TW201448666A - Led燈具 - Google Patents
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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
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 (12)
- 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。
Priority Applications (1)
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TW102120634A TW201448666A (zh) | 2013-06-11 | 2013-06-11 | Led燈具 |
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TW (1) | TW201448666A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11974367B2 (en) | 2022-04-13 | 2024-04-30 | Delta Electronics, Inc. | Lighting device |
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2013
- 2013-06-11 TW TW102120634A patent/TW201448666A/zh unknown
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US11974367B2 (en) | 2022-04-13 | 2024-04-30 | Delta Electronics, Inc. | Lighting device |
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