TWI422282B - A lighting device for driving a light emitting diode using an insulated piezoelectric transformer - Google Patents

Description

利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置

本發明係有關一種利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，特別是關於一種利用絕緣型壓電變壓器提高功率轉換效率而使發光二極體的點燈效率最佳化。

近年來，由於資訊產品輕、薄、短、小之發展趨勢，使得壓電變壓器應用於液晶顯示器背光源之驅動已日趨普遍。壓電變壓器的基本原理是利用電場與力場之間的能量互換效應來轉換電壓，具有體積小、重量輕，高電能轉換效率、高可靠度、高絕緣、與無電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)等眾多優點。然而，壓電變壓器之一次側接收一驅動電壓並從二次側電極輸出提昇一昇壓比的電壓，若壓電變壓器為非共振頻率之頻寬範圍所驅動時，壓電變壓器會產生寄生振動，雖可自二次側輸出非共振頻率，但會消耗能量而降低壓電變壓器的轉換效率。

習知的壓電變壓器得借助加上傳統的繞線式變壓器去做一、二次側的絕緣，由於繞線式變壓器可產生具有比輸入電壓高之正弦波的電壓，因此，可用無含有共振頻率之成分之正弦波來驅動壓電變壓器，使壓電變壓器的轉換效率提高，以及壓電變壓器驅動電路可用較低的電壓驅動等優點。惟，習知技術需要繞線式變壓器做變壓之用，因此整個驅動裝置的體積顯得非常大，不符合輕薄短小的要求。此外，繞線式變壓器變壓時會產生磁心的效率損耗而降低輸出效率，且線圈的耐壓不足，很容易會因為高壓而跳電擊穿，導致短路燒毀，具有極高的危險性。

有鑑於此，本發明遂提出一種利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，以改善存在於先前技術中之該些缺失。

本發明的主要目的在於提供一種利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，利用絕緣型壓電變壓器之基材上的絕緣區域使一次側與二次側達到絕緣之目的，可降低能量的損耗而提高功率轉換效率。

本發明之另一目的係提供一種藉由絕緣型壓電變壓器取代一般點燈裝置中的繞線式變壓器，絕緣型壓電變壓器具有漏電流小、絕緣性佳、耐壓性高、溫度低、體積小、封裝厚度薄且高轉換效率等優點，除了可提高點燈效率，更可縮小整個發光二極體之點燈驅動裝置體積而之讓最終產品尺寸達到精簡化之優點，極具有市場競爭優勢。

為達到上述目的，本發明提供一種利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，包括發光二極體模組連接於至少一絕緣型壓電變壓器，發光二極體模組包含複數個第一極性發光二極體與第二極性發光二極體。絕緣型壓電變壓器包含一陶瓷基材、至少一第一上電極與第一下電極、至少一第二上電極與第二下電極。其中，陶瓷基材具有一上表面與一下表面，第一上電極與第一下電極分別對稱設置於基材之上表面與下表面，以作為一次側，並接收一脈波訊號。第二上電極與第二下電極分別對稱設置於基材之上表面與下表面，以作為二次側，且於第一上電極、第二上電極之間與第一下電極、第二下電極之間設有一絕緣區域。一次側與二次側藉由壓電變壓方式而將脈波訊號轉換為一交流電壓，並由二次側輸出交流電壓以驅動此些第一極性發光二極體點燈或此些第二極性發光二極體點燈。

此外，本發明可增設一濾波整流電路與一壓電電容，應用於直流電壓驅動發光二極體模組進行點燈動作。濾波整流電路係與壓電電容並聯連接，濾波整流電路位於二次側，並將二次側輸出之交流電壓轉換為一直流電壓，由壓電電容提供直流電壓以驅動發光二極體模組點燈，其中，發光二極體模組為並聯複數個極性相同的發光二極體。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

請參閱第一圖，為本發明之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置之第一實施例示意圖。本實施例係應用於交流點燈裝置，包含一發光二極體模組11及至少一絕緣型壓電變壓器12。發光二極體模組11係為並聯之複數個第一極性發光二極體111與複數個第二極性發光二極體112，其中，此些第一極性發光二極體111與此些第二極性發光二極體112的極性相反，且可交互配置再予以並聯形成發光二極體模組11。絕緣型壓電變壓器12包含一次側121與二次側122，一次側121係接收一脈波訊號，經由壓電變壓方式而將脈波訊號轉換為交流電壓，並由二次側122輸出交流電壓予發光二極體模組11驅動點燈。

