CN108571665A - Led灯泡及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及LED灯泡及其操作方法。描述了一种LED替代灯泡，其具有与荧光灯泡相同的物理形状和外观，但具有LED灯的优良照明特性(例如，调暗的能力、无闪烁)以及在LED照明组件经历调暗或增亮过程的同时从第一种颜色切换(有或没有转变)到第二种颜色的能力。此外，因为灯泡使用灯具的输出(例如，荧光灯具的镇流器的输出)作为是否改变颜色的提示，因此不需要改装照明***(如果需要更现代化的、网络可寻址的灯单元，那么可能是这种情况，即，需要改装照明***)。

Description

LED灯泡及其操作方法
技术领域
本公开一般而言涉及发光二极管(“LED”)照明，并且更具体地涉及用作荧光灯泡的替代物的LED灯泡。
背景技术
荧光照明是相对老的技术。随着LED灯变得越来越流行，适合荧光灯具的LED替代灯泡的市场已经发展起来。虽然LED替代灯泡发出没有作为荧光灯泡的特性的闪烁效果的更高质量的灯光，但它们通常仍然限于每个灯泡单种颜色。典型地，需要对照明***进行大范围的改造，以便充分利用LED所能达到的潜在照明效果。
附图说明
虽然所附权利要求书特别阐述了本技术的特征，但是这些技术连同其目的和优点可以从以下结合附图考虑的具体实施方式中得到最好的理解，其中：
图1是根据实施例配置的LED灯泡的分解图。
图2A和图2B是根据不同实施例配置的灯具的框图。
图3A和图3B是示出根据实施例的在调暗或增亮期间执行的动作的示图。
图4是示出根据实施例的在不同镇流器电流百分比和不同总体光输出百分比下蓝光LED输出、白光LED输出和LED灯泡的色温的相对变化的线图。
图5是根据实施例的用于对LED灯泡进行编程的器具的正视图。
具体实施方式
本公开的各种实施例包括LED替代灯泡，其具有与荧光灯泡相同的物理形状和外观，但具有LED灯的优良照明特性(例如，调暗的能力、无闪烁)以及在LED照明组件经历调暗或增亮过程的同时从第一种颜色切换(有或没有转变)到第二种颜色的能力。此外，因为灯泡使用灯具的输出(例如，荧光灯具的镇流器的输出)作为是否改变颜色的提示，因此不需要改装照明***(如果需要更现代化的、网络可寻址的灯单元，那么可能是这种情况)。
转到图1，一般地标记为100的LED灯泡包括其上具有LED灯104的印刷电路板(“PCB”)102。每个LED灯104可以包括LED和透镜。第一对引脚106附连到PCB 102的第一端，并且第二对引脚108附连到PCB 102的第二端。实际上，引脚106形成第一双引脚，并且引脚108形成第二双引脚。第一双引脚和第二双引脚被配置为适合标准的管式荧光灯插座。总而言之，灯泡100被配置为是荧光灯泡的替换物。
PCB 102被包含在外壳110中，外壳110的至少一部分是半透明或透明的。第一端盖112在第一端处封闭外壳110，并且第二端盖114在第二端处封闭外壳110。第一端盖和第二端盖均具有(第一双引脚和第二双引脚的)引脚通过其的一对孔。
转到图2A，其中示出了根据实施例配置的灯具的框图。一般地标记为200的灯具包括镇流器202，其以具有400赫兹(“Hz”)频率的115伏交流电(“VAC”)的形式接收电力。应该理解的是，本文公开的电流、电压和频率值仅仅是说明性的，并且可以使用其它值。灯具200还包括LED替代灯泡204(“灯泡204”)。灯泡204可以具有图1中绘出的配置。灯泡204包括双引脚205A、205B、205C和205D、从镇流器202(经由双引脚205A和205B)接收交流电(“AC”)并且将AC整流为直流电(“DC”)的桥式整流器206(“整流器206”)。换句话说，整流器206将由灯泡204接收到的AC电压转换为DC电压。