(57)【要約】  開放領域を具えることによって、システムの重量に対して消費電力が高くしたＬＥＤシステムの開発に関する装置及び関連する方法が開示されている。開放領域は光学システムの重量を減らす一方で、空気の流れを改善する。光分布を調整することによって、ＬＥＤからの光を効率よく均等に分布させる関連する光学素子が記載されている。更に、このＬＥＤシステムを、安定器又はオフラインＡＣ電源、あるいはその両方といった現存の電源で動作させる回路と方法が開示されている。【選択図】図１Ａ
2019532457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ垂直方向に強化した対流通過流があるＬＥＤベースの照明システムにおいて：
第１の複数のＬＥＤ光源と、第２の複数のＬＥＤ光源とを具え、前記第１の複数のＬＥＤ光源と第２の複数のＬＥＤ光源が、光軸に沿って遠位側を照明するように構成されている、光発生モジュールと；
第１の外周によって画定される第１の領域であって、第１の多角形を形成しており、前記第１の複数のＬＥＤ光源の各々が前記第１の多角形の頂点を画定する、第１の領域と；
第２の外周によって画定される第２の領域であって、第２の多角形を形成しており、前記第２の複数のＬＥＤ光源の各々が前記第２の多角形の頂点を画定する、第２の領域と；
前記第１の領域によって囲まれ、前記第２の領域の外側にある、第３の領域と；
前記第１の複数のＬＥＤ光源と光学的に整列するように構成された第１の複数の光学素子と、前記第２の複数のＬＥＤ光源と光学的に整列するように構成された第２の複数の光学素子と；
を具え、
前記光発生モジュールの前記第１の複数のＬＥＤ光源及び前記第２の複数のＬＥＤ光源の各々が：
前記第１の複数のＬＥＤ光源と実質的に熱的に連通する少なくとも一の熱伝達部材と、前記第２の複数のＬＥＤ光源と実質的に熱的に連通する少なくとも一の熱伝達部材と、を具え、前熱伝達部材が前記光学軸にほぼ平行な熱伝導軸に沿って近位方向に延びる熱伝導経路を具え、動作中に、前記熱伝達部材が、ＬＥＤ光源によって発生された熱を実質的に近位側に伝達し；
前記第３の領域に少なくとも一の開口部が画定されており、当該少なくとも一の開口部の各々が、前記開口部を通り光軸にほぼ平行な軸方向流体連通路を提供して、前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向の流体連通路の各々が近位方向に延びて周囲大気に排気する；
ことを特徴とするＬＥＤベースの照明システム。
【請求項２】
前記第３の領域に画定された前記少なくとも一の開口が、前記第３の領域の面積の少なくとも２５％を包含することを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項３】
前記一又はそれ以上の熱伝達部材が、更に、前記第１の外周から、実質的に共通の中心点の半径方向に延びる第１の複数のフィン及び第２の複数のフィンとを具え、前記第２の複数のフィンが、前記第１の複数のフィンよりも半径方向において短い、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項４】
前記第２の領域によって囲まれた少なくとも一の内側開口部をさらに具え、当該少なくとも一の内側開口部が、前記開口部を通り、前記光軸に平行な軸方向の流体連通路を提供して前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向流体連通路の各々が近位側に延びて周囲大気に排気する、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項５】
前記第１の外周の端部に沿って装着した光学アクセサリをさらに具え、当該光学アクセサリが、前記第１の外周の周りの前記第１の複数の光学素子を通って発せられる光の一部を方向変換させてアップライトを形成する、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項６】
前記第１の複数の光学素子および前記第２の複数の光学素子の各々が、前記光軸から２５乃至４５度の間の光分布に結果としてのピークを有する誘電複合放物面型反射器（ＣＰＣ）を具えることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項７】
Ｅ３９ネジベースをさらに具え、当該Ｅ３９ネジベースと、前記光生成モジュールと、前記第１の複数のＬＥＤと、前記第２の複数のＬＥＤと、前記第１の複数の光学素子と、および前記第２の複数のＬＥＤの総重量が１．７Ｋｇより少ない、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項８】
平均安定器電流を供給する一連の出力を有するＨＩＤ安定器と、制御可能なスイッチに電気的に並列に接続された少なくとも一のブリッジ整流器とを有する電子ドライバであって、前記制御可能スイッチが前記ＨＩＤ安定器の出力を断続的に実質的に短絡させるように、前記ＨＩＤ安定器の出力に電気的に接続されている電子ドライバと、を更に具え、前記光発生モジュールが公称動作点で動作しているときに、前記電子ドライバが前記制御可能スイッチを連続的に動作させて、平均総ＬＥＤ順方向電流が前記平均安定器電流より少なくとも５％小さくなるように、前記第１の複数のＬＥＤ電源と、前記第２の複数のＬＥＤ電源を調整する、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項９】
電源と一致するように調整された制御信号に従って前記電源から入力電流を供給するように構成された電力変換回路を有する電子ドライバであって、前記電源が基本周波数を有しており、前記制御信号が、当該基本周波数の少なくとも倍数で周期的なパターンを有し、前記電力変換回路に有効インピーダンスを提示させて前記電源のインピーダンスと整合させる電子ドライバをさらに具え、前記電力変換回路の有効インピーダンスが、抵抗性、誘導性、容量性、および非線形性からなる群のうちの一又はそれ以上の要素を具える、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項１０】
前記電源が、ＨＩＤ安定器を具えることを特徴とする、請求項９に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項１１】
ほぼ垂直方向に強化された対流通過流があるＬＥＤベースの照明システムにおいて：
第１の複数のＬＥＤ光源と、第２の複数のＬＥＤ光源とを具え、前記第１の複数のＬＥＤ光源と第２の複数のＬＥＤ光源が光軸に沿って遠位側に照明するように構成されている光発生モジュールと；
第１の外周によって画定される第１の領域であって、当該第１の外周が第１の多角形を形成し、前記第１の複数のＬＥＤ光源の各々が第１の多角形の頂点を画定する、第１の領域と；
第２の外周によって画定される第２の領域であって、当該第２の外周が第２の多角形を形成し、前記第２の複数のＬＥＤ光源の各々が前記第２の多角形の頂点を画定する、第２の領域と；
前記第１の領域で囲まれており、前記第２の領域の外側にある第３の領域と；
を具え、
前記光発生モジュールの前記第１の複数のＬＥＤ光源と前記第２の複数のＬＥＤ光源内の各ＬＥＤ光源が：
前記第１の複数のＬＥＤ光源と実質的に熱的に連通する少なくとも一の熱伝達部材と、前記第２の複数のＬＥＤ光源と実質的に熱的に連通する少なくとも一の熱伝達部材と、を具え、前熱伝達部材が前記光学軸にほぼ平行な熱伝導軸に沿って近位方向に延びる熱伝導経路を具え、動作中に、前記熱伝達部材が、ＬＥＤ光源によって発生された熱を実質的に近位側に伝達し；
前記第３の領域に少なくとも一の開口部が画定されており、当該少なくとも一の開口部の各々が、前記開口部を通り光軸にほぼ平行な軸方向流体連通路を提供して、前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向の流体連通路の各々が近位方向に延びて周囲大気に排気する；
ことを特徴とするＬＥＤベースの照明システム。
【請求項１２】
前記第３の領域内に規定された少なくとも一の開口部が前記第３の領域の少なくとも２５％を占めることを特徴とする請求項１１に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項１３】
前記一又はそれ以上の熱伝達部材が、更に、前記第１の外周から実質的に共通の中心点の半径方向に延びる第１の複数のフィン及び第２の複数のフィンとを具え、前記第２の複数のフィンが、前記第１の複数のフィンよりも半径方向において短い、ことを特徴とする請求項１１に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項１４】
前記第２の領域によって囲まれた少なくとも一の内側開口部をさらに具え、当該少なくとも一の内側開口部が、前記開口部を通り、前記光軸に平行な軸方向の流体連通路を提供して前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向流体連通路の各々が、近位側に延びて周囲大気に排気する、ことを特徴とする請求項１１に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項１５】
平均安定器電流を供給する一連の出力を有するＨＩＤ安定器と、制御可能なスイッチに電気的に並列に接続された少なくとも一のブリッジ整流器とを有する電子ドライバであって、前記制御可能スイッチが前記ＨＩＤ安定器の出力を断続的に実質的に短絡させるように、前記ＨＩＤ安定器の出力に電気的に接続されている電子ドライバと、を更に具え、前記光発生モジュールが公称動作点で動作しているときに、前記電子ドライバが前記制御可能スイッチを連続的に動作させて、平均総ＬＥＤ順方向電流が前記平均安定器電流より少なくとも５％小さくなるように、前記第１の複数のＬＥＤ電源と、前記第２の複数のＬＥＤ電源を調整する、ことを特徴とする請求項１１に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項１６】
ほぼ垂直方向に強化された対流通過流を伴うＬＥＤベースの照明システムにおいて：
第１の複数のＬＥＤ光源と第２の複数のＬＥＤ光源とを具え、前記第１の複数のＬＥＤ光源と第２の複数のＬＥＤ光源が、光軸に沿って遠位側に照明するように構成されている光発生モジュールと；
第１の外周によって画定される第１の領域であって、当該第１の外周が第１の多角形を形成し、前記第１の複数のＬＥＤ光源の各々が第１の多角形の頂点を画定する、第１の領域と；
第２の外周によって画定される第２の領域であって、当該第２の外周が第２の多角形を形成し、前記第２の複数のＬＥＤ光源の各々が前記第２の多角形の頂点を画定する、第２の領域と；
前記第１の領域で囲まれており、前記第２の領域の外側にある第３の領域と；
前記ＬＥＤ光源によって発生した熱をほぼ近位側に伝達する手段と；
を具え、
前記第３の領域に少なくとも一の開口部が画定されており、当該少なくとも一の開口部の各々が、前記開口部を通り光軸にほぼ平行な軸方向流体連通路を提供して、前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向の流体連通路の各々が近位方向に延びて周囲大気に排気する；
ことを特徴とするＬＥＤベースの照明システム。
【請求項１７】
前記第３の領域内に規定された少なくとも一の開口部が前記第３の領域の少なくとも２５％を占めることを特徴とする請求項１６に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項１８】
前記一又はそれ以上の熱伝達部材が、更に、前記第１の外周から実質的に共通の中心点の半径方向に延びる第１の複数のフィン及び第２の複数のフィンとを具え、前記第２の複数のフィンが、第１の複数のフィンよりも半径方向において短い、ことを特徴とする請求項１６に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【請求項１９】
前記第２の領域によって囲まれた少なくとも一の内側開口部をさらに具え、当該少なくとも一の内側開口部が、前記開口部を通り、前記光軸に平行な軸方向の流体連通路を提供して前記一又はそれ以上の熱伝達部材から熱を除去し、前記軸方向流体連通路の各々が、近位側に延びて周囲大気に排気する、ことを特徴とする請求項１６に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項２０】
平均安定器電流を供給する一連の出力を有するＨＩＤ安定器と、制御可能なスイッチに電気的に並列に接続された少なくとも一のブリッジ整流器とを有する電子ドライバであって、前記制御可能スイッチが前記ＨＩＤ安定器の出力を断続的に実質的に短絡させるように、前記ＨＩＤ安定器の出力に電気的に接続されている電子ドライバと、を更に具え、前記光発生モジュールが公称動作点で動作しているときに、前記電子ドライバが前記制御可能スイッチを連続的に動作させて、平均総ＬＥＤ順方向電流が前記平均安定器電流より少なくとも５％小さくなるように、前記第１の複数のＬＥＤ電源と、前記第２の複数のＬＥＤ電源を調整する、ことを特徴とする請求項１６に記載のＬＥＤベースの照明システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願のクロスリファレンス］
本出願は、２０１５年１１月２５日にＦｒａｎｋ Ｓｈｕｍによって出願された米国特許出願第１４／９５２，０７９号「ＬＥＤ照明」の利益を主張しており、この出願の一部継続出願である。この出願は、２０１５年３月３１日にＦｒａｎｋ Ｓｈｕｍによって出願された、米国仮特許出願第６２／１４１，０１０号「ＬＥＤ照明」の利益を主張するものである。
【０００２】
本出願は、参照により本明細書に前述の出願の全体の内容を組み込んでいる。
【０００３】
様々な実施形態は、一般的に改善されたＬＥＤ（発光ダイオード）照明源に関するものであり、いくつかの実施形態は、特に軽量で改善された温度管理に関するものである。その他の実施形態は、特定の配光を対象として分布を調整した任意のアクセサリを伴う光学部品に関する。その他の実施形態は、レガシーバラストを有するＬＥＤシステムの動作に必要な電子機器に関する。
【背景技術】
【０００４】
ＬＥＤ照明の分野は途方もない進歩を遂げたが、特に、ＬＥＤ照明システムの許容サイズに対して高い光出力が必要とされる場合、温度管理が依然として課題である。これは、特に、高光出力および高光密度の照明器具と固定具を交換する場合に特に問題となる。課題が残るこのような分野の１つは、光出力が非常に高い高輝度放電（ＨＩＤ）ランプである。例えば、長さ３００ｍｍ、直径１２０ｍｍ未満の４００ＷのＨＩＤランプは、３５，０００以上のルーメンを持つことになる。
【０００５】
ＨＩＤランプの種類には、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプおよび低圧ナトリウムランプがある。これらの種類のランプは、全光出力の９０％に達するのに１−１５分のウォームアップ期間が必要である。ランプが一定時間点灯してから消えた後は、すぐに電源を入れることができない。ランプを再び点灯させる前に、発光管は冷却する機会を持たなければならず、さもなければランプは再始動しないであろう。この期間は再起動（ｒｅｓｔｒｉｋｅ）時間と呼ばれている。従来のプローブ起動型ＭＨランプの再起動時間は１５分以上かかることがあるが、パルス起動型ＭＨランプの再起動時間は、通常はるかに短くなる。長いウォームアップ時間と長い再起動時間は不利である。ＨＩＤランプはまた、危険物質である水銀を含んでいる場合があり、また、約１０，０００−２０，０００時間といった中程度の寿命しかもっておらず、あるものは最初の３０００−５０００時間の間に急速にルーメンが低下することがある。
【０００６】
さらに、ＨＩＤランプは全方向性光源であり、これはより有用で効率的な配光に効率良く方向転換することが難しいことがある。光を方向転換するのに使用される光学系は、高価であり、損失が多いことがある。例えば、照明設備の光損失要因、または光学的損失は、通常約３０％である。また、通常、光を制御することは困難であり、その結果眩しいものとなり、無駄が生じるだけでなく、視覚的な不快感の原因にもなる。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の装置および方法は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ヒートシンク、電子ドライバ、生のＬＥＤ配光の少なくとも一部を一次光分布へ方向変換させる一次光学系、一次光分布の少なくとも一部を二次光分布へ方向変換させる二次光学アクセサリ、および電子アクセサリを具える、以下のサブシステムのうちの１つまたはそれ以上の独自の組合せを有する照明システムに関する。このシステムは、例えばランプ、取り付け器具、照明器具、モジュール、光学サブシステム、またはライトエンジン、などの光学システムであってもよい。サブシステムは、 単独でも他のサブシステムと組み合わせても新規である。このサブシステム、またはこれらの組み合わせは新規であり、ＬＥＤに関連している必要はない。
【０００８】
様々な態様において、組み合わせたジオメトリセットは、改善された空気流をヒートシンクへ提供することができ、したがって熱放散が改善される。いくつかの実施形態では、ヒートシンク構造の軽量化を図ることができる。
【０００９】
様々な態様において、光学系を用いて、所定の光分布に光を調整することができ、システムの効率をあげることができる。いくつかの実施形態では、この分布を調整して、所定の角度の上に、実質的にはわずかな光しかないようなカットオフを有するようにできる。様々な実施形態では、二次光学アクセサリを使用して光分布を変更し、例えばアップライトまたは非対称の分布を提供することができる。
【００１０】
