Универсальный полупроводниковый прибор, модуль и способ функционирования

Изобретение относится к светотехнике, в частности к устройствам управления. Технический результат - создание универсального малогабаритного прибора с высокой избирательностью по свету и теплу. Предлагается прибор, имеющий, по меньшей мере, два штырьковых вывода. Прибор содержит полупроводниковую структуру, имеющую первую функцию, и электрическую схему, имеющую, по меньшей мере, один элемент схемы, имеющий вторую функцию. Структура и схема электрически связаны со штырьковыми выводами. Кроме того, прибор может использоваться для выполнения первой и второй функций путем временного мультиплексирования проходящих через штырьковые выводы первого и второго рабочих сигналов. Наконец, первая функция состоит в освещении, а вторая функция состоит в контроле. Настоящее изобретение является особенно перспективным, поскольку в нем предлагается рентабельный, универсальный и малогабаритный светоизлучающий прибор, содержащий светодиоды или лазерные диоды. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к прибору, имеющему, по меньшей мере, два штырьковых вывода, при этом прибор включает в себя полупроводниковую структуру. Кроме того, изобретение относится к модулю, содержащему такие приборы, и к способу функционирования таких приборов и модулей.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Приборы и модули предлагаемого типа, содержащие светоизлучающие диоды, хорошо известны. Они могут использоваться в самых различных применениях, таких как в (общем) освещении, фоновой подсветке жидкокристаллических дисплеев или рекламных вывесок и т.д. Как правило, такие приборы включают в себя электрическую схему. Такая схема, например, состоит из диода с защитой от статического электричества, размещенного встречно светодиоду для защиты от статического электричества или обратного напряжения. Иначе, схема состоит из второго светодиода, подобным образом размещенного встречно первому, что позволяет осуществлять питание прибора, например, переменным током. Возможно, эти два светодиода излучают свет на различных длин волн, что позволяет осуществлять смешивание цветов. Типичный пример прибора, упомянутого во вступительном абзаце, описан в документе с описанием предшествующего уровня техники US2003/0020415.

В существующих приборах стабильность цвета при типовых условиях эксплуатации отсутствует. Помимо прочего, происходящие в светодиодах физические процессы приводят к тому, что излучаемый свет чувствителен к температуре перехода. Для обеспечения стабильности цвета испускаемого оптического излучения предлагалось множество активных и пассивных схем обратной связи и опережающего управления, основанных на температурных или световых датчиках. Такие датчики обычно размещались внутри светоизлучающего модуля или светильника, содержащего такие приборы в качестве источников излучения. Однако это приводит к тому, что сложное устройство может быть изготовлено при высокой стоимости монтажа. Более того, поскольку датчики устанавливаются в модуль, расположенный вне приборов, они имеют низкую избирательность по отношению к отличительным особенностям и влиянию отдельных приборов. Кроме того, известные приборы только способны обнаруживать неисправные светодиоды электрическими средствами, такими как измерение падения напряжения на светодиоде, при использовании > 2 штырьковых выводов. Например, используя цепочки из четырех последовательно включенных светодиодов в одном приборе, имеющем только два штырьковых вывода, невозможно определить отдельный неисправный светодиод в цепочке с помощью такого измерения падения напряжения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание рентабельного и универсального прибора. Другой целью настоящего изобретения является создание прибора, позволяющего определять неисправный светодиод без необходимости использования дополнительных контрольных штырьковых выводов. Более того, целью настоящего изобретения является создание малогабаритного прибора и/или модуля. Кроме того, целью настоящего изобретения является создание блока датчиков (света и температуры), имеющих высокую избирательность по отношению к отличительным особенностям и влиянию источников (света и тепла). По меньшей мере, одна из этих задач достигается с помощью прибора в соответствии с первым вариантом изобретения по п.1. Прибор, имеющий, по меньшей мере, два штырьковых вывода, при этом прибор, содержащий полупроводниковую структуру, имеющую первую функцию, электрическую схему, включающую в себя, по меньшей мере, один элемент схемы, имеющий вторую функцию, при этом упомянутый элемент схемы имеет свойство диода и размещен встречно полупроводниковой структуре, причем структура и схема электрически соединены со штырьковыми выводами, прибор может использоваться для выполнения первой и второй функций путем временного мультиплексирования первого рабочего сигнала с положительной полярностью и второго рабочего сигнала с отрицательной полярностью через штырьковые выводы, первая функция является функцией освещения, а вторая функция является функцией обнаружения.