當操作絕緣型壓電變壓器12於共振頻率點，且輸入之脈波訊號為正半週時，則絕緣型壓電變壓器12之一次側121係接收脈波訊號，藉由壓電效應而將脈波訊號轉換為交流電壓，並由二次側122輸出交流電壓以驅動此些第一極性發光二極體111點燈。其中，發光二極體具有單向導電的特性，此些第一極性發光二極體111為順向偏壓，故電流流通此些第一極性發光二極體111，因而驅動此些第一極性發光二極體111點燈，而此些第二極性發光二極體112為逆向偏壓，相當於開路狀態，沒有電流流通。換言之，若輸入之脈波訊號為負半週時，由二次側122輸出交流電壓以驅動此些第二極性發光二極體112點燈，其中，此些第二極性發光二極體112為順向偏壓，故電流流通此些第二極性發光二極體112，因而驅動此些第二極性發光二極體112點燈，而此些第一極性發光二極體111為逆向偏壓，相當於開路狀態，沒有電流流通。

如第二A圖所示，為本發明之絕緣型壓電變壓器之結構剖視圖。請同時配合參閱第二B圖，為本發明之絕緣型壓電變壓器之元件結構。絕緣型壓電變壓器12包含一陶瓷基材20、至少一第一上電極201與第一下電極202、至少一第二上電極203與第二下電極204。陶瓷基材20具有一上表面與一下表面，第一上電極201與第一下電極202分別對稱設置於陶瓷基材20之上表面與下表面，以作為一次側。第二上電極203與第二下電極204分別對稱設置於陶瓷基材20上表面與下表面，以作為二次側，且於第一上電極201、第二上電極203之間與第一下電極202、第二下電極204之間設有一絕緣區域205。一次側與二次側藉由壓電變壓方式而將脈波訊號轉換為一交流電壓過程，會使第一上電極201、第一下電極202之間的陶瓷基材20與第二上電極203與第二下電極204之間的陶瓷基材20各別予以極化，絕緣區域205形成未極化區域，而保持陶瓷材料的物理特性，故呈現絕緣狀態。其中，操作於共振頻率的頻寬範圍時，絕緣區域205之阻抗值最小，換言之，絕緣區域205在沒有頻率的頻寬範圍時，阻抗值最大，約可達到10¹² ～10¹³ 歐姆而呈現高阻狀態(絕緣狀態)，因此，可達到一次側與二次側絕緣的功效，進而減少共振頻率之外的正弦波成份進入二次側而造成能量的損耗。

接續，如第二C圖所示，為本發明之絕緣型壓電變壓器之等效電路。等效電路中繪示有位於一次側之等效電容C₁ 與變壓器T₁ 、由串聯連接之等效電感L、等效電容C與等效電阻R，以及位於二次側之等效電容C₂ 與變壓器T₂ 。其中，等效電路中表示力學特性的等效電容C₁ 與C₂ 係經由壓電效應所產生的，且力學特性C₁ 與C₂ 值約為表示電特性的等效電容C值的3倍電容量，絕緣型壓電變壓器12具有高電容量(Q=C*V)，使效率能量轉換提高，進而提高點燈效率。

請參閱第三圖，為本發明之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置之第二實施例示意圖，其與第一圖不同在於增設一諧振電感L₁ ，其串聯於絕緣型壓電變壓器12之一次側的第一上電極201，以形成一半橋諧振電路。發光二極體模組11係為並聯複數個第一極性發光二極體111與第二極性發光二極體112，且此些第一極性發光二極體111與此些第二極性發光二極體112的極性相反。當操作於諧振電感L₁ 與絕緣型壓電變壓器12之相同共振頻率點，且輸入脈波訊號為正半週時，絕緣型壓電變壓器12之一次側121透過諧振電感L₁ 接收脈波訊號，經由壓電變壓方式，可將脈波訊號轉換為交流電壓，此時內阻抗最小、電流最大，故轉換效率最好，再由絕緣型壓電變壓器12之二次側122輸出交流電壓以驅動此些第一極性發光二極體111點燈。其中，諧振電感L₁ 具有將脈波訊號做升壓與儲能功效，故可以提供絕緣型壓電變壓器12較高的功率轉換效率。若輸入脈波訊號為負半週時，絕緣型壓電變壓器12之一次側係接收脈波訊號，藉由壓電變壓方式將脈波訊號轉換為交流電壓後，由絕緣型壓電變壓器12之二次側輸出交流電壓以驅動此些第二極性發光二極體112點燈。