いくつかの実施形態では、このＬＥＤシステムは、１０，０００以上のルーメンを放出する能力があり、４ポンドより軽くなるように設計することができる。いくつかの実施形態では、ＬＥＤシステムを、オフラインＡＣ電圧源から動作するように設計することができる。様々な実施形態において、ＬＥＤシステムを、安定器から動作するように設計することができる。いくつかの実施形態では、ＬＥＤシステムをオフラインＡＣ電圧源から動作するように設計することができる。様々な実施形態では、ＬＥＤシステムを、安定器とオフラインＡＣ電圧源から動作するように設計することができる。
【００１１】
ここに記載された技術は、ＰＡＲ、ＭＲ、ＢＲ、ＨＩＤ形状などのＬＥＤランプに特に適用可能であるが、ＬＥＤ冶具、またはより一般的には任意のＬＥＤシステムの構築に適用できる。いくつかの実施形態では、ＬＥＤ照明システムは、高天井または低天井の用途に使用されるＨＩＤランプに置き換えることができる。いくつかの実装例では、高天井への言及は、低天井の実装にも当てはまり、逆もまた同様である。
【００１２】
本開示の例示および実施形態では、ＬＥＤシステムの向きは、ＬＥＤが下を向くように示されているので、空気は底部からＬＥＤおよび／または光学系を通ってヒートシンクの内部に入り、ＬＥＤシステムの後ろを通って外側に流れる。しかしながら、この向きを逆にして、空気の入口がＬＥＤシステムの後ろになり、出口がシステムの前になるようにすることができる。その他の実施形態では、ＬＥＤシステを傾斜配向にしてもよい。このように、実施形態は必ずしも特定の向きに限定されない。
【００１３】
様々な実施形態の詳細は、添付図面および以下の説明に記載されている。その他の特徴および利点は、説明および図面から、そして特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１Ａは、例示的なＬＥＤシステムの等角図である。図１Ｂは、例示的なＬＥＤシステムの分解図である。
【図２】図２Ａは、例示的なＬＥＤの実施形態の正面図である。図２Ｂは、ＬＥＤ間の例示的な開口または開口領域の概念図である。図２Ｃは、ＬＥＤの例示的な開口部の概念図である。
【図３】図３は、少なくとも１つの光学素子を有する一次光学系の背面図である。
【図４】図４Ａは、例示的なＬＥＤからの生の光出力分布を示す図である。図４Ｂは、例示的なＬＥＤパッケージからの生の光出力の少なくとも一部を方向変換させる反射面を有する反射体を示す図である。図４Ｃは、全内部反射（ＴＩＲ）レンズの光出力分布を示す図である。図４Ｄは、誘電体ＣＰＣの光出力分布を示す図である。図４Ｅは、凸状に明らかに湾曲した出力面を有する誘電体ＣＰＣの光出力分布を示す図である。図４Ｆは、一の光学素子に対応する複数のＬＥＤパッケージを有するＬＥＤシステムの側面図である。
【図５】図５Ａは、例示的な一次光学系の平面図を示す。図５Ｂは、外周を形成する少なくとも３つの光学系を有する例示的な開口部の概念図である。図５Ｃは、外周内の例示的な開口部の概念図である。
【図６】図６Ａは、ＬＥＤから出力される生の光のランバート光強度分布についての、例示的な光強度を示す極座標プロットを示す図である。図６Ｂは、ｘ軸が０−９０°の範囲でプロットされている、プロットされたデカルト分布を示す図である。図６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、および６Ｆは、様々な異なる分布の特性を示す。
【図７】図７Ａは、ヒートシンクを有する例示的なＬＥＤシステムの断面図である。図７Ｂは、ＬＥＤの位置を明らかにするために光学素子を取り外した例示的なＬＥＤシステムの正面図である。
【図８】図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄ、図８Ｅ、および図８Ｆは、細長い構造のヒートシンクを有する例示的なＬＥＤシステムを示す図である。
【図９】図９Ａ及び９ｂは、例示的なＬＥＤシステムを示す図である。
【図１０】図１０Ａ及び１０Ｂは、少なくとも２枚のフィンを有する例示的なヒートシンクの正面図である。図１０Ｃ及び１０Ｄは、半径方向長さが異なるフィンを有する例示的なヒートシンクの正面図である。図１０Ｅ及び１０Ｆは、中央に開口を有する例示的なヒートシンクの正面図である。
【図１１】図１１Ａ及び１１Ｂは、例示的なヒートシンクの正面図である。図１１Ｃは、例示的なヒートシンクの分解図である。図１１Ｄ及び図１１Ｅは、例示的な一対のフィンセットを示す図である。
【図１２】図１２Ａ、１２Ｂ、及び１２Ｃは、例示的な光学アクセサリの等角図および正面図である。
【図１３】図１３Ａは、光学アクセサリを有する例示的な光学系１０１の正面図である。図１３Ｂは、光学アクセサリを有する例示的な光学システムの断面図である。図１３Ｃは、例示的な光学系の断面の例示的な光線跡を示す図である。
【図１４】図１４は、光学アクセサリの斜視図である。
【図１５】図１５は、対応するＬＥＤの内部からの光を方向変換させるために使用される追加の光学アクセサリ領域１５０１を有する例示的な光学アクセサリの平面斜視図である。
【図１６】図１６Ａは、プローブ始動Ｍ５９メタルハライドランプ負荷で動作するように設計された例示的な４００Ｗプローブ始動メタルハライドバラストを示す概略図である。図１６Ｂは、プローブ始動Ｍ１１５メタルハライドランプ負荷で動作するように設計された４００Ｗパルススタートメタルハライドバラストを示す概略図である。
【図１７】図１７は、磁気バラストとインターフェースを取るように設計された例示的な電子ＬＥＤドライバを示す概略図である。
【図１８】図１８は、ブリッジ、コントローラユニットによって制御されるスイッチ、平滑コンデンサ、および順方向のトータル電圧がＶｆである一連のＬＥＤを有する磁気バラストとインターフェースするように設計された電子ＬＥＤドライバの概略図である。
【図１９】図１９は、コントローラユニットがスイッチを制御する方法を示す図である。
【図２０】図２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、及び２０Ｈは、磁気バラストによって又は直接オフラインＡＣ電源Ｖｓを用いて、電力供給することができるように特に設計された例示的な単一ＬＥＤドライバの様々な概略図である。図２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、及び  ２１Ｄは、磁気バラストによって又は直接オフラインＡＣ電源Ｖｓを用いて、電力供給することができるように特に設計された例示的な単一ＬＥＤドライバの様々な概略図である。
【図２１】図２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ、及び図２１Ｅは、バラストによって、又は直接オフラインＡＣ電源Ｖｓを用いて、電力供給できるように特に設計された例示的な単一ＬＥＤドライバの様々な概略図である。
【図２２】図２２は、バラストで、またはオフラインＡＣ電源で直接電力供給されるように設計されたフライバックトポロジィを使用した例示的な電子ＬＥＤドライバの概略図である。
【図２３】図２３は、少なくとも２つの周波数成分を用いてスイッチを制御するコントローラユニットによる方法を示す図である。
【図２４】図２４Ａ及び−２４Ｂは、力率と高調波歪みを改善できる制御方式の概略図を示す図である。
【図２５】図２５は、制御方式が接続されている電源のタイプを決定することができる方法を示す図である。
【００１５】
様々な図面において同じ参照符号は、同じ要素を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、例示的なＬＥＤシステムの等角図である。図に示すように、ＬＥＤシステムはＬＥＤランプ１００の形態である。
【００１７】
図１Ｂは、例示的なＬＥＤシステムの分解図である。図１Ａを参照すると、ＬＥＤシステムは以下のサブシステムを具える：発光ダイオード（ＬＥＤ）１０１、ヒートシンク１０２、電子ドライバ１０６、一次光学素子１０３、二次光学素子アクセサリ１０４、および電子アクセサリ１０５。
【００１８】
各サブシステム１０１乃至１０６は、以下に詳細に述べる特性、特徴、変更または変形を有する。
【００１９】
ＬＥＤ
本開示で言及されているＬＥＤは非常に一般的な特徴を有するように意図されている。このＬＥＤは、少なくとも１つの発光半導体ダイを具え、選択的に、蛍光体または一体型光学部品もしくは外部光学部品でパッケージされているか、またはＰＣＢ上に装着されている。
【００２０】
ＬＥＤは、例えば、ＵＶ、可視または赤外領域といった、２５０ｎｍ−９００ｎｍの範囲で放射するスペクトルの少なくとも一部を有する。
【００２１】
このＬＥＤは、ＰＣＢへの取り付けができるフォーマットでパッケージングすることができる。例えばファイバーガラス樹脂材料（例えばＦＲ４）又はメタルコアプリント回路基板（ＭＣＰＣＢ）などのＰＣＢ材料は、改善された熱散逸特性を有する。このＬＥＤパッケージは、表面実装型デバイス（ＳＭＤ）、チップオンボード（ＣＯＢ）またはチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）、または他の周知のパッケージング方法であってもよい。
【００２２】
少なくとも２つのＬＥＤが存在する場合は、これらのＬＥＤは、実質的に同様のスペクトルを有していても、実質的に異なるスペクトルを有していてもよい。例えば、異なるスペクトルは、赤、オレンジ、黄色、緑、青、藍、紫、紫外線、または赤外線、あるいは白色の異なる色温度を含み得る。
【００２３】
図２Ａは、例示的なＬＥＤの実施形態の正面図である。図１Ｂを参照すると、ＬＥＤ１０１は、プリント回路基板（ＰＣＢ）２０２に装着した１４４個のＬＥＤパッケージ２０１を具える。ＬＥＤは、内側リングまたは内周部２２１、中間リングまたは中周部２２２、および外側リングまたは外周部２２３に配置されている。中周部２２２は外周部２２３と交差していない。最内周部２２１は、中周部２２２と交差していない。ワードリングと外周部は互換的に使用される。図に示すように、外側リングは内側リングよりも多くのＬＥＤを有する。内側リング２２１は２４個のＬＥＤパッケージを有し、中間リング２２２は４８個のＬＥＤパッケージを有し、外側リング２２３は７２個のＬＥＤパッケージを有する。外側リング２２３は、中間リング２２２及び最内側リング２２１と同様に、全てのＬＥＤを包囲している、周囲を取り囲んでいる、封入している、あるいは含有している。中間リング２２２は内側リング２２１を含む。少なくとも一の開放領域２０５ａが中間リング２２２と外側リング２２３との間に設けられている。少なくとも一の開口領域２０５ｂが、内側リング２２１と中間リング２２２との間に設けられている。少なくとも一の開放領域２０５ｃが内側リング２２１内に設けられている。開放領域２０５ａ、２０５ｂおよび２０５ｃによって、空気が流れる。
【００２４】
複数のリングにまたがってＬＥＤを広げることは、すべてのＬＥＤを含む単一のリングよりも、またはすべてのＬＥＤが中央領域に集中している場合よりも、利点を提供することができる。複数のリングを横切ってＬＥＤを配置することで、外周内に含まれる表面にわたって熱的にＬＥＤをより均一に分布させることができるようになり、それによってより多くのＬＥＤを表面上に配置しても、熱を小さくできる。様々な実施形態において、ＬＥＤは、ＬＥＤのリング間に少なくとも１つの開口部を具えている。
【００２５】
図２Ｂは、ＬＥＤ間の例示的な開口または開口領域の概念を示す図である。図に示すように、ＬＥＤ（例えばＬＥＤ１０１）は少なくとも３つのＬＥＤ２０７乃至２０９を具えており、各ＬＥＤ２０７乃至２０９は それぞれプリント回路基板（ＰＣＢ）２１１乃至２１３上に取り付けられている。ＰＣＢ２１１乃至２１３は、機械的に分離されていても、機械的に互いに接続されていてもよい。例えば、点線は、ＰＣＢ２１１乃至２１３のうちの少なくとも２つに機械的に接続しているＰＣＢ、または他の材料を表している。外側ＬＥＤ２０７乃至２０９によって外周２１６が形成されている。外周２１６は、システム内の全てのＬＥＤを含む、包含する、包囲する、または含んでいる。ＰＣＢ開放領域２２１は、外周２１６内およびＰＣＢ２１１乃至２１３の間に形成されており、ＬＥＤ間を空気が流れることができる。
【００２６】
図２Ｃは、ＬＥＤ間の例示的な開口部または開口領域の概念を示す図である。図２Ｂを参照すると、ＬＥＤは更に、外周２１６内に含まれる内周２２６を具える。図に示すように、内周は、３つのＬＥＤ２２７乃至２２９によって形成されている。ＬＥＤ２２７乃至２２９は各々、それぞれＰＣＢ２３１乃至２３３上に搭載されている。この内周２２６を形成するＬＥＤ２２７乃至２２９のうちの少なくとも１つは、外周２１６を形成するＬＥＤ２０７乃至２０９と異なっていてもよい。外周部２１６と内周部２２６は互いに交差していない。外周部２１６は、内周部２２６を封入している。ＰＣＢ２２７乃至２２９は、機械的に分離されていてもよく、または機械的に互いに接続されていてもよい。例えば、点線は、ＰＣＢ２２７乃至２２９のうちの少なくとも２つを機械的に接続するＰＣＢ、または他の材料を表している。内周部２２６は、少なくとも１つの内側開口領域２２５を具えており、ＬＥＤ間の空気流を可能にする。内周２２６は、外周２１６に完全に含まれている。光学系（図示せず）を有する内周２２６を追加することによって、ＬＥＤが発生する熱を、外周部によって画定され境界を定められた表面にわたって最適に広げることができ、放熱が改善されて、その結果、ヒートシンク表面全体の温度分布が均一になる。
【００２７】
様々な実施形態では、ＬＥＤ２２７乃至２２９の少なくとも一つを、ＬＥＤ光学素子を具える機械構造のエッジ付近または外周近傍に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、ＬＥＤ２２７乃至２２９は光学素子のエッジから２５ｍｍ以内に取り付けることができる。図１Ｂ乃至図２Ｂを参照すると、では、ＬＥＤ２２３の外側リングは、ヒートシンク１０２の直径エッジの２５ｍｍ以内に取り付けられている。
【００２８】
一次光学系
一次光学系は、少なくとも一のＬＥＤからの光の少なくとも一部を第１の光分布に方向変換させる。この光学系の種類は非常に一般的であることを意図しており、反射または屈折またはそれらの組み合わせなどの機構を介して光を方向転換させることができる。反射または屈折素子は、凸レンズ、凹レンズ、空気複合放物面型反射体（空気ＣＰＣ）、誘電複合放物面型反射体（誘電ＣＰＣ）、フレネルレンズ、全内部反射レンズ（ＴＩＲ）、屈折率分布型レンズ、回折レンズ、マイクロレンズ、マイクロ構造体、回折光学素子、セグメントレンズ、ＲＸＩレンズ、光ガイドまたは光ガイドテーパまたはそれらの組み合わせを具える。一次光学系は、単一の光学素子または光学素子アレイからなる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、ＬＥＤシステムは、各々のＬＥＤが自身の光学素子を有する少なくとも３個のＬＥＤを具えている。少なくとも３つのＬＥＤによって形成された外周部内では、光学系およびＬＥＤ内に少なくとも１つの開放領域を形成することができ、それによって、ブロックされた開放領域と比較して、空気流が改善される。
【００３０】
いくつかの実施形態では、ＬＥＤシステム１０１は、少なくとも３つのＬＥＤパッケージと、少なくとも一つの光学素子を有している。光学素子はＬＥＤによって共有できる。光学素子は開放領域を有していてもよい。少なくとも３つのＬＥＤによって形成された外周部は、少なくとも１つの開口領域を具える。光学素子およびＬＥＤの開放領域は、空気流を改善できる。例示的な例では、光学素子は、例えばプリズム状反射体、鏡、またはアルミニウム金属反射体などの反射体であってもよい。そのような反射体構造は、空気流を可能にする開放構造を有していてもよい。
【００３１】
図３は、少なくとも一の光学素子３０１を有する主光学系の背面図を示す。図１Ａ乃至３を参照すると、各光学素子３０１は、ＬＥＤ１０１の少なくとも一のＬＥＤパッケージ２０１に対応する。光学素子３０１は、少なくとも一のＬＥＤパッケージ２０１からの生の光出力の少なくとも一部を第１の光分布に方向変換させる。図に示すように、１４４個の光学素子３０１がある。光学素子３０１は、２４個の光学素子でなる内側リング３２１が内側リング２２１のＬＥＤパッケージ２０１に対応し、４８個の光学素子からなる中間リング３２２が中間リング２２２のＬＥＤパッケージ２０１に対応し、７２個の光学素子からなる外側リング３２３が外側リング２２３のＬＥＤパッケージ２０１に対応するように配置されている。個々の光学素子３０１は、ホルダ３０２によって互いに保持されており、組み立てを容易にするために互いに保持された共通の機械的ユニットを形成している。光学系の材料は、実質的に光透過性であり、アクリル、ポリカーボネートまたはガラスなどの材料を含む。材料がプラスチックの場合、材料は射出成形または圧縮成形技術を用いて製造することができる。
【００３２】
図４Ａは、例示的なＬＥＤからの生の光出力分布を示す。図に示すように、例示的なＬＥＤパッケージ４０１からの生の光出力４０２は、半値全幅ビーム角（ＦＷＨＭ）が約１２０度（１２０°）の分布において実質的にランバート分布である傾向にある。一次光学系の目的は、この生の出力の少なくとも一部を、第１の光分布全体に方向変換させることである。いくつかの実施形態において、第１の光分布は、ＦＷＨＭが＜１２０°であり、例えばＦＷＨＭが＜１００°、または＜９０°である。
【００３３】
図４Ｂは、例示的なＬＥＤパッケージからの生の光出力の少なくとも一部を方向変換させる反射面を有する反射体を示す。結果として生じるトータルの光は、方向変換された光と方向変更されていない光を含み、第１の光分布４０３を形成する。反射面４０４は、適切な形状の基板材料上に金属コーティングすることによって形成され、入射光を第１の光分布の少なくとも一部に反射させる。このような場合、光は基板材料を透過しないので、基板材料は光透過性である必要はない。いくつかの実施形態では、反射面４０４の少なくとも一部は、実質的に、複合放物線状集光器（ＣＰＣ）の形状であるか、またはその形状に基づくものであってもよい。
