CN101467492A

CN101467492A - 用于至少一个电气和/或电子元件的电源电路装置

Info

Publication number: CN101467492A
Application number: CNA2007800222062A
Authority: CN
Inventors: 安德烈斯·加布里埃尔·莫雷斯科; 瓦欣顿·阿德马尔·佩雷斯伊吉耶尔; 胡安·马丁·托内尔利班菲
Original assignee: PATRA Patent Treuhand Munich
Current assignee: Osram GmbH; PATRA Patent Treuhand Munich
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2009-06-24
Also published as: WO2007144365A1; KR20090023697A; ZA200809313B; EP2027756A1; AU2007260021A1; AR054478A1

Abstract

一种具有电源电路的装置，具有以直流供电的并且串联的至少一个电气和/或电子元件(1)，其中这些元件又与整流模块(3)以及电流调节模块(5)串联，从而所述装置允许直接连接到交流电源(2)，而不需要使用变压器和电容器。

Description

用于至少一个电气和/或电子元件的电源电路装置

技术领域

本发明涉及向电气或电子元件的组件提供电功率的领域，更具体地说，涉及要由电能供电的多个元件的组合，其涉及最少数量的电子元件，该组合允许其直接连接到家中可用的电源，而不需要变压器，并通过调节最大允许电流而确保维持所述元件的有用的寿命范围。

即使当本说明具体针对使用LED而进行说明时，也应理解的是，本发明的电方面的设计可应用于需要由直流电流供电的任何其它类型的电气或电子元件。

装置的说明

通常被称为LED的发光二极管发展到今天，其相对于具有白炽灯、荧光管和其它类型的常规灯的传统的照明装置提供了许多优点。

由这些类型的装置提供的优点根据其运行原理和其结构形式是固有的，其能够提供运行长达100000小时的寿命范围，并且这些装置在实体上是强健的，由此使得其即使经受撞击以及经受温度和湿度变化也能良好地运行。

由于相同元件或封装的集成低，所以目前可以得到具有多种颜色的LED，包括基色及其改变和组合。

这种类型的照明装置的一个明显的特征在于，该照明装置由一般被称为二极管的半导体构成，二极管具有允许电流沿仅仅在一个方向通过的特性，即只有在其两个端子之间以符合发光装置的电流的定向流动的方式施加电压，LED才能运行。

连同这样的要求，也需要提供在某个安全裕度内的受控电流，以防止过热和随后的半导体的不能利用或者过早老化。

出于提供信息的目的，应表明的是，对LED的运行所需的电压是在平均为大约20毫安的消耗的情况下平均值为三(3)伏特的直流电(3VDC)。

使用LED的组件或阵列并通过交流电源的家用电连接向这些组件或者阵列提供能量的需求导致使用补充的电气装置，例如目前使用的电压变压器。

需要提醒的是，通过电网在家中可利用的电能取决于国家，其中电能通常设定为110伏特或220伏特的交流电源(110VAC或220VAC)。因此，需要使用电压变压器，用于为LED的端子连接提供大约3V的较低的且恒定的电压。

应当指出的是，从电的观点看来，使用构成LED的连接电路的一部分的变压器引起功率消耗，而从物理的观点看来，需要考虑变压器的重量以及对所述变压器的正确安装和通风所需的物理空间。

某些设计也包括电容器，这些电容器是用于在两个被分开的且用电介质彼此绝缘的内部金属板之间存储电能，使得电容器以后能够将所存储的能量作为直流电释放给消耗电路的元件。

所述电容器具有能够减小连续电流的波动的特性，但是具有缺点。首先，例如当电路断开时，由于没有负载，高电压的存储有一定危险度；其次，将容性电抗引入电路，产生利用增加用于校正消耗线路上的功率因数的系统来校正这个扰动的后续需求；第三，由于增加到所研究的装置的结构特征因而需要具有不可减小的空间的物理体积可用，而不是需要产生具有减小的物理特征的简单的装置。

在需要相当大地减少重量、体积以及需要连接简单性的环境中，变压器和电容器的使用对于安装者以及用户带来显著的困难。

已研发了一些替代方案，并且作为参考，可以提及美国专利申请20020149938，该专利申请提到了不同类型的串联和并联的LED阵列，其目的是使LED阵列能够与电力网提供的电压和交流电流直接连接。

