TWI468074B - AC LED lights - Google Patents

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交流式LED燈
本發明係一種交流式LED燈，特別係指一種利用交流電源驅動進而使LED燈發光的電路，並且利用一開關元件及一電壓檢測電路，進而增加LED使用效率且避免LED燒毀或者使用壽命減少。
按，一般習知LED具備短小輕薄、壽命長、效率高等優點，因此白光LED被視為次世代主要照明光源，但LED為一直流電〔DC〕驅動的半導體元件，也因必須以直流電驅動，所以一般交流電〔AC〕的市電，必須先轉換為直流電，而交流電至直流電的轉換器體積大且重量重，不但增加成本，其電力轉換也有耗損，無法與現有光源的價格競爭，因此一直以來在應用範圍與普及度上有所限制，故工研院光電所團隊突破了交流電、直流電轉換的問題，利用封裝技術直接用交流電驅動LED晶片，開發出全世界第一個交流電LED燈泡，其係改良習知之橋式整流器「如第十一圖所示」，係由四個二極體(A)組成，交流電於正半波時，左上及右下兩個二極體(A)導通，電流由上而下流入負載，交流電於負半波時，右上及左下兩個二極體(A)導通，電流仍是由上而下流入負載，而「如第十二圖所示」，工研院光電所團隊將橋式整流器上的原本四個二極體(A)，改為四組多個串接的LED(B)，加上負載也是多個串接LED(B)，共五組多個串接的LED(B)封裝起來，而成為交流電LED(B)，交流電於正半波時，左上 及右下兩組LED(B)導通，電流由上而下流入負載端一組LED(B)，交流電於負半波時，右上及左下兩組LED(B)導通，電流仍是由上而下流入負載端一組LED(B)，相較於直流電LED(B)，工研院開發出的交流電LED(B)不需要整流變壓器，縮小LED(B)的體積和重量，提升了應用空間，少掉轉換器元件的成本，還省下過去LED(B)在直流、交流電之間轉換時15%~30%的電力耗損，提升了整體LED(B)的發光效率。
然，其缺點在於：
習知LED只能在交流電半個週期(正半週或負半週)中的部分時間導通而發光，所以若習知LED只在每個週期中的部分時間導通、發光，則其使用的效率較低，而當LED所跨之電壓超過LED可耐電壓時會使LED燒毀，或者雖然LED所跨之電壓沒超過LED可耐電壓，但因LED所跨的電壓太大會產生高溫，進而使LED燒毀或使用壽命大為減少。
爰此，有鑒於習知交流電LED之缺失，本發明提供一種交流式LED燈，係包括有：一第一電路，該第一電路係設有至少一個LED，且該LED串聯一開關元件，該第一電路的兩端並聯有一電壓檢測電路，該電壓檢測電路更包含有一交流電源，該交流電源係電性連接前述第一電路，該交流電源係藉以提供前述第一電路的電力來源。
上述該第一電路可串聯一控制單元，該控制單元係為一控制電路或一保護電路，係藉以控制該第一電路的電流量，避免經由LED的電流量過大而使LED燒毀。
上述更包含有一第二電路並聯該第一電路，該第二電路係包含有至少一個LED，且該LED串聯一開關元件，該第二電路並包含有一電壓檢測電路並聯在該第二電路上的LED及開關元件，且該第一電路中的LED極性與該第二電路中的LED極性相反。
上述係包含有至少二組以上前述第一電路及第二電路之組合依序並聯。
上述第一電路及第二電路分別串聯一個前述控制單元，各該控制單元係為一控制電路或一保護電路，藉以分別控制該第一電路及第二電路的電流量。
上述開關元件為電子式開關元件或電動機械式開關元件。
本發明另一特色，係包括有：四個第一電路及一交流電源，該交流電源係與前述四個第一電路電性連接成橋式整流器的型態，而在任二個相鄰第一電路非與該交流電源連接處形成二個節點，前述第一電路係分別設有至少一個LED，各該第一電路之LED分別串聯有一開關元件，並且各該第一電路分別包含有一電壓檢測電路並聯各該第一電路之LED及開關元件；一負載端，係電性連接在前述二個節點上。
上述該負載端包含有至少一個第三電路，該第三電路係包含有至少一個LED，該LED極性與該第一電路中的LED極性相反，且該LED串聯一開關元件，該第三電路並包含有一電壓檢測電路並聯在該第三電路上的LED及開關元件。
上述第三電路串聯一控制單元，該控制單元係為一控制電路或一保護電路，藉以控制該第三電路的電流量。
上述開關元件為電子式開關元件或電動機械式開關元件。
本發明之優點在於：
1.本發明之LED不需使用整流變壓器，體積小、成本低，係提升了應用範圍。
