TW201448666A

TW201448666A - Ｌｅｄ燈具

Info

Publication number: TW201448666A
Application number: TW102120634A
Authority: TW
Inventors: Hung-Tsung Wang; Chung-Yi Li
Original assignee: Jinone Inc
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-12-16

Abstract

本發明提供一種LED燈具。藉由並聯的高壓LED長串及蓄能電容，使整體燈具不僅具高功因效果，更可有效降低交流訊號的漣波現象，增加整體的亮度均勻性。

Description

LED燈具

本發明係關於一種LED燈具，尤指一種具高功因效果、整體的亮度均勻及演色性佳的LED燈具。

高壓LED長串具有價格低廉、無電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)及架構簡單等優點，日漸為大眾所採用。但是高壓LED長串的驅動模式仍有許多缺點需要改善。

美國專利號7,081,722中，使用多段開關驅動長串高壓LED，以適應高高低低的輸入電壓，但是以上專利所提方法，如驅動電流為恆電流，或者藉由驅動電流隨著輸入電壓而增加，藉以提高功因(power factor，PF)，在實際運用上存有缺陷，具改善空間。第1圖中，(A)顯示輸入交流電壓經過橋式整流後的波型；(B)顯示為了提高PF，而將LED電流隨著輸入電壓增加而增加；(C)顯示LED恆電流輸出波型；(D)及(E)分別顯示(B)及(C)的LED發光波型。由圖可看出，傳統高壓LED長串的光亮度都與輸入電壓成正比。而且，在輸入電壓低於最接近電源的LED串的啟動電壓VF的時段(I)，整串LED因無電流流過而不發光，形成黑暗區塊。此外，LED長串隨輸入電壓升高而依序點亮，使得整體亮度與輸入電壓同相，俗稱交流漣波紋或頻閃，會造成人眼疲憊與不適。

美國半導體大廠Supertex曾發表產品，藉由降低LED區段的最低導通電壓，以降低整燈完全不發光的比例。但在輸入電壓低於最低導通電壓時，仍會造成黑暗。

因此，有必要發展出具有高功因、低成本、高效率、降低黑暗區塊比例、無交流漣波紋、高演色性效果、總亮度不隨輸入電壓改變而改變的高壓驅動LED架構。

本發明之目的在於提供一種LED燈具，在保持高功因條件下，可大幅降低交流漣波紋，更具高演色性效果。

本發明之控制電路不限於積體電路，可為整個電路控制架構或是裝置。

本發明之LED燈具可包括：一第一LED長串、一第二LED長串及一電容。第一LED長串於一輸入電壓週期中，因輸入電壓低於該第一LED長串之啟動電位VF而不發光的時段為(I)。第二LED長串與該第一LED長串電性並聯，且於該時段(I)內，第二LED長串不發光的時段為(II)，但(I)大於(II)。電容與該第二LED長串電性並聯，使該第一LED長串與該第二LED長串為至少部份光學互補。

本發明之LED燈具亦可包括：一第一LED長串、一第二LED長串及一電容。第一LED長串於一輸入電壓週期中，因輸入電壓低於該第一LED長串之啟動電位VF而不發光的時段為(I)。第二LED長串與該第一LED長串電性並聯，且第二LED長串不發光的時段為(II)，但(I)與(II)不重疊。電容與該第二LED長串電性並聯，使該第一LED長串與該第二LED長串為光學互補。

或者，本發明之LED燈具可包括：一第一LED長串、一第二LED長串及一電容。第一LED長串當輸入電壓最高時，亮度最高，且消耗功率最高。第二LED長串，相對第一LED長串為較低功因。電容與第二LED長串電性並聯。藉此，當輸入電壓低於該第一LED長串之最低啟動電位VF時，第二LED長串能持續發光。較佳地，當輸入電壓最低時，第二LED長串之亮度最高，且消耗功率最高。

上述之LED燈具較佳為包括至少一個二極體，電性耦合於第一LED長串與第二LED長串之間，且該二極體之輸出端電性串聯至第二LED長串。

或者，本發明之LED燈具包括：第一LED長串、與該第二LED長串電性並聯的第二LED長串、與第一LED長串電性並聯的電容、及至少一個二極體。此二極體電性耦合於第一LED長串與第二LED長串之間，且該二極體之輸出端電性串聯至第二LED長串，則當輸入電壓低於該電容電壓時，電流仍可流入第一LED長串。