在所参考的公开中，可以看到宽泛的说明，但是其目的是证明在相互串联的多个LED中不必需要电流调节元件。该基本原理的大部分基于：由于所述电路在以交流方式提供的电压全波的一半期间运行，所以允许较短时间期间的过电流，而以中等时间的冷却来补偿该有害的状态为代价。所述的断言承认在半导体中的不希望的发热期，其后来降低在交流电电源的周期之间可用的冷却期的作用。

除此之外，所述装置仅使用电源电流的正弦全波的一半，并且为此通过增加串联的、极性与第一串LED的极性相反的第二串LED，来补偿整个全波的优点。这意味着，这确定了在交流全波的每半周期间，LED中的一半未被利用。

在其两个周期内利用完整的全波中也很重要的因素是由于：随着串联元件的数量增加而出现频繁闪烁，尤其是在LED串中出现频繁闪烁，以及波的频率降低。在第一种情况下，这是由于LED串的惯性，而在第二种情况下，这是由于在导通和截止期之间的时间的增加。

在所述专利中提及的假设最后以综合串联的LED串和LED串取消任何中间电流调节装置而成立。因此，可以推断，所述配置是以发光二极管的过早地劣化为代价而实现的。

一些实验研究例如作者为N.Narendran，& Gu.J.P.Freyssinier，H.Yu和Deng的“Solid State Lighting：Failure Analysis of White LED’s”确认，即使LED极少出现灾难性故障，然而由于不仅是半导体中的老化而且还有环氧封装的老化，使LED随时间而劣化。

在低的电阻(欧姆)发热的环境作用下，所述过早老化出现在LED的透明期和变白时。

所述研究还证实，所述劣化现象直接与半导体结受到的加热程度有关。

当前，用于有效白色照明目的的LED的使用寿命范围是，发光流不低于初始发光流的80％，并且为此，可引用论文“What is useful life forwhite light LED’s？”Journal of the Illuminating Engineering Society 30(1)：57-67.Narendran，N.，J.Bullough，N.Maliyagoda和A.Bieman.2001。

由于这些发光二极管的技术优点之一和关键商业特点在于其长的使用寿命，同时认为装置或发光阵列老化的主要原因是电阻发热引起的劣化；认为重要的和必需的是为所述装置提供与其余组件一样简单的集成的调节元件和最少数目的元件，这些元件具有调节所论及的装置或阵列的不希望的电阻发热现象的明确功能。

以相同方式，可对多种常用的电气和电子元件进行广泛分析，这些元件具有与作为优选的例子的发光二极管相似的消耗特性。例如可以引证，直流电动机的使用，直流电动机具有低于商业电力网络的电压的运行电压，直流电动机例如可以在24V、12V、6V、3V和1.5V等等下工作，并且在这种情况下，电压和电流的稳定的供给有助于直流电动机的正常运行和维护。重要的是注意到，在所述电动机中绕组绝缘劣化的主要原因之一是由施加于绕组的过电流而造成这些绕组的过度发热而出现的。

也可以引证可充电电池需要再充电的例子，其中需要为可充电电池提供调节过的电压和电流，以便伴随内部化学电荷的再充电的速度。在这种情况下，可能产生的过电流导致使用寿命的缩短，并引起贯穿相继的周期期间的总充电容量的损失。

存在多种元件要求以相同方式供电，并且仅仅作为参考可以引证例如OLED(有机发光二极管)、PLED(聚合物发光二极管)、TOLED(透明的OLED)、FOLED(柔性的有机发光二极管)等。

借助针对关注这些缺点的目前的技术状态，似乎便利的是能够依靠如下电路，该电路在其简单性方面是同质的，并且通过设计电流的调节使得电流不超过对所用的元件的正常运行的最大允许电流，能够直接从公共电网向一组串联的电气或电子元件供电，而不需要使用变压器和电容器。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种电气或电子元件的阵列，具体而言，该阵列由LED构成，其直接地并且一同地由提供交流电的电压源供电，从而该阵列可以包括如下阵列，该阵列是广泛的并且由消耗特性与针对发光二极管所述的消耗特性相似的通用电气和电子元件构成。

