CN102088810A - 用于驱动至少一个发光二极管的电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助电网电压来驱动至少一个LED的电路装置。该电路装置包括半桥装置，其为LED提供能量并且此外借助电荷泵关于从电网电压提取的功率而实现功率因数。

Description

用于驱动至少一个发光二极管的电路装置

技术领域

本发明涉及一种用于驱动至少一个LED(发光二极管)的电路装置，该电路装置具有：带有第一输入端子和第二输入端子的输入端，用于与供电交流电压耦合；带有第一输出端子和第二输出端子的输出端，用于为所述至少一个LED提供输出电流；带有第一整流器输入端子和第二整流器输入端子以及第一整流器输出端子和第二整流器输出端子的第一整流器，其中第一整流器输入端子与第一输入端子耦合，并且第二整流器输入端子与第二输入端子耦合；带有第一端子和第二端子的存储电容器，其中存储电容器的端子之一与第一整流器的整流器输出端子之一耦合；在半桥装置中的逆变器，其中该逆变器包括第一电子开关和第二电子开关，其中第一电子开关和第二电子开关的串联电路在构建第一半桥中点的情况下与存储电容器并联耦合；以及电感器，该电感器耦合在该电路装置的输出端和第一半桥中点之间。

背景技术

现有技术中已知的是，为了实现高的电网功率因数在这种类型的电路装置中使用专用的转换电路用于功率因数校正(PFC＝Power Factor Correction)，该转换电路通过专用集成电路或者微控制器来控制。在欧洲，为此通常使用升压转换器的基本电路。

这种现有技术中已知的方式由于附加地用于功率因数校正的转换电路对于许多应用而言过于复杂并且成本过高。此外，根据现有技术的实现对于许多应用而言占据太大的结构空间。

发明内容

因此，本发明的任务是，改进这种类型的电路装置，使得在尽可能小的额外开销的情况下可以实现高的电网功率因数。

该任务通过具有权利要求1所述的特征的电路装置来解决。

本发明所基于的认识是，可以通过如下方式解决该任务：设置了与第一整流器的输出端并联耦合的电容器，该电容器被施加以负载回路电流的高频部分、即来自逆变器的工作频率的一部分。这种所谓的功率因数校正电容器高频地对存储电容器再充电，该存储电容器在其自身方面对逆变器提供能量。

相应地，只有当第一功率因数校正电容器上的电压小于电网电压的当前值的数值时，电流才从第一整流器流入存储电容器中。

这种方式能够在同时高电网功率因数的情况下实现对至少一个LED供电，而无需专用的电路用于功率因数校正。在该上下文中逆变器的特别有利的控制装置例如在DE 10 2009 042 433.4中进行了描述。这种没有用于功率因数校正的措施的电路装置具有大约0.5的电网功率因数，而借助根据本发明的方式可以实现超过0.9的电网功率因数。

在根据本发明的电路装置的第一替选方案中，存储电容器的第二端子与第一整流器的第二整流器输出端子耦合，其中二极管耦合在第一整流器的第一整流器输出端子和存储电容器的第一端子之间。

优选的是，该替选方案的一个改进方案还具有第二功率因数校正电容器，其耦合在该电路装置的输出端与第一整流器的第一整流器输出端子之间。通过该第二功率因数校正电容器，在该实施形式中为第一功率因数校正电容器提供充电电流。在这种情况中，电路装置的输出端是该电路装置的一个节点，其具有在逆变器的工作频率附近的频谱成分。因此当在电路装置的输出端上设置第二整流器用于提供直流电流给所述至少一个LED时，则相应地第二功率因数校正电容器与电路装置的在负载回路电流的整流之前的点耦合。

在另一优选的改进方案中，电路装置还具有另一功率因数校正电容器，其耦合在第一半桥中点和第一整流器的第一整流器输出端子之间。通过这种方式，可以将其他高频的频谱部分、即在逆变器的工作频率附近的部分及其多倍的部分用于对存储电容器充电。