Настоящее изобретение основано на представлении о том, что полупроводниковые светоизлучающие структуры, такие как светоизлучающие диоды (LEDs), светоизлучающие диоды с резонансной полостью (RCLEDs), лазерные диоды с вертикальной полостью (VCSELs) и лазерные диоды торцевого излучения обеспечивают прекрасную возможность для совместного использования штырьковых выводов благодаря временному мультиплексированию, поскольку они проводят ток только в одном направлении. Кроме того, работа таких структур в импульсном режиме или режиме модуляции является привычной, т.е. управление ими не осуществляется непрерывно. Следовательно, благодаря тому, что в течение некоторого времени управляющий ток на полупроводниковую структуру не подается, становится возможным повторное использование штырьковых выводов для осуществления другой функции. Более того, проектирование приборов с минимальным числом штырьковых выводов дает преимущество в отношении рентабельности. Кроме того, правила проектирования предписывают увеличивать количество штырьковых выводов прибора на множество штырьковых выводов за раз. Таким образом, изобретение минимизирует число контрольных штырьковых выводов на прибор, позволяя реализовать рентабельный, универсальный и малогабаритный прибор. Наконец, установка внутри прибора датчиков улучшает их избирательность в отношении источника (света или тепла), установленного внутри данного прибора, по сравнению с источниками, установленными внутри других приборов.

В одном из вариантов осуществления изобретения схема содержит, по меньшей мере, одно устройство, приводимое в действие постоянным током. В одном из вариантов осуществления приводимое в действие постоянным током устройство содержит, по меньшей мере, один датчик температуры или датчик света. В предпочтительном варианте осуществления изобретения это позволяет обеспечивать сигнал обратной связи для контроля и стабилизации выходного света (потока, цвета и т.д.).

В одном из вариантов осуществления схема дополнительно содержит диод, размещенный встречно полупроводниковой светоизлучающей структуре. В предпочтительном варианте осуществления изобретения благодаря этому две функции выполняются независимо друг от друга.

В одном варианте осуществления функция обнаружения включает в себя одно из измерения потока или измерения точки цвета. Это, в свою очередь, позволяет контролировать и стабилизировать поток и/или цвет излучаемого света.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, часть схемы встроена в полупроводниковую светоизлучающую структуру. В одном варианте осуществления полупроводниковая светоизлучающая структура содержит подложку, и схема встроена в эту подложку. Это позволяет реализовать еще более высокую степень интеграции.

В одном варианте осуществления полупроводниковая светоизлучающая структура содержит, по меньшей мере, один из светоизлучающего диода или лазерного диода.

В соответствии со вторым вариантом изобретения обеспечен светоизлучающий модуль, содержащий, по меньшей мере, один прибор в соответствии с изобретением. Преимущественно это позволяет обеспечить светоизлучающий узел (такой как светильник и т.п.), обладающий возможностями осуществления обнаружения и обратной связи и имеющий высокую избирательность по отношению к отличительным особенностям и влиянию источников (света и тепла).

В одном варианте осуществления модель дополнительно содержит средства обработки, предназначенные для временного мультиплексирования первого и второго рабочих сигналов. Предпочтительно эти средства обработки содержат (интегрированную или дискретную) схему, осуществляющую управление светоизлучающим диодом или лазерным диодом, а также прием сигнала обратной/прямой связи с датчика, что позволяет регулировать управляющие сигналы с целью стабилизации предопределенной выходной информации (потока, цвета и пр.) светоизлучающего модуля.