灯泡204还包括调节DC电流的电压的电压调节器208、感测灯泡204(特别是在LED灯附近，诸如在PCB 102处)的温度的温度传感器210、逻辑电路***212、差分放大器214、晶体管216、电阻元件218(例如，镇流电阻器)、安全电路220和感测电阻器222。晶体管216的可能实现包括场效应晶体管(例如，金属氧化物半导体FET(“MOSFET”))。温度传感器210和逻辑电路***212两者都从电压调节器208接收电力。电阻元件218沿着电路路径226串联地电连接，电路路径226从具有电压Vrect的节点225(即，整流器206的电压输出端)延伸。还从节点225延伸(并且电连接到节点225)的是分支227和分支229。分支227包括与沿着平行子分支232、234和236的灯串230串联电连接的一个颜色(例如，白色)的LED灯230A。分支229包括与沿着平行子分支240、242和244的灯串238串联电连接的另一种颜色(例如，蓝色)的LED灯238A。与每个子分支240、242和244的每个灯串238串联电连接的是相应的电阻元件240A、242A和244A。为了便于参考，电阻元件240A、242A和244A通常将被称为“电阻器”，但是其它类型的电阻元件也是可能的。
本公开有时将分支227称为“第一分支”，并且将分支229称为“第二分支”。在其它情况下，取决于它们被描述的顺序，参考被颠倒。此外，本公开可以将分支227的LED的颜色称为“第一颜色”并且将第二分支229的LED的颜色称为“第二颜色”。在其它情况下，取决于它们被描述的顺序，参考被颠倒。
逻辑电路***212的可能实现包括微处理器、微控制器、专用集成电路(“ASIC”)和现场可编程门阵列(“FPGA”)。
虽然对于本公开不是必需的，但是灯泡204的一种可能的部署场景是在飞行器机舱的灯具内。在这种场景下，灯具200将电链接到例如机舱控制面板201。因此，乘务人员将经由机舱控制面板201启动的、将导致机舱控制面板调暗或升高机舱灯的任何类型的程序(例如，“用餐时间”程序)将转化为灯泡204中的颜色变化。如将进一步详细描述的，这种颜色变化将通过升高和降低到灯泡204的电流发生而不需要基于分组的通信或其它类型的“智能”信令。
转到图2B，其中示出了灯泡204的另一个实施例。这个实施例与图2A的实施例之间的差别在于，在图2B的实施例中，在分支229中不存在串联电阻器。而是，存在处于逻辑电路***212的控制下的晶体管221。因此，不是依赖于电阻器引起的电压降(如图2A的实施例中那样)，而是图2B的实施例使用逻辑电路***212来打开和关闭本身控制晶体管221两端的电压降的晶体管221的栅极。有可能一个或多个固定电阻器可以放置在分支229中，但是关于电流是被允许还是限制流经分支229的大部分控制将由晶体管221提供。
为了确定是否以及如何控制晶体管221，逻辑电路***在输入端口213(在图2B中被描绘为模数(“A/D”)转换器)处接收表示感测电阻器215两端的电压的信号。逻辑电路***212分析这个信号以确定由镇流器202输出的电流。使用该信息，逻辑电路***212参考存储在逻辑电路***的存储器212A中的数据结构212B。数据结构212B(例如，查找表或可调用函数)将镇流器输出(例如，镇流器电流)映射到一个或多个LED颜色和/或LED明亮度。例如，数据结构212B可以指定当镇流器电流降低超过某个阈值时，分支227的LED将被调暗(从而增加由分支229的LED供给的来自灯泡204的光的百分比)。