优选的是，在此该电路装置还包括至少一个耦合电容器，其耦合在电路装置的输出端和第一整流器的第二整流器输出端子之间，其中适用的是：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(C_{10}+C_{11})}}\≤f\≤\frac{2}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(\frac{C_3{C}_{10}}{C_3+C_{10}}+C_{11})}}$

其中f是逆变器的工作频率，C₃是第一功率因数校正电容器，C₁₀是第二功率因数校正电容器，L₁是电感器并且C₁₁是耦合电容器。通过相应的设计，保证了负载回路被准谐振地驱动。这在逆变器的工作频率附近及其多倍的附近提供了足够高的频谱部分的幅度用于对功率因数校正电容器C₃再充电。

在根据本发明的电路装置的第二变形方案中，存储电容器的第一端子与第一整流器的第一整流器输出端子耦合，其中二极管耦合在第一整流器的第二整流器输出端子和存储电容器的第二端子之间。

参照第一变形方案提出的优选实施形式在第二变形方案的情况中也是可能的。相应地，其可以具有第二功率因数校正电容器，该第二功率因数校正电容器耦合在电路装置的输出端和第一整流器的第二整流器输出端子之间。附加地或者可替选地，可以设置另一功率因数校正电容器，其耦合在第一半桥中点和第一整流器的第二整流器输出端子之间。最后，在此也可以设置至少一个耦合电容器，其耦合在电路装置的输出端和第一整流器的第一整流器输出端子之间，其中适用：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(C_{10}+C_{11})}}\≤f\≤\frac{2}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(\frac{C_3{C}_{10}}{C_3+C_{10}}+C_{11})}}$

其中f是逆变器的工作频率，C₃是第一功率因数校正电容器，C₁₀是第二功率因数校正电容器，L₁是电感器并且C₁₁是耦合电容器。

下面的优选实施例适用于前面提及的两个变形方案：

于是，根据一个优选的实施形式，第一功率因数校正电容器设计为使得在电路装置工作中在该第一功率因数校正电容器上降落的高频电压为供电交流电压的幅度的20％到100％之间。由此，保证了通过第一功率因数校正电容器可以提供足够的能量用于对存储电容器再充电。

在另一优选的实施形式中，适用C₁₀＝C₁₁＝C₃。

随后优选的是，所述至少一个耦合电容器的电容以及第一功率因数校正电容器的电容为1nF到25nF之间。

其他有利的实施形式由从属权利要求得出。

附图说明

下面现在参照附图进一步阐述本发明的实施例。其中：

图1在示意图中示出了根据本发明的电路装置的第一实施例；

图2在示意图中示出了根据本发明的电路装置的第二实施例；以及

图3在示意图中示出了根据本发明的电路装置的第三实施例。

具体实施方式

图1在示意图中示出了根据本发明的电路装置的第一实施例。该电路装置具有带有第一输入端子E1和第二输入端子E2的输入端。在输入端子E1、E2之间可以耦合供电交流电压U_N，例如电网电压。在输入端之后是电网滤波器，其包括电容器C₁和C₂以及电感器L₂。电容器C₂与第一整流器GL1的输入端耦合，其输入端具有第一整流器输入端子GE1和第二整流器输入端子GE2。端子GA2为另外的电路装置提供参考电势。

在包括第一整流器输出端子GA1和第二整流器输出端子GA2的整流器GL1的输出端之间耦合有电容器C3，在其上降落有电压U_C3。电容器C₃与第一整流器输出端子GA1的连接点通过二极管D1与存储电容器C₄耦合。在电容器C₄上降落有所谓的中间回路电压U_ZW，其为逆变器10提供能量。

