирован у основания каждого сегмента или подцепочки. Блоки управления током преимущественно включают в себя переключатель, разрешающий или блокирующий электрический ток через блок управления током (преимущественно переключатель). Кроме того, блок управления током может включать в себя регуляторы тока или источники тока. Например, такой регулятор тока может разрешать блоку тока достигать только заданного порога напряжения. Блоки 340 управления током могут быть функционально соединены для увеличения и сокращения количества светодиодов в цепочке в зависимости от входного напряжения. Ссылка 11 указывает свет, испускаемый от светодиодного элемента 10.
Каждый светодиодный элемент 10 содержит светодиод 100, выполненный с возможностью формировать синее светодиодное излучение 101 (см. фиг. 1b; левое устройство), причем один или более из упомянутых светодиодных элементов 10 содержат светодиодные элементы 110, содержащие первый фотолюминесцентный материал (см. устройство в середине на фиг. 1b), каждое из которых содержит светодиод 100, и первый фотолюминесцентный материал 130 выполнен с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения 101 в первое преобразованное излучение 131 в видимом диапазоне. Как указано выше, преимущественно первый фотолюминесцентный материал 130 имеет время затухания первого преобразованного излучения 131 в диапазоне 1-500 мс. Опционально один или более светодиодных элементов 10, как схематично изображено в системе 1 на фиг. 1a, может содержать светодиодные элементы 210, содержащие второй фотолюминесцентный материал, каждый из которых содержит светодиод 100 и второй фотолюминесцентный материал 230, выполненный с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения 101 во второе преобразованное излучение 231 в видимом диапазоне (см. фиг. 1b, правое устройство), и причем упомянутый второй фотолюминесцентный материал 230 имеет время затухания второго преобразованного излучения 231 менее 1 мс. Следует отметить, что свет в нисходящем направлении среднего и правого устройства может включать в себя по меньшей мере свет 131, 231 фотолюминесцентного материала, но опционально также светодиодное излучение 101. Ссылка 11 указывает свет, испускаемый от светодиодного элемента. Он может, например, по существу состоять из синего светодиодного излучения 101, но в качестве альтернативы или дополнительно также может включать в себя одно или более из первого преобразованного излучения 131 и второго преобразованного излучения 231.
Термины "в восходящем направлении" и "в нисходящем направлении" относятся к размещению элементов или признаков относительно распространения света от средства формирования света (здесь преимущественно первого источника света), причем относительно первой позиции в пучке света от средства формирования света вторая позиция в пучке света, которая расположена ближе к средству формирования света, находится "в восходящем направлении", и третья позиция в пучке света, которая расположена дальше от средства формирования света, находится "в нисходящем направлении".
Конденсаторы 310 и диоды 320 являются факультативными. Следовательно, опционально конденсаторы 310 могут быть сконфигурированы параллельно одному или более упомянутым сегментам S1, S2, S3, …, и далее опционально диоды 320 сконфигурированы между упомянутыми сегментами S1, S2, S3, ….
Фиг. 1c очень схематично изображает светодиодную систему 1 освещения, выполненную с возможностью обеспечивать свет 2 светодиодной системы освещения в видимом диапазоне (преимущественно белый свет (для воспринимающего)). Состав света может изменяться во времени вследствие напряжения переменного тока и является зависимым от размещения фотолюминесцентного материала (материалов) в светодиодных элементах 10, или на светодиоде 100, или удаленно от светодиода 100 и т.д. Как указано выше относительно фиг. 1b, также свет 2 светодиодной системы освещения по существу состоит из синего светодиодного излучения 101, но в качестве альтернативы или дополнительно также может включать в себя одно или более из первого преобразованного излучения 131 и второго преобразованного излучения 231.