【００３４】
図４Ｃは、全反射（ＴＩＲ）レンズの光出力分布を示す。入力屈折面４０６、４０７は、ＬＥＤ４０１からの生の光出力４０２の少なくとも一部を屈折させる。入力面４０７によって屈折した光の少なくとも一部は、出射面４０９でさらに屈折する。入力面４０６によって屈折した光の少なくとも一部は、ＴＩＲ表面４０８で反射して、次いで出射面４０９で屈折する。結果として生じるトータルの光が第１の光分布４１０を形成する。
【００３５】
図４Ｄは、誘電体ＣＰＣの光出力分布を示す。入力面４１２は、ＬＥＤ４０１からの生の光出力４０２の少なくとも一部を屈折させる。入力面４１２によって屈折した光の少なくとも一部は、出射面４１４でさらに屈折する。入力面４１２によって屈折した光の少なくとも一部は、さらに面４１３で全反射して、次いで出射面４１４で屈折する。結果として生じるトータルの光が第１の光分布４１５を形成する。図に示した例では、面４１４、４１２は実質的に平坦である。いくつかの実施形態では、面４１４、４１２のどちらかの少なくとも一部分が湾曲していてもよい。
【００３６】
図４Ｅは、明らかに凸状に湾曲した出力面または出射面を有する誘電体ＣＰＣの光出力分布を示す。図に示すように、第１の光分布４１７は、明らかに凸状に湾曲した出力面４１６から生じる。出力面４１６は、有利なことに、第１の光分布４１５中の広角光線を、より広角でない光を有する光分布４１７に減少することができる。結果として生じる光分布４１７はグレアを低減することができる。
【００３７】
図４Ｆは、一の光学系に対応する複数のＬＥＤパッケージを有するＬＥＤシステムの側面を示す。図に示すように、光学素子４２１は少なくとも３つのＬＥＤ４２０（第３のＬＥＤは図示せず）によって共有されている。光学素子４２１は、開口領域４２２を具える。外周部内は、少なくとも３個のＬＥＤ４２０で形成されており、開口領域４２５を具える。様々な実施形態において、外周部は複数の開口領域を具えている。光学素子４２１とＬＥＤ４２０によって形成されているような開放領域４２５により、改善された空気流４２３、４２４ができる。例えば、光学素子４２１は、例えばプリズム反射体、またはコーティングされたミラー、またはアルミニウム金属反射体、などの反射体である。一般的に、このような反射体は空気が自由に流れるように、開放構造である。
【００３８】
図５Ａは、例示的な一次光学素子の底面図である。図１および３を参照すると、ＬＥＤシステム１０１は、７２個の外側光学素子３０１で形成された外周部５０１を具える。外周部５０１は、残りの光学系３０１をすべて包含する。１４４個の光学素子は全て、ホルダ３０２で互いに連結されており、共通の機械ユニットを形成している。図に示すように、ＬＥＤシステム１０１は、外側リング５０１、中間リング５１０、および内側リング５１１を具える。各リング５０１、５１０、及び５１１は、複数のＬＥＤを有する。外側リング５０１は、中間リング５１０と内側リング５１１の両方を具えている。中間リング５１０は、内側リング５１１を具えている。リング５０１は、少なくとも一の光学的開放領域５０２ａを有する。リング５１０は、少なくとも一の光学的開放領域５０２ｂを有する。リング５１１は少なくとも一の光学的開口領域５０２ｃを有する。この開放領域５０２ａ乃至５０２ｃによって、空気流ができる。
【００３９】
図５Ｂは、外周を形成する少なくとも３つの光学素子を有する光学系の例示的な開口部の概念図である。少なくとも３つの光学系５０３乃至５０５は、外周部５０６がＬＥＤシステム（例えば、ＬＥＤシステム１０１）内の残りのいずれかの光学系を含む、これを囲む、またはこれに及ぶように、外周５０６を形成している。光学系５０３乃至５０５は、機械的に分離されていてもよく、あるいは互いに機械的に接続されてもよい。例えば、点線は、少なくとも２つの光学系５０３乃至５０５を機械的に接続するレンズホルダの一部を表している。各光学部品５０３乃至５０５は、ＬＥＤパッケージ（例えばＬＥＤパッケージ２０１）に対応する。光学的開口領域５０８は、光学系５０３乃至５０５間の周囲５０６内に形成されている。この光学開口領域５０８によって、空気流ができる。
【００４０】
図５Ｃは、外周部内の例示的な開口部の概念図である。図５Ｂを参照すると、少なくとも３つの光学系２３乃至５２５によって形成された第２の内周部５２６が、外周部５０６に含まれている。いくつかの実施形態では、光学素子５２３乃至５２５のうちの少なくとも一つに対応するＬＥＤの少なくとも一つが、光学素子５０３−５０５のうちの少なくとも１つに対応するＬＥＤのうちの少なくとも一つと異なっている。各光学素子５０３乃至５０５、５２３乃至５２５はＬＥＤパッケージに対応している。図に示すように、外周部５０６と内周部５２６は互いに交差していない。光学系５２３乃至５２５は、機械的に分離されていてもよく、あるいは機械的に互いに接続されていてもよい。例えば、点線は、光学系５２３乃至５２５のうちの少なくとも２つを機械的に接続するレンズホルダの一部を表している。内周部５２６は少なくとも１つの内側開口領域５２８を具えており、空気流を作っている。図に示すように、内周部５２６は、外周部５０６内に完全に収容されている。光学素子を有する内周部５２６の追加によって、外周部５０６によって画定され境界を定めた表面にわたってＬＥＤを最適に広げることができる。これによって、放熱性が向上し、ヒートシンク表面にわたる温度分布がより均一なものになる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、少なくとも一つの光学素子は、光学系全体を構成する構造の外周近傍に取り付けるようにしてもよい。様々な実施形態において、光学素子の少なくとも一部が、ＬＥＤシステムの端から２５ｍｍ以内に取り付けられている。図２Ａおよび３Ａを参照すると、光学部品の外側リング３２３は、ＬＥＤの外側リング２２３に対応する。外側リング３２３は、ヒートシンク１０２の直径端部の２５ｍｍ以内に取り付けることができる。
【００４２】
光照度分布または光学的配光は、光源から異なる角度で光がどのように放射されるかによって測定される。トータルでの可能な分布は、４つのＰＩステラジアン（４π）として知られる球体への分布である。可視光強度の通常の単位は、ステラジアンあたりのカンデラ（ｃｄ）またはルーメン（ｌ）である。配光を典型的に表わすのは、球をスライスして、放射単位がカンデラである極座標プロットの形で、光強度をプロットすることである。
【００４３】
図６Ａは、ＬＥＤから出力される生の光のランバート光強度分布の例示的な光強度を示す極座標プロットである。ＬＥＤは、実質的に、下半球内に光６０１を放射する。中心光軸６０２は、極座標プロット上でゼロ度（０°）にある。高天井用照明、街路灯用照明、ＰＡＲ、ＭＲ、ＢＲ、ＡＲを含む指向性照明用途の場合、大部分の光は、光軸６０２の方向で光学系の前の有用な領域を照らすことを意図している。有用な光の領域６０３は、中心光軸６０２から±５０°と定義されている。±５０°より大きく±９０°より小さい領域は、グレアゾーン６０４と定義される。ランバート分布の場合、かなりの光がグレアゾーン内にあり、無駄になるだけでなく、視覚的な不快感の原因にもなっている。グレアゾーン６０４に放射される光を最小限に抑え、光学素子を介してこの光を有用域６０３により効率的に方向転換することが非常に望ましい。有用領域６０３およびグレア領域６０４は、概して大部分の光が放射される下半球を形成する。上半球６０５は、アップライトゾーン６０５と呼ばれる領域を定義している。このアップライトは、光がどれだけ良好に天井を照らすことができるかを定義する。様々な実施形態において、アップライトは必要であり、あるいは必要とされない。
【００４４】
図６Ｂは、一方の半球のみにおける光強度分布を示すようにｘ軸を０−９０°の範囲でプロットしたデカルト座標の配光分布を示す図である。
【００４５】
関心のある平面 における照度プロファイルＥ（θ）は、次式によって計算される。
2019532457.tif 000003
ここで、角θとｈにおけるカンデラ強度分布Ｉ（θ）は、照明器具から照度を計算する平面への高さに等しい。この平面は、例えば、作業面または床であってもよい。照度の一単位は、1 平方メートルあたりのルーメン（１／ｍ２）またはルクスである。
2019532457.tif 000004
からの照度Ｅ（θ）は、（ｃｏｓθ）３で、急速に減少することに留意されたい。より均一な照度Ｅ（θ）を得るには、θと共に値を増加させて光強度分布Ｉ（θ）を少なくとも部分的に補償し、（ｃｏｓθ）３と共に減少を相殺する必要がある。いくつかの実施形態では、このＩ（θ）の補償は、中心軸から１５−４５°の軸外領域へ離れてゆく光強度分布Ｉ（θ）のピークとして現れる。様々な実施形態において、光強度は、中心から、中心からの相対横方向距離０．７までの変動が、中心照度の少なくとも４０％であるような相対照度プロファイルとなる。相対横方向距離は、高さｈで割った中心軸６０２から横方向の距離Ｄとして定義され、ここで、横方向の距離はＤ＝ｈ・ｔａｎθであり、高さｈは、ＬＥＤシステムの高さｈである。このように、相対横方向距離は、単に、ｔａｎθである。
【００４６】
少なくとも一の光学部品と組み合わせた少なくとも一のＬＥＤによって生じる光分布は、グレア、有用ゾーン内の光量、アップライト、相対照度均一性、およびレベルまたは照度などのパラメータを決定する。様々な実施形態において、この光分布は、以下の要件の一又はそれ以上の１つ以上を満たす。
ａ．光強度分布Ｉ（θ）のピークは中心軸ではなく、中心から１５−４０°の領域にある。
ｂ．光強度Ｉ（θ）は、中心から相対横方向距離０．７（ｔａｎθ ＝ ０．７）までの変動が、中心照度の少なくとも４０％であるような相対照度プロファイルになる。
ｃ．下半球の全光の少なくとも８５％が有効領域にある。
ｄ．グレアゾーンに入るのは光の２０％以下である。
ｅ．グレアゾーン６０４内の最大カンデラは、中心軸６０２カンデラの１５％以下である。
ｆ．全光の少なくとも７０％が有用領域６０３にあり、少なくとも７．５％の光がアップライト領域にある。
ｇ．少なくとも５％の光がアップライト領域にある。
【００４７】
図６Ｂ乃至６Ｆは、様々な異なる光分布の特性を示す図である。既存のＡｃｕｉｔｙ社のＨＩＤ４００Ｗ冶具からの第１の光分布。第２の光分布は、ＬＥＤランバート分布の一例を示す。第３の光分布は、ＬＥＤガウス分布からのものである。第４の光分布は、例示的なＬＥＤターゲット分布からのものである。これらの光分布の特性が表１乃至３にまとめられている。
【００４８】
2019532457.tif 000005
【００４９】
2019532457.tif 000006
【００５０】
2019532457.tif 000007
【００５１】
最初の光分布は、既存の商業照明である、Ａｃｕｉｔｙ  Ｈｉｇｈ  Ｂａｙ  ＨＩＤ（ＴＨＤ  ４００ＭＰ  Ａ１５  ＴＢ  ＬＰＩ）システムである。このＡｃｕｉｔｙ  ＨＩＤ照明器具は、後の３つのＬＥＤシステムと比較するための基準として使用されている。表１にまとめたように、Ａｃｕｉｔｙ  ＨＩＤ照明器具は、最初に４０，０００ルーメンのＨＩＤランプと、光を方向変換する損失３０％の持つリフレクタを使用している。このように、Ａｃｕｉｔｙ  ＨＩＤは照明器具効率が７０％である。さらに、Ａｃｕｉｔｙ  ＨＩＤ照明器具の光維持率は６３％である。光維持率は、例えばランプ内腔の償却または汚れの蓄積などの他の損失の問題の主要因となる。一般的に、ＨＩＤシステムは、ＬＥＤシステムよりもはるかに高いルーメン劣化を示し、その結果、ＨＩＤは、８５％のＬＥＤシステムよりも悪い６３％の光維持率となる。照明器具効率と光維持率の後の正味ルーメンは、１７，６４０ルーメンである。図６Ｂに示すように、Ａｃｕｒｉｔｙ  ＨＩＤの光分布６１０は、１７，６４０ルーメンに基づいて計算されている。図６Ｆは、中心軸６０２上から様々な角度までの累積積分光を示しており、様々なゾーン内の全光の表示を提供している。Ａｃｕｉｔｙ ＨＩＤ照明器具の場合には、図６Ｆと表２が、ＡｃｕｒｉｔｙＨＩＤ光分布６５０が有用領域６０３で約７８．５％である一方で、２１．５％のエネルギーがグレア領域６０４で浪費されている。したがって、有用領域６０３では１３，８４１ルーメンのみがあり、グレアゾーンで３，７９９ルーメンが無駄になっている。図６Ｃは、中心値に正規化された光分布を示す。図に示すように、ＨＩＤ正規化光強度分布曲線６２０は、グレアゾーン６０４内の最大カンデラが中央カンデラ値の６９．８％と非常に高いことを示している。図６Ｄは、２０フィート（ｈ ＝ ２０）に等しい高さにおける計算された照度をルクスで示している。Ｘ軸は、中心軸６０２からの相対横方向距離であり、横方向距離を高さで割った値、または単にｔａｎθとして計算される。表３に対応するＨＩＤ照度６３０は、約１８６ルクスの中心ピークを示す。図６Ｅは、中心軸照度に対して正規化された相対照度６４０の均一性を示す。図６Ｅおよび表３は、相対横方向距離０．７で、５６％の相対照度といった最悪の結果となる、ＨＩＤ光分布を表す曲線６４０を示している。
【００５２】
二番目の光分布は、実質的にランバート分布６１１（図６Ｂ参照）を有するＬＥＤシステムの一例である。このような分布は、光学素子による方向変換を伴わない生の典型的なＬＥＤ放射である。生のＬＥＤ出力は１８，０００ルーメンである。１００％の照明器具効率および８５％の光維持率を考慮すると、正味のルーメンは１５，３００ルーメンに減少する。光分布６１１は、１５，３００ルーメンを反射するように調整されている。表２と累積光度曲線６５１を参照すると、ランベルト光分布６１１は、グレアゾーン６０４で約３９．７％の光（６，０７５ルーメン）が無駄に消費され、有用ゾーン６０３では６０．３％（９，２２５ルーメン）のみとなる、顕著なグレアを有する。図６Ｄと表３にまとめたものを参照すると、結果として生じる照度６３１は、中心値４７４０ルクスを有し、これは６９１５ルクスのＡｃｕｉｔｙ  ＨＩＤの基準ケースよりも著しく低い。図６Ｃと表３にまとめたものを参照すると、ランバート分布相対強度６２１は、グレアゾーン６０４で中心強度に対して６４．３％の相対最大カンデラを示す。図６Ｅと表２にまとめたものを参照すると、曲線６４１は、０．７の相対横方向距離で４５％の相対照度の最悪の場合のランバート光分布となっている。
【００５３】
ガウス光強度プロファイルは、広い分類にわたる強度プロファイルを表すことを意図している。プロファイルは、厳密にガウス形状である必要はなく、むしろ０°の中心光軸にほぼ近いピーク強度を持ち、その後より大きな角度で強度が減少する、すなわち中心光軸６０２から離れてゆく、光分布である。このような光強度分布Ｉ（θ）は、（ｃｏｓθ） ３の低下を補償することができず、その結果、概して非常に不均一な照度プロファイルとなる。ガウス分布を広げると（ｃｏｓθ）3を補正することができず、同時に非常に高いグレアと軸照度の大幅な低下を招く可能性がある。ガウス様形状は、典型的には、例えば単純なレンズ、ＴＩＲ、または単純な反射体などの単純な光学系を用いて作ることができる。
【００５４】
図６Ｂおよび表１を参照すると、３番目の光分布６１２はＬＥＤガウス分布の一例であり、これは１００％の照明器具効率および８５％の光維持率で割り引いた合計１８，０００ルーメンに基づいて、１５，３００ルーメンを反射するように調整されている。ガウス形状およびＦＷＨＭは、更に４番目の分布６３３と一致するように中心ピークを７６６１ｃｄに設定することによってさらに決まる。この実施例における総ルーメンは、ランバート分布と同じであるが、７６６１ｃｄの中心ピーク強度は、ランバート分布やＡｃｕｉｔｙ  ＨＩＤより高い。しかしながら、累積光度曲線６５２（図６Ｆおよび表２参照）は、グレアゾーン６０４内の全光の２７．４％という、比較的高いグレアを示している。この結果、有効ゾーン６０３内の１１，１１５ルーメンおよびグレアゾーン６０４内の４，１８５ルーメンとなる。また、相対カンデラ曲線６２２（図６Ｃおよび表３参照）は、グレアゾーン６０４で３３％の相対最大カンデラを示す。グレア光のその部分とグレアゾーン６０４の最大カンデラは、Ａｃｕｉｔｙ  ＨＩＤとランバート分布の両方にわたって改善されるが、グレアはまだ比較的高い。更に、グレアは照度均一性を犠牲にして改善される。照度曲線６３２（図６Ｄおよび表３を参照）は７６６１ルクスの中心照度を示すが、中心から相対横方向距離０．７までの照度６４２の変動は約３２％であり、これはＡｃｕｉｔｙ  ＨＩＤやランバート分布よりも悪い。
【００５５】
図６Ｂは、１００％の照明器具効率および８５％の光維持率に応じた合計１８，０００ルーメンに基づいて、１５，３００ルーメンを反射するように調整されたターゲットＬＥＤ光分布６１３を示す。光分布６１３は、光分布の好ましい実施形態を表す一般的な種類のプロファイルを示している。このクラスのプロファイルは、同時に、より低いグレアおよびより優れた照度均一性を提供する。この特性は、所定の角度範囲について、角度θで光強度分布Ｉ（θ）を増加させることによって（ｃｏｓθ＞）３の照度の低下を部分的に補償することで達成できる。この結果、中心から約１５−４５°の領域で中心軸から離れたところにピーク強度がくる。特定の分布６１３は、約２４°にピーク強度がある。別の特徴である強度は、グレアゾーン６０４においてピークから比較的低い値へ光分布を下げることによってグレアを最小にする。これは、ランバート分布またはガウス強度分布のいずれかの特徴である強度に、より急峻なロールオフを必要とする。図６Ｃおよび表３の要約を参照すると、相対強度６２３は、図に示すように、２４°で約１１５％のピークからグレアゾーン６０４においては６．９％未満となる。この急激なロールオフは２６°以内で生じる。この結果、図６Ｆに示すように、累積光レベル曲線６５３となり、また、表２に要約されているように、グレアゾーンの光がわずか０．３％（４０ルーメン）であり、有効ゾーンの全光が約９９．７％（１５，２６０ルーメン）になる。したがって、グレアは、Ａｃｕｉｔｙ  ＨＩＤ、ランバート分布、またはガウス分布を超える大幅な改善になる。同時に、図６Ｄに示すように、照度プロファイル６３３は、中心照度が２０６ルクスで始まる相対横方向距離０．７にわたって著しく高い。さらに、中心から相対横方向距離０．７までの照度の変動は、中心照度の約５９％である。したがって、４つの分布のうち、ターゲット分布は、グレアが最も低いだけでなく、中心カンデラが最も高く、照度が最も高く、中心照度が最も高く、照度均一性も最も良好である。生の１８，０００ルーメンしかないＬＥＤ  Ｔａｒｇｅｔの光分布６１３は、４０，０００ルーメンの２倍以上の生の光レベルを持ち、従来のＡｃｕｉｔｙ  ＨＩＤ照明器具大幅に上回っている。