逆变器10在此实施成半桥装置并且包括电子开关S1和S2。它们由控制装置12借助高频矩形信号(如一般地已知的那样)来激励。矩形信号的频率优选超过20kHz并且因此与供电交流电压U_N的频率相比是高频的。在开关S1、S2之间形成第一半桥中点HBM1，其通过电感器L₁与电路装置的输出端耦合。其包括带有整流器输入端子GE3和GE4以及整流器输出端子GA3和GA4的第二整流器GL2。整流器输出端子GA4与第一输出端子A1耦合，整流器输出端子GA3与电路装置的第二输出端子A2耦合，在它们之间在该电路装置的工作中耦合有至少一个LED，该LED于是由输出电流I_A流过。整流器输入端子GE4与电路装置的第二半桥中点HBM2耦合。该第二半桥中点一方面通过耦合电容器C₁₀与第一整流器GL1的第一整流器输出端子GA1耦合，并且另一方面通过耦合电容器C₁₁与整流器GL1的第二整流器输出端子GA2耦合。

可选地，半桥中点HBM1可以通过电容器C₁₅与第一整流器GL1的第一整流器输出端子GA1耦合。

针对工作原理：通过激励逆变器10的开关S1、S2使得开关交替地被接通和关断，在半桥中点HBM1上产生具有工作频率f的交流电压。由此，驱动通过负载回路并且尤其是通过连接在第二整流器GL2的输出端上的LED的电流，其中负载回路包括电感器L₁、电容器C₁₀、C₁₁和C₃。

为了实现足够高的功率功率因数校正，在此由负载回路引起的在电容器C₃上的电压降U_C3相对于电网电压U_N的幅度是显著的。相应地，适用：U_C3＝0.2至1.0U_N。

当电容器C₃的阻抗在所给定的工作频率f的情况下并不太小时，情况尤其是如此。在二极管D1导通的情况下，通过如下方式得到第一边界条件：电容器C₁₀和C₁₁设计为使得不出现谐振。相应地，适用：

$f\≥\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(C_{10}+C_{11})}}$

第二边界条件通过如下方式得到：电容器C₃、C₁₀和C₁₁设计为使得在二极管D1截止的情况下也不产生谐振。相应地，适用：

$f\≤\frac{2}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(\frac{C_3{C}_{10}}{C_3+C_{10}}+C_{11})}}$

通过这些措施，负载回路被准谐振地驱动。

此外，控制装置12应当设计为将负载回路电流并且由此将LED电流I_A保持为恒定。相应地，适用：

$U_{C3}=\frac{I_{C3}}{2\mathrm{\πf}{C}_3}$

由此，在电容器C₃上的电压降被充分地限定，因为在准谐振的工作中，小的频率变化已经足以将电流I_C3以及由此将LED电流I_A保持为恒定。

通过使用电容器C₁₅，此外将半桥中点HBM1上的高频交流电部分用于对电容器C₃充电。

图2示出了根据本发明的电路装置的第二实施例，其中(与图1中所示的实施例相比)电容器C₃又耦合在整流器GL1的输出端子GA1和GA2之间。然而现在二极管D1耦合在电容器C₃和C₄的并未与整流器输出端子GA1耦合的端子之间。电容器C₁₅现在耦合在第一半桥中点HBM1与二极管D1同电容器C₃的连接点之间。在图2中所示的实施例是对图1中所示的实施形式补充的实现。

图3示出了根据本发明的电路装置的第三实施形式，其中作为与根据图1的实施形式唯一的不同是设置了附加的变压器TR1，其初级绕组PW与电感器L₁串联耦合。整流器GL2在该实施例中与变压器TR1的次级绕组SW耦合。该措施能够实现LED的隔离(potentialfrei)的供电。相应的实施形式当然也对于图2中所示的根据本发明的电路装置的变形方案是可能的。

Claims (12)

1.一种用于驱动至少一个发光二极管的电路装置，该电路装置具有：

-带有第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)的输入端，用于与供电交流电压(U_N)耦合；

-带有第一输出端子(A1)和第二输出端子(A2)的输出端，用于为所述至少一个发光二极管提供输出电流(I_A)；

-带有第一整流器输入端子(GE1)和第二整流器输入端子(GE2)以及第一整流器输出端子(GA1)和第二整流器输出端子(GA2)的第一整流器(GL1)，其中第一整流器输入端子(GE1)与第一输入端子(E1)耦合，并且第二整流器输入端子(GE2)与第二输入端子(E2)耦合；