Фиг. 2a схематично изображает ситуацию с недопустимой глубиной мерцания, в интервале 1 включен только светодиод первого сегмента, в интервале 2 включены светодиоды первого и второго сегментов, в интервале 3 включены светодиоды первого, второго и третьего сегментов, в интервале 4 включены светодиоды всех сегментов, после этого сегменты постепенно снова сокращаются, в интервале 5 включены светодиоды первого, второго и третьего сегментов, в интервале 6 включены светодиоды первого и второго сегментов, и в интервале 7 включен светодиод только первого сегмента. На этом схематическом чертеже на оси x обозначена фаза, и на оси y обозначены напряжение линии переменного тока как плавная кривая и переменный входной как ступенчатая кривая.
В примере модуль светодиодов переменного тока (AC) сделан из двух светодиодных каналов с цветными точками для смешивания в белый свет. При эффективности фотолюминесценции (PL) 93% красного люминофора при длине волны 630 нм и степени преобразования электрической энергии (WPE) 0,5 для синих светодиодов (с учетом системных потерь) пакет красных светодиодов даст светоотдачу ~50 лм/Вт. Светоотдача для зеленых светодиодов в заданной цветной точке вычислена как 155 лм/Вт при эффективности PL 95% и WPE 0,5. Системная эффективность для этой структуры будет составлять около 115 лм/Вт, что находится на таком же уровне текущего решения. Поскольку светоотдача красных светодиодов намного ниже, чем зеленых, совокупные вычисленные вклады мощности для двух каналов близки к 1:1. Точное отношение мощности зависит от оценочной цветовой температуры и показателя цветопередачи (CRI).
Фиг. 2b обеспечивает схематический пример фотолюминесценции (PL), формируемой от люминофора со средним затуханием с помощью пульсирующей входной мощности. Этот пример демонстрирует демпфирование посредством фотолюминесцентного материала. Ступенчатая кривая схематично представляет входную мощность, и пилообразная кривая схематично изображает фотолюминесценцию. На оси x указано время в миллисекундах (мс), и на оси y - интенсивность. Моделирование в течение времени интенсивности PL/lm, сформированной от данного красного люминофора, в зависимости от входной мощности дано на этой фигуре 2b. Мощность дана как импульс в течение каждых 10 мс, длящийся в течение 5 мс, и затем 5 мс пробел. Предполагается, что люминофор имеет частоту затухания 10 мс, и каждая группа точек люминофора становится насыщенной под облучением в течение заданного времени и испускает свет в течение 10 мс. Это может приблизительно дать показатель мерцания <10% для такого люминофора, работающего при данных условиях. В среде реального применения время подачи мощности обычно больше, и глубина мерцания может быть дополнительно сокращена.
В примере изобретение включает в себя светодиодную систему с переменным током на входе, два или более светодиодных каналов или сегментов; по меньшей мере один канал или сегмент может включить в себя светодиоды, которые инкапсулированы с люминофором со средним затуханием фотолюминесценции (скорость затухания в диапазоне 1 мс -200 мс), таким как K2TiF6:Mn4+, и по меньшей мере один канал сделан из светодиодов, которые инкапсулированы с люминофором с коротким затуханием фотолюминесценции, таким как YAG:Ce, время затухания в диапазоне <100 мкс). Система может не включать в себя конденсатор или может включать в себя только малую величину конденсатора.
Фиг. 3a обеспечивает схематическую иллюстрацию светоизлучающего эффекта посредством использования люминофора со средним затуханием фотолюминесценции в одном канале и введения дополнительного твердотельного конденсатора. Здесь мы разработали одну архитектуру с тремя гибридными светодиодными каналами или сегментами, как показано в фиг. 3a. Один канал покрывает все состояние включенного электропитания и сделан из светодиодов, инкапсулированных с зелено-желтыми люминофорами с коротким затуханием фотолюминесценции, такими как YAG/LuAG. Другие каналы представляют собой светодиоды, инкапсулированные с красным люминофором со средним затуханием фотолюминесценции, таким как K2TiF6:Mn4+. Просто посредством введения красного люминофора со средним затуханием фотолюминесценции показатель мерцания может быть сокращен с 48% до приблизительно 40%; что является хорошим сокращением мерцания (верхние два рисунка, показывающие изменение от 1 до 2). Однако дополнительное сокращение мерцания может быть желательным. В основном был покрыт временной интервал в области A. Чтобы дополнительно сократить мерцание, может быть нужно заполнить только временной интервал В для зеленого канала, чтобы достигнуть желаемой глубины мерцания. Поскольку область B намного меньше, чем область A, это требует намного меньшей емкости для сохранения энергии, чтобы заполнить промежуток. Это показано на двух нижних чертежах с помощью изменения от 3 до 4. С таким дополнительным конденсатором мерцание может быть сокращено приблизительно с 48% до 10%, что является очень желательным значением мерцания.