【００５６】
いくつかの実施形態では、ターゲット光強度分布の特性は、好ましくは図６Ｄに示す誘電体ＣＰＣ光学系、あるいは、図６Ｅに示す湾曲した出力を有する誘電体ＣＰＣ光学系を使用して達成される。
【００５７】
いくつかの実施形態では、一番目の光分布またはターゲット分布が、以下の要件の一又はそれ以上を満足している：
ａ．光強度分布Ｉ（θ）のピークが中心軸ではなく、中心から１５°−４５°の領域にある。
ｂ．光強度分布Ｉ（θ）は、中心から相対横方向距離０．７までの照度の変動が中心照度の少なくとも４０％であるような相対照度プロファイルをもたらす。
ｃ．下半球内の全光の少なくとも８５％が有用領域６０３内にある。
ｄ．グレアゾーン６０４内の光が２０％以下である。
ｅ．グレアゾーン６０４内の最大相対強度が、中心強度の１５％以下である。
【００５８】
ヒートシンク
ヒートシンクは、例えば、ダイキャスト、押出し成形、スカイビング、折り畳みフィン、およびシートメタル などの当技術分野において周知の複数のプロセスによって製造することができる。ヒートシンク材料には、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金または熱伝導性プラスチックがある。このような熱伝導性プラスチックは、１Ｗ／Ｍ−Ｋより大きい熱伝導率を有する射出成形のようなプロセスで製造することができる。このような熱伝導性プラスチック材料を提供している会社の一つはＣｅｌａｎｅｓｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎである。一般に、ヒートシンクは、共通の基部に取り付けられたピンまたはフィンなどの構造を構成する表面積の大きな細長い構造の領域で構築されている。この大きな表面積は、ヒートシンクから空中へ熱を放散させるために使用される。これらの細長い構造は、一般に共通の基部に取り付けることによって互いに機械的に保持される。本開示のいくつかの実施形態では、基部が実質的に平面であり、ＬＥＤおよび／または光学部品を取り付ける機械的構造体として機能する。
【００５９】
図７Ａは、ヒートシンクを有する例示的なＬＥＤシステムの断面図である。ＬＥＤシステムは、ヒートシンク７０１と、少なくとも３つのＬＥＤ７０２と、ＬＥＤ７０２に対応する一連の光学部品７０３を具える。ＬＥＤ７０２は、ヒートシンク７０１に熱的及び機械的に接触している。ヒートシンク７０１は、フィン又はピンなどの、一連の細長い構造７０４を有しており、ＬＥＤ７０２から発生した熱を周囲の空気に放散させる。これらの細長い構造７０４は、実質的に平担であるヒートシンクベース７０６に機械的に取り付けられている。ヒートシンク７０１は、７１２または７０５のような少なくとも１つの開口部を有している。外側ＬＥＤ７０２の少なくとも３つは、外周部７１１を形成している。一連の光学部品７０３は、少なくとも１つの開口部７１３、７０７を有する。開口部７１３、７０７は、ヒートシンク７０６の少なくとも一の開口７０５、７１２と少なくとも部分的に重なっている。これらの開口部が一緒になって、ＬＥＤシステムの前面からヒートシンク７０１の細長い領域７０８−７０９の内部に沿って、直接的で妨げのない気流が流れ、それによって熱の放散を改善している。
【００６０】
図７Ｂは、ＬＥＤ位置を明らかにするために光学部品を取り外した例示的なＬＥＤシステムの正面図である。図に示すように、ＬＥＤシステムは、少なくとも３つのＬＥＤ７２０で形成された少なくとも一の内周部７２１を具える。内周部７２１を形成する少なくとも一のＬＥＤ７２０は、外周部７１１を形成するＬＥＤ７０２とは異なっている。内周部７２１は、外周部７１１の上を横切っていない。図に示すように、外周部７１１は、内周部７２１を封入している。内周部７２１内には、７１２などの少なくとも１つの開口があり、改善された空気流にする。
【００６１】
このような開口７０５、７０７、７１２及び７１３、または開放領域７０８及び７０９がないと、空気は、ヒートシンク７０１の前面からヒートシンク７０１のエッジの周りを流れ、次いでヒートシンク７０１の内側７０９へ戻る、といった間接的な経路をとる必要がある。この間接的な迂回経路は空気流の抵抗を増加させ、空気流を減少させて、ヒートシンク７０１の周りを流れるプロセスが空気を加熱して、空気がヒートシンク７０１の内側７０９に到達する時間までに冷却能力が大幅に低下することになる。したがって、開口部７０５、７０７、７１２及び７１３は、ヒートシンクの細長い領域７０４の内側へ改善された直接的な冷気の空気流を流し、その結果、熱抵抗が著しく改善されることになる。
【００６２】
空気流はまた、細長い構造体の真上の細長い構造体７３０を出て、ＬＥＤシステムの前から実質的に垂直な軸にある低空気抵抗経路を通ってＬＥＤシステムの後ろに出ることができる。
【００６３】
少なくとも１の開口７０５、７０７、７１２及び７１３または開放領域７０８及び７０９は、空気流を改善し、以下の基準のうちの少なくとも１つを満たしている：
ａ．ヒートシンクベース、光学部品、およびＰＣＢの開放領域は、外周領域の少なくとも２５％である。
ｂ．改善された空気流は、このような開口７０５、７０７、７１２及び７１３が覆われていた場合よりも少なくとも５％、１０％または２０％熱抵抗を減少させる。
ｃ．改善された空気流は、このような開口部が塞がれている場合よりもヒートシンクの平均温度を少なくとも５℃低減する。
ｄ．改善された空気流は、このような開口部が塞がれている場合よりもヒートシンクの最大温度を少なくとも５℃低減する。
ｅ．空気は、光学システムの前面からヒートシンクベースを通って細長い構造体へと実質的に垂直な流路を流れ、細長い構造体の上に直接出てゆく。
【００６４】
図８Ａ乃至８Ｆは、細長い構造のヒートシンクを有する例示的なＬＥＤシステムを示す図である。図８Ａは、等角図である。図８Ｂは、ある距離で光学部品を取り外した状態の分解図である。図８Ｃは、光学部品を取り外して、少なくとも３つのＬＥＤを示すＬＥＤシステムの正面図である。図８Ｃは光学部品の正面図である。図８Ｅは、ＬＥＤシステムの正面図である。図８Ｆは、図８Ｅを参照したＬＥＤシステムのＬ−Ｌ線に沿った断面図である。ＬＥＤシステム８００は、一連のピン８０３を有するヒートシンクと、ヒートシンクベース８０２と、少なくとも３つのＬＥＤ８０４と、光学部品アレイ８２０とを具える。この光学部品アレイ８２０は、少なくとも３つのＬＥＤ８０４に対応する少なくとも３つの光学部品８２４からなる。最も外側のＬＥＤ８０４のうちの少なくとも３つが外周部８０９を形成し、そこからすべてのＬＥＤ８０４が含まれている。外周部８０４内には、少なくとも一の開口部８０６及び８０５、８０８があり、改善された空気流を提供している。最も外側の光学部品８２４のうちの少なくとも３つが外周部８２９を形成している。外周部８２９内には、少なくとも一の開口８２６及び８２５、８２８があり改善された空気流を提供している。各光学部品８２４は、個々のＬＥＤ８０４に対応する。光学部品８２４は、その対応するＬＥＤ８０４から出力された生の光の少なくとも一部を第１の光分布に方向変換する。ＬＥＤ８０４および光学部品８２４は、本開示の他の部分に記載されている。ヒートシンク８０６及び８０５、８０８内の開口部は、光学素子８２４内の開口部８２５及び８２６、８２８のいくつかと少なくとも部分的に重なっている。例えば、図８Ｅおよび図８Ｆに示すように、ヒートシンク開口部８０６は光学素子開口部８２６と少なくとも部分的に重なっており、ヒートシンク開口部８０５は光学素子開口部８２５と少なくとも部分的に重なっており、ヒートシンク開口部８１１は光学素子開口部８２１と少なくとも部分的に重なっている。これらの開口部８０５及び８０６、８０８、８２５及び８２６、８２８は共に、ＬＥＤシステム８００の前面８３０からヒートシンクの細長い構造８０３の内部へ、そして細長い構造の上部８４０を出る、改善されたより直接的な垂直空気流路８３１、８３２を提供している。図に示す幾何学的形状により、空気がシステムの前面８３０からヒートシンクの内部８３１、８３２にある細長いピン構造８０３へ、ほとんど直接に、妨げられることなく流れる。
【００６５】
様々な実施形態において、外側ＬＥＤ外周部８０９は少なくとも一の内周部８１０及び８１１を具えており、各内周部８１０及び８１１は少なくとも３つのＬＥＤ８０４によって形成されている。内周部８１０及び８１１を形成する少なくとも一のＬＥＤ８０４は、外周部８０９を形成する少なくとも３つのＬＥＤ８０４とは異なる。内周部８１０及び８１１は少なくとも一の開口部８０６、８０８を有しており、改善された空気流を提供する。内周部８１０及び８１１は外周部８０９を横切っておらず、外周部８０９に封入されている。光学外周部８２９内には、少なくとも一の内周部８２０及び８２１が、少なくとも３つの光学系８２４によって 形成されている。内周部８２０及び８２１を形成する少なくとも３つの光学部品８２４のうちの少なくとも一の光学部品８２４は、外周部８２９を形成する少なくとも３つの光学系８２４とは異なる。内周部８２０及び８２１は、少なくとも一の開口部８２６、８２８を有しており、改善された空気流を提供する。これらの開口部８２６、８２８が塞がれると、空気８３２はヒートシンクの前部からヒートシンクの縁部の周りを流れ、次いでヒートシンクの内部に向かって流れることになる。この間接的な遠回りの経路は空気流の抵抗を増やし、気流を減少させる。ヒートシンクベース８０２の周りを流れるこのプロセスは、空気を加熱して、空気がヒートシンクの内部に到達する時間によって、著しく冷却能力を低下させる。ＬＥＤ８０４は、図８に示すように、ヒートシンクのベース８０２の表面にわたってほぼ均一に分布しているので、熱負荷の広がりを改善することができる。ヒートシンクベース８０２の開口も、ヒートシンク表面にわたって実質的に均一に分布しているので、ヒートシンクの内部へより均一な空気が流れるようになる。ヒートシンクベースにわたって熱負荷をより均等に分配することの重要さの一つは、ヒートシンクベースにわたって熱を分散させるあるいは伝導させる必要性が実質的に減少することである。ＬＥＤによって生成される熱のかなり多くは、ベースにわたって熱を分散させる必要なく、放熱構造に向けて後方に直接的に伝導される。いくつかの実施形態では、ベースの表面にわたる横方向の熱の拡散は、実質的にごくわずかである。ベースの熱拡散要件の低減、すなわち面内の横方向熱伝導率の要件の低減により、ベースを薄くすることができ、重量を減らし、空気流を改善する開口部を有するヒートシンクベース８０２内の穿孔が可能になる。いくつかの実施形態において、ヒートシンクベースは、０．５乃至４ｍｍの厚さである。図８Ａ乃至８Ｆにおいて、ＬＥＤ８０４は、ヒートシンクベース８０２のベースにわたって実質的に互いから熱的に絶縁されており、このベースは、開口部８０８の間で薄いスライバ８３１によってのみ接続されている。このスライバは、ベースにわたる熱伝導率より、ベースを単一の機械的ユニットとして保持する役割を持つ。
【００６６】
所定のアプリケーションにおいては、ＬＥＤシステム全体の重量制限がある。例えば、Ｕｎｄｅｒｗｒｉｔｅｒｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＵＬ）規格１９９３「Ｓｅｌｆ−Ｂａｌｌａｓｔｅｄ  Ｌａｍｐｓ  ａｎｄ  Ｌａｍｐ  Ａｄａｐｔｅｒｓ」の第５．４節では、ＨＩＤランプをＥ３９ソケットに置き換えることを意図して、ＬＥＤレトロフィットランプの最大重量を１．７ｋｇまで制限している。このようなレトロフィットランプは、例えば、２０１５年１１月２５日にＦｒａｎｋ Ｓｈｕｍにより出願された「ＬＥＤ照明」と題する米国特許出願第１４／９５２，０７９号の（［００１８２］）に、および２０１５年３月３１日にＦｒａｎｋ Ｓｈｕｍにより出願された「ＬＥＤ照明」と題する米国仮特許出願第６２／１４１，０１０号の図２９−３０に記載されている。これらの全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれている。一般的に、ヒートシンクは ＬＥＤシステムの重量のかなりの部分を占めることがある。ＬＥＤシステムはまた、例えば、ドライバ、光学部品、およびドライバハウジングの重量も含む。そのため、ヒートシンクの重量は１．７ｋｇ未満でなければならない。いくつかの実施形態では、ヒートシンクの重量は１ｋｇ未満であるが、それでもなお１０，０００ルーメンを超える光を発生する光学系からの熱を放散することが可能である。ダイキャストまたは押出し成形といった製造プロセスは、最小源の構造体のサイズおよび／またはアスペクト比を必要とする。例えば、ダイキャストおよび押出し成形は両方とも、１ｍｍ未満の、または１０：１を超えるアスペクト比を有する構造体サイズを製造することが困難である。フィンまたはピンなどのヒートシンク放散構造体の寸法、したがって重量は、熱放散条件ではなく製造上の制限によって決まる。したがって、ヒートシンクが必要以上に重くなる可能性がある。
【００６７】
重量が重要であり、いくつかのアプリケーションでは、シートメタルフィンが好ましい。シートメタルは１ｍｍ未満、０．６ｍｍ未満、または０．５ｍｍ未満の厚さにすることができ、同時に２０：１、または４０：１または８０：１より大きいアスペクト比にできる。
【００６８】
図９Ａ及びＢは、シートメタルフィンを有する例示的な様々なＬＥＤシステムを示す図である。ＬＥＤシステム９０６は、ヒートシンクベース９０２に取り付けた細長いシートメタルフィンなどの一連の熱伝達部材を有するヒートシンクを具える。少なくとも３つのＬＥＤ９０３が、ヒートシンクと熱的に連通している。図に示すように、外側のＬＥＤ９０３が外周部９０４を形成している。外周部９０４は少なくとも一の開口部９０５を具えており、ヒートシンクの内部９０７にＬＥＤシステムの前面９０６からの改良された空気流れを提供する。いくつかの実施形態では、このＬＥＤシステムが、少なくとも３つのＬＥＤ９０３で形成された少なくとも一の内周部９１４を具える。内周部９１４を形成しているＬＥＤ９０３のうちの少なくとも一つは、外周部９０４を形成しているＬＥＤ９０３とは異なる。この少なくとも一の内周部９１４は、外周９０４と交差せず、外周９０４によって封入されている。内周部９１４は、少なくとも一の開口９１５を具え、ＬＥＤシステムの前面９０６から、細長いフィンの内部９０７へ流れ、細長いフィン９１０の上に出てゆく、改善された実質的に直接的で垂直方向の空気流を提供する。
【００６９】
図１０Ａ及び１０Ｂは、少なくとも２つのフィンを有する例示的なヒートシンクの正面図である。ヒートシンクは、少なくとも２つのフィン１００１、１００６を具える。これらは実質的に同じサイズであり、共通の中心に向けて半径方向を向いており、ベース１００２に熱的に接触している。フィン１００１、１００６の少なくとも一つは、熱的および機械的に中央コラム１１００に取り付けられている。最も外側のＬＥＤ１００３の少なくとも３つは、ＬＥＤ１００３の組み合わせ、ＰＣＢ、および光学部品の間に形成された少なくとも１つの開口１００５を有する外周部１００４を形成して、改善された空気流を提供している。選択的な光学部品とＰＣＢは示されていない。図に示すように、ヒートシンクの周囲１００９におけるフィン１００１と１００６間の間隔は、中央領域１００８付近のフィンの間隔よりも大きい。このような放射状の配置では、最適な間隔を達成することは通常困難である。例えば、周囲１００９におけるフィン間隔が最適化されていると、中央領域１００８付近のフィン間隔は、効果的な空気流を提供するには近すぎる（例えば、＜３ｍｍ）ことになる。いくつかの実施形態では、内周部１０１４を形成するＬＥＤ１００３の少なくとも一つは、外周部１００４を形成するＬＥＤ１００３とは異なる。内周部１０１４は、外周部１００４を横切っておらず、外周部１００４によって囲まれている。内周部１０１４は、少なくとも一の開口部１０１５を具え、改善された空気流を提供している。
【００７０】
図１０Ｃ及び１０Ｄは、半径方向長さが異なるフィンを有する例示的なヒートシンクの正面図である。図に示すように、少なくとも２つの半径方向長さが異なるフィンである、第１の半径方向長さを有する第１のフィン１００１と、より短い半径方向長さを有する第２のフィン１０１０とを使用することによって間隔の問題を改善する変更がなされている。より短いフィン１０１０は、外周部１００４に向けて配置されている。この構成では、内側のフィンの間隔１０１８は、中央領域１００８にわたって実質的に改善されているが、一方で、外周部１００９、１０１９におけるフィンの間隔は、実質的に変化しないままである。
【００７１】
図１０Ｅ及び１０Ｆは、中央に開口を有する例示的なヒートシンクの等角図である。図に示すように、ヒートシンクは中央に開口１０１２を具え、さらに改善された空気流を提供している。
【００７２】