-带有第一端子和第二端子的存储电容器(C₄)，其中存储电容器(C₄)的端子之一与第一整流器(GL1)的整流器输出端子(GA1；GA2)之一耦合；

-在半桥装置中的逆变器(10)，其中该逆变器(10)包括第一电子开关(S1)和第二电子开关(S2)，其中第一电子开关(S1)和第二电子开关(S2)的串联电路在构建第一半桥中点(HBM1)的情况下与存储电容器(C₄)并联耦合；以及

-电感器(L₁)，其耦合在该电路装置的输出端和第一半桥中点(HBM1)之间；

其特征在于，所述电路装置还包括：

-二极管(D1)，其与存储电容器(C₄)串联耦合，其中二极管(D1)和存储电容器(C4)构成的串联电路与第一整流器(GL1)的输出端(GA1，GA2)并联耦合；以及

-第一功率因数校正电容器(C₃)，其耦合在第一整流器(GL1)的第一整流器输出端子(GA1)和第二整流器输出端子(GA2)之间。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，存储电容器(C₄)的第二端子与第一整流器(GL1)的第二整流器输出端子(GA2)耦合，其中二极管(D1)耦合在第一整流器(GL1)的第一整流器输出端子(GA1)和存储电容器(C₄)的第一端子之间。

3.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置包括第二功率因数校正电容器(C₁₀)，其耦合在该电路装置的输出端与第一整流器(GL1)的第一整流器输出端子(GA1)之间。

4.根据权利要求2或3所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置包括另一功率因数校正电容器(C₁₅)，其耦合在第一半桥中点(HBM1)和第一整流器(GL1)的第一整流器输出端子(GA1)之间。

5.根据权利要求2至4之一所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置还包括至少一个耦合电容器(C₁₁)，其耦合在电路装置的输出端和第一整流器(GL1)的第二整流器输出端子(GA2)之间，其中适用的是：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(C_{10}+C_{11})}}\≤f\≤\frac{2}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(\frac{C_3{C}_{10}}{C_3+C_{10}}+C_{11})}}$

其中f是逆变器的工作频率，C₃是第一功率因数校正电容器，C₁₀是第二功率因数校正电容器，L₁是电感器并且C₁₁是耦合电容器。

6.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，存储电容器(C₄)的第一端子与第一整流器(GL1)的第一整流器输出端子(GA1)耦合，其中二极管(D1)耦合在第一整流器(GL1)的第二整流器输出端子(GA2)和存储电容器(C₄)的第二端子之间。

7.根据权利要求6所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置包括第二功率因数校正电容器(C₁₀)，该第二功率因数校正电容器耦合在电路装置的输出端和第一整流器(GL1)的第二整流器输出端子(GA2)之间。

8.根据权利要求6或7所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置包括另一功率因数校正电容器(C₁₅)，其耦合在第一半桥中点(HBM1)和第一整流器(GL1)的第二整流器输出端子(GA2)之间。

9.根据权利要求6至8之一所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置还包括至少一个耦合电容器(C₁₁)，其耦合在电路装置的输出端和第一整流器(GL1)的第一整流器输出端子(GA1)之间，其中适用：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(C_{10}+C_{11})}}\≤f\≤\frac{2}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(\frac{C_3{C}_{10}}{C_3+C_{10}}+C_{11})}}$

其中f是逆变器的工作频率，C₃是第一功率因数校正电容器，C₁₀是第二功率因数校正电容器，L₁是电感器并且C₁₁是耦合电容器。

10.根据上述权利要求之一所述的电路装置，其特征在于，第一功率因数校正电容器(C₃)设计为使得在电路装置的工作中在该第一功率因数校正电容器上降落的电压(U_C3)为供电交流电压(U_N)的幅度的20％到100％之间。

11.根据权利要求10所述的电路装置，其特征在于，适用C₁₀＝C₁₁＝C₃。

12.根据权利要求5、9、10或11所述的电路装置，其特征在于，所述至少一个耦合电容器(C₁₁)的电容以及第一功率因数校正电容器(C₃)的电容为1nF到25nF之间。

Images