較佳地，本發明的燈具中，第一LED長串與第二LED長串熱連接(thermally connect)至同一散熱片。

20、20’‧‧‧輸入電壓取樣電路

30‧‧‧定功率計算電路

40‧‧‧電壓反向計算電路

51、51’‧‧‧主僕控制器

70‧‧‧第一LED長串

70’‧‧‧第二LED長串

902、902’‧‧‧橋式整流器

903‧‧‧半橋式整流器

D1‧‧‧反向耐壓二極體

C2‧‧‧蓄能電容

R2、R3‧‧‧電阻

第1圖顯示習知LED燈具的電流及發光波型與輸入電壓波型的關係。

第2圖顯示本發明LED燈具的驅動電路示意圖。

第3圖顯示第2圖的LED燈具的發光波型。

第4圖顯示本發明另一種LED燈具的驅動電路示意圖。

第5圖顯示第4圖的LED燈具的發光波型。

第6圖顯示第二LED長串的發光波型不同時的總亮度。

第7圖顯示LED長串與相關元件的組合例。

第8圖顯示增加X電容及將蓄能電容設於LED長串中的示意圖。

本發明所稱之LED燈具為包括至少兩條並聯的LED長串的單一燈具，其形式可為燈泡、燈條、燈管等，但不限於此。單一燈具通常具有共同或相通的散熱片(heat sink，亦稱散熱座或散熱模組)。每一個LED長串可包括單一或複數個串聯的LED小串，各小串可為一致開啟/關閉或分段控制。每一個LED小串可包括單一或複數個串聯及/或並聯LED。

第2圖顯示本發明LED燈具較佳實施例之一的架構圖。橋式整流器902的輸出端連接並聯的第一LED長串70及第二LED長串70’的電流輸入端。本實施例中，第一LED長串及第二LED長串分別包括數個串聯的LED小串，由各自對應並聯的電流開關分段控制。該電流開關可為習知的定電流控制器，由運算放大器與N型高壓元件組成。

第一LED長串具有高功因特性，與傳統多段式控制LED類似，所以發光亮度隨輸入電壓增加。當輸入電壓低於第一個LED小串的最低啟動電壓時，LED長串因無電流流過，造成整燈的黑暗區塊。此外，LED長串隨輸入電壓升高而依序點亮，會產生如第1圖(D)的交流漣波紋。第一LED長串的平均電壓為V1，平均電流為I1，則第一LED長串的理想輸出功率P1=V1×I1。

因二LED長串連接至同一橋式整流器902，第二LED長串與橋式整流器902的輸出端之間設置一個反向耐壓二極體D1，而耐壓二極體D1的輸出端與LED長串輸入端之間並聯一個蓄能電容C2。隨著蓄能電容C2充放電，電流開關可依序將對應的LED小串導通。因第二LED長串並聯電容C2，使輸入電流不與輸入電壓成正比例關係，亦不具高功因特性。但在輸入電壓低於電容電壓期間，電容C2能持續供應LED長串電能，不僅提高發光效率，亦使整體LED的亮度較穩定。

流經第二LED長串的平均電流為I2，平均電壓為電容C2的電壓V2，則第二LED長串的輸出功率P2=V2×I2。如第3圖所示，虛線為第一LED長串的電壓，實線為第二LED長串的電壓，V2>V1。若流經第一LED長串與第二LED長串的電流相同，則P2>P1，第二LED長串的發光亮度較第一LED長串為佳。由此圖可看出，在第一LED長串不發光的時段(I)中，第二LED長串不發光的時段(II)較少，因此第二LED長串可補償第一LED長串的部分黑暗區，或與第一LED長串為部份光學互補，降低燈具不發光的時間。

在第二LED長串中，多段電流開關與LED並聯，因此電容放電過程中，此多段開關能隨著輸入該電容的電壓高低起伏，找到最佳對應的LED小串數，而持續發光。

第4圖顯示本發明另一較佳實施例的架構。與第一實施例不同之處在於：第一LED長串70及第二LED長串70’的電流開關分別連接至各自的主僕(master/slave)控制器51、51’，可選擇適當的LED小串開啟或關閉，以對應其輸入電壓。每一小串的電流控制開關的輸出端可自動偵測該端電壓。當LED長串的輸入電壓由零電位增至最高電位，且端電壓到達設定電壓，則降低主僕式的電流開關電流，且各LED小串依序點亮。