図１０Ａ乃至１０Ｆでは、ヒートシンク１００２の部分が、外周部１００４と内周部１０１４に対応する２つの機械的リング内で分離している。ベース１００２自体は、外周部１００４から内周部１０１４に熱を拡散することはできないので、２つの周囲部分は、実質的に互いに熱的に絶縁されている。各周辺リングで発生した熱の大部分は、ベース１００２を通って実質的に直接、後方のフィンの熱放散機構内に流れる。ＬＥＤ１０３を複数の周辺リングに広げることによって、ベース１００２の外周部の前面にわたって、熱をより均一に分配することが可能になる。各周辺リング１００４、１０１４内では、ＬＥＤがリングの円周にわたって実質的に均一に分配されている。つまり、リングに沿った熱の発生は実質的に均一であり、温度が実質的に均一であるので、熱はリングの円周に沿って広がる必要はない。発生した熱がベース１００２内で横方向にも半径方向にも円周に沿っても流れる必要がないので、ベース１００２の面内横方向の熱伝導率は大幅に減少する。 これにより、ベース１００２を非常に薄くし、空気流のための開口１００５、１０１５を穿孔することが可能になる。開口１００５、１０１５、及び最も薄いベース１００２は、ベース１００２を軽量にできるというさらなる利点がある。
【００７３】
図１１Ａ及び１１Ｂは、例示的なヒートシンクの平面図である。 図１１Ｂを参照すると、ヒートシンク１０２は、少なくとも二つの放熱フィン１１０１と１１０２を具え、各フィン１１０１、１１０２は放射状パターンに向けられている。フィン１１０１、１１０２の少なくとも一つは、中央コラム１１０３と、選択的にベース１１０４のいずれかに熱的および機械的に接続されている。接続方法には、圧着、リベット留め、ろう付け、はんだ付けまたはのり付け接着が含まれる。様々な実施形態において、少なくとも一のフィン１１０２は、他のフィン１１０１よりも半径方向長さが短くてもよい。短いフィン１１０２は、外周部に向けて配置される。このような構成では、フィン１１０１間の間隔１１０５が中心付近から増加し、空気流を改善するとともに、温度を低下させる。より短いフィンの他の利点は、重量が減ることである。
【００７４】
図１１Ｃは、例示的なヒートシンクの分解図である。図に示すように、ヒートシンク１０２は、中央コラム１１０３と、複数のフィン １１０１、１１０２と、ベース１１０４とを具える。
【００７５】
図１１Ｄおよび１１Ｅは、例示的な一対のフィンセットを示す。図に示すように、フィン１１１０、１１０２は、シートメタルなどの単一の材料片から製造され、そして形を整えて折り畳まれる。２つのフィン１１０１、１１０２は、平らなベース領域１１０７によって連結されている。平らなベース領域１１０７は、熱的および機械的にベース１１０４に取り付けられており、あるいは代替的にＰＣＢに直接取り付けてもよい。ＰＣＢに直接取り付ける場合、好ましい方法は、例えばエポキシ、シリコーン、または熱グリースなどの熱伝導性接着剤である。様々な実施形態において、平坦なベース領域１１０７は連続的でなくてもよく、間に開口１１０８を有していてもよい。これらの開口１１０８は、全ヒートシンク１０２に組み付けられたときに空気が流れるようにする。
【００７６】
いくつかの実施形態では、図９Ａ乃至１１Ｅの平坦な金属フィンに穴が開いていてもよい。この穴の目的は、空気がフィンを通って流れるようにすることであり、これは、フィンを具える光学システムが実質的に垂直位置に取り付けられていない場合に有利である。たとえば、光学系が垂直から水平に傾いている場合や水平になっている場合に、これら穴が、そのような向きでの気流の改善を提供する。いくつかの実施形態では、穴の面積は、特定のフィンの表面積の少なくとも２０％である。
【００７７】
光学アクセサリ
二次光学系又は光学アクセサリが一次光学系の前に配置されており、第一の光分布の少なくとも一部を第２の光分布全体に方向変換させる。いくつかの実施形態では、第１の光分布が光学アクセサリによって変更されて、二次光分布全体が：より広い、非対称、アップライトを提供、ルーバーの使用などのグレアの低減、光の拡散、通路の照明に適する、の一又はそれ以上となっている。
【００７８】
様々な実施形態において、一次光分布の大部分が光学アクセサリによって変更されることなく通過している。いくつかの実施形態では、一次分布の５％乃至７５％が実質的に変化していない。様々な実施形態では、光学アクセサリの開口部または開口領域は、影響を受けずにアクセサリーを通って光を通過させることができる。このような開口領域には、それを通過する光の方向を実質的に変えない平らな平行窓を設けることができるが、そのような窓は依然としてフレネル反射、または２つの表面の各々からの４％の後方反射を被り、光効率が８％低下することになる。したがって、材料が存在しないことで形成された開口部は、フレネル損失なしに最大効率を提供するので有利である。このような開口部にはまた、重量を減らし、空気流を提供できるというさらなる利点がある。
【００７９】
いくつかの実施形態では、光学アクセサリは、実質的に円形であってもよく、その中心に回転させることができて、アクセサリの非対称二次光分布が、アクセサリと共に回転する。
【００８０】
図１２Ａ乃至１２Ｃは、例示的な光学アクセサリの様々な図である。図１Ｂを参照すると、光学アクセサリ１０４はアップライトにするために使用されている。光学アクセサリ１０４は、一次光分布の少なくとも一部を方向転換させる光学部分１２０３を具える。いくつかの実施形態では、光学アクセサリは空気流を提供する開口部１２０１を有する。様々な実施形態において、光学アクセサリ１０４は、機械的取り付け機構を有しており、ＬＥＤシステムへの取り付けられるようにしている。例えば、機械的取り付け機構には、ねじ、スナップ、または磁石が含まれる。図に示す例では、機械的取り付け機構は、ＬＥＤシステムに対して光学アクセサリ１０４をその中心の周りで容易に回転させることができる。図に示すように、光学アクセサリ１０４は一連のスナップ機構１２０２を介して主構造に取り付けられている。スナップ機構１２０２は光学アクセサリー１０４を容易に回転させるように設計されている。スナップ機構１２０２は一時光学系の対応する機能に留めるように設計される。
【００８１】
図１３Ａは、光学付属品を有する例示的な光学システムの正面図である。光学アクセサリ１０４は、光学部品３２３の外側リングからの光の少なくとも一部と重なり、方向を変換させる。光学アクセサリ１０４の開口部１２０１は、中間リング３２２と内側リング３２１からの光が、乱れることなく逃げられるようにする。開口部１２０１はさらに、光学開口部５０２、ＬＥＤ開口部２０５、およびヒートシンク１０２の内部への空気が流れるようにする。開口部１２０１も、光学アクセサリの重量を減らすことができる。
【００８２】
いくつかの実施形態においては、アップライトを作成するため、機構のエッジ付近周囲にＬＥＤが少なくとも一つある。この機構は、光学系またはヒートシンク１０２を具える。光学アクセサリは、周辺部の少なくとも１つのＬＥＤから出射される光の少なくとも一部を周辺部に方向変換させてアップライトを作る。様々な実施形態において、ＬＥＤおよび対応する光学部品は、光学アクセサリを有しないＬＥＤシステムの端部の２５ｍｍ以内にある。有利には、機構の縁の近くにＬＥＤを配置することが、機構の周りの光の少なくとも一部をアップライトへ方向転換をより容易に可能にする。様々な実施形態において、ＬＥＤシステムからの全光の５％乃至４０％の間がアップライトに方向転換される。光学アクセサリは内部開口部を有し、ＬＥＤシステムからの大部分の光が影響を受け入れずに通過するようにすることができる。
【００８３】
図１３Ｂは、光学アクセサリを有する例示的な光学システムの断面図である。Ｆ−Ｆ線に沿った断面は、ヒートシンクベース１３０５、ＰＣＢ１３０３、少なくとも１つのＬＥＤパッケージ１３０２、一次光学部品、および光学アクセサリ１０４を具える。一次光学部品は、少なくとも１つの光学部品１３０１、光学ホルダ１３０６、および嵌合するスナップ機構１３０４を具える。
【００８４】
図１３Ｃは、例示的な光学系の断面の例示的な光線追跡図である。ＬＥＤ１３０２は、光学系の機構の周囲近傍に配置されている。この機構は光学系を構成しており、放射光の一部が機構の周りの光学アクセサリ１０４によってより容易に方向転換され、アップライト１３１０を形成している。ＬＥＤ１３０２からの出射光の少なくとも一部は、光学部品１３０１によって第１の分布に方向変換される。第１の光学的分布１３１５の少なくとも一部は、光学アクセサリ１０４によって、影響を受けない光１３０９と方向変換された光１３１０とを含む第２の光分布全体にさらに方向転換される。いくつかの実施形態では、一次光学部品１３０１が、入力面１３１４と、ＴＩＲ反射体表面１３０７と、湾曲した出力面１３０８を有する誘電体ＣＰＣの形である。光学アクセサリ１０４は、入力面と、第１の反射面１３１３と、第２の反射面１３１２と、出射面１３１６とを具える。入力面と出射面１３１６は、同じ物理的面の一部を共有してもよい。光学アクセサリ１０４は、光学部品１３０４内の対応する機構を介して主光学系に嵌合するように設計された一連のスナップ機構１２０２を有する。このスナップ機構１２０２は、光学アクセサリ１０４を手で容易に回転させられるように設計できる。
【００８５】
図１４は、光学アクセサリの斜視図である。図に示すように、光学アクセサリを使用して、光をより非対称であるプロファイルに方向変換させることができる。光学アクセサリは、少なくとも２つの異なる領域である、第１の領域１４０３と第２の領域１４０４を有する。各領域は、光を実質的に異なる分布に方向変換させるように配置されている。光学アクセサリは、開放領域１２０１と同様の機能を有する開放領域１４０１をさらに具える。光学アクセサリは、さらに、開放領域１２０１と同様の機能を有するスナップ機構１４０２を具える。
【００８６】
図１５は、対応するＬＥＤの内部からの光を方向変換させるのに使用される追加の光学アクセサリ領域１５０１を有する例示的な光学アクセサリの上面斜視図である。追加領域１５０１は、ＬＥＤシステムへの改善された空気流を提供する開口領域１５０２を具えていてもよい。
【００８７】
いくつかの実施形態では、光学アクセサリが積み重ね可能であり、光の少なくとも一部を各光学アクセサリによって方向変換させることができる。
【００８８】
電子ドライバ
ＬＥＤシステムは、例えば、オフラインＡＣ電圧源から直接、または安定器からといった、少なくとも２種類の電源から電力を供給することができる。
【００８９】
ＡＣ電圧源１７０１を用いたオフライン動作の場合、電子ＬＥＤドライバは、１００ＶＡＣから４８０ＶＡＣで、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数のＡＣ線電圧によって電力を供給することができる。いくつかの普及している電圧は、１００、１１０、１１５、１２０、２００、２２０、２３０、２０８、２４０、２７７、３０５、３８０、４００、４１５または４８０ＶＡＣを含む。このようなオフライン電源用の電子ドライバ技術は、例えば、バック、ブースト、バックバスト、フライバック、またはこれらの組み合わせ、といった様々なトポロジを有するスイッチングモードドライバを具える。
【００９０】
磁気ＨＩＤ安定器などの安定器を用いた動作の場合、例えば安定器への入力で許容力率（ＰＦ）および全高調波歪み（ＴＨＤ）を達成するなど、いくつかの課題を解決する必要がある。さらに、ＨＩＤランプ用の初期ウォームフェーズ中に約２−５ｋＶのパルスを生成する点火装置を使用して、パルス開始バラストからの損傷を防ぐことも解決する必要がある。点火装置付きパルス開始４００Ｗ  ＨＩＤバラストの例には、Ｍ１３５、Ｍ１５５、またはＳＤ５１がある。点火装置なしのプローブ開始４００Ｗ  ＨＩＤバラストの例には、Ｍ５９がある。
【００９１】
ＨＩＤ磁気安定器は、特定のＨＩＤランプ負荷用に設計されている。例えば、Ｍ５９磁気安定器は、一般的に＞０．９または＞０．８の良好な力率、および一般的に３２％未満または２０％未満の良好なＴＨＤで、４００ＷメタルハライドＨＩＤランプに電力を供給するように設計されている。同じＨＩＤバラストを直接取り付けることを意図としたＬＥＤランプは、必要な電力が大幅に少なく、たとえば、４００Ｗではなく１５０Ｗである。これは安定器に全く異なる負荷を与え、例えば０．８未満の力率といった不十分な力率と、例えば３２％より大きい不十分なＴＨＤとなる。ＬＥＤ電子ドライバは、良好なＰＦとび良好なＴＨＤをシステムに維持しながら、約１５０Ｗまたは約２００Ｗのかなり低い電力を送達する際に安定器をだますように動作しなければならない。
【００９２】
図１６Ａは、プローブ始動Ｍ５９メタルハライドランプ負荷で動作するように設計された例示的な４００Ｗプローブ始動メタルハライドバラストの概略図である。安定器１６０１は、変圧器１６０６、出力キャパシタ１６０５、一連の入力１６０２および出力１６０３を具える。一連の入力１６０２は、変換器へのタップを複数具えており、安定器１６０１が２７７Ｖ、２４０Ｖ、２０８Ｖ、または１２０Ｖといった様々なＡＣ電圧源で動作するようにしている。例示的な例では、メタルハライドランプ負荷１６０４は、接続１７０３を介して電子ドライバで置き換えることができる。ＨＩＤランプが冷たい状態にあるＨＩＤランプの初期動作中は、ＨＩＤランプは高インピーダンスであり、比較的一定のワット数モードで動作する安定器１６０１が、ＨＩＤランプに約３００Ｖを供給する。ＨＩＤランプが暖まると、インピーダンスが低下して、電圧が約１３０Ｖに下がる。
【００９３】
図１６Ｂは、パルス始動Ｍ１１５メタルハライドランプ負荷で動作するように設計された４００Ｗパルス始動メタルハライドバラストの概略図である。安定器１６１１は、変圧器１６１６、キャパシタ１６１５、一連の入力１６１２および出力１６１４を具える。一連の入力１６１２は、変換器へのタップを複数具え、安定器１６１１が４８０Ｖ、２７７Ｖ、２４０Ｖ、２０８Ｖまたは１２０Ｖといった様々なＡＣ電圧源で動作できるようにしている。メタルハライドランプ負荷１６１４は、接続１７０３を介して電子ドライバで置き換えることができる。低温状態でのＨＩＤランプの初期の高インピーダンスにより、ランプの両端に、例えばＶｉ＞２５０Ｖといった、初期のより高い電圧が生じる。この高電圧は点火装置１６２０によって感知され、２乃至５ｋＶのパルスを発生させてＨＩＤランプのウォームアップを促進する。ＨＩＤランプが暖まると、インピーダンスは約１３０Ｖに下がる。点火装置はこの電圧の低下を感知して発火を停止する。
【００９４】
図１７は、磁気安定器とインターフェースを取るように設計された例示的な電子ＬＥＤドライバの概略図である。磁気安定器１７０２（例えば、安定器１６０１または安定器１６１１）はオフラインＡＣ電圧源１７０１で電力が供給される。安定器１７０２は、例えばＥ３９またはＥ４０ランプベースなどの電気接続１７０３を介して電子ＬＥＤドライバ１７０４に接続されている。電子ＬＥＤドライバ１７０４は、キャパシタ１７０８、整流器ブリッジ１７０７、平滑コンデンサ１７０８、ならびに選択的に電流および／または熱ヒューズ１７０５を具える。電子ＬＥＤドライバ１７０４は、順方向電圧ＶｆでＬＥＤ１７０９に電力を供給する。ブリッジの前に配置された入力キャパシタ１７０６は、フィルムタイプキャパシタのように、バイポーラである必要がある。入力キャパシタ１７０６は、バラスト１７０２からの出力電力と電流の一部をＬＥＤ１７０９ではなくバラスト１７０２に戻す部分シャントとして機能する。平滑コンデンサ１７０８は、ＬＥＤ１７０９に入る電流リップルを最小限に抑えることを目的としている。ＬＥＤ１７０９への電力およびＬＥＤ順方向電流Ｉｆは、キャパシタ１７０６内の静電容量とＬＥＤ１７０９の順方向電圧 Ｖｆとの組み合わせによって制御される。Ｍ５９バラストは約２２μＦの入力キャパシタ１７０６と約１４０Ｖの順方向電圧を有するＬＥＤと共に、約１５０ＷをＬＥＤ１７０９に送達することになる。平滑コンデンサの値は、１０００μＦに設定することができる。このような構成では、安定器１７０２への入力において、４８％でＰＦが約０．８９であり、比較的高いＴＨＤとなる。
【００９５】
いくつかの実施形態では、入力キャパシタ１７０６は１０μＦに減らすことができ、ＬＥＤ１７０９の順方向電圧Ｖｆは６５Ｖ乃至７５Ｖに減らすことができる。これにより 、０．９２という改善された力率となり、ＬＥＤ１７０９に供給される約２００Ｗの電力で、２３％という有意に改善されたＴＨＤとなる。安定器出力が受ける負荷電圧は、ＬＥＤ順方向電圧に実質的に等しく、それは約２５０Ｖの点火装置が発火するのに必要な電圧よりかなり低い。したがって、このような構成では、電子機器ドライバの構成要素は、点火装置の高電圧パルスから保護される。
【００９６】
ＬＥＤ１７０９は、順方向電圧ＶｆおよびＬＥＤ電流Ｉｆを有する。ＬＥＤ１７０９は、ＬＥＤシステム１００船体の一部である前述のＬＥＤ１０１であってもよい。
【００９７】
図１８は、磁気安定器とインターフェースを取るように設計された電子ＬＥＤドライバの概略図である。電子ＬＥＤドライバは、ブリッジと、コントローラユニットによって制御されるスイッチと、平滑コンデンサと、および総順方向電圧Ｖｆを有する一連のＬＥＤと、を具える。図１７を参照すると、図１８には、コントローラユニット１８０３によって制御されるスイッチ１８０２が追加されている。スイッチ１８０２はＭＯＳＦＥＴ、またはその他のデバイスあるいはデバイスの組み合わせであってもよく、これは起動時のインピーダンスが比較的低く、電力と電流を短絡させて安定器１７０２に戻す時間の少なくとも一部の間に通電容量を有する。スイッチ１８０２は、安定器１７０２からの電力及び電流の一部を選択的に短絡させて安定器１７０２へ戻し、それによって一連のＬＥＤへの電力を調整するように設計されている。コントローラユニット１８０３は選択的センサ入力を有する。選択的センサ入力は、電流センサ１８０５からのＬＥＤ電流、整流器ブリッジ１７０７からの出力電圧ＶＢ、キャパシタ１７０８の電圧、ＬＥＤ列１７０９の温度、または電子ＬＥＤドライバ１８０１自体の温度を具える。コントローラユニット１８０３はこれらの入力を検知し、それに応じてスイッチ１８０２を制御してＬＥＤ順方向電流Ｉｆを調整する。コントローラユニット１８０３は、単に個別部品の選択であってもよく、またはより柔軟にマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラユニットであってもよい。例えば、ブリッジ１７０７にかかる電圧ＶＢをモニタすることによって、コントローラユニット１８０３が入力電圧の位相を検知することができる場合、スイッチングは、ラインの周波数と同相または同期であり得る。いくつかの実施形態では、コントローラユニット１８０３は、位相に関係なく、または入力電圧波形とは非同期の発見的制御方式で、スイッチ１８０２を制御することができる。