В соответствии с третьим вариантом настоящего изобретения обеспечен способ функционирования светоизлучающего модуля, содержащий этапы размещения модуля, чтобы содержать, по меньшей мере, один прибор, имеющий, по меньшей мере, два штырьковых вывода, размещения прибора, чтобы содержать полупроводниковую структуру, имеющую первую функцию, и электрическую схему, содержащую, по меньшей мере, один элемент схемы, имеющий вторую функцию, при этом упомянутый элемент схемы имеет свойство диода и размещен встречно полупроводниковой структуре, а структура и схема электрически соединены со штырьковыми выводами, при этом приведение прибора в действие осуществляется для выполнения первой и второй функций путем временного мультиплексирования первого рабочего сигнала с положительной полярностью и второго рабочего сигнала с отрицательной полярностью, проходящих через штырьковые выводы, причем первая функция является функцией освещения, а вторая функция является функцией обнаружения.

Эти и другие варианты изобретения будут ясны из описанных ниже вариантов осуществления и пояснены со ссылкой на них.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Следующие элементы, признаки и преимущества настоящего изобретения раскрыты в приведенном ниже описании примерных и предпочтительных вариантов осуществления с использованием чертежей.

На Фиг.1 схематично показан вариант осуществления в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.2 показана схема временного мультиплексирования, приводящая в действие прибор в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.3 схематично показана полупроводниковая структура, содержащая подложку с интегральными элементами схемы.

На Фиг.4 показано перспективное изображение варианта осуществления прибора в соответствии с настоящим изобретением.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 схематично показан вариант осуществления в соответствии с настоящим изобретением. Прибор 10 имеет, по меньшей мере, два штырьковых вывода 11, 12, позволяющих соединять прибор, например, с источником питания (не показан). Прибор 10 содержит полупроводниковую структуру 20, такую как светоизлучающие диоды (LEDs), светоизлучающие диоды с резонансной полостью (RCLEDs), лазерные диоды с вертикальной полостью (VCSELs)) и лазерные диоды торцевого излучения. Более того, прибор 10 содержит электрическую схему 30. Данная электрическая схема 30 содержит диод 50 и приводимое в действие постоянным током устройство 40. Диод 50 размещен встречно полупроводниковой структуре 20. Следовательно, диод 50 отключает устройство на постоянном токе, когда полупроводниковая структура 20 используется для излучения света. Более того, диод 50 защищает приводимое в действие постоянным током устройство 40 от неправильной полярности. Следует отметить, что некоторые приводимые в действие постоянным током устройства как таковые обладают свойствами диода (например, светочувствительный и термочувствительный диод). В таком случае, диод 50 и приводимое в действие постоянным током устройство 40 могут быть объединены в одном элементе схемы. Такая конфигурация позволяет использовать штырьковые выводы 11, 12 последовательно для двух различных функций.

