CN100464111C - 交流led照明灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流LED照明灯，包括交流输入端和连接在交流输入端之间的交流LED灯丝，所述交流LED灯丝包括并联的至少两组导通方向相反的发光二极管阵列。所述交流LED灯丝还可以具有集成化结构。本发明的优点在于：在交流输入端之间直接接入至少两列导通方向相反的交流LED灯丝，省去了现有电路方案中所采用的交直流整流、稳压、滤波等驱动电路更无需价格高昂的开关电源，只需要将工作电压(由灯丝中所串联的所有LED管芯的数目和其工作电压V_F来确定，可进行标准化设计，以适于不同的应用场合)相适应的交流LED灯直接连接在交流电源上就可以进行经济而高效的LED照明。

Description

交流LED照明灯

【技术领域】

本发明涉及一种照明用具，具体是涉及一种交流LED照明灯。

【背景技术】

自1879年爱迪生发明电灯以来，这个伟大的创造将人类带进了充满光明和无限可能的新世纪，人造光源的出现已被国际科技界公认为现代文明社会起始的里程碑。从最早只有8小时寿命的碳丝电灯，到白炽钨丝灯、高压荧光激发的日光灯、利用原子谱线跃迁发光的高压钠灯、水银灯、螺旋节能灯等，现在基于各种发光原理的照明灯具可谓种类齐全、花样繁多。然而照明灯具的长寿命、高光量和低能耗永远是人们不懈努力的研究方向。

集各种优点于一身的LED(Light-emitting diode发光二极管)的出现，无疑昭示着一个新的固体光源时代的到来。LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光，具有寿命长、光效高、无辐射与低功耗等众多优点。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，发光效率可达80～90％；光线质量高，基本上无辐射，属于典型的绿色照明光源；寿命更是接近百万小时，可靠耐用，维护费用极为低廉。

尽管LED具有以上的众多优势，但它经过了5～6年的发展至今仍未被市场及消费者所接受，进入主流照明灯具领域，这是因为国内外所研发和生产的LED灯具特别是白光LED灯具还远远不能达到照明光源的要求，主要反映在：1、单体功率低。据了解，目前市面上的单体LED功率一般在1W以下，仅靠单颗的LED远远无法达到常规亮度照明的需要，实现高光通量、高光效是今后LED发展过程中急需解决的技术难题。目前，提高单颗LED发光量的方案有二：一是提高管芯材料的发光效率，达到在工作电流I_F不变的情况下获取更大的光通量，这是国内外斥巨资研发的主要方向，只是目前尚路途艰巨，任重道远；二是扩大单颗LED管芯面积，通过更多I_F，从而达到更多发光的目的。但是这一方案带来的技术问题不少，除了散热之外，还会导致：(1)光效下降，目前小功率LED单颗光效可以达到40lm/W以上，加大管芯面积扩大I_F后，光效下降到251m/W甚至低于15lm/W！并且光效下降必然发热增加，使得散热问题更加突出；(2)管芯面积加大，均衡电流密度更加困难，容易造成管芯局部电流过大过热而提前衰退，使LED整体寿命大打折扣。2、驱动电路成本高，使用不便。目前照明领域采用最普遍的当属普通交流照明，而现有采用普通交流电源(例如交流220V的市电网、交流110V市电网等)为LED供电的驱动电路方案可大致分为两种情况：一种是通过传统的交流变压、整流、串联稳压等环节来获得直流驱动；一种是采用较先进的开关电源直接产生所需的直流稳压电源。前者因为使用了变压器、限流电阻等装置，具有成本高，能耗大、重量重等缺点，后者应用较为普遍，虽然具有低的能耗，但结构复杂，成本也是较高的。由于上述方案实际上都是将交流电转化为直流后再供给LED，因此，实际上并没有能够直接采用交流供电的LED照明灯。

目前对LED的照明应用研究主要集中在两个方面，一个是高稳定性的开关电路，其目的在于为LED提供稳定、纯净的电流。从取得的效果来看，这方面的成果已相当丰富和出色。在LED的应用之初，由于其高成本及由此带来的小使用量(一般都是单颗或几颗LED同时使用)，采用开关电源来提供稳定的电流几乎成为必须，这也是业界倾注大量人力物力进行这方面研究的原因。但实际上，随着LED制造成本的迅速降低，使用开关电路所带来的高成本正成为LED在照明领域普及和推广的最大障碍。可以毫不夸张的讲，对开关电源的一味追求已经成为LED照明研究的一个误区。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种能够直接采用交流供电且无需复杂驱动电路的LED照明灯具。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种交流LED照明灯，包括交流输入端和连接在交流输入端之间的交流LED灯丝，所述交流LED灯丝包括并联的至少两组导通方向相反的发光二极管阵列。本发明中所称“发光二极管阵列”的含义为：由一个或者一个以上串联的发光二极管单元构成基本的列，一个这样的基本的列或者一个以上这样的基本的列相并联构成发光二极管阵列，同时这些不同列中的发光二极管单元之间还可以横向连接使所述发光二极管阵列具有网格状的结构。所述发光二极管单元可以是单个的LED，也可以是具有上述阵列结构的若干个LED的组合。在一个发光二极管阵列中可以根据需要对不同的发光二极管单元采用不同的结构形式。