【００９８】
コントローラユニット１８０３の主な目的は、いくつかの所定の態様にＬＥＤ電流を調節するように制御スイッチ１８０２を制御することである。図１７と異なる図１８の利点は、コントローラ１８０３がＬＥＤ１７０９への電流Ｉｆを調整して、線間電圧Ｖｓの変動により正確に対応できることである。例えば、Ｖｓは通常、＞１０％で変化し、コントローラユニット１８０３はＬＥＤ電流Ｉｆを検知してスイッチ１８０２を調整し、実質的に所定の電流レベルを維持することができる。さらに、システムの温度がある所定の値を超えると、安全性またはシステムの寿命を延ばすために、コントローラユニット１８０３はＬＥＤ１７０９への電流を減らすことができ、それによって発生する熱を下げてサーマルロールバックとして知られている過剰な温度を調整する。コントローラユニット１８０３のもう一つの利点は、より少ない光が必要な場合に、システムを暗くするように構成できることである。
【００９９】
図１８を参照すると、安定電源電圧ＶＳを仮定すると、安定器１７０２はある範囲の安定器負荷にわたって実質的に一定の安定化電流ＩＢａｌｌａｓｔを供給することができる。表４は、図１８を用いて、ＬＥＤに供給される最大電力（Ｉｆ−Ｖｆ）に送達される最大電力をまとめたものである。ここで、安定器１７０２はＭ５９ ＨＩＤ安定器であり、スイッチ１８０２は開状態にある。スイッチ１８０２を開放したままに、あるいは非作動状態にすることによって、安定器からの電流のどれもが安定器自体に短絡されることはなく、代わりに、すべての電流がＬＥＤに供給され（Ｉｆ＝ＩＢａｌｌａｓｔ）、ＬＥＤへ供給できる最大電力を決定できる。表４において、電流Ｉｆは、ＬＥＤ順方向電圧Ｖｆの変化に伴って実質的に一定であり、その結果、ＬＥＤに供給される電力がＬＥＤ順方向電圧Ｖｆに実質的に比例するようになる。安定器入力電圧ＶＳに変動がなく、安定器またはＬＥＤなどの構成要素に変動がない場合、システム電力はＬＥＤ順方向電圧を設定することによって簡単に維持することができ、スイッチ１８０２またはコントローラ１８０３を組み込む必要はない。実際には、ＡＣ電源電圧は少なくとも±１０％変動することがあり、これは安定器電流をほぼ比例的に変動させる 、すなわちＩＢａｌｌａｓｔαＶＳになる。また、安定器は、ユニットごとに、また経年変化と共に変化する可能性があり、これも安定器電流ＩＢａｌｌａｓｔに影響を及ぼす。スイッチ１８０３および１８０２を追加することによって、そのような変動が補償される。スイッチ１８０３の作動は、最大供給可能電力から供給ＬＥＤ電力を減少させるだけであるので、最大可能供給電力が公称電力よりも高くなるようにＬＥＤ順方向電圧Ｖｆを設定する必要がある。公称状態では、スイッチは必要なデューティサイクルで作動して、供給される電力を所望の公称レベルに低減させる。例えば、表４の場合、公称所望電力が１７５Ｗであると仮定し、安定器電流がＩＢａｌｌａｓｔ＝２．６Ａ＋／−１５％変化し得ると仮定する。このシステムは、公称安定器電流における最大可能電力レベルが１７５Ｗまたは約２０１Ｗより少なくとも１５％大きくなるように設計される。これはＶｆ>７９．８Ｖの最小必要ＬＥＤ順方向電圧に対応する。Ｖｆ=７９．８Ｖで１７５Ｗしか供給しないようにするには、ＬＥＤの順方向電流を２．６Ａではなく約２．１９Ａ（１７５Ｗ＝７９．８Ｖ−２．１９Ａ）に安定化する必要がある。これは、コントローラ１８０３が、電流センサ１８０５を使用してＬＥＤ順方向電流ＩＦをモニタし、スイッチ１８０２において適切なデューティサイクルを生成することによって、平均ＬＥＤ順方向電流がＩｆによってバイパスされて、スイッチによって安定器に戻された過剰電流で、平均ＬＥＤ順方向電流が約１ｆ＝２．１９Ａに制御される。このようなシナリオでは、スイッチは常に適切なデューティサイクルで公称条件下でスイッチングされ、バラスト電流より小さいＬＥＤ順方向電流の下切り替えらられ、ＬＥＤ順方向電流ＩｆをＩＢａｌｌａｓｔ以下、すなわち、ＩＢａｌｌａｓｔ（２．６Ａ）>ＩＦ（２．１９Ａ）に維持する。ただし、ＩＢａｌｌａｓｔが、ＩＢａｌｌａｓｔ（２．６Ａ）>ＩＦ（２．１��Ａ）の公称電流から変動すると、最大でＬＥＤ電流ＩＦが安定器の安定器電流ＩＢと同じになるため、スイッチはもはやＬＥＤ電流をＩＦ＝２．１９Ａに調整することができなくなる。したがって、公称動作点で公称状態付近に調整を維持できるようにするためには、ＬＥＤ順方向電流Ｉｆは常に安定器電流ＩＢａｌｌａｓｔよりも小さくなければならず（Ｉｆ＜ＩＢａｌｌａｓｔ）、スイッチ１８０２は常に切り替わってこの状態を維持する。いくつかの実施形態では、公称動作条件で、ＬＥＤ電流はＩｆ＜０．９５ＩＢａｌｌａｓｔ又はＩｆ＜０．８５ＩＢａｌｌａｓｔを満たしている。
【０１００】
スイッチ１８０２およびコントローラ１８０３を設けることに少なくとも４つの可能な利点がある：
ａ．システムに故障や変動があってもＬＥＤ電流を所定のレベルに維持できる。これには、間違った安定器を使用してＬＥＤ電子ドライバに電力を供給する場合も含まれる。
ｂ．温度を加えることで、スイッチを使用してＬＥＤ電流を減らして所定の温度を維持することができる。これは、たとえば、異常状態でシステム温度が異常に上昇した場合などに特に重要である。
ｃ．スイッチでＬＥＤ出力の調光用の電流を減らすことができる。
ｄ．ＬＥＤ電圧が最小必要値を上回っている限り、スイッチによりＬＥＤ電圧のより厳格でない仕様が可能になる。
【０１０１】
2019532457.tif 000008
【０１０２】
いくつかの実施形態では、コントローラユニット１８０３もＬＥＤ電流を調節して、バラストへの入力でＰＦ及び／またはＴＨＤを改善する。
【０１０３】
様々な実施形態において、このシステムは、ＨＩＤバラスト、電子ドライバ、及びＬＥＤストリングで構成されている。ＨＩＤ安定器は、ＡＣ電圧源から電力が供給される入力セットと、電子ドライバに電力を供給する出力セットとを具える。 安定器はその出力において安定器電流ＩＢａｌｌａｓｔを供給している。電子ドライバは、少なくとも整流器とスイッチとを具える。整流器の入力は安定器の出力に接続され、整流器の出力はＬＥＤストリングに接続されている。スイッチはブリッジ出力とＬＥＤストリングとの間に並列に接続され、例えばスイッチが非作動状態のときには安定器電流ＩＢａｌｌａｓｔが実質的にＬＥＤストリングに流れ、スイッチが作動されるとスイッチは実質的にＬＥＤを短絡させて、安定器電流ＩＢａｌｌａｓｔがスイッチを通って安定器に戻る、すなわちＬＥＤストリングを通過することで方向転換される。スイッチは、ＬＥＤへの所望の順方向電流Ｉｆを維持するようなパターンで切り替えられる。ＬＥＤの順方向電圧は、公称条件下で平均バラスト電流が常にＬＥＤ順方向電流よりも小さく、Ｉｆ＞ＩＢａｌｌａｓｔになるように最小値に設定されている。いくつかの実施形態では、温度センサを設けてもよく、スイッチは、ＬＥＤへの電流を減少させ、かつ所定の温度設定点を維持するようなパターンで切り替えられる。さらなる実施形態では、ＬＥＤにまたがってキャパシタを設けて電流リップルを平滑化し、このキャパシタの前にダイオードを設けて、キャパシタの電流がスイッチに逆流するのを防止している。
【０１０４】
図１９は、コントローラユニットがスイッチを制御する可能な方法を示す図である。
スキーム１９１０は、等価整流オフライン電圧源１７０１またはＶＳを示す。整流ブリッジ電圧ＶＢは、スキーム１９１０と周期性が同じであるが、安定器からの歪みにより、異なる非正弦波形状となることがある。それでも、ブリッジ電圧ＶＢを使用して、固定位相オフセットであるオフライン電圧ＶＳの周期性を感知することができる。スキーム１９２０乃至１９７０は、整流電圧１９１０の位相についてのタイミングでスイッチ１９１０を制御して、安定器への入力におけるＰＦおよび／またはＴＨＤを改善するという利点をもってＬＥＤ電流を調整することができるスキームを示す。
【０１０５】
スキーム１９２０および１９３０では、スイッチ１８０２は整流電圧ＶＢ１９１０と同相または固定位相オフセットで制御され、整流電圧ＶＢ１９１０の各サイクル内に単一のオン／オフサイクルがある。したがって、スキーム１９２０の周波数は、スキーム１９１０と同じであり、線間電圧周波数ＶＳ１７０１の２倍である。スキーム１９２０は、サイクル内で対称的であるのに対して、スキーム１９３０は、任意の形状のパルスがサイクル内で対称である必要がないクラスのスキームを意図している。電圧のピークからパルスを意図的にオフセットさせることによって、負荷を大まかに誘導性または容量性であるように見せることができ、したがって、このようなパルスパターンは安定器への入力においてＰＦまたはＴＨＤを改善するように意図されている。このパルスパターンはまた、非線形負荷をシミュレートして高調波を生成し、安定器内の高調波を相殺して全体的にＴＨＤを改善するのに使用できる。いくつかの実施形態において、等価インピーダンスは、線形であろうが非線形であろうが、デューティサイクル内で変化し得る。このような制御スキームについては、図２３乃至２５を参照して後述する。
【０１０６】
スキーム１９４０では、スイッチ１８０２は整流電圧ＶＢと同相または固定位相オフセットで制御されるが、整流電圧ＶＢの各サイクル内にスイッチ１８０２の完全なオン／オフサイクルはなく、したがってスキーム１９４０の周波数はスキーム１９１０より低い。
【０１０７】
スキーム１９５０では、スイッチ１８０２は整流電圧ＶＢと同相または固定位相オフセットで制御されるが、整流電圧ＶＢの各サイクル内にスイッチ１８０２の単一のオン／オフサイクルがある。従って、スキーム１９４０の周波数はスキーム１９１０より高い。いくつかの実施形態では、この周波数は、整流ライン周波数の２倍、４倍、１０倍、１００倍、１０００倍、１００００倍、であってもよく、又は代替的に＞１０ＫＨｚでもよい。より高い周波数システムの１つの利点は、キャパシタ１７０８をより規則的に充電し、それによって必要な静電容量を減らすことである。様々な実施形態では、スイッチング周波数は整流ライン周波数と同じか２倍以上であるが、それでも十分に低い周波数であり、例えば整流ライン周波数の＜１０倍より少なく、安定器の出力のインダクタンスは安定器に戻る電流の遮断を妨げない。例えば、Ｍ５９安定器の出力巻線の典型的なインダクタンスは約１０００ｍＨである。言い換えれば、安定器出力は十分なインダクタンスを有しており、スイッチ１８０２が高すぎる周波数で動作する場合に、安定器から安定器へ戻る電流および電力を効果的に分路できない。
【０１０８】
スキーム１９６０では、スイッチ１８０２が整流電圧ＶＢと位相がずれて制御される。このスキーム１９６０は、スキーム１９２０乃至１９５０のスイッチパターンと周波数をより広く包含するが、スキーム１９１０の整流電圧ＶＢとは位相がずれている。このようなクラスの非同期制御は、例えば制御された電圧又は電流を所定の範囲に維持するのに必要な場合にのみスイッチングを行う、といったヒューリスティック制御を含む。このような制御スキーム１９６０は、位相を検出し、次いで入力電圧の位相に同期させるという複雑さが不要であるという点でより単純である。
【０１０９】
スキーム１９７０においては、スイッチ１８０２はスキーム１９１０の整流電圧ＶＢと同相で制御されているが、スイッチングパターンは各周期内で任意であるが、その後の各周期では反復するようになっている。例えば、特定のスキーム１９７０では、この周波数はサイクルの始めでより高く、より低い周波数へなだらかに変化している。このようなスキームは、安定器への入力におけるＰＦおよびＴＨＤの改善に必要な容量性または誘導性をより正確にシミュレートすることになる。
【０１１０】
図２０Ａ乃至２０Ｆ、及び２１Ａ乃至２１Ｄは、磁気安定器によって、またはオフラインＡＣ電源ＶＳによって直接電力供給できるように特別に設計されている、例示的な単一ＬＥＤドライバの様々な概略図である。このような実装は、単一の製品が両方のタイプの電源に対処できるという点で有利である。しかしながら、このドライバーは以下の一又はそれ以上の問題を解決する必要があるため、複雑さが増す：
ａ．両方のタイプの電源に対して許容できるＰＦと低いＴＨＤを達成する。許容できるＰＦは、例えば、＞０．７、＞０．８または＞０．９である。許容できるＴＨＤは、例えば、＜５０％、＜３２％、＜２０％である。
ｂ．高電圧パルスを発射できる点火装置を具える安定器からの損傷を防ぐ。
ｃ．上記の＃１または＃２を達成するための制御スキームの種類をハードウェアまたはソフトウェアの両方で設定する電源の種類を感知する。
【０１１１】
図２０Ａ乃至２０Ｆおよび図２１Ａ乃至２１Ｄにおいては、一組の点線でＡＣオフライン電圧源１７０１がドライバ入力接続１７０３に接続される場合を示し、一組の実線で安定器１７０２がドライバ入力接続１７０３に接続される場合を示している。なお、ＡＣオフライン電圧源１７０１と安定器１７０２の両方を同時にドライバ２００１入力接続１７０３に接続することは意図していない。
【０１１２】
図２０Ａに示すように、電子ドライバ２００１は、従来のスイッチ１８０２と同様のスイッチ２００２と、および従来のコントローラ１８０３と同様のコントローラ２００３を有し、すべての制御および切替スキーム１９２０乃至１９７０を具えるが、今回はＬＥＤ２００９の電流Ｉｆを調整するのではなく、コントローラ２００３とスイッチ２００２との組み合わせで、レギュレータ２０１０に入る電圧または電流のいずれかを調整するように設計されている。次いで、レギュレータ２０１０を用いて、ＬＥＤ２００９への電流Ｉｆを調整することができる。ダイオード２０１１は、レギュレータ２０１０からスイッチ２００２を通って後方へ電流が流れることを防止する。例えば、レギュレータ２０１０は、バック、ブースト、バックブースト、フライバック、またはこれらの組み合わせ、すなわち複数のスイッチング段を含むもの、などのスイッチングモードレギュレータとすることができる。代替的に、電流レギュレータ２０１０は線形レギュレータであってもよい。オプションの電流センサ２０１６で、スイッチ２００２を流れる電流を測定することができる。
【０１１３】
図２０Ｂは、図２０Ａの実施形態を示す図であり、レギュレータ２０１０は、ダイオード２０１１とキャパシタ２００８を具える一次レギュレータと、二次レギュレータ２０１１とを具える。レギュレータ２０１１は、その入力で調整電圧ＶＳＣを有する。コントローラ２００３は電圧ＶＳＣを調整する。２０Ｂに示す２段階方法を使用することによれば、ＶＳＣの電圧調整はそれほど厳密である必要はない。例えば、調整器２０１１がバックブースト電流調整器である場合、入力ＶＳＣは、例えばＬＥＤ順方向電圧Ｖｆより高くあるいは低く変動し得る。
【０１１４】
図２０Ｂの実施形態では、ＶＢにおける最大調整電圧は、点火装置のトリガ電圧Ｖｉよりも常に小さくなくてはならず、そうすることによって、点火装置が高電圧パルスを発射することを防止できる。例えば、ブリッジ出力電圧ＶＢが点火装置のトリガ電圧Ｖｉに近くなっていることをコントローラ２００３が感知すると、スイッチ２００２が作動して、確実にＶＢ＜Ｖｉになるように、少なくとも一部の期間短絡する。その一部の期間、スイッチ２１１３が作動して、スイッチ２１１３が実質的に短絡して、ブリッジ出力電圧ＶＢが点火装置トリガ電圧よりも低い０Ｖ近くになるようにする。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、電流レギュレータ２０１１がバックレギュレータである。 キャパシタ２００８の両端の電圧ＶＳＣは、コントローラ２００３およびスイッチ２００２によって、ＬＥＤ２００９の順方向電圧Ｖｆよりも高いが、点火装置トリガ電圧Ｖｉよりも低くなるように実質的に調整されて、点火装置の点火を妨げる。
【０１１６】
図２０Ｂのもう一つの実施形態では、キャパシタ２００８は、点火装置パルスから十分な量のエネルギーを吸収してピークパルス電圧をドライバ部品に損傷を与えない許容レベルまで下げるのに必要な容量を有するように設計されている。これは、通常、ドライバ部品の定格電圧より低い。一例として、安定器について以下のパラメータを用いて、Ｍ５９バラスト点火器からパルスエネルギーを十分に吸収するのに必要なキャパシタンスＣ２００８を計算することができる。Ｍ５９出力巻線インダクタンスは約ＨＢ＝１Ｈｅｎｒｙまたは１Ｈ、Ｍ５９出力短絡電流はＩＳＣ＝４Ａ程度、安定器出力における最大電圧はＶＺ＿Ｍ＝２５０Ｖ程度、キャパシタ２００８の定格電圧はＶＲ＝４５０Ｖ程度である。この場合、必要な静電容量Ｃ２００８は次の式で与えられる。
【０１１７】
2019532457.tif 000009
【０１１８】
キャパシタ２００８の定格電圧もまた、最悪の場合のオフライン電圧に対処するのに十分である必要があることに留意されたい。たとえば、オフライン電圧源の公称ＲＭＳ電圧がＶＳ＝２７７ＶＡＣであり、最大１０％の過電圧がある場合、キャパシタＶＲの定格電圧は、良くない場合のこのＡＣラインのピークよりも高い、あるいは以下の式となる必要がある：
【０１１９】
2019532457.tif 000010
【０１２０】
したがって、定格電圧が４５０Ｖのキャパシタは、オフライン電圧源ＶＳ＝２７７ＶおよびＭ５９安定器の両方から電力供給されるのに適している。
【０１２１】
その他のシナリオでは、キャパシタ２００８の容量がＣ２００８≧１００μＦ、≧２００μＦ、又は≧５００μＦであり、定格電圧はＶＲ≧２００Ｖ、≧４５０Ｖ、又は≧７５０Ｖである。このような大容量の値は、一般的に、1０＜μＦまたは＜１μＦのオーダの容量であるＥＭＩフィルタのものよりもはるかに大きい。