本发明的另一个目的在于，提供一种由多个相互之间相连的LED构成的模块化照明阵列。

本发明的另一个目的在于，提供一种可直接连接到交流电源而不需要外部元件例如变压器和电容器的阵列。

本发明的另一个目的在于，提供一种阵列，其允许直接连接到公共电力网的交流电源，并且这并非以所用电气或电子元件的使用寿命过早劣化为代价来实现，并且在特定例子的情况下，所述使用寿命是发光二极管的使用寿命。

本发明的另一个目的在于，提供一种具有至少一个电气和/或电子元件的电源电路装置，由此所述装置允许被直接连接到交流电源，而无需电压变压器，其中至少一个元件与如下电路串联，该电路包括电压全波的整流模块，该整流模块又与电流的调节模块串联，其中所述整流模块具有可直接连接到所述交流电源的输入端。

在对应于本发明的详细说明的部分和重新印证的附录中将论及作为本发明的实例的其它附加目的。

附图说明

为了使本发明的目的更清楚和更好地理解，以不同的附图示出了本发明，其中本发明以所有作为实例的方式给出的优选形式中的一种来表示，其中：

图1示出了电子电路示意图，其中对应于本发明装置的所有元件使用220VAC的电源；

图2示出了电子电路示意图，其中对应于本发明装置的所有元件使用110VAC的电源；以及

图3示出了在按照本发明的电路的电气或电子元件的端子处所获得的电压和电流曲线的时间函数图，其中时间的值以毫秒给出。

具体实施方式

该装置由至少包括串联的多个发光二极管的电子电路构成，其中LED中的一个的阴极的每个端子与相邻的LED的阳极的端子相连，并且这样相继地连接以形成LED串。要再次指出的是，虽然所示的元件是LED1，但这些元件可以是电池、电动机以及前面已提及的其它元件。

可用在该电路中的发光二极管的数量取决于交流电网2的电源电压，按照提及的地区和国家，电源电压通常被标准化为两种不同的电压，在下面以缩写VAC定义和命名这些电压，其指的是交流电压。

然后，LED的所述串与电流调节模块5串联，该调节模块由直接连接到交流电源的电流整流模块3供电。

为了更为清楚且更好说明，包括对两个优选模块的说明，其中第一个对应于220VAC的电源电压，而第二个对应于110VAC的电源电压。

实例1-具有220VAC的电源

在图1的情况下，可观察到的是，由72个发光半导体或LED 1构成串，其中该数目是按照220VAC的电源电压而计算的。具体而言，通过用要供给每个元件的个体电压V_ind除可用的总电压V_ac来进行用于计算选择元件数目n_c的过程，以获得在每个端子之间流通的所需平均电流。

提醒注意，需要扣除与用于所提及的72个LED的电流调节电路串联的晶体管和第一电阻R1产生的附加的电压降。

为了利用电源全波的正半周和负半周并且根据本发明，提供电流整流模块3，该电流整流模块由4个二极管构成，这些二极管按照图1彼此连接，以确保完全的全波整流。

即使以基于二极管的配置示出了电流整流桥，但也可以采用电流整流集成元件，或者采用能够获得完全的全波整流的元件的适应方案。

如上所述，当遇到交流电源时，该交流电源导致在时间上是可变的或者在周期的某个时刻是可变的，这可能超过所使用的发光二极管或者其它电气或电子元件的最大允许电流的正常值。

由于自然地存在寄生电流和来自其它设备的过电压而会使这种现象显著，并且由此，包括电流调节模块5以确保提供允许的电流，该电流允许发光半导体有效地发光，而不超过发光半导体的最大允许电流。

电流调节模块5具有输入端和输出端。该电流调节模块的输入端连接到电流整流模块3，该电流调节模块的输出端连接到电气和/或电子元件1。

所述电流调节模块5包括晶体管6，该晶体管的集电极连接到电流整流模块3的正电压输出端，该晶体管的发射极通过100欧姆的用附图标记7指示的电阻R1连接到串联的发光半导体组的自由的阳极。