На Фиг.2 показана схема временного мультиплексирования, приводящая в действие прибор в соответствии с настоящим изобретением. На ней изображена полярность электрических сигналов на штырьковом выводе 11 как функция времени. Схема мультиплексирования разделяет время на интервалы предопределенной длительности Т₁ и Т₂ (которые могут быть или не быть одинаковыми). В течение интервала Т₁ первый рабочий сигнал 60 положительной полярности на штырьковом выводе 11 осуществляет управление полупроводниковой структурой 20. В течение интервала Т₂ второй рабочий сигнал 70 положительной полярности на штырьковом выводе 12 (что эквивалентно отрицательной полярности на штырьковом выводе 11) осуществляет управление приводимым в действие постоянным током устройством 40. Например, для полупроводниковой структуры 10, используемой в качестве светодиода, первой функцией может являться функция освещения. Первым рабочим сигналом 60 может быть управляющий сигнал на основе PWM, имеющий постоянную высоту и переменную ширину, определяющие испускаемый поток света. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, первым рабочим сигналом может быть сигнал на основе PAM, имеющий постоянную ширину и переменную высоту (или амплитуду), определяющие испускаемый поток света. Известно множество других схем управляющих сигналов (постоянного тока или модулированных), которые могут применяться не выходя за пределы сущности и объема изобретения. Более того, использование приводимого в действие постоянным током устройства 40 в качестве датчика позволяет в качестве второй функции реализовать функцию обнаружения. Целесообразно, чтобы такой датчик содержал датчик температуры. Или он может содержать датчик света. Поэтому с помощью второго рабочего сигнала 70 может определяться измеренная температура или обнаруженный свет. Целесообразно, чтобы это обеспечивало передачу сигнала обратной связи для регулирования и стабилизации потока и/или цвета испускаемого света. Может быть предусмотрено множество других схем мультиплексирования, приводящих в действие прибор 10, не выходя за пределы сущности и объема изобретения.

Наряду с тем, что в описанном выше варианте осуществления прибор 10 содержит полупроводниковую структуру 20 и электрическую схему 30, последние два могут являться как дискретными, так и интегрированными компонентами. Таким образом, в одном варианте осуществления, по меньшей мере, часть схемы 30 интегрирована в полупроводниковую структуру 20. В одном варианте осуществления полупроводниковая структура 20 содержит подложку 29, и схема 30 интегрирована в эту подложку (Фиг.3). Это позволяет реализовать еще более высокую степень интеграции. В данном варианте осуществления подложка 29 содержит на своей верхней поверхности электрические схемы (не показаны), соединяющие приводимое в действие постоянным током устройство 40, диод 50 и полупроводниковый источник 21 света. Более того, они позволяют осуществлять соединение со штырьковыми выводами 11, 12 прибора 10. Полупроводниковый источник 21 света содержит слой первого типа 22 проводимости (например, n-типа) и слой второго типа 23 проводимости (например, p-типа), между которыми располагается слой 24, предназначенный для испускания света на предопределенной длине волны при подаче соответствующего управляющего сигнала на источник 21 света. Слои первого 22 и второго 23 типов проводимости соединены, соответственно, с контактными слоями 25 и 26. Столбиковые выводы 27, 28 из припоя позволяют осуществлять соединение с электрической схемой на подложке 29.

На Фиг.4 показано перспективное изображение прибора 10. В одном варианте осуществления прибор содержит теплопоглощающий диск 100, установленный на выводную рамку с заливкой. Выводная рамка с заливкой может представлять собой, например, наполненный пластический материал 105, отлитый вокруг металлической рамки 106, которая создает электрический путь через штырьковые выводы 106а, 106b. Диск 100 может включать в себя оптический рефлектор 102. Полупроводниковая светоизлучающая структура 104 устанавливается непосредственно или косвенно через теплопроводящую подложку 103 на диск 100. Схема 30 (не показана) может быть интегрирована в полупроводниковую светоизлучающую структуру 104. Альтернативный вариант: она может быть интегрирована в подложку 103. Альтернативный вариант: она может быть интегрирована в наполненный пластический материал 105. Может быть добавлена крышка 108, которая может представлять собой оптическую линзу.

Установка множества приборов 10 в модуле позволяет изготовить светоизлучающий светильник (и пр.). Преимущественно это обеспечивает светоизлучающему узлу способности контроля и обратной связи с возможностями высокой избирательности по отношению к отличительным особенностям и влиянию источников (света и тепла). Благодаря установке датчиков внутри приборов 10 они исключительно эффективно измеряют соответствующие характеристики (температуру, уровень) источников света внутри тех же приборов 10. В одном варианте осуществления, модуль дополнительно содержит средства обработки, предназначенные для временного мультиплексирования первого 60 и второго 70 рабочих сигналов. Предпочтительно, эти средства обработки содержат (интегрированную или дискретную) схему, осуществляющую управление светоизлучающим диодом или лазерным диодом, а также прием сигнала обратной/прямой связи с датчика, что позволяет регулировать управляющие сигналы с целью стабилизации заданной выходной информации (потока, цвета и пр.) светоизлучающего модуля.