2.本發明在能源危機及高環保訴求的年代下，因省下過去使用變壓器直流電、交流電之間轉換之電力損耗，故提升了整體LED之發光效率。
3.本發明於第一電路、第二電路及第三電路上設有開關元件及電壓檢測電路，為避免電壓超過LED可耐電壓進而使LED燒毀，或者，雖然沒有超過LED可耐電壓，但因LED所跨的電壓太大而產生高溫，使LED燒毀或使用壽命大為減少。
4.本發明使用與習知交流電LED相同數量、相同形式的LED，但可得到較為習知交流電LED大的發光亮度。
(1)‧‧‧第一電路
(11)‧‧‧LED
(12)‧‧‧開關元件
(2)‧‧‧電壓檢測電路
(3)‧‧‧交流電源
(4)‧‧‧第二電路
(5)‧‧‧控制單元
(6)‧‧‧負載端
(61)‧‧‧第三電路
(A)‧‧‧二極體
(B)‧‧‧LED
第一圖係為本發明之一顆LED之電路圖。
第二(a)圖係為本發明之4顆LED之電路圖。
第二(b)圖係為本發明之開關切換示意圖。
第三圖係為本發明之第一實施例圖。
第四圖係為本發明之第二實施例圖。
第五圖係為本發明之第三實施例圖。
第六圖係為本發明之第四實施例圖。
第七圖係為本發明之第五實施例圖。
第八圖係為本發明之第四實施例光強度不連續之光強度時間關係圖。
第九圖係為本發明之第四實施例光強度連續之光強度時間關 係圖。
第十圖係為本發明之三段式光強度時間關係圖。
第十一圖係為習知之橋式整流器之電路圖。
第十二圖係為習知改良之交流LED電路圖。
有關本發明之技術特徵及增進功效，配合下列圖式之較佳實施例即可清楚呈現，本發明係為一種交流式LED燈，其係包含有：一第一電路(1)，在本實施例中，該第一電路(1)係設有4個LED(11)，並設有一開關元件(12)，該開關元件(12)則是串聯於第2個LED(11)與第3個LED(11)之間，該開關元件(12)可以為一電子式開關元件，又該電子式開關元件可以是由兩顆雙極性電晶體(BJT)或者由兩顆場效應電晶體(FET)組成一開一關型式的開關，或者，也可以為切換速度較快的電動機械式開關元件，並且在該第一電路(1)的兩端並聯有一電壓檢測電路(2)，該電壓檢測電路(2)是用來控制該開關元件(11)的切換狀態(導通或截止)，也就是說該電壓檢測電路(2)是藉以控制該開關元件(11)之切換狀態，進而導通上述第1個及第2個LED(11)發光或者導通上述第1個至第4個LED(11)全部發光，且該電壓檢測電路(2)是可以包含有電阻的分壓電路或其他分壓電路，該電壓檢測電路(2)更包含有一交流電源(3)，該交流電源(3)，係電性連接前述第一電路(1)，該交流電源(3)係藉以提供前述第一電路(1)的電力來源，並且有一第二電路(4)並聯於該第一電路(1)，在本實施例中，該第二電路(4 )也是設有4個LED(11)，且該開關元件(12)也是串聯在第2個LED(11)與第3個LED(11)之間，並且在該第二電路(4)的兩端也並聯有一電壓檢測電路(2)，且該電壓檢測電路(2)也是用來控制該開關元件(11)的切換狀態(導通或截止)，也就是說該電壓檢測電路(2)是藉以控制該開關元件(11)之切換狀態，並且於該第一電路(1)中可串聯一控制單元(5)，而該控制單元(5)是為一控制電路或一保護電路，其中該控制單元(5)主要目的在於可藉以控制該第一電路(1)的電流量，以確保在電路中流經LED(11)的電流量不會過大進而使LED(11)燒毀，該開關元件(12)也可為一電子式開關元件或者為一電動機械式開關元件，其中該第一電路(1)中的LED(11)極性與該第二電路(4)中的LED(11)極性相反，於電路導通形成迴路時，當交流輸入正半週或負半週時，都可以使整個電路形成迴路且進而使LED(11)發光，並且可在該第一電路(1)及第二電路(4)各分別串聯一個該控制單元(5)，各該控制單元(5)可以為一控制電路或一保護電路，係藉以分別控制該第一電路(1)及第二電路(4)的電流量，以確保在電路中流經LED(11)的電流量不會過大而使LED(11)燒毀，並且在上述電路中更可以一個第一電路(1)及一第二電路(4)為一組電路依序並聯。
使用時，請參閱第二(a)圖及第二(b)圖所示，該電壓檢測電路(2)可檢測跨於電路上之LED(11)的電壓，當該電壓檢測電路(2)檢測跨於電路上之LED(11)的電壓時，若輸入的交流電壓大到足以使第1個及第2個LED(11)導通，但是其導通電壓值並不夠大到可使第1個至第4個LED(11)全部導通時，此時，該開關元件(12)並未接上第3個LED(11)而形成迴路，此時電流 會流經過第1個及第2個LED(11)，使該LED(11)發光；若當該電壓檢測電路(2)檢測跨於電路上之LED(11)的電壓大到足以使第1個至第4個LED(11)全部導通時，此時該開關元件(12)會接上第3個LED(11)而形成迴路，則其電流會流經全部的LED(11)，進而使4顆LED(11)皆發光。