【０１２２】
キャパシタ２００８を十分な静電容量で正しくサイジングすることの１つの利点は、例えばコントローラ２００３または電流調整器２０１２がＶＢ＜Ｖｉを保証できない状況において、点火パルスを継続的に持続させることができることである。このような状況には、制御回路が欠けている、誤動作している、無効になっている、または電力ラインにノイズやサージがある場合、などがある。
【０１２３】
様々な実施形態において、コントローラ２００３は、整流ブリッジ１７０７の電圧ＶＢが、例えばＶＣ＞２００Ｖ、ＶＣ＞２５０Ｖ、ＶＣ＞３００Ｖといった所定のレベル制限電圧ＶＣに近づくかまたはそれを上回ると感知された場合に、スイッチ２０１０を作動させるように設計されている。安定器内の点火装置が点火するのを抑制するには、制限電圧ＶＣは点火装置のトリガ電圧Ｖｉよりも小さいことが望ましい。スイッチ２００２は、安定器出力電圧を点火装置トリガ電圧Ｖｉを超えて上昇させないような時間まで、始動したシャント位置に留まる。例えば、キャパシタ２０１１のようなレギュレータ２０１０内のエネルギー蓄積装置は、スイッチ２００８の開放がエネルギー蓄積装置を充電させるレベルまで十分にドレインすることができる。このような状態では、蓄積装置の充電により、レギュレータ２０１０のインピーダンスが比較的低くなり、その結果、点火装置トリガ電圧よりも低い電圧ＶＢ、またはＶＢ＜ＶＩとなる。
【０１２４】
１つの重要な問題は、図２０Ａ及び２０Ｂのスイッチ１７０５を、ドライバ２００１がオフライン電圧源１７０１に直接接続されている場合に、非アクティブ化（オフ）またはハイインピーダンスモードにする必要があることである。さもなければ、定格電圧で短絡して、ヒューズまたはその他の部品１７０５で定格電流を超えてしまうことになる。これは、ドライバが安定器１７０２に接続されているか、オフライン電圧源１７０１に直接接続されているかをコントローラ２００３が検知できれば、防止することができる。いくつかの実施形態では、この検知は、電流センサ２０１０を用いて電流ＩＳを監視することによって行われる。短絡回路電流ＩＳは、安定器に接続されているとき、ＩＳ（バラスト）、よりも、オフライン電圧源１７０１に接続されているとき、ＩＳ（オフライン）、の方が著しく高い。つまり、ＩＳ（オフライン）＞＞ＩＳ（バラスト）である。たとえば、Ｍ５９安定器の短絡安定器電流ＩＳ（バラスト）、ＩＳＣ（バラスト）≒ ４Ａ  ＲＭＳまたは７Ａピークであるが、Ｖｓ＝１２０ＶＡＣおよび５Ωのスイッチ抵抗を仮定すると、オフライン電源の短絡回路電流は、ＩＳ（オフライン）≒２４Ａ  ＲＭＳ又は３２Ａピークとなり、Ｉｓｃ（バラスト）≒４Ａより有意に高くなっている。この検知は、例えば、ドライバの初期電源投入時の間の＜０．２５秒、＜０．５秒、＜１秒、または＜２秒といった、比較的短期間に行って、ドライバをオフライン電源１７０に接続した場合のドライバの生じるスイッチ２００２の短絡回路電流の可能性を防止するべきである。
【０１２５】
図２０Ｂの電子ドライバがオフライン電圧源１７０１から直接操作される場合は、スイッチ２００２が作動停止して、システムは本質的に、前面に大きなキャパシタを有するレギュレータ２０１２になる。一般に、ドライバの入力側にこのようなキャパシタがあると、ＰＦが悪くなり、ＴＨＤ性能が悪くなる。さらなる改良においては、図２０Ｃに示すように、キャパシタ２００８が直列スイッチ２０２６を有する。スイッチ２０２６は、安定器１７０２から給電する際にレギュレータ２０１２と並列のキャパシタを切り替えるように制御される。オフライン電源から直接給電する場合は、スイッチ２０１６が、キャパシタを切って、ＰＦとＴＨＤの性能を改善する。
【０１２６】
ＰＦおよびＴＨＤを改善する代替の実施形態では、図２０Ｄに示すように、図２０Ｂのキャパシタ２００８が、キャパシタ２０１４、２０１３、及びダイオード２０１５からなるバレーフィルキャパシタで置き換えられている。このようなシステムの利点として、スイッチ２０１６は不要となり、従って複雑さが減る。もう一つの利点は、キャパシタ２０１８の総定格電圧が低減されてキャパシタ２０１４（ＶＣ２）と２０１３（ＶＣ１）との間で分割され、したがって各個別キャパシタの定格をより低くすることができることである。しかしながら、キャパシタ２０１３、２０１４の個々の静電容量は、直列の組み合わせがキャパシタ２００８の必要な総静電容量と同じになるように増加する必要がある。
【０１２７】
代替の実施形態では、図２０Ｅに示すように、スイッチング関連構成要素２００２、２００３、２０１０が意図的に除去されており、システムがバレーフィル回路のフロントエンドを有するレギュレータ２０１２である。このようなシステムの利点は、（レギュレータ２０１２の外側の）スイッチングが不要となり、システムが安定器で電力供給されるのか、あるいはオフライン電圧源で直接電力を供給されるのかを感知する必要がないので、複雑さが低減されることである。欠点は、電力を分路するためのスイッチ２００２がなく、システムのＰＦおよびＴＨＤが損なわれる可能性があることである。
【０１２８】
図２０Ｆは図２０Ｅの改良であり、キャパシタ２０１７がブリッジの前に配置されている。 キャパシタ２０１７の利点には、 安定器で動作するときのＴＨＤ、ＰＦの改善、および安定器からのピークの減少がある。キャパシタ２０１７は仕様が似ており、キャパシタ１７０６について上述したものと同じ機能を実行する。例えば、キャパシタ２０１７は、フィルムタイプのキャパシタなどのバイポーラである必要があり、安定器１７０２からの出力電力および電流の一部を、ブリッジの後ろの構成要素ではなく、安定器１７０２に戻すように分路する部分シャントとして作用する。
【０１２９】
図２０Ａないし２０Ｆに示されており、本明細書中で参照されているバレーフィル回路は、図２０Ｇ乃至図２０ＨＣに示される変更を用いてＴＨＤおよびＰＦを更に改善するように変形できる。抵抗器２０１８をバレーフィル回路に追加することができる。図２０Ｈは、バレーフィル回路バージョンのさらなる改良を示す図であり、２つの追加のキャパシタ２０１９−２０２０がブリッジの入力側に接続されているセンタータップ２０２１と共に追加されている。キャパシタ２０１９−２０２０は、電圧交差のより長い部分の間電流を維持し、それによってＰＦおよびＴＨＤを改善している。この交差する点を埋めるにはごくわずかな電流が必要なだけであるため、キャパシタ２０１９及び２０２０の容量はキャパシタ２０１３及び２０１４の容量よりも小さくてよい。キャパシタ２０１３と直列に抵抗２０２２を加えて、電流スパイクを低減するようにしてもよい。このような回路は、ＰＦ＞０．９およびＴＨＤ＜２０％が可能である。
【０１３０】
上述したように、バレーフィル回路の機能は、以下の機能の少なくとも一つ以上のことができる：
ａ．安定器１７０２など、安定器から作動するときに、点火器からのパルスを吸収するのに十分な静電容量と定格電圧でのサイジング。
ｂ．電圧Ｖｓを電流レギュレータ２０１２へ平滑化するのに十分なキャパシタンスでのサイジング。
ｃ．オフラインＡＣ電圧源１７０１から直接作動するときのＰＦおよびＴＨＤ操作の改善。
【０１３１】
以下は、図２０Ａ乃至２０Ｈに示す実施形態の要約である。ＬＥＤドライバは少なくとも２つの異なる外部電源によって電力供給することができ、第１の電源が安定器であり、第２の電源がＡＣ電圧源である。ＬＥＤドライバは、ブリッジ整流器を具えており、ブリッジの入力が外部電源に接続されており、ブリッジの出力がスイッチに並列に接続されているとともに、レギュレータと並列でもある。レギュレータは、１つまたはそれ以上のＬＥＤへの電流を調整するように設計することができる。
【０１３２】
いくつかの実施形態では、バラストまたはＡＣ電圧源のいずれかの存在の検知は、システムの電源投入後の所定時間で生じる。センサが安定器またはＡＣ電圧源のいずれかの存在を検出する。この検出はシステムの起動中に行われる。ＡＣ電圧源が検出されると、スイッチは非作動状態になるかまたは高インピーダンスモードになる。安定器が検出されると、スイッチは所定のスキームに従って定期的に作動し、電流レギュレータに入る電流または電圧を調節する。
【０１３３】
様々な実施形態では、少なくとも一の等価キャパシタが、ブリッジの出力に並列に接続されている。このキャパシタは、点火装置からのパルスを吸収するのに十分な静電容量があり、結果として生じるパルス電圧が＜５００Ｖに低減される。この等価キャパシタは、バレーフィル回路構成に配置することができる。いくつかの実施形態では、スイッチとそれに関連する回路を除去できる。
【０１３４】
図２０Ａ乃至２０Ｈドライバ２００１は、ＥＭＩフィルタ、ＰＦ補正回路、またはＴＨＤ補正回路などの、図示されていないさらなる要素を具えていてもよい。例えば、単純なＥＭＩフィルタは、一又はそれ以上のインダクタによって接続されたキャパシタの片側または両側のいずれかでブリッジ出力に並列に配置された２つのキャパシタを有するＰＩフィルタを具える。ＥＭＩフィルタはブリッジ整流器の前後に配置できる。
【０１３５】
図２１Ａ乃至２１Ｄは 、安定器によって電力供給されるように、またはオフラインＡＣ電源で直接電力供給されるように設計された例示的な電子ＬＥＤドライバの様々な概略図である。図２０Ａ−図２０Ｄに示す従来の実施形態では、スイッチ２００２は、オフラインＡＣ電源１７０１に直接接続されたときに非アクティブ化されるまたは高インピーダンスになるように設計することができ、ＬＥＤ電流Ｉｆの調整は電流レギュレータ２０１０によって行われる。一方、図２１Ａ乃至２１Ｄでは、スイッチ２１１２は、コントローラ２１１３と組み合わせて、安定器１７０２によって電力供給されるとき、またはオフラインＡＣ電源１７０１によって直接電力供給されるときに、ＬＥＤ電流を調整するように実装されている。
【０１３６】
図２１Ａは、スイッチモードレギュレータ２１１５、ブリッジ１７０７、選択的に温度および／または電流ヒューズ１７０５、ＥＭＩフィルタ２１１４、を有するＬＥＤドライバ２１０１を示す。ＥＭＩフィルタ２１１４は、図に示すようにブリッジの後に配置するか、またはブリッジの前に、または両方に配置することができる。スイッチモードレギュレータ２１１５は、ＬＥＤ１７０９への順方向電流Ｉｆを調整する。スイッチモードレギュレータ２１１５は、少なくとも１つの等価インダクタ２１１４と、コントローラ２１１３で制御されるスイッチ２１１２を具える。スイッチ２１１２とインダクタ２１１４は、低周波数（例えば、ＤＣ乃至２４０Ｈｚ）では、ブリッジの一方の側からブリッジの戻り側へ電流を実質的にシャントするまたは短絡させるように、接続されている。これは安定器によって電力を供給する場合に必要であり、低周波数でブリッジの出力をシャントするスイッチングモードトポロジ（例えば、ブースト、バックブースト、ＳＥＰＩＣ、ＣＵＫ、フライバック、フォワード、プッシュプル、ハーフブリッジ、共振ＬＬＣ）の一例である。しかしながら、強化型トポロジではこれを達成できない。インダクタ２１１４、スイッチ２１１２、およびコントローラ２１１３の組み合わせは、ＬＥＤ１７０９への電流Ｉｆを実質的に調整する。いくつかの実施形態では、スイッチ２１１２を制御する少なくとも２つの異なるスキームがある。安定器１７０２で電力供給される第１のスキームと、オフラインＡＣ電源１７０で直接電力供給する第２のスキームである。様々な実施形態では、システムの初期電源投入時の間の第３のスイッチング方式があってもよい。第３のスイッチングスキームを用いて、すくなくとも二つの機能を達成できる。第１の機能は、電源が安定器１７０２であるかオフラインＡＣ電圧源１７０１であるかを検出することであり、第２の機能は、オフラインＡＣ電源１７０１にフックされている場合に過電流短絡回路状態がないこと、あるいは安定器１７０２で電力供給されている場合に過電圧状態がないこと、を確認することである。例えば、システムが起動すると、システムはオフラインＡＣ電圧源１７０１に接続され、例えば、実質的な周波数成分が＞１０ＫＨｚであるスイッチングスキームで、比較的高い周波数でスイッチングする。この場合、この周波数成分におけるインダクタ２１１４は無視できないインピーダンスを有し、最大電流を制限するよう作用する。このようにして、短絡してシステムを損傷するであろう低周波スイッチングスキームの場合のような、短絡回路電流が防止できる。しかしながら、スイッチ２１１２またはコントローラ２１１３のいずれかを介して検出された電流がオフラインＡＣ電圧源１７０１から予想されるものと異なる場合、コントローラは、スイッチングスキームを安定器用のものに変更する。例えば、実質的な周波数成分が＜１０ＫＨｚ、または＜１ＫＨｚ、または＜２４０Ｈｚのスイッチングスキームである。安定器出力巻線はインダクタ２１１４よりも著しく高いインピーダンス値、例えば＞１０倍のインピーダンス値を有するので、より低い周波数が必要である。このように、インダクタ２１１４は無視できるようになり、安定器で機能するのに必要なスイッチング周波数成分は、例えばオフライン電圧源１７０１を用いる場合よりも１０倍低くなり得る。高周波数用及び低周波数用のスイッチングスキームは、ＰＦとＴＨＤを改善することを意図したものなど、図１９で既に説明したものを含む。
【０１３７】
ＥＭＩフィルタ２１１４は、以下の２つの機能のうちの少なくとも１つを具える：レギュレータからのＥＭＩおよびＥＭＣノイズを除去する第１の機能と、結果として生じるパルスが許容値にあるように、安定器内の点火装置からのパルスを吸収する第２の機能。ＥＭＩフィルタの一部は、バレーフィル回路で構成することができる。
【０１３８】
図２１Ｂでは、レギュレータ２１１５は、インダクタ２１１４がスイッチ２１１２の前で接続されているブーストコンバータと同様の形で構成されている。コントローラ２１１３は、電子ドライバがオフラインＡＣ電源１７０１から直接電力供給されていることを検知すると、スイッチ２１１２を、例えば＞１０ＫＨｚといった、スイッチングモード電源で考えられるような高周波数に切り替える。ユニット全体はブーストコンバータとして機能し、インダクタ２１１４は無視できないインピーダンスを有する。しかしながら、コントローラ２１１３は、それが安定器１７０３に接続されていることを検知すると、コントローラ２１１３は、例えば、＜１０ＫＨｚ、＜１ＫＨｚ、＜２４０Ｈｚ、または例えば１２０Ｈｚ、といったはるかに低い周波数でスイッチングを行う。このより低い周波数では、インダクタ２１１４のインピーダンスは実質的に無視できる程度であり、システムは図１８に示すものと同じように持続可能に動作する。ブーストコンバータモードで動作する場合、ＬＥＤ電圧は入力オフラインＡＣ電源１７０１のピーク電圧より常に高くなければならない。オフライン電圧源１７０１がＶＳ＝２７７ＶＡＣである場合、ピーク電圧は３９１Ｖであり、ＬＥＤストリングの電圧は、多くのＬＥＤを互いに接続するのに必要な電圧よりも大きくなければならない。もう一つの問題は、より高い電圧がより厳密な部品と安全性要件を有することである。
【０１３９】
図２１Ｃは、図２１Ｂの改良を示しており、ダイオード２１２０が追加されてブリッジ１７０７の出力をキャパシタ２１０８に接続して、安定器１７０２によってパルスが生成される場合にダイオード２１１１がこのエネルギーをキャパシタ２１０８に伝導して、このエネルギィを少なくとも部分的に許容レベルまで吸収するようにしている。キャパシタ２１０８に必要な静電容量の計算は、図２０Ｂを参照して前述したものと同じである。この較正の１つの利点は、キャパシタ２１０８が、図２１および図２２の場合のように入力に直接あるのではなく、スイッチ２１１２およびインダクタ２１１４の後ろにあることであり、インダクタ２１１４と組み合わせたスイッチ２１１２が、ＰＦを最適化してスイッチングするように構成できることである。
【０１４０】
図２１Ｄは、キャパシタ２１１７とインダクタ２１１８を追加したＳＥＰＩＣの形のレギュレータ２１１５の実装を示す図である。図２１Ｅは、キャパシタ２１１７、インダクタ２１１９を追加し、ダイオード２１１１を除いて新しい位置にダイオード２１２０と交換した、ＣＵＫ変換器の形のレギュレータ２１１５の実装を示す。
【０１４１】
図２２では、電子ドライバ２１０１は、変圧器２２１４を追加したフライバックコンバータと同様の形式で構成されている。スイッチ２１１２は、変圧器２２１４の入力巻線と直列に接続されており、変圧器の出力巻線を帰路に接続するまたは接地している。変圧器入力巻線は、前述したようにインダクタ２１１４として二重に機能する。電子ドライバ２１０１がオフラインＡＣ電源１７０１に直接接続されていることをコントローラ２１１３が検知すると、スイッチングモード電源で予想されるように、例えば＞ １０ｋＨｚといった、より高い周波数でスイッチ２２１２を切り替える。ユニット全体は、フライバックコンバータとして機能し、変圧器２２１４は無視できないインピーダンスを有する。しかしながら、コントローラ２１１３が安定器１７０３を検知すると、コントローラ２１１３は、はるかに低い周波数、例えば＜１０ＫＨｚ、＜１ＫＨｚ、＜２４０Ｈｚ、または例えば１２０Ｈｚに切り替わる。このより低い周波数では、インダクタ２１１４は 、実質的に無視できるインピーダンスであり、システムは、図１８と同様に持続可能に動作する。
【０１４２】
図２１Ａ乃至２１Ｅに示すさらなる実施形態においては、安定器に接続されると、コントローラ２１１３は、少なくとも２つの実質的に異なる周波数成分、すなわち高周波成分２３３０、２３３２と、低周波成分２３３１の組み合わせでスイッチ２１１２を制御する。低周波性分２３３１は、安定器からの電力と電流の一部を安定器にシャントして、ＬＥＤをバイパスするのに十分である。低周波成分２３３１、例えば、＜１０ＫＨｚ、＜１ＫＨｚ、または１２０Ｈｚは、インダクタ２１１４のインピーダンスより低い、または変圧器２２１４の第１巻線の等価インダクタよりも低いこのような周波数は無視することができる。 。高周波成分２３３０、２３３２は、変圧器２２１４またはインダクタ２１１４を介して効果的にＬＥＤに電力を伝達するのに十分である。例えば、より高い周波数は、＞１０ｋＨｚである。いくつかの実施形態において、コントローラ２１１３は、安定器１７０３の出力電圧、またはブリッジ電圧ＶＢが安定器内の点火装置をトリガする電圧より常に低く、例えば＜２００Ｖ、＜２５０Ｖ、＜３００Ｖであることを保証する。