本发明所采取的另一种技术方案是选择集成化的灯丝，即：一种交流LED照明灯，包括交流输入端和连接在交流输入端之间的交流LED灯丝，所述交流LED灯丝包括并联的至少两列导通方向相反的串联集成管芯，所述串联集成管芯是在一个LED基片上以串联的方式集成的至少两级管芯，所述各级管芯是单颗管芯或是由多个单颗管芯经串联或并联或者串并联混合连接的方式构成。

上述各级管芯的串联优选具有紧密排列正负级相贴的面接触的结构。

上述交流LED灯丝可以有多条，分别通过控制开关与交流输入端相连接。所述每条交流LED灯丝中可以用同类单色LED管芯，不同的交流LED灯丝分别采用不同的颜色。

所述控制开关可以采用可控硅。

所述交流LED灯丝可以选择红、绿、蓝三种颜色，其数量比例按照混合发光成白光进行配置。

所述交流LED灯丝也可以选择黄、蓝两种颜色，其数量比例按照混合发光成白光进行配置。

采用上述技术方案，本发明有益的技术效果在于：1)在交流输入端之间直接接入至少两列导通方向相反的交流LED灯丝，省去了现有电路方案中所采用的交直流整流、稳压、滤波等驱动电路更无需价格高昂的开关电源，只需要将工作电压(由灯丝中所串联的所有LED管芯的数目和其工作电压V_F来确定，可进行标准化设计，以适于不同的应用场合)相适应的交流LED灯直接连接在交流电源上就可以进行经济而高效的LED照明；2)采用串联集成化灯丝结构，能够在LED管芯制造的掩膜阶段即一次性生产出工作电压、颜色等符合要求的LED灯丝，能够大大降低生产设计的成本，提高产品可靠性；3)采用紧密排列的面接触形式实现串联，省略了连接线，不但简化了工艺和设计，并且较线连接更可靠，损耗更小也更稳定；4)采用控制开关分别对多条灯丝进行控制的“多端结构”，如果均为同种单色灯丝(例如白光或红光等)可通过控制开关调节整个灯的发光强弱，若采用不同颜色的灯丝，则可以对整体发光的色彩进行调节，更有利于灵活应用；5)对各灯丝色彩进行适当配比，能够以极经济的方式得到“白光LED”，不仅绕开了他国的专利技术封锁而且避免了荧光粉寿命低易衰减的弊病，同时由于单色管芯之间以串联集成的方式紧密贴靠，能够随着观察面远离光源迅速达到很好的白光效果，经济实用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

【附图说明】

图1是一种单灯丝交流LED照明灯结构示意图。

图2是一种发光二极管阵列结构示意图。

图3是一种集成化单灯丝交流LED照明灯结构示意图。

图4是一种三级集成化交流型LED灯丝结构示意图。

图5是一种一字形多级集成化交流型LED灯丝结构示意图。

图6是一种环绕形多级集成化交流型LED灯丝结构示意图。

图7是集成化交流型LED灯丝的掩膜结构示意图。

图8是一种多端控制多灯丝交流LED照明灯结构示意图。

【具体实施方式】

实施例一、一种单灯丝交流LED照明灯，结合图1，包括交流输入端a1、a2和连接在交流输入端之间的交流LED灯丝，所述交流LED灯丝包括并联的两列导通方向相反的发光二极管列，每列发光二极管列均由若干个发光二极管串联而成。交流输入端a1、a2直接与交流电源AC相连接。

每个发光二极管列中串联发光二极管的具体数目N可以根据需要达到的工作电压ACV通过如下方式来确定，

N＝Int(DCV/Vf)

其中Int表示对结果取整，Vf为发光二极管的标称电压值，对黄、红光发光二极管一般是1.8～2.2V，对绿、白光发光二极管一般是3.0～3.4V，

$\mathrm{DCV}=\mathrm{ACV}*\sqrt{2}*K$

其中，ACV可以是各国(地)市电网的标称中心值，例如对中国是220V，对美国是110V；K为经验参数，一般取0.8，也可以通过实验，例如增减实际串接的发光二极管数目使之正常发光，再由实验结果和具体电压值通过上述公式来确定。

按照本实施例中的结构，单一的发光二极管列还可以用结构更复杂的发光二极管阵列来取代，例如，具有图2结构的发光二极管阵列：m列由n个发光二极管LED-j-i(1≤j≤m，1≤i≤n)串联的列并联在一起组成发光二极管阵列，同时不同列中的发光二极管之间具有横向连接使所述发光二极管阵列具有网格状的结构。以此类推，发光二极管阵列还可以采用很多其他形式的结构，只要保证能够进行单向的导通就可以了。在设计时，要注意使所并联的各组发光二极管阵列的工作电压以及正反向导通的电流大小相同或接近。