Была вычислена емкость в соответствии с данной конструкцией для типичного светодиода переменного тока с полной входной мощностью 5 Вт. Входное напряжение составляет 220 В ~ 240 В переменного тока, типичное номинальное входное напряжение составляет 230 В переменного тока. Как показано на фиг. 1a., это типичное решение приводного механизма светодиода с 3 сегментами. Ссылочный номер 340 относится к трем блокам управления током, включающим в себя три источника тока, и включающим в себя три переключателя, которыми управляют в соответствии со входным напряжением. Когда Vi выше, чем напряжение светодиодной цепочки ST1, но ниже, чем напряжение светодиодной цепочки ST1, цепочка S11 включена, цепочки ST2 и ST3 выключены (нет тока через второй и третий блоки 340 управления током). Когда Vi выше, чем напряжения светодиодной цепочки ST2 плюс напряжение светодиодной цепочки ST2, но ниже, чем напряжение светодиодной цепочки ST1+ST2+ST23, цепочки ST1 и ST3 выключены, и цепочка ST2 включена (нет тока через первый и третий и третий блоки 340 управления током). Когда Vi выше, чем напряжение светодиодной цепочки ST1+ST2+ST23, цепочка ST3 включена, и цепочки ST1 и ST2 выключены (нет тока через первый и второй блоки 340 управления током).
В эксперименте, чтобы достигнуть хорошей эффективности, высокого коэффициента использования светодиодов и низкой стоимости, шесть высоковольтных (22 В) зеленых светодиода с коротким затуханием выбраны, чтобы сформировать светодиодную цепочку ST1 (т.е., включены в первый сегмент), и напряжение цепочки составляет 132 В. Четыре высоковольтных красных светодиода со средним затуханием выбраны, чтобы сформировать светодиодную цепочку ST2 (т.е. включены во второй сегмент), три высоковольтных красных светодиода со средним затуханием выбраны, чтобы сформировать светодиодную цепочку ST3 (т.е. включены в третий сегмент). Ток на каждой цепочке составляет 200 мА через первый блок управления током, 240 мА через второй блок управления током и 280 мА через третий блок управления током, соответственно.
Формы волны для работы этой структуры схематично показаны на фиг. 3b. Электронные конденсаторы выбраны таким образом, чтобы пропускать пульсацию тока, текущего через светодиодную цепочку. Поскольку пульсация красного света уменьшается посредством люминофора со средним затуханием, конденсатор может быть нужен только для первой светодиодной цепочки ST1 (здесь зеленый свет). Посредством вычисления необходим конденсатор 8 мкФ/150 В, чтобы уменьшить пульсацию тока до +/- 30% от среднего тока для светодиодной цепочки ST1, которая вместе с красными каналами дает показатель мерцания приблизительно 10%. Полный показатель мерцания по-прежнему меньше, чем 10% плюс красный канал. В соответствии с традиционным решением необходимы конденсаторы, 20 мкФ/100 В и 35 мкФ/100 В для светодиодной цепочки ST2 (красный) и светодиодной цепочки ST3 (красный). Таким образом, почти >60% конденсатора могут быть уменьшены, чтобы достигнуть более низкой стоимости. Дополнительно, например, для модуля светодиода переменного тока на 5 Вт можно использовать керамический конденсатор, чтобы достигнуть полного SMD (драйвера с общей памятью) на плате, что значительно упростит производство и применение модуля светодиода переменного тока. Тем самым можно уменьшить затраты и увеличить надежность.