现在将描述根据实施例的图2A中示出的灯泡204的实施例的操作。来自镇流器202的电流变化导致颜色转变。为了用具体示例说明，假设分支227的LED灯230A是白色的，并且分支229的LED灯238A是蓝色的。当来自镇流器202的电流低时，每个串(240A、242A和244A)的电阻器两端的电压不足以弥补白色LED多于灯蓝色LED灯的事实(即，白色LED的总电阻超过蓝色LED的总电阻，特别是在低电流时，并且在低电流时电阻器将不会有太大的差别)。因此，灯泡204输出的光将是例如100％蓝色和0％暖白色。当来自镇流器202的电流处于中等电平时，电阻器两端的电压降开始等于白色LED灯两端的电压降(其中蓝色LED灯在电压降方面贡献相对小)，并且电流在两个分支之间被拆分，从而导致来自灯泡204的冷白色光(50％蓝色和50％暖白色)。在某一点处，蓝色LED灯将处于其最大明亮度(如受电阻器限制)。当镇流器电流增加到其最大值时，所有的“额外”电流都流向最小电阻的路径，即，分支227。从灯泡204结果得到的输出将是例如中性白色并且由20％蓝色和80％暖白色组成。
应该理解的是，上述示例中的比例和值仅仅是说明性的，并且数字意味着是一般比例。此外，还可以有其它颜色和组合，诸如暖白色和冷白色或蓝色和红色。
转到图3A，现在将描述作为由灯具200(根据实施例)执行的调暗操作的结果，替代LED灯泡如何从一种颜色转变到另一种颜色的示例。在时间T0(方框302)，将假设镇流器202输出其最大电流(例如，300mA)。这时，逻辑电路***212可以使晶体管221的晶体管221的栅极打开(以便允许串238的LED灯照亮)，或者可以使晶体管的晶体管221的栅极关闭(以便防止串238的LED灯照亮)。在任一种情况下，晶体管221两端的电压降足够高(如果晶体管221的栅极关闭，那么电压降非常高)，使得分支229上的总体电压降低于分支227上的电压降，从而导致电流流到分支229。镇流器202将其电流输出减小(例如，到200mA)到其中分支227的相应LED灯两端的电压接近它们相应的正向电压并且LED灯230A调暗的点。在方框304处，逻辑电路***212检测到这种减小(经由寄生电阻器215在输入端213处)并且可以(a)通过打开第二晶体管221的晶体管221的栅极(或者从闭合状态或者从一个打开状态到另一个)以沿分支229汲取电流做出响应，并且从而照亮分支229的LED灯238A(如果它们尚未被点亮)和/或(b)将脉冲宽度调制(“PWM”)信号输出到串227以便使串227的LED灯点亮以获得转变效果。在方框306处，镇流器202输出第三电平(例如，100mA)的电流并且或者由于(a)串227的灯两端的电压下降到低于其相应的正向电压或者(b)逻辑电路***212停止向串227输出PWM，串227的LED灯230A关闭。
随着时间从T2移动到T3，镇流器202减小其电流输出，并且分支229的灯调暗并且由于(a)从节点225可用的总体电流太低而不能提供LED灯238A两端足够的电压(b)逻辑电路***212关闭晶体管221的晶体管221的栅极以限制(并关断)通过晶体管221的电流流动而最终停止照亮。在方框308处(时间T3)，镇流器202输出第四电平的电流，其非常低或者为零。
转到图3B，现在将描述作为由灯具200执行的调暗操作的结果，灯泡100如何从一种颜色转变到另一种颜色的示例。在时间T0(方框350)，将假设镇流器202不输出电流或输出最小量的电流(例如，足够为逻辑电路***212供电)。这时，晶体管221的晶体管221的栅极闭合，并且没有LED灯被照亮。打开(以便允许串238的LED灯238A照亮)或者可以使晶体管221的栅极闭合(以便防止串238的LED灯照亮)。镇流器202将其输出增加到第一电流电平(例如，100mA)。逻辑电路***212在方框352处(时间T1)检测到这种变化，并且通过向晶体管221的晶体管221的栅极施加电压来做出响应，从而打开晶体管221的栅极。这个动作将分支229上的电压降减小到其中电压降小于分支227两端的电压降的点。这具有将电流拉到分支229的效果。