实施例二、一种集成化单灯丝交流LED照明灯，结合图3和图4，包括交流输入端a1、a2和连接在交流输入端之间的交流LED灯丝，本例中的交流LED灯丝采用三级集成化交流型LED灯丝，其结构示意图见图4，包括两列导通方向相反的串联集成管芯，每列串联集成管芯都由在衬底基片1上按彼此正负相接的方式紧密排列的三个发光二极管管芯2、3、4组成，各个单颗管芯单独成为串联集成管芯的一级，a为单颗管芯的正极，b为负极，c为发光体部分。管芯4的正极、管芯2的负极分别与衬底的正极A、负极B电气连接。

按照本实施例中的结构，各列串联集成管芯还可以采用将更多的单颗管芯进行一字形或环绕形的多级串联的结构，如图5、图6所示(图6中5为电气连接物质)，当然也可以做其他形状的排列。将多颗LED管芯以串联形式装配在/制造于一个共有的基片上，能够获得所需要的较高的正向电压V_F，从而在功率相当的情况下，具有较小的正向电流I_F。

此外，为了提高灯丝的整体亮度，还可以增加串联集成管芯的列数或增大单列串联集成管芯的面积。在设计时，要注意使所并联的各列串联集成管芯工作电压以及正反向导通的电流大小相同或接近。

串联集成管芯的各级可以是单颗管芯，也可以由并联的两个或多颗单颗管芯构成。当然也可以采用部分级以并联结构构成，而部分级仍使用单颗管芯的结构。

集成化的实现既可以安排在单体LED管芯生产好之后，将所需的若干颗单体LED管芯以多级串联的结构集成到一起制造出一颗等效的具有较高VF的LED集成化管芯；也可以将工艺提前到单体LED管芯生产过程中，例如对于单一品种的LED或者对于采用相同半导体基础材料的LED，本发明的实现可以在掺杂、掩膜等前期工艺过程中就开始进行，在衬底材料上，直接掩膜生成连续的PN结结构，这样制作可以简化后续工艺和成本。图7是在作为基片的晶园上直接生成集成化交流型LED灯丝的掩膜结构示意图，图7中6为生成P型材料的部分，相邻的7为生成N型材料的部分，相邻PN结之间的隔离带用导电材料8填充，如此排列周而复始，形成大面积的PN结串联形式版图。具体的LED灯丝电路的工作电压V_F由PN结串联级数确定，其功率则由PN结导电面积(即图7中以虚线划分开的各列的不同宽度)确定。由于考虑到大功率大电流会带来散热上的困难，而温升又会进一步带来I_F上升，因此不同宽度的确定应当根据电流密度与工作电流I_F之间的关系，充分平衡增加功率与散热两方面的要求。

在上述实施例中，集成管芯的数目多少可根据工作电压的标准化要求来确定，当管芯中出现个别毁损时，如果是短路毁损则不影响其他管芯的正常工作，只有开路毁损的情形才会导致整体的故障，而基于LED的高可靠性和长寿命，即使在有相当高的集成度的情况下，故障几率也是很小的。在市电网供电的情况下如果选用标称值较低的交流型LED灯丝产品，应当配合合适的变压器，将市电电压转变为合适的交流电压。

实施例三、一种多端控制多灯丝交流LED照明灯，结合图8，包括交流输入端a1、a2和3条分别由红R、绿G、蓝B三色LED组成的交流LED灯丝，该三条灯丝分别通过可控硅控制开关与交流输入端相连接。各单条管芯的结构与实施例一中相同。

在实际使用中可以通过控制R、G、B三条灯丝的可控硅控制端Rc、Gc、Bc来调整整个的LED照明灯色彩、亮度等。

除了采用红、绿、蓝作为灯丝颜色的组合外，还可以采用黄、蓝组合等，当然也可以全部采用同样的单色灯丝，这样的话控制开关控制的就是灯的整体亮度了。此外除了可以用可控硅来作灯丝的控制开关外，在某些大型LED阵列的应用中，还可以采用数字化的控制方式，通过调整脉冲信号的占空比来控制各路灯丝通断情况。

Claims (6)

1.一种交流LED照明灯，包括交流输入端和连接在交流输入端之间的交流LED灯丝，所述交流LED灯丝包括并联的至少两列导通方向相反的串联集成管芯，所述串联集成管芯是在一个LED基片上以串联的方式集成的至少两级管芯，所述各级管芯是单颗管芯或是由多个单颗管芯经串联或并联或者串并联混合连接的方式构成；所述各级管芯的串联具有紧密排列正负级相贴的面接触的结构。

2.根据权利要求1所述的交流LED照明灯，其特征是：所述交流LED灯丝有多条，分别通过控制开关与交流输入端相连接。

3.根据权利要求2所述的交流LED照明灯，其特征是：所述每条交流LED灯丝中为同类单色LED管芯，不同的交流LED灯丝分别采用不同的颜色。

4.根据权利要求2所述的交流LED照明灯，其特征是：所述控制开关采用可控硅。

5.根据权利要求1-4任一所述的交流LED照明灯，其特征是：所述交流LED灯丝包括红、绿、蓝三种颜色，其数量比例按照混合发光成白光进行配置。

6.根据权利要求1-4任一所述的交流LED照明灯，其特征是：所述交流LED灯丝包括黄、蓝两种颜色，其数量比例按照混合发光成白光进行配置。

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