Ниже дополнительно поясняется концепция с зеленым/желтым фотолюминесцентным материалом с длинным затуханием (время затухания в диапазоне 1-500 мс).
Используя синий светодиод, который ведут на выявляемом линейном приводном механизме, такой как описано выше, в сочетании с нормальным люминофором светодиода, 100%-я модуляция исходящего света наблюдается, приводя к сильным стробоскопическим эффектам (см. также упомянутый выше). В этой ситуации нет никакого изменения цветной точки (цвет света белый, если светодиод идет, черный, если светодиод выключен); количество света, испускаемое люминофором, пропорциональное на сумму светодиода, чтобы накачать люминофор в любое время. В случае, если время затухания люминофора увеличено, глубина модуляции для уменьшений выбросов люминофора. Некоторое искажение синего входного сигнала наблюдается. Так как яркость определена светом, излучаемым, например, зеленый люминофор (и некоторым простираются красным люминофором), уменьшения модуляции яркости. Когда, например, гипотетически время затухания люминофора увеличено до 5 мс, глубина модуляции света, излучаемого люминофором, уменьшается к ~ 65%. Величина материала люминофора должна была получить правильные увеличения цветной точки немного (часть люминофора взволнована и не способствует преобразованию цветов). Хотя модуляция люминесценции ограничена, некоторое цветное изменение введено: во время вовремя светодиода формированный свет является комбинацией синего и зеленого цвета (слишком высоко синее содержание), тогда как цветная точка во вне периода из светодиода зеленая только.
Посредством настройки времени затухания люминофора модуляция яркости может быть уменьшена до желаемого уровня. Увеличение времени затухания сокращает модуляцию яркости, но увеличивает модуляцию цветовой точки. Также необходимое количество люминофора может увеличиться, приводя к снижению эффективности пакета. Наилучший вариант, таким образом, может состоять в том, чтобы оптимизировать время затухания люминофора для получения модуляции яркости на желаемом уровне.
Пользовательское испытание было выполнено с использованием светодиодов переменного тока и TLLED. Результат испытания восприятия заключался в том, что цветовые модуляции являются приемлемыми. Модуляции яркости воспринимаются как раздражающие и, таким образом, должны быть минимизированы. Глубина модуляции ниже 40% в результате дала высокую приемлемость для пользователя.
Следовательно, в варианте осуществления предложено сделать белый светодиод с использованием синего светодиода, медленного (например, приблизительно 10-50 мс) желтого/зеленого люминофора. В случае необходимости может быть добавлен красный люминофор (более низкие коррелированные цветовые температуры (CCT), более высокий коэффициент цветопередачи (CRI)). Красный люминофор может представлять собой обычный красный светодиодный люминофор с коротким временем затухания (такой, как указанные выше нитриды, легированные двухвалентным европием), поскольку вклад его излучения в яркость является малым. Вследствие использования единственного люминофора с медленным затуханием (испускающего в желтом/зеленом свете) управляют модуляциями яркости, и, таким образом, является приемлемым использование драйверов или светодиодов с модуляцией тока. Некоторыми примерами желто-зеленых люминофоров испускания с длинным временем затухания и поглощением синего являются: хлорсиликат:Eu2+,Mn2+,MSi2O2N2:Eu2+,Mn2+ и MAl2O4:Eu2+,Ce3+,Li+, причем M выбран из группы, состоящей из Mg, Ca, Sr, Ba, преимущественно M содержит по меньшей мере стронций.