再者，請參閱第三圖所示，在此實施例中將交流電源(3)與第一電路(1)及第二電路(4)相互並聯，當輸入交流電時，其交流電的正半波或負半波會經由第一電路(1)或第二電路(4)而形成一迴路，進而使該LED(11)發光。
再者，請參閱第四圖所示，在此實施例中也可將第一電路(1)及第二電路(4)再分別串聯一控制單元(5)，該控制單元(5)係為一控制電路或一保護電路，藉以控制該第一電路(1)及第二電路(4)的電流量，以確保流經電路中的電流量不會過大而使該LED(11)壽命減少，甚至於燒毀。
再者，請參考第五圖所示，在此實施例中是包含兩組前述的第一電路(1)及第二電路(4)依序相互並聯而成，並且該第一電路(1)及第二電路(4)可以再分別串聯前述控制單元(5)，該控制單元(5)是藉以控制該第一電路(1)及第二電路(4)的電流量，以確保在電路中的電流量不會過大而使LED(11)燒毀，此兩組(第一電路及第二電路)並聯的排列方式是可確保任一組電路中LED若燒毀，並不用擔心會影響整個電路的動作。
再者，使用時請參考第六圖所示，本發明為一種交流式LED燈，係包括有四個前述第一電路(1)及一負載端(6)，在本實施例中，該第一電路(1)也是設置有4個LED(11)，在第2個LED(11)與第3個LED(11)之間串聯有一開關元件(12)，並 且在該第一電路(1)的兩端並聯有前述電壓檢測電路(2)及交流電源(3)，該交流電源(3)係與前述四個第一電路(1)電性連接成橋式整流器的型態，前述交流電源(3)並提供整個電路的電力來源，而該負載端(6)包含有至少一個第三電路(61)，該第三電路(61)係設有至少一個LED(11)，在本實施例中，該第三電路(61)中設置有4個LED(11)，該第三電路(61)中的LED(11)極性與該第一電路(1)中的LED(11)極性相反而與該第二電路(4)中的LED(11)極性相同，並且在第2個LED(11)與第3個LED(11)之間串聯有一開關元件(12)，且在該第三電路(61)的兩端並聯有前述電壓檢測電路(2)，其中該第三電路(61)也可以串聯一控制單元(5)，該控制單元(5)係為一控制電路或一保護電路，藉以控制該第三電路(61)的電流量，以確保在電路中的電流量不會過大而使LED(11)燒毀，其中該開關元件(12)也可為上述之電子式開關元件或電動機械式開關元件，並且該第三電路(61)可串聯一控制單元(5)，該控制單元(5)係為一控制電路或一保護電路，藉以控制該第三電路(61)的電流量。
再者，請參閱第七圖所示，在此實施例中則是將前一實施例中多並聯一組負載端(6)，該負載端(6)係由一第三電路(61)串聯一控制單元(5)所組成，另外，在前一實施例中可於該橋式整流型態的電路後並聯多組負載端(6)，該負載端(6)並包含有前述第三電路(61)，並且可在多組負載端(6)上分別串聯前述控制單元(5)，以控制流經其電路的電流量。
再者，請參閱第八圖及第九圖所示，由於電流通過該任一LED(11)皆會產生一壓降V，若每組串接的LED(11)數量有n個 ，則跨在該組LED的電壓要大於n倍的LED(11)電壓時，才會有足夠大的電流流過，並且因LED(11)是為電流驅動的元件，故其發光強度(或者發光亮度)會隨著電流增加而增加，也就是說，交流式LED燈上的LED(11)只在交流電每一週期的部分時間是導通發光的。以第六圖電路第四實施例為例，市電的峰值必須大於3 n倍的LED(11)電壓才能在接上市電後使LED(11)發光，也就是說，串接太多顆LED(11)，該LED(11)不會發光，但是若每個LED(11)的壓降太大(即市電的峰值遠大於3n倍的LED(11)電壓時)，就表示串接的LED(11)數量太少，可能會因為其輸入的電壓超過LED(11)可耐電壓而使LED(11)燒毀，並在電路上藉由該電子式開關可將該n個LED(11)分為兩段，一段為m個LED(11)，一段為n-m個LED(11)，當在電路上之電子式開關設定的控制電壓為m倍的LED(11)壓降及n倍的LED(11)壓降，則總共發出的光強度會發生不連續的情況，但比原本的交流式LED電路多了兩段時段之發光，故平均輸出光強度會增加，又由於人眼視覺的暫留，因此於使用者分辨時並不會造成人眼的不適，但如果將開關元件(12)設定為第二段控制電壓由n倍的LED(11)壓降改為n倍的LED(11)壓降再加上第1個及第2個LED(11)在較大電流時所增加的壓降後，則其LED(11)總共發出的光強度得到此電路最佳效能。