若要提高整個發光二極體模組11的功率輸出，如第四圖所示，本實施例可增設二諧振電感L₁ 與L₂ 。諧振電感L₁ 與L₂ 分別串聯於絕緣型壓電變壓器12之一次側的第一上電極201、第一下電極202以形成一全橋諧振電路。此些第一極性發光二極體111與此些第二極性發光二極體112分別連接於絕緣型壓電變壓器12之第二上電極203與第二下電極204。當操作於諧振電感L₁ 、L₂ 與絕緣型壓電變壓器12之相同共振頻率點，且輸入脈波訊號為正半過時，一次側的第一上電極201為正極，第一下電極202為負極，一次側透過諧振電感L₁ 與L₂ 接收脈波訊號，諧振電感L₁ 與L₂ 可作為升壓與儲能，以供一次側更大的功率轉換效能，藉由壓電變壓方式，可將脈波訊號轉換為一交流電壓，此時，絕緣型壓電變壓器12之二次側的第二上電極203為正極，第二下電極204為負極，故由第二上電極203輸出交流電壓以驅動順向偏壓的此些第一極性發光二極體111點燈。若輸入脈波訊號為負半週時，一次側的第一下電極202為正極，第一上電極201為負極，一次側透過諧振電感L₁ 與L₂ 接收脈波訊號，藉由壓電變壓方式，可將脈波訊號轉換為一交流電壓，此時，絕緣型壓電變壓器12之二次側的第二下電極204為正極，第二上電極203為負極，故由第二下電極203輸出交流電壓以驅動順向偏壓的此些第二極性發光二極體112點燈。藉此，操作於共振頻率之頻寬範圍時，本發明之全橋諧振電路比半橋諧振電路能輸出更大功率之效能。

請參閱第五圖，為本發明之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置之第四實施例示意圖。點燈裝置包含至少一發光二極體模組50及至少一絕緣型壓電變壓器12。發光二極體模組50係為並聯複數個第一發光二極體燈串501與複數個第二發光二極體燈串502，每一第一發光二極體燈串501包含複數個第一極性發光二極體，每一第二發光二極體燈串502包含複數個第二極性發光二極體。此些第一發光二極體燈串501與此些第二發光二極體燈串502分別連接於絕緣型壓電變壓器12之第二上電極203與第二下電極204，其中，此些第一發光二極體燈串501與此些第二發光二極體燈串502的極性相反，且可交互配置再予以並聯形成發光二極體模組50。當操作於絕緣型壓電變壓器12共振頻率點，且輸入脈波訊號為正半週時，此時，絕緣型壓電變壓器12之一次側的第一上電極201為正極、第一下電極202為負極，而一次側係接收一脈波訊號，藉由壓電變壓方式，可將脈波訊號轉換為一交流電壓，此時，絕緣型壓電變壓器12之第二上電極203為正極，第二下電極204為負極，故由第二上電極203輸出交流電壓以驅動順向偏壓的此些第一發光二極體燈串501點燈。換言之，輸入脈波訊號為負半週時，此時，絕緣型壓電變壓器12之一次側的第一下電極202為正極，第一上電極201為負極，而二次側的第二下電極204為正極，第二上電極203為負極，故由第二下電極203輸出交流電壓以驅動順向偏壓的此些第二發光二極體燈串502點燈。於本實施例中，若絕緣型壓電變壓器12搭配二諧振電感L₁ 與L₂ 來構成全橋諧振電路，即可推動更高功率的輸出，如第六圖所示。