除此之外，所述模块具有3.3千欧姆的用附图标记8指示的第二电阻“R2”，第二电阻用于为晶体管的基极提供电流，其允许电流从发射极流通到集电极。

即使使用了配置为NPN的晶体管，但也可以通过对电路中的元件的位置进行所需的适应性修改而使用具有PNP配置的晶体管。也可以使用场效应晶体管代替所示的双极晶体管。

为了完善电流调节模块5的构成，存在用标号9指示的齐纳二极管，当从第一电阻7流通的电流产生超过所述齐纳二极管的击穿电压的压降时，该齐纳二极管抵消由第二电阻8提供的电流。

因此，通过与通常以如下公式表示的电压之和相对应地建立电阻和齐纳二极管的不同的组合，可以实现电流的调节：

V_D2＝V_BE+I_E·R₁

其中，V_D2是齐纳二极管的额定电压，V_BE是在电路运行条件下所选的晶体管的运行电压特性，I_E是在电路中并且通过第一电阻“R1”流通的电流，由此所述电阻在这种情况下连接到晶体管的发射极。

由于本发明的最终目的是，大体上确保至LED的电流为20毫安，并且作为例子选择的齐纳二极管的击穿电压值为2.7V，该值来自于针对该等式的图1的电路的第一电阻的值，如下得到：

R_{1} = \frac{V_{D 2} - V_{BE}}{I_{E}} = \frac{2.7 V - 0.7 V}{0.02 A} = 100 Ω

因此，这应是单位为欧姆的值，该值是，当电路的电源为220VAC时针对电流调节模块的特别是在图1中用标号7标识的第一电阻R1所采用的值。

应当注意当的是，所有电幅值或元件的值都具有通常为20％的公差。

例2-具有110VAC的电源

图2示出了与图1基本类似的配置，其中存在电源电压2，该电源电压在这种情况下为110VAC。该电源电压通过通常由4个二极管构成的整流模块3整流，其为电流调节模块5供电，该电流调节模块在此情况下又与由依次串联的LED1构成的两个并联的串相串联。

这种并联串的配置允许使用与图1的配置中相同数量的LED，但由于在该第二个例子中电源仅具有一半的电压，所以借助串联的元件的一半进行电压分配。

因为电流被分成两个支路，并且由此也应该为每个支路提供大约20毫安的电流，所以在这种情况下在电流调节模块中流通的要被调节的电流应当对应于两个支路中电流之和，即40毫安的平均值。

因此，通过与通常由使用如在前的例子的如下公式表示的电压之和相对应地建立电阻和齐纳二极管的不同的组合，可以实现电流的调节：

V_D2＝V_BE+I_E·R₁

其中，V_D2是齐纳二极管的额定电压，V_BE是在电路运行条件下所选的晶体管的运行电压特性，I_E是在电路中并且通过第一电阻“R1”流通的电流，由此所述电阻最终连接到晶体管的发射极。

由于本发明的最终目的是，大体上确保至LED的电流为20毫安，并且作为例子选择齐纳二极管的击穿电压值为2.7V，该值来自于针对该等式的图2的电路的第一电阻的值，如下得到：

R_{1} = \frac{V_{D 2} - V_{BE}}{I_{E}} = \frac{2.7 V - 0.7 V}{0.04 A} = 50 Ω

由于电气或电子元件在一定电流范围和一定电压范围内运行，所以采用用于属于该范围内的电流和电压的运行值是合适的。根据该特性，也就是说，所选的电阻值，以及其余的元件也可以在确定的范围内改变；这尤其是因为具有预先设定的电阻值、齐纳二极管的击穿电压值以及市场上可得到的本发明的其余元件的其它特性。

同样，所述变形方案继续遵循在此所提出的相同计算逻辑和选择。

作为该结果的一个清楚的例子，针对图2的电路采用值为47欧姆的第一电阻，因为这是最接近50欧姆的理论计算值的市场上可得到的电阻值。

根据从通过LED流通的电流和电压获得的特性，存在借助示波器得到的如图3所示的测量，其中可以看到如下情形：电压曲线11视为被整流，即都被视为相对于零电压(0)的轴线具有相同的方向和极性的连续的周期。在周期的大部分期间，看到电压曲线超过元件的导通电压12的最小值，并且除此此外，该电压曲线绝不超过标记为13的最大允许电压。另一方面，在电压接近最小理论导通电压12时的期间，通过LED流通的电流曲线14可以超过最小理论导通电流值16，但是绝不达到超过所述LED的最大允许电流15的点。