一旦沿分支229的电流的流动足以引起分支229的相应LED灯238A两端的电压，那些LED灯238A就开始照亮。从时间T1到时间T2，由镇流器202输出的电流继续增加并且分支229的灯变得更明亮。在方框352处(时间T2)，分支229中的电流足够高(例如，200mA)使得晶体管221两端的电压降足够大以引起分支229两端的电压降超过分支227的电压降，从而使节点225上的电流开始转移到分支227。从时间T2到时间T3，由镇流器202输出的电流继续增加，如同流向分支227的电流量一样。在方框354处(时间T3)，分支227的相应LED灯230A两端的电压超过其相应的正向电压，并且因此，分支227的LED灯230A开始照亮。在时间T3和时间T4之间，镇流器202增加其电流输出直到其最大(例如，300mA)(在方框356处，时间T4)，在此期间分支227的LED灯230A继续增亮。逻辑电路***212可以(a)允许分支227的LED灯230A保持导通或(b)关闭晶体管221的晶体管221的栅极以限制沿分支229的电流的流动，以使分支229的LED灯238A停止发光。此外，逻辑电路***212可以通过将PWM信号输出到分支229的LED灯238A来执行从分支229的LED灯238A到分支227的LED灯230A的转变效果(例如，淡化效果)(即使LED灯238A没有从节点225接收到足够的电流)。
应该注意的是，尽管结合图3A和3B描述的动作被描绘为以不重叠的方式发生，但是它们在时间上可以重叠。
转到图4，线图图示了镇流器电流、LED 238A的输出(在这个示例中假定为蓝色)(图中的线402)、LED 230A的输出(在这个示例中假设为白色)(图中的线404)以及由灯泡204输出的光的总体色温(图中的线406)之间的关系(根据实施例)。注意的是，因为蓝色LED灯与电阻器串联，因此它们的输出比白光LED的输出增加得更慢(根据镇流器电感)。一旦白色LED能够开启，它们迅速取而代之变成总体光输出的大部分。因此，当灯具200最初开启时，只有蓝色LED接通。然后存在其中蓝色LED和白色LED接通的中间区域。随着灯泡204的功率增加(例如，由于调光器开关增加)，灯泡进入明亮区域，其中大部分光输出由于白色LED导致。总而言之，从开始到结束，色温从基本的蓝色(大约4000K)变为(作为白色和蓝色的混合的)10000K。
如在图2B的描述中所指出的，LED替代灯泡的实施例可以被编程为以不同方式对不同镇流器电流做出反应。根据实施例，用于执行这种编程的一种机制是被配置为电连接到灯泡的器具。图5绘出了如何可以实现这样的器具。器具500具有被调整大小以适合灯泡的开放面腔室502。在腔室502内的是插座504A和504B，其被配置为容纳灯泡的双引脚(诸如图1、图2A和图2B中示出的双引脚)。器具500包括用于电源(电源开关508)、选择“亮”或“暗”(选择按钮510)和锁定选择(设置按钮512)的控件。指示器灯514示出在“亮”和“暗”之间已做出哪种选择，并且指示器灯516示出在第一种颜色(颜色A)和第二种颜色(颜色B)之间已做出哪种选择。一旦用户(例如，灯泡制造商的客户)已经做出并锁定在期望的选择中(例如，亮设置＝颜色A，暗设置＝颜色B或反之亦然)，器具500就将这些选择传输到逻辑电路***212(经由双引脚205A、205B、205C和205D中的一个或多个)。逻辑电路***212将这些选择存储在数据结构212B中。
应该理解的是，本文描述的实施例应该仅被认为是描述性的而不是为了限制的目的。在每个实施例内的特征或方面的描述通常应该被认为可用于其它实施例中的其它类似特征或方面。本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离其精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (15)