Несмотря на то, что было представлено объяснение настоящего изобретения со ссылкой на вышеописанные варианты осуществления, ясно, что для достижения одной и той же цели могут использоваться альтернативные варианты осуществления. Например, прибор может содержать более одной полупроводниковой структуры 20 с относящейся к ней схемой 30 в совокупности с соответствующим числом штырьковых выводов. Поэтому объем настоящего изобретения не ограничивается описанными выше вариантами осуществления. В связи с этим, сущность и объем настоящего изобретения должны ограничиваться только пунктами формулы изобретения и их вариантами.

1. Прибор (10), имеющий, по меньшей мере, два штырьковых вывода (11, 12), причем прибор, содержащий
полупроводниковую структуру (20), имеющую первую функцию,
электрическую схему (30), содержащую, по меньшей мере, один элемент схемы, имеющий вторую функцию, при этом указанный элемент схемы имеет свойство диода и размещен встречно полупроводниковой структуре,
причем структура (20) и схема (30) электрически связаны со штырьковыми выводами (11, 12),
причем прибор выполнен с возможностью использования для выполнения первой и второй функций путем временного мультиплексирования первого рабочего сигнала (60) положительной полярности и второго рабочего сигнала (70) отрицательной полярности, проходящих через штырьковые выводы (11, 12), и
причем первая функция является функцией освещения, а вторая функция является функцией обнаружения.

2. Прибор (10) по п.1, в котором схема (30) содержит, по меньшей мере, одно приводимое в действие постоянным током устройство (40), являющееся, по меньшей мере, одним из датчика температуры или датчика освещенности.

3. Прибор (10) по п.2, в котором схема (30) содержит диод (50), включенный встречно полупроводниковой структуре (20).

4. Прибор (10) по п.2, в котором функция обнаружения дополнительно содержит одно из измерения потока или измерения точки цвета.

5. Прибор (10) по п.1, в котором, по меньшей мере, часть схемы (30) интегрирована в полупроводниковую структуру (20).

6. Прибор (10) по п.5, в котором полупроводниковая структура (20) содержит подложку (29), а схема (30) интегрирована в подложку.

7. Прибор (10) по любому из пп.1-6, в котором полупроводниковая структура (20) содержит, по меньшей мере, один из светоизлучающего диода или лазерного диода.

8. Светоизлучающий модуль, содержащий прибор (10) по любому из предыдущих пунктов.

9. Светоизлучающий модуль по п.8, в котором модуль дополнительно содержит средства обработки, предназначенные для временного мультиплексирования первого (60) и второго (70) рабочих сигналов.

10. Способ функционирования светоизлучающего модуля, включающий в себя этапы, на которых:
обеспечивают модуль, содержащий прибор (10), имеющий, по меньшей мере, два штырьковых вывода (11, 12),
при этом прибор содержит полупроводниковую структуру (20), имеющую первую функцию, и электрическую схему (30), содержащую, по меньшей мере, один элемент схемы, имеющий вторую функцию, при этом упомянутый элемент схемы имеет свойство диода и размещен встречно полупроводниковой структуре, и
электрически соединяют структуру (20) и схему (30) со штырьковыми выводами (11, 12),
приводят в действие прибор, чтобы выполнять первую и вторую функцию путем временного мультиплексирования первого рабочего сигнала (60) положительной полярности и второго рабочего сигнала (70) отрицательной полярности, проходящих через штырьковые выводы (11, 12),
причем первая функция является функцией освещения, а вторая функция является функцией обнаружения.