通过对前面两个电路的说明，明显的是，借助对本材料的理解，可以采用中间的解决方案，其中电源电压不同于例子中的电压，并且可以利用串联和并联的LED的不同的装置来实现，以获得所需电流的流通。

由于按照前面所描述的例子最好地说明了本发明，所以这些例子不应被解释为对本发明的范围的限制。另一方面，应当清楚地理解的是，在阅读本说明之后，可以提出对本发明的其他方案、修改和等同物。对于本领域普通技术人员，可以在不脱离本发明的构思和/或所附权利要求的范围的情况下想到本发明的其他方案、修改和等同物。

Claims

已具体说明和确定了本发明的性质及能够实施的方式，作为专有财产和权利而要求：

1.一种具有电源电路的装置，所述电源电路被配置为对至少一个电气和/或电子元件(1)供电，其中所述装置允许直接连接到交流电源(2)而不需要电压变压器，因为该装置的特征在于：

至少一个所述电气和/或电子元件(1)与该电源电路串联，该电源电路包括：

电压全波整流模块(3)，该电压全波整流模块又与电流调节模块(5)串联，其中所述整流模块(5)具有直接连接到所述交流电源(2)的连接。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述电压全波整流模块(3)包括可连接到交流电源(2)的至少一个电压整流二极管(4)。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述电流调节模块(5)包括：

输入端，该输入端耦合到电压全波整流模块(3)，

输出端，该输出端耦合到至少一个电气和/或电子元件(1)，以及

具有集电极端子、基极端子和发射极端子的至少一个晶体管(6)，

其中集电极端子耦合到输入端，

发射极端子通过第一电阻(7)耦合到输出端，以及

基极端子通过第二电阻(8)耦合到输入端，并且通过齐纳二极管(9)耦合到输出端。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述至少一个晶体管(6)是PNP型的。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述至少一个晶体管(6)是NPN型的。
6.如上述权利要求中的任一项所述的装置，其中至少一个电气和/或电子元件(1)构成多个LED，所述多个LED至少构成发光阵列或组件，所述多个LED与所述电源电路串联。
7.如上述权利要求中的任一项所述的装置，其中交流电源(2)提供值为220VAC的电压。
8.如权利要求7所述的装置，其中串联的LED由总共72个LED构成。
9.如权利要求7或8所述的装置，其中第一电阻(7)具有的值为100欧姆。
10.如权利要求7或8所述的装置，其中第二电阻(8)具有的值为3.3千欧姆。
11.如权利要求7或8所述的装置，其中齐纳二极管具有的击穿电压为2.7伏特。
12.如权利要求1至6中的任一项所述的装置，其中所述交流电源(2)提供值为110 VAC的电压。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述串联的LED由总共72个LED按各包括36个LED的两个支路构成，其中每个支路在其端部并联。
14.如权利要求12或13所述的装置，其中所述第一电阻(7)具有的值为47欧姆。
15.如权利要求12或13所述的装置，其中所述第二电阻(8)具有的值为3.3千欧姆。
16.如权利要求12或13所述的装置，其中至少一个齐纳二极管(9)具有的击穿电压为2.7伏特。
17.如权利要求1至5所述的装置，其中至少一个电气和/或电子元件组成多个直流电动机，这些直流电动机构成至少一组电动机，所述多个电动机与所述电源电路串联。
18.如权利要求1至5所述的装置，其中至少一个电气和/或电子元件构成多个可充电电池，这些可充电电池构成至少一组电池，所述多个电池与所述电源电路串联。
19.如权利要求1至5所述的装置，其中至少一个电气和/或电子元件构成多个聚合物发光二极管，这些聚合物发光二极管构成至少一组聚合物发光二极管，所述多个聚合物发光二极管与所述电源电路串联。
20.如权利要求1至5所述的装置，其中至少一个电气和/或电子元件构成多个有机发光二极管，这些有机发光二极管构成至少一组有机发光二极管，所述多个有机发光二极管与所述电源电路串联。