В настоящем документе термин "по существу", например, "по существу весь свет" или "по существу состоит" и т.д., будет понятен для специалиста в области техники. Термин "по существу" также может включать в себя варианты осуществления с терминами "полностью", "совершенно", "все" и т.д. Следовательно, в вариантах осуществления прилагательное "по существу" также может быть удалено. Там, где это применимо, термин "по существу" также может относиться к "90% или больше", например, "95% или больше", преимущественно "99% или больше", еще более преимущественно "99,5% или больше", в том числе "100%". Термин "содержит" также включает в себя варианты осуществления, в которых термин "содержит" означает "состоит из" Термин "и/или" преимущественно относится к одному или более пунктов, упомянутых перед и после "и/или". Например, фраза ʺэлемент 1 и/или элемент 2ʺ и подобные фразы могут относиться одному или более из пункта 1 и пункта 2. Термин "содержащий" в варианте осуществления может означать "состоящий из", но в другом варианте осуществления также может означать "содержащий по меньшей мере определенный вид и опционально один или более других видов".
Кроме того, термины "первый", "второй", "третий" и т.п. используются в описании и в формуле изобретения для различения сходных элементов, а не обязательно для описания последовательного или хронологического порядка. Подразумевается, что такие термины являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, и что варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, могут быть работать в других последовательностях, отличающихся от описанных или проиллюстрированных в изобретении.
Устройства в настоящем документе помимо прочего описаны во время работы. Как будет ясно специалисту в области техники, изобретение не ограничено способами работы или устройствами в работе.
Следует отметить, что упомянутые выше варианты осуществления не иллюстрируют пределы изобретения, и что специалисты в области техники могут разработать множество альтернативных вариантов осуществления без отступления от объема приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения любой знак ссылочной позиции, помещенный между круглыми скобками, не следует рассматривать, как ограничение формулы изобретения. Использование глагола "содержать" и его производных не исключает присутствие других элементов или этапов, кроме указанных в пункте формулы изобретения. Использование элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть воплощено посредством аппаратного обеспечения, содержащего несколько отдельных элементов, и с использованием соответствующим образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения, направленном на устройство, в котором перечисляются несколько средств, несколько таких средств могут быть воплощены посредством одного и того же элемента аппаратного обеспечения. Тот лишь факт, что некоторые меры повторяются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может использоваться с преимуществом.
Изобретение также применяется к устройству, содержащему один или более характерных признаков, описанных в описании и/или показанных на приложенных чертежах. Изобретение также относится к способу или процессу, содержащему один или более характерных признаков, описанных в описании и/или показанных на приложенных чертежах.
Различные аспекты, поясненные в этом патенте, могут быть объединены, чтобы обеспечить дополнительные преимущества. Кроме того, некоторые признаки могут формировать основу для одной или более выделенных заявок.
1. Светодиодная (LED) система (1) освещения, содержащая
цепочку (ST), включающую в себя несколько светодиодных (LED) элементов (10), функционально соединенную с источником (20) переменного напряжения, выполненным с возможностью подавать входное напряжение (Vi) на упомянутую цепочку (ST), причем цепочка (ST) содержит множество сегментов (S1, S2, S3, …), и каждый сегмент (S1, S2, S3, …) содержит по меньшей мере один или более упомянутых светодиодных (LED) элементов (10),
причем светодиодная (LED) система (1) освещения выполнена с возможностью соединять первый сегмент (S1) в цепочке (ST) между и с приведением в действие посредством входного напряжения (Vi), когда упомянутое входное напряжение (Vi) больше первого порога, и соединять первый сегмент (S1) и второй сегмент (S2) в цепочке между и с приведением в действие посредством входного напряжения (Vi), когда упомянутое входное напряжение (Vi) больше второго порога, который больше упомянутого первого порога,
причем каждый светодиодный элемент (10) содержит светодиод (100), выполненный с возможностью формировать синее светодиодное излучение (101),
упомянутый первый сегмент (S1) содержит светодиодный элемент (210), содержащий второй фотолюминесцентный материал, причем светодиодный элемент (210), содержащий второй фотолюминесцентный материал, содержит (a) светодиод (100) и (b) второй фотолюминесцентный материал (230), выполненный с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения (101) во второе преобразованное излучение (231) в видимом диапазоне, и причем упомянутый второй фотолюминесцентный материал (230) имеет время затухания второго преобразованного излучения (231) только менее чем 1 мс, и
упомянутый второй сегмент (S2) содержит светодиодные элементы (110), содержащие первый фотолюминесцентный материал, каждый из которых содержит (a) светодиод (100) и (b) первый фотолюминесцентный материал (130), выполненный с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения (101) в первое преобразованное излучение (131) в видимом диапазоне, и причем упомянутый первый фотолюминесцентный материал (130) имеет время затухания первого преобразованного излучения (131) только в диапазоне 1-500 мс.
2. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 1, в которой упомянутый первый фотолюминесцентный материал (130) имеет время затухания первого преобразованного излучения (131) в диапазоне 5-100 мс.
3. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 1, в которой упомянутый первый фотолюминесцентный материал (130) выполнен с возможностью обеспечивать красное первое преобразованное излучение (131).
4. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 3, в которой первый фотолюминесцентный материал (130) содержит красный светоизлучающий фотолюминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из фотолюминесцентных материалов Mn(IV).
5. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 3, в которой первый фотолюминесцентный материал (130) содержит фотолюминесцентный материал типа M2AX6, легированный четырехвалентным марганцем, причем M содержит щелочной катион, причем A содержит четырехвалентный катион, причем X содержит одновалентный анион, по меньшей мере содержащий фтор, причем M содержит калий, и причем A содержит титан.
6. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 1, в которой первый фотолюминесцентный материал (130) содержит фотолюминесцентный материал, выполненный с возможностью обеспечивать одно или более из зеленого и желтого первого преобразованного излучения (131).
7. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 6, в которой первый фотолюминесцентный материал (130) выбран из группы, состоящей из фотолюминесцентных материалов, содержащих двухвалентный европий, и фотолюминесцентных материалов, содержащих двухвалентный европий и двухвалентный марганец, причем первый фотолюминесцентный материал (130) выбран из группы, состоящей из (i) хлорсиликата, легированного посредством Eu2+ и Mn2+, (ii) (окси)нитрида, легированного посредством Eu2+ и Mn2+, и (iii) алюмината, легированного посредством Eu2+ и Mn2+.
8. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 1, в которой первый фотолюминесцентный материал содержит M3A5O12:Ce3+, причем M выбран из группы, состоящей из Sc, Y, Tb, Gd и Lu, причем A выбран из группы, состоящей из Al, Ga, Sc и In, причем M по меньшей мере содержит Gd, и причем A по меньшей мере содержит Al и Ga, и причем второй фотолюминесцентный материал (230) выполнен с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть упомянутого светодиодного излучения (101) во второе преобразованное излучение (231) в красном свете.
9. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 1, в которой первое преобразованное излучение (131) и второе преобразованное излучение (231) имеют разные цвета.
10. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 1, в которой параллельно одному или более упомянутым сегментам (S1, S2, S3, …) сконфигурированы конденсаторы (310) и в которой между упомянутыми сегментами (S1, S2, S3, …) сконфигурированы диоды (320).
11. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 1, причем светодиодная (LED) система (1) освещения содержит один или более сегментов, содержащих первый фотолюминесцентный материал (130), и причем один или более других сегментов не содержат первый фотолюминесцентный материал (130), причем параллельно одному или более из упомянутых одного или более сегментов, не содержащим первый фотолюминесцентный материал (130), сконфигурированы конденсаторы (310).
12. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 1, в которой упомянутые светодиодные элементы (110), содержащие первый фотолюминесцентный материал, содержат фотолюминесцентный материал, выполненный с возможностью обеспечивать одно или более из зеленого и желтого первого преобразованного излучения (131).
13. Светодиодная (LED) система (1) освещения по п. 1, в которой количество светодиодных элементов (10) в первом сегменте (S1) больше, чем количество светодиодных элементов (10) во втором сегменте (S2).