【０１４３】
図２３に示すように、トレース２３２０は、等価整流オフライン電圧源１７０１ＶＳまたは整流安定器出力電圧ＶＺを示す。整流されたブリッジ電圧ＶＢは、ライン電圧ＶＳと同じ周期性を有するが、安定器からの歪みのために異なっており、非正弦波形状であることに留意されたい。それにもかかわらず、ブリッジ電圧ＶＢを用いてオフライン電圧ＶＳの周期性を検知できる。スキーム２３２１及び２３２２は、コントローラ２１１３をどのように用いて、スイッチ２１１２を制御するのか、の例である。スキーム２３２１及び−２３２２、少なくとも二つの離れた周波数成分を有しており、低い周波数成分２２３１は安定器からの電力および電流を分路させることを意図しており、高い周波数成分２２３１は、変圧器２２１４またはインダクタ２１１４にわたる電力を伝送するように意図している。
【０１４４】
図２２は、オフライン電圧源１７０１と安定器１７０２の両方と互換性のある電子ドライバの好ましい実施形態を示す。フライバックトポロジーは絶縁を提供し、フレキシブルなＬＥＤ順方向電圧はドライバへの入力における電源電圧に依存しない。
【０１４５】
以下、図２１Ａ乃至２１Ｅ、及び図２２および２３に示されているイラストをまとめたものである。ＬＥＤドライバは、安定器である第１の外部電源とＡＣ電圧源である第２の電源の、少なくとも２つの異なる外部電源によって電力供給することができる。ＬＥＤドライバは、ブリッジ整流器、外部電源に接続されたブリッジの入力、インダクタと直列のブリッジ接続スイッチの出力を具える。検出機構は、安定器またはＡＣ電圧源のいずれかの存在を検出する。検出はシステムの起動中に行われる。スイッチは、少なくとも２つの異なるスイッチングパターン、すなわち安定器 によって電力供給される第１のスイッチングパターンと、ＡＣ電源によって電力が供給される第２のスイッチングパターンによって作動される。このスイッチ起動パターンは、インダクタをブリッジリターンに短絡させ、両方の電源についてＬＥＤへの電流を安定化するように設計されている。第１のスイッチングパターンは、第２のスイッチングパターンよりも低い周波数成分を有する。
【０１４６】
図２４Ａは、力率補正を組み込んだＬＥＤドライバ２４２１の制御構成を示す図である。電力変換回路２４２０は、その入力電流Ｉｉｎが信号ＶＣに実質的に比例するように強制して構成されている。この場合、信号ＶＣは、整流電圧ＶＢと誤差信号ＶＥＲＲＯＲを乗算すること、又はＶＣ=（ＶＢ・ＶＥＲＲＯＲ）、またはＩｉｎα（ＶＢ・ＶＥＲＲＯＲ）によって作成される。ドライバがＡＣ電源１７０１に与える等価抵抗ＲＤは、ＲＤα／ＶＢ ／Ｉｉｎで あり、これは、 ＲＤα／ＶＥＲＲＯＲに単純化される。ＶＥＲＲＯＲ信号は、ＡＣ入力周波数よりもはるかに低いレート（例えば、フィルタ２４１１の帯域幅＜６０Ｈｚ／１０）で変化するように、低域通過フィルタ２４１１でその周波数成分をフィルタリングすることによって比較的一定の平均値に保たれる。ＶＥＲＲＯＲが比較的一定に保たれる場合、等価抵抗ＲＤは比較的一定である。出力電流フィードバック２１１６は、ＶＥＲＲＯＲ信号を調整して、ＬＥＤストリング電流ＩｆをＬＥＤ電流設定点２４１０またはＶＩＳで設定されるような一定値に保つ。システム内のいくつかのその他の構成要素は、整流された線間電圧を検出するセンサ２４１４、乗算器２４１２、入力電流センサ２４０５、およびＬＥＤ電流センサ２１０５を具える。電力変換回路は、ＡＣライン電圧サイクルの一部の入力電流Ｉｉｎを蓄積して、後にＡＣライン電圧サイクルの別の部分にＬＥＤに蓄積されたエネルギーを放出するのに使用するキャパシタなどのエネルギー蓄積構成要素を有する。電力変換回路は、開回路と同様の非常に高いインピーダンス、または短絡などの非常に低いインピーダンスを提示することができる。
【０１４７】
図２４Ｂでは、波形発生器２４１３が含まれているため、信号ＶＣ影響を与えている。このような構成では、制御構成は、電子ドライバ２４３１の入力１７０３において実際のおよび無効で非線形のインピーダンスを提示することが可能になる。例えば、入力電流Ｉｉｎは、入力電圧ＶＢに対して位相がずれていることがあり、ドライバは、安定器に対して並列である静電容量またはインダクタンスと抵抗の組み合わせとして表す。波形発生器は、電力線周波数の高調波を発生させて非線形負荷を発生させることもできる。これにより、正しい高調波成分を合計することによって、入力電流を任意の波形にすることができる。電子ドライバ２４３１が安定器に接続されている場合、負荷に対して誘導性、容量性または非線形性を示す能力を用いて、安定器への入力における力率またはＴＨＤを改善することができるので、これは有利である。ＰＦおよびＴＨＤをさらに改善するためには、インピーダンス、線形および／または非線形は一定である必要はないが、ライン周波数の半サイクル内で変化する。安定器に与えられる高調波非線形負荷は、純粋に線形のリアクタンス、容量性または抵抗性インピーダンスでは不可能である、安定器によって生じる高調波歪みの相殺に必要である。
【０１４８】
ドライバ２４３１について述べた制御スキームは、電子ドライバ２００１または２１０１と同様のトポロジを使用して実装することができ、ここでは、電力変換回路が少なくともスイッチ２００２または２１１２と機能的に同様のスイッチで構成され、波形発生器２４１３が電力変換回路２４２０を図１９と同様の波形でスイッチングさせる。
【０１４９】
バラストの入力力率と歪みを最適化するために最適な電流波形または非線形インピーダンスは、波形発生器によって設定することができる。波形発生器が入力電圧または入力電圧のスカラー倍数を乗算器に供給するように構成されている場合、図２４の制御構成は、図２４Ｂの制御構成と機能的に同等になる。従って、この構成は安定器から又は直接ＡＣラインから作動するように構成することができる。
【０１５０】
図２５は、ドライバの動作モードを選択し、複数の安定器タイプに対する最適な安定器入力力率および高調波歪みに制御回路を構成するプロセスを示す。まず、入力電力の印加後にドライバが起動すると、ＡＣ電源の入力インピーダンスをテストして、ＡＣグリッド（低インピーダンス）に、又は安定器（高インピーダンス）のどちらに接続されているかを決定する。入力電力が安定器によって供給されると決定された場合、この構成は典型的な安定器に対して設定される。次いで、バラストインピーダンスのさらなる試験を行ってタイプの安定器が存在するかを決定する。次いで、この安定器のタイプを使用して、安定器の入力に最適な力率と歪みが得られるように特定の伝達関数を設定する。
【０１５１】
電子アクセサリ
ＬＥＤシステムの一の実施形態では、ＬＥＤシステムの正面中央部に電子アクセサリが配置されている。電子アクセサリの最適な配置場所は以下の通りである。
【０１５２】
ａ．空気流入口にあり、したがって最も冷たい空気にあたる。
【０１５３】
ｂ．前面は通常対象の領域を遮るものがない視野を有しており、電子付属品が例えば可視または赤外線カメラである場合に有用である。前面は、例えばＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｚ−Ｗａｖｅ、Ｔｈｒｅａｄ、Ｚｉｂｇｅｅまたはその他の無線信号など、例えば無線周波数などの無線信号の遮られていない放射および受信を可能にする。この前面は、照明システムへ及び照明システムからのＬｉＦｉなど、遮られていない光通信信号に特に有利である。
【０１５４】
ｃ．中心位置によって、中心開口部を有する光学付属品を、容易に電子付属品の上に配置して、干渉することなく付属品の周りを回転させることができる。
【０１５５】
いくつかの実施形態では、電子アクセサリは１２Ｖ、５Ｖまたは３．３Ｖなど主照明ユニットから電力を引き出す電気接続部を有している。もう一つの電気接続部は、例えば０乃至１０Ｖの調光信号ＰＷＭを送り返して主ＬＥＤシステムを調光する。電子アクセサリが主照明アセンブリと通信するためには、ＳＰＬ、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩなどのプロトコルを使用するデータ通信線でもよい。電子アクセサリは、更に、光を調光するデータを受信する無線通信機能を有する。無線ユニットはまた、データ信号を送信して、他の照明システム並びに制御ユニットと通信することができる。
【０１５６】
その他の実施形態では、電子機器アクセサリは、日中の光センサ、占有率、温度、ＧＰＳ位置、世界時計、高度、湿度、振動、加速度などの１以上のセンサを具えていてもよい。
【０１５７】
ＧＰＳのさらなる実施形態は、建物内の正確な位置を特定できる高感度や超感度のセンサを具えていてもよい。ＧＰＳセンサは、ＬＥＤシステムがその位置を報告できるようにするため、無線通信との組み合わせが非常に有利である。これは、例えば制御されている特定のランプがどのゾーン内にあるかを識別するなど、ランプの位置を必要とするシステムの初期設定または試運転などの場合に非常に有利である。これはまた、オプションのＧＰＳセンサに加えて他の遠隔センサと対にして、どのセンサがどの照明をどのゾーン内で制御しているかをより容易に判断することができる。ＧＰＳを使用しない場合は、最初の設置時にすべてのセンサーとＬＥＤシステムの位置を手動で記録し、フロアプランにマークを付ける必要がある。提案されているＧＰＳセンサを用いると、照明位置および／または他の選択的なセンサの両方を自動的に作ることができる。
【０１５８】
いくつかの実施形態において、電子アクセサリは、１またはそれ以上の表示灯を具えていてもよい。このような表示灯は、例えば、保守の必要性、交換、故障状態、駐車場の利用可能性、倉庫内の品物の位置などのような何らかの情報を伝達することができる。
【０１５９】
種々の実施形態において、電子アクセサリは、例えば、スピーカー、マイクロフォン、又はブザーのような一又はそれ以上のオーディオ素子を具えていてもよい。このようなオーディオ素子は、例えば、公衆告知（ＰＡ）システムにおいて有用である。
【０１６０】
いくつかの実施形態においては、電子アクセサリをスタックして、追加電子機能を加えることができる。このようなスタックした配置では、電気的相互接続を構成して、ＬＥＧＯブロックのように容易にスタックできるようにすることが有利である。
【０１６１】
様々な実施形態を図面を参照して説明したが、その他の実施形態も可能である。例えば、図８Ａ乃至図８Ｆの実施形態では、ヒートシンクベース８０２はピン８０３に熱的に接続しており、軸方向流体連通路（例えば、空気流路８３１）を画定する熱伝達軸に沿って近位側に延在する熱伝導路を画定して、ＬＥＤ光源によって生成した熱を実質的に近位側に伝達して、周囲大気に排気する。図９Ａ及び９Ｂの実施形態では、細長いシートメタルフィン９０１がヒートシンクベース９０２に熱的に取り付けられて、軸方向流体連通経路（例えば、ＬＥＤシステムの前面９０６から細長いフィンの内部９０７へ延びており、細長いフィン９１０の上から出てゆく垂直方向の空気流）を画定する熱伝達軸に沿って近位方向に延在する熱伝導経路を画定している。
【０１６２】
図１０Ａ乃至１０Ｆの実施形態では、外周１００４におけるフィン１００１、１００６間の間隔が、中心領域１００８付近のフィン１００１、１００６の間隔よりも大きく、熱伝達軸に沿って近位方向に延びる熱伝導経路を画定している。この軸は、ＬＥＤ光源によって発生した熱をほぼ近位側に伝導して周囲に排気する軸方向流体連通道を画定している。図１０Ｃ及び１０Ｄの実施形態では、第１のフィン１００１は第１の半径方向長さを有し、第２のフィン１０１０はより短い半径方向長さを有する。フィン１００１、１０１０は 、軸方向の流体連通路を画定する熱伝達軸に沿って近位に延在する熱伝導路を画定し、ＬＥＤ光源によって発生した熱を伝達してほぼ近位に周囲大気に排出するように構成されている。
【０１６３】
図１１Ａ乃至図１１Ｅに示すように、フィン１１０１、１１０２は、熱的および機械的に中央コラム１１０３および／またはベース１１０４に接続して、一又はそれ以上の熱伝導経路が軸方向流体連通路を画定する熱伝達軸に沿って近位方向に延在するようにしている。この軸は、ＬＥＤ光源によって発生された熱をほぼ近位側に伝達して、周囲に排出する軸方向流体連通路を画定している。
【０１６４】
いくつかの実施形態では、図８Ａ乃至１１Ｅのヒートシンクなど、ヒートシンクの構造が、必要な金属がより少なく、したがって、ＬＥＤシステムの重量を減らすことができる。ヒートシンクは、インピーダンスを最小限に抑えるために、従来のＬＥＤシステムと比較してより多くの空気流路を有することが有利である。様々な実施形態において、ヒートシンクはＬＥＤシステムの動作温度を低下させるため、ヒートシンクはＬＥＤシステムの動作寿命を延ばすことができる。いくつかの実施形態では、ＬＥＤシステムは、空気が流れるほぼ真っ直ぐな経路を提供することによって垂直方向に最適化することができる。
【０１６５】
様々な実施形態では、図２Ｃを参照すると、外周２１６が第１の多角形を画定し、内周２２６が第２の多角形を画定しており、第１の多角形が第２の多角形を包含している。いくつかの実施形態において、外周２１６は、外周２１６の一部を内周２２６の一部と共有してもよく、したがって、例えば、図８Ｄ及び９Ａに示すように、第１の多角形は第２の多角形と境界を共有している。
【０１６６】
いくつかの実施形態では、第１の複数のＬＥＤが、第１の平面に投影されており、第２の複数のＬＥＤが第二の平面に投影されている。様々な実施形態においては、第１の平面と第２の平面が同じ平面であってもよい。様々な実施形態では、第１の平面と第２の平面とが実質的に互いに平行であり、互いに交差しておらず、上面から見たときに第１の平面を画定しているＬＥＤが第２の平面を画定するＬＥＤを包含している。
【０１６７】
様々な実施形態では、ほぼ垂直方向の対流通過流が増強されたＬＥＤベースの照明システムが、光軸に沿って遠位方向を照明するように配置された複数のＬＥＤ光源を有する光生成モジュールを具えている。複数のＬＥＤ光源は、一又はそれ以上の開放領域によって互いに離間している。光発生モジュールの複数のＬＥＤ光源の各々が、ＬＥＤ光源と実質的に熱的に連通する熱伝達部材を具えていてもよく、したがって熱伝達部材は、実質的に光軸に平行な熱伝達軸に沿って近位方向に延びる熱伝導経路を有する。動作時には、熱伝達部材は、ＬＥＤ光源によって発生した熱をほぼ近位側に伝達する。ＬＥＤベースの照明は、一又はそれ以上の光学開放領域によって互いに離間した複数の光学素子を有する光学モジュールをさらに具えており、各光学素子は少なくとも１つのＬＥＤ光源に対応する。各光学開放領域は、光学モジュールが光生成モジュールと整列している場合は、一の開放領域に対応する。この開口領域は、少なくとも一又はそれ以上の開口部を確定しており、一又はそれ以上の光学的開口領域内に画定された少なくとも一又はそれ以上の光学的開口部が、開口領域内の対応する一又はそれ以上の開口部と整列して、一又はそれ以上の開口部と一又はそれ以上の光学開口部を通る軸方向流体連絡経路と光軸に平行な軸方向流体連絡経路とを確定して、伝熱部材から熱を除去する。ここで、各軸方向連絡経路は近位側に延びており、周囲大気へ排気が行われる。
【０１６８】
いくつかの実装形態を説明した。それにもかかわらず、様々な修正がなされ得ることが理解されるであろう。例えば、開示された技術のステップが異なる順序で実行される場合、開示されたシステムの構成要素が異なる方法で組み合わされる場合、あるいは構成要素が他の構成要素で補足される場合、有利な結果を達成できる。したがって、特許請求の範囲の範囲内で他の実施形態も意図されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図６−３】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９】
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【図１０−１】
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【図１０−２】
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【図１０−３】
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【図１１−１】
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【図１１−２】
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【図１１−３】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０−１】
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【図２０−２】
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【図２０−３】
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【図２１−１】
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【図２１−２】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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