本發明除了利用交流電壓驅動發光二極體模組外，更可利用直流電壓驅動發光二極體模組，如第七圖所示，本實施例可增設一濾波整流電路70與一壓電電容71，濾波整流電路70與一壓電電容71並聯連接，濾波整流電路70係位於一絕緣型壓電變壓器12之二次側，壓電電容71係提供一直流電壓以驅動發光二極體模組11點燈。濾波整流電路70包含二極體D1與D2與一濾波電感L，濾波電感L連接於二極體D1與D2，二極體D1與D2分別連接於二次側的第二上電極203與第二下電極204。

當操作於絕緣型壓電變壓器12共振頻率點，且輸入脈波訊號為正半過時，此時，絕緣型壓電變壓器12之一次側的第一上電極201為正極、第一下電極202為負極，而一次側係接收一脈波訊號，藉由壓電變壓方式，可將脈波訊號轉換為一交流電壓，此時，絕緣型壓電變壓器12之第二上電極203為正極，第二下電極204為負極，故由第二上電極203輸出交流電壓予二極體D1，二極體D1為順向偏壓，電流可從二極體D1流出通過濾波電感111至壓電電容71進行充電，而二極體D2為逆向偏壓，相當於開路狀態，沒有電流流通。若輸入脈波訊號為負半週時，一次側的第一下電極202為正極，第一上電極201為負極，而二次側的第二下電極204為正極，第二上電極203為負極，故由第二下電極204輸出交流電壓予二極體D2，二極體D2為順向偏壓，電流可從二極體D2流出通過濾波電感L至壓電電容71進行充電，而二極體D1為逆向偏壓，相當於開路狀態，沒有電流流通。由於二極體D1與D2具有單向導電的特性，可以把方向和大小交變的交流電壓轉換為一直流電壓，再由壓電電容71輸出直流電壓以驅動發光二極體模組11點燈。於本實施例中，發光二極體模組11為並聯複數個極性相同的單顆發光二極體，並由壓電電容71提供直流電壓以驅動發光二極體模組11點燈，當然，發光二極體模組11亦可為並聯複數個極性相同的發光二極體燈串113，每一發光二極體燈串113包含複數個極性相同之發光二極體，如第八圖所示。

此外，於第七圖與第八圖中，本發明可視需求將絕緣型壓電變壓器12搭配一諧振電感L₁ 來構成半橋諧振電路，以提高功率來驅動發光二極體模組，當然，若將絕緣型壓電變壓器12搭配二諧振電感L₁ 與L₂ 來構成全橋諧振電路，即可推動更高功率的輸出。

綜上所述，絕緣型壓電變壓器為陶瓷材質，具有高耐壓性，約可耐壓交流電壓3000伏特，藉以取代繞線式變壓器，以解決繞線式變壓器變壓時會產生磁心的效率損耗而降低輸出效率，且線圈的耐壓不足，容易會因為高壓而跳電擊穿，導致短路燒毀的問題；以及，可解決習知壓電變壓器因高壓輸入、振動太激烈時，所發生斷裂或破損的問題，再者，本發明之絕緣型壓電變壓器在沒有頻率的頻寬範圍時，阻抗值約可達到10¹² ～10¹³ 歐姆，可有效降低能量的損失，進而提高電能轉換效率，使點燈效率達最佳化。此外，絕緣型壓電變壓器體積小、封裝厚度薄，可降低製造成本與縮小整個發光二極體之點燈驅動裝置體積而使產品設計輕薄短小之優點，故極具有市場競爭優勢。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