1.一种发光二极管LED灯泡，包括：
电路，包括：
携带电流的节点；
第一分支，从所述节点延伸到地，其中第一分支包括多个第一颜色的LED；
第二分支，从所述节点延伸到地，其中第二分支包括多个第二颜色的LED和与所述多个第二颜色的LED串联的电阻元件，
其中所述电阻元件的值使得：
当电流处于第一电平时，第二分支上的电压降低于第一分支上的电压降，从而沿第二分支汲取电流，以便照亮所述多个第二颜色的LED；
当电流处于第二电平时，第二分支上的电压降近似等于第一分支上的电压降，从而沿第一分支和第二分支两者汲取电流，以便照亮所述多个第二颜色的LED并且开始照亮所述多个第一颜色的LED，
其中第二电平高于第一电平；以及
当电流升高超过第二电平时，第一分支上的电压降低于第二分支上的电压降，从而沿第一分支汲取更多的电流，并且照亮比第二颜色的LED灯更多的第一颜色的LED灯。
2.如权利要求1所述的灯泡，其中第一分支中的LED灯的数量超过第二分支中的LED灯的数量。
3.如权利要求1所述的灯泡，其中第一分支包括多个子分支，每个子分支包括一串第一颜色的LED灯。
4.如权利要求1所述的灯泡，其中第二分支包括多个子分支，每个子分支包括一串第二颜色的LED灯以及与一串LED灯并联的电阻元件。
5.如权利要求1所述的灯泡，其中：
第一分支包括多个子分支，每个子分支包括一串第一颜色的LED灯，以及
其中第二分支包括多个子分支，每个子分支包括一串第二颜色的LED灯以及与一串LED灯并联的电阻元件。
6.如权利要求5所述的灯泡，其中第一分支的子分支中的每个子分支中的LED灯的数量超过第二分支的子分支中的每个子分支中的LED灯的数量。
7.一种用于改变发光二极管LED灯泡中的颜色的方法，其中所述灯泡包括第一串第一颜色的LED灯和第二串第二颜色的LED灯，所述方法包括：
检测由灯具提供给灯泡的电流的电平；以及
当检测到的电平是第一电平时，打开与第一串LED灯串联连接的晶体管的栅极，以允许LED替代灯泡内部的电流流过第一串LED灯以便照亮第一串的LED灯；
其中第二电平高于第一电平。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
当检测到的电平是第二电平时，开始关闭第一晶体管的栅极以便降低第一串的LED灯的明亮度。
9.如权利要求7所述的方法，还包括：
当检测到的电平是第三电平时，关闭第一电阻器的栅极以关断第一串的LED灯，其中第三电平高于第二电平。
10.如权利要求7所述的方法，其中不存在与第一串或第二串串联的电阻器。
11.如权利要求7所述的方法，其中第一分支包括多个子分支，每个子分支包括一串第一颜色的LED灯。
12.如权利要求7所述的方法，其中第二分支包括多个子分支，每个子分支包括一串第二颜色的LED灯。
13.如权利要求7所述的方法，其中：
第一分支包括多个子分支，每个子分支包括一串第一颜色的LED灯，以及
其中第二分支包括多个子分支，每个子分支包括一串第二颜色的LED灯。
14.一种发光二极管(LED)灯泡，包括：
第一串第一颜色的LED灯；
与第一串的LED灯串联电连接的晶体管；
第二串第二颜色的LED灯；
逻辑电路***，被配置为：
检测由镇流器输出到灯泡的电流；
当检测到的电流下降到第一电平时，关闭第一晶体管的栅极，
以限制流到第一串LED的电流的量，以便减少由第一串的LED灯输出的光的量；
其中第二电平低于第一电平。
15.如权利要求14所述的灯泡，其中所述逻辑电路***还被配置为：
在检测到的电平下降到第一电平之后，向第一串传输脉冲波调制信号，以便产生从第一颜色到第二颜色的转变效果。
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