另一實施例，如第十圖所示，與上一實施例不同之處在於：若將原本一組LED(11)分成三段，則該交流電源(3)在半個週期之電壓及發出的光強度關係，相同的LED(11)可得到亮度亦增加。
(1)‧‧‧第一電路
(11)‧‧‧LED
(12)‧‧‧開關元件
(2)‧‧‧電壓檢測電路
(3)‧‧‧交流電源
(5)‧‧‧控制單元
(6)‧‧‧負載端
(61)‧‧‧第三電路

Claims (10)

  1. 一種交流式LED燈，係包括有：一第一電路，該第一電路包含有至少一個LED，且該LED串聯一開關元件，該第一電路並包含有一電壓檢測電路並聯前述LED及開關元件，其中該第一電路串聯一控制單元，該控制單元係為一控制電路或一保護電路，藉以控制該第一電路的電流量，更包含有一第二電路並聯該第一電路，該第二電路係包含有至少一個LED，且該LED串聯一開關元件，該第二電路並包含有一電壓檢測電路並聯在該第二電路上的LED及開關元件，且該第一電路中的LED極性與該第二電路中的LED極性相反；一交流電源，係電性連接前述第一電路，藉以提供前述第一電路的電力來源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之交流式LED燈，在所述第一電路與所述第二電路中分別包含有N個LED，其中，在所述第一電路中包含有至少二區間，其中一區間包含有M個LED，另一區間包含有N-M個LED，而在所述第二電路中包含有至少二區間，其中一區間包含有M個LED，另一區間包含有N-M個LED，藉由設定所述開關元件之壓降，使所述LED輸出之光強度增加。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之交流式LED燈，係包含有至少二組以上前述第一電路及第二電路之組合依序並聯。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之交流式LED燈，其中該第一電路及第二電路分別串聯一個前述控制單元，各該控制單元係為一控制電 路或一保護電路，藉以分別控制該第一電路及第二電路的電流量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之交流式LED燈，其中該開關元件為電子式開關元件或電動機械式開關元件。
  6. 一種交流式LED燈，係包括有：四個第一電路及一交流電源，該交流電源係與前述四個第一電路電性連接成橋式整流器的型態，而在任二個相鄰第一電路非與該交流電源連接處形成二個節點，前述第一電路係分別設有至少一個LED，各該第一電路之LED分別串聯有一開關元件，並且各該第一電路分別包含有一電壓檢測電路並聯各該第一電路之LED及開關元件；一負載端，電性連接在前述二個節點上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之交流式LED燈，其中該負載端包含有至少一個第三電路，該第三電路係包含有至少一個LED，該LED極性與該第一電路中的LED極性相反，且該LED串聯一開關元件，該第三電路並包含有一電壓檢測電路並聯在該第三電路上的LED及開關元件。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之交流式LED燈，其中該第三電路串聯一控制單元，該控制單元係為一控制電路或一保護電路，藉以控制該第三電路的電流量。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之交流式LED燈，在所述第一電路與所述第三電路中分別包含有N個LED，其中，在所述第一電路中包含有至少二區間，其中一區間包含有M個LED，另一區間包含有N-M個LED，而在所述第二電路中包含有至少二區間，其中一區間包含有M個LED，另一區間包含有N-M個LED，藉由設定所述開關元件 之壓降，使所述LED輸出之光強度增加。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之交流式LED燈，其中該開關元件為電子式開關元件或電動機械式開關元件。
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