11．．．發光二極體模組

111．．．第一極性發光二極體

112．．．第二極性發光二極體

12．．．絕緣型壓電變壓器

121．．．一次側

122．．．二次側

20．．．陶瓷基材

201．．．第一上電極

202．．．第一下電極

203．．．第二上電極

204．．．第二下電極

205．．．絕緣區域

50．．．發光二極體模組

501．．．第一發光二極體燈串

502．．．第二發光二極體燈串

70．．．濾波整流電路

71．．．壓電電容

第一圖為本發明之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置之第一實施例示意圖。

第二A圖為本發明之絕緣型壓電變壓器之結構剖視圖。

第二B圖為本發明之絕緣型壓電變壓器之元件結構。

第二C圖為本發明之絕緣型壓電變壓器之等效電路。

第三圖為本發明之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置之第二實施例示意圖。

第四圖為本發明之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置之第三實施例示意圖。

第五圖為本發明之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置之第四實施例示意圖。

第六圖為本發明之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置之第五實施例示意圖。

第七圖為本發明之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置之第六實施例示意圖。

第八圖為本發明之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置之第七實施例示意圖。

11．．．發光二極體模組

111．．．第一極性發光二極體

112．．．第二極性發光二極體

12．．．絕緣型壓電變壓器

121．．．一次側

122．．．二次側

Claims (12)

1. 一種利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，包括：一發光二極體模組；及至少一絕緣型壓電變壓器，係連接於該發光二極體模組，該絕緣型壓電變壓器包含：一陶瓷基材，具有一上表面與一下表面；至少一第一上電極與第一下電極，分別對稱設置於該陶瓷基材之該上表面與該下表面，以作為一次側，並接收一脈波訊號；及至少一第二上電極與第二下電極，分別對稱設置於該陶瓷基材之該下表面與該下表面，以作為二次側，且於該第一上電極、該第二上電極之間與該第一下電極、該第二下電極之間設有一絕緣區域，該一次側與該二次側藉由壓電變壓方式而將該脈波訊號轉換為一交流電壓，並由該二次側輸出該交流電壓以驅動該發光二極體模組點燈，該絕緣區域在沒有頻率的頻寬範圍時，阻抗值約為10¹² ~10¹³ 歐姆。
2. 如申請專利範圍第1項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，其中該陶瓷基材之形狀係為圓形、方形、矩形或其他幾何形狀。
3. 如申請專利範圍第1項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，其中該發光二極體模組包含複數個第一極性發光二極體與複數個第二極性發光二極體，並由該二次側輸出該交流電壓以驅動該些第一極性發光二極體點燈或該些第二極性發光二極體點燈。
4. 如申請專利範圍第3項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，其中該發光二極體模組為並聯複數個的該第一極性發光二極體與該第二極性發光二極體，且該些第一極性發光二極體與該些第二極性發光二極體的極性相反。
5. 如申請專利範圍第3項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二 極體之點燈裝置，其中該發光二極體模組為並聯複數個第一發光二極體燈串與第二發光二極體燈串，每一該第一發光二極體燈串包含該些第一極性發光二極體，每一該第二發光二極體燈串包含該些第二極性發光二極體，且該些第一發光二極體燈串與該些第二發光二極體燈串的極性相反。
6. 如申請專利範圍第3項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，其中該二次側輸出該交流電壓係以正半週狀態來驅動該些第一極性發光二極體點燈，而以負半週狀態來驅動該些第二極性發光二極體點燈。
7. 如申請專利範圍第1項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，更包含一濾波整流電路與一壓電電容，該濾波整流電路係與該壓電電容並聯連接，濾波整流電路位於該二次側，並將該二次側輸出之該交流電壓轉換為一直流電壓，由該壓電電容提供該直流電壓以驅動該發光二極體模組點燈。
8. 如申請專利範圍第7項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，其中該發光二極體模組為並聯複數個極性相同的單顆發光二極體，由該壓電電容提供該直流電壓以同時驅動該些單顆發光二極體點燈。
9. 如申請專利範圍第7項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，其中該發光二極體模組為並聯複數個極性相同的發光二極體燈串，每一該發光二極體燈串包含複數個極性相同之發光二極體，由該壓電電容提供該直流電壓以同時驅動該些發光二極體燈串點燈。
10. 如申請專利範圍第1項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，其中該絕緣型壓電變壓器可耐壓約3000伏特之一高壓交流電壓。
11. 如申請專利範圍第1項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，更包含一諧振電感，其串聯於該絕緣型壓電變壓 器以形成一半橋諧振電路。
12. 如申請專利範圍第1項所述之利用絕緣型壓電變壓器驅動發光二極體之點燈裝置，更包含二諧振電感，其串聯於該絕緣型壓電變壓器以形成一全橋諧振電路。