在此實施例中，第一LED長串70具高功因特性，且設計為定功率。輸入電壓取樣電路20於電阻R2、R3之間取樣分電壓，經定功率計算電路30計算。計算結果傳送至主僕控制器51，可據以調整各LED小串的電流大小，使第一LED長串的輸出功率趨近定值。

第二LED長串70’的主僕控制器51’與橋式整流器902的輸出端之間設置一輸入電壓取樣電路20’及一電壓反向計算電路40。輸入電壓取樣電路20’於電阻R2、R3之間取樣後，於電壓反向計算電路40進行計算，藉由定電流控制器使每一個LED小串皆為定電流。且輸入電壓越高時，亮度越低，輸入電壓越低時，亮度越高。

定電流控制器的輸出端並聯至對應的LED小串，及連接一電壓偵測器，可偵測該輸出端的電壓。若偵測到電壓高於某設定值，將啟動該LED小串，並關閉較高電位LED小串的定電流開關。因此，當橋式整流器的輸出電壓增加時，控制器電路可將LED串的輸出電流變低；當橋式整流器的輸出電壓降低時，控制器電路可將LED串的輸出電流變大。第5圖顯示此架構的發光波型，其中(A)為橋式整流器的輸出電壓波型，(B)為第一LED長串的光亮度，(C)為第二LED長串的光亮度。若將第一LED長串與第二LED長串封裝在同一個發光封裝體內或燈具內，整體LED燈具的亮度如(D)所示，趨近恆亮度。在此實施例中，第一LED長串不發光的時段(I)與第二LED長串不發光的時段(II)並無重疊，因此第二LED長串理論上可完全補償第一LED長串的黑暗區，或與第一LED長串為完全光學互補。

在其他實施例中，為了提高恆光準確性，可實際量測第一LED長串的亮度變化，再據以調整第二LED長串的亮度，使二者亮度為互補關係。例如，具高功因的第一LED長串為亮度/時間函數，則第二LED長串為第一串亮度/時間的反函數。如此，則使兩條LED長串的亮度總和不隨時間改變，更接近理想恆光源。

或者，以恆電流方式驅動第二LED長串，克服第一LED長串無法點亮時整燈黑暗的問題。如第6圖所示，(A)為橋式整流器的輸出電壓波型，(B)為具高功因的第一LED長串的亮度，(C)為持續以恆電流驅動的第二LED長串的亮度，(D)為(B)與(C)的總亮度，雖然未改善亮度變化，但可消除黑暗區。(E)為僅在黑暗區，以恆電流驅動的第二LED長串的亮度，(F)為(B)與(E)的總亮度，除了幾乎完全消除黑暗區外，亮度可更加均勻。

此外，為了提高演色性，可在第二LED長串的電容輸出端並聯一個紅光高壓LED長串，形成三條高壓LED長串架構。此架構的控制方式與第二LED長串類似，但以不同電流驅動紅光LED長串，補強原有的演色性。該紅光LED長串的驅動電流可為恆電流或隨白光亮度做調整，亦可使輸出電流與輸入電壓為正比、反比關係或無關係。

本發明中，LED長串與交流電源的耦合架構不限於上述實施例。第7圖顯示其他耦合方式，虛線框皆代表LED長串及開關組合。圖中，(A)包括兩個並聯的耐壓反向二極體D1、D1’及蓄能電容C2、C2’，但其中一個耐壓反向二極體D1連接兩個並聯的LED長串。(B)包括兩個並聯的橋式整流器902、902’，各自連接一個LED長串，其中一個LED長串與蓄能電容C2並聯，且不需連接耐壓反向二極體D1；(C)與(B)不同之處在於，連接電容C2的橋式整流器為中間抽頭結構的半橋式整流器903。

本發明中，電容的大小及並聯的位置亦不限於上述實施例。第8圖顯示其他耦合方式，(A)圖中，與耐壓反向二極體D1連接的蓄能電容C2有較大容值，而未連接耐壓反向二極體的電容C3(俗稱X電容)則容值很小(約<0.2uF)；(B)圖顯示電容C2可設置於LED長串70’中，任意LED小串的電流輸出端，反向耐壓二極體D1則設置於電容C2與該LED小串的電流輸出端之間。反向耐壓二極體D1亦可改為LED或其他可防止電流逆向的元件。

以第4圖的架構實際量測其數據。第一及第二LED長串的規格，如瓦流明數(lm/W)、電性特性如導通電壓等皆一致。第一LED長串70共有12個LED小串，具高功因(PF)特性。

第二LED長串70’共有6個LED小串，其中第一個LED小串包括10個串聯的LED，第二到第六個LED小串的每一小串包括3個串聯的LED，由對應的電流開關分段控制。每一個LED的導通電壓Vf=3V，則第二到第六個LED小串的每一小串的導通電壓約為9V。如此設計，可使啟動的LED小串數隨瞬間電容電壓做動態修正，確保電容電壓大於最小串數的VF總電壓，而無不發光現象。

使用快速數位照相機觀察量測記錄整體LED長串發光亮度，並調整LED輸出電流，使得總亮度不隨時間而改變，且接近恆值。

若僅有第一LED長串，功因(PF)約為0.96。若第一LED長串與第二LED長串組合，功因(PF)仍大於0.7。

使第二LED長串為定電流輸出，可解決黑暗區塊原有問題，如第6圖所示。或者，將第二LED長串的LED改成紅光LED，更可增加其演色性。

綜上，本發明整合兩種不同高壓LED長串的方式，在電性上仍具高功因特性，而整串LED燈在輸入電壓為零時都能發光，且發光不隨輸入電壓的起伏改變，具有恆發光效果。

本發明中，耐壓反向二極體及蓄能電容的數量及接法無特別限制，可視LED長串數及需要而定。只要能提供LED長串適當電能，都屬於本發明範圍。

由上述說明可歸納本發明的效果及優點包括：

1.藉由簡單結合LED長串，可有效而經濟地解決黑暗區的問題。

2. LED長串結合後，仍具高功因效果。

3.不僅達到恆功率輸出，更可維持恆亮度輸出。

70‧‧‧第一LED長串

70’‧‧‧第二LED長串

902‧‧‧橋式整流器

D1‧‧‧反向耐壓二極體

C2‧‧‧蓄能電容

Claims

一種LED燈具，包括：一第一LED長串，於一輸入電壓週期中，因輸入電壓低於該第一LED長串之啟動電位VF而不發光的時段為(I)；一第二LED長串，與該第一LED長串電性並聯，且於該時段(I)內，第二LED長串不發光的時段為(II)，但(I)大於(II)；及一電容，與該第二LED長串電性並聯，使該第一LED長串與該第二LED長串為至少部份光學互補。
如請求項1之LED燈具，尚包括：至少一個二極體，電性耦合於該第一LED長串與該第二LED長串之間，且該二極體之輸出端電性串聯至該第二LED長串。
如請求項1之LED燈具，其中該第一LED長串與該第二LED長串熱連接至同一散熱片。
一種LED燈具，包括：一第一LED長串，於一輸入電壓週期中，因輸入電壓低於該第一LED長串之啟動電位VF而不發光的時段為(I)；一第二LED長串，與該第一LED長串電性並聯，且第二LED長串不發光的時段為(II)，但(I)與(II)不重疊；及一電容，與該第二LED長串電性並聯，使該第一LED長串與該第二LED長串為光學互補。
如請求項4之LED燈具，尚包括：至少一個二極體，電性耦合於第一LED長串與第二LED長串之間，且該二極體之輸出端電性串聯至第二LED長串。
如請求項4之LED燈具，其中該第一LED長串與該第二LED 長串熱連接至同一散熱片。
一種LED燈具，包括：一第一LED長串，當輸入電壓最高時，亮度最高，且消耗功率最高；一第二LED長串，相對第一LED長串為較低功因；及一電容，與第二LED長串電性並聯；藉此，當輸入電壓低於該第一LED長串之最低啟動電位VF時，第二LED長串能持續發光。
如請求項7之LED燈具，當輸入電壓最低時，該第二LED長串之亮度最高，且消耗功率最高。
如請求項7之LED燈具，尚包括：至少一個二極體，電性耦合於第一LED長串與第二LED長串之間，且該二極體之輸出端電性串聯至第二LED長串。
如請求項7之LED燈具，其中該第一LED長串與該第二LED長串熱連接至同一散熱片。
一種LED燈具，包括：一第一LED長串；一第二LED長串，與該第一LED長串電性並聯；一電容，與該第二LED長串電性並聯；及至少一個二極體，電性耦合於第一LED長串與第二LED長串之間，且該二極體之輸出端電性串聯至第二LED長串，則當輸入電壓低於該電容電壓時，電流仍可流入第一LED長串。
如請求項11之LED燈具，其中該第一LED長串與該第二LED長串熱連接至同一散熱片。