CN103188850A - 交流电直接驱动的白光led发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及白光LED(发光二极管)发光装置。针对现有技术交流电直接驱动LED发光装置造成的发光闪烁的缺点，公开了一种交流电直接驱动的白光LED发光装置，配合发光寿命可控LED构成的LED模组，能够利用LED发光余辉进一步克服交流电引起的LED闪烁现象，并提高LED发光装置的效率，延长LED的使用寿命。本发明的LED发光装置电路，由n级LED模组级联构成，通过采样单元适当预置每一级LED模组对应开关单元的关断和接通电压，可以避免交流电压波动的时候出现闪烁现象。特别是采用发光寿命可控LED，进一步克服了闪烁现象。随着LED模组数量的增加，效果更加明显。
Description
技术领域
本发明涉及白光LED(发光二极管)发光装置，特别涉及白光LED发光装置的交流电直接驱动技术。
背景技术
LED作为一种新型固态光源，以其节能、环保、寿命长等优点有望成为新一代照明光源。众所周知，现有LED几乎都是用直流电驱动的，而我们的生产生活用电却是交流电。因此，在目前使用的LED产品中，需要一个电源转换器，将交流电转换为直流电。电源转换器的引入，带来很多负面效应。其一，电源转换器的寿命远远低于LED自身的寿命，使得照明装置的使用寿命变短；其二，电源转换器会降低发光装置的效率；其三，在小功率应用中，电源转换器会引起功率因数的下降和电流总谐波失真的增加。为了充分发挥半导体照明的优势，可以用交流电直接驱动的LED发光装置成为当前的研究热点。
在已有的交流LED公开技术中，大多是使用多颗LED组件按照反向并联或者桥式整流的电路拓扑结构连接而成，以满足交流电力的驱动要求。但是，交流电是按照一定的频率周期性波动的，由于LED自身开启电压的存在，在瞬时电压超过开启电压时，LED才会导通并发光。反之，LED是截止不发光的。这种电路使得LED的发光效率很低，并且随着交流电压波动出现发光闪烁现象。
国际专利WO 2004/023568A1“LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTINGELEMENTS”中，提出了在蓝宝石衬底上集成LED芯片阵列，从而提供一种交流电力驱动的发光装置，但没有解决LED的发光闪烁问题。
美国专利US 7,489,086 B2“AC LIGHT EITTING DIODE AND AC LED DRIVE METHODS ANDAPPARATUS”提供了一种交流LED器件，该发明是一种将多个LED集成封装的器件，利用人眼的视觉暂留效应来弥补交流电引起的LED发光闪烁现象。该专利没有从根本上解决交流电压周期性波动造成的发光闪烁现象。
可见，在已公开LED交流驱动技术中，都存在一个缺点：LED的驱动电流会随着交流电压的波动而波动，导致LED发光时出现亮度变化，产生发光闪烁的现象。同时，LED器件的核心是一个PN结二极管，其I-V特性为近似的指数函数，当LED两端的电压大于开启电压后，流过PN结的电流呈指数增长。现有技术的交流驱动方法，当交流电压意外升高时，可能直接损坏LED器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术交流电直接驱动LED发光装置造成的发光闪烁的缺点，提供一种交流电直接驱动的白光LED发光装置，配合发光寿命可控LED构成的LED模组，能够利用LED发光余辉进一步克服交流电引起的LED闪烁现象，并提高LED发光装置的效率，延长LED的使用寿命。
本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，交流电直接驱动的白光LED发光装置，包括交流输入端、保护单元和整流单元，其特征在于，所述整流单元的第一输出端通过n个LED模组和一个开关单元连接到第二输出端，其中n≥1，且为整数；当n≥2时，每两个LED模组之间还有开关单元构成的通道与第二输出端连接，每一个开关单元都与采样单元连接；
所述交流输入端用于连接交流电，为装置提供工作电流；
所述保护单元与交流输入端连接，为装置提供保护功能；
所述整流单元与保护单元连接，对保护单元输出的交流电进行整流；
所述采样单元用于对整流单元的输出电压进行采样，并输出控制信号；
所述开关单元与采样单元连接，根据采样单元输出的控制信号关断或接通；
所述LED模组由LED阵列组成，所述阵列中的LED为发光寿命可控的LED。
本发明的LED发光装置电路，由n级LED模组级联构成，通过采样单元适当预置每一级LED模组对应开关单元的关断和接通电压，可以避免交流电压波动的时候出现闪烁现象。特别是采用发光寿命可控LED，进一步克服了闪烁现象。随着LED模组数量的增加，相当于降低了每一级LED模组的导通电压，提高了电源的利用率。多级LED模组应用时，当交流电压波动时，每个LED模组受到的影响相对采用单个模组的影响更小，LED工作的稳定性也更好，更可靠，抗交流电压波动的能力更强。特别是采用发光寿命可控LED构成LED模组，能够利用LED发光余辉进一步克服交流电引起的LED闪烁现象，并提高LED发光装置的效率，延长LED的使用寿命。
进一步的，所述发光寿命可控的LED发光寿命为1～100ms。
LED发光寿命的延长，有利于克服闪烁现象。
更进一步的，所述发光寿命为10～30ms。
该范围的发光寿命时间与交流电周期匹配，可以恰到好处地发挥其余辉优势，并且技术上更容易实现，成本也更低。
进一步的，所述LED阵列由布置在同一印制电路板上的至少1个LED构成，或者集成封装在同一基板上的至少1个LED构成，或者集成在同一半导体衬底上的至少1个LED构成。
将LED模组中所有的LED布置在同一印制电路板上，是目前工艺条件下最简单最经济的封装方法；或者将LED模组中所有的LED集成封装在同一基板上，即将LED模组中所有的LED进行二次封装，集成在同一散热基板上；或者集成在同一半导体衬底上，这是采用半导体集成电路工艺，在同一半导体基片上实现LED的集成。这些技术还可以将各个LED模组中的LED交错布置，提高照明装置发光亮度的均匀性，并有利于克服闪烁现象，LED封装布线也更方便。
具体的，所述LED并联和/或串联连接。
LED模组中LED适当的连接组合，如并联、串联或混联等，更能够适应交流电直接驱动的使用环境，方便地调整各个LED模组的电流、电压参数。
具体的，所述保护单元包括保险丝和/或压敏电阻，所述保险丝串联在交流输入端，所述压敏电阻并联在交流输入端。
保险丝是常用的限流保护元件，压敏电阻则是常用的限压保护元件，他们的组合可以完成最基本的限流和限压保护，并且成本低，安装方便，便于进行二次集成。
进一步的，所述保护单元还包括共模扼流圈和/或气体放电管，所述共模扼流圈串联在交流输入端，所述气体放电管并联在交流输入端。
增加共模扼流圈和气体放电管，共模扼流圈可以抑制共模干扰，气体放电管可以保护照明装置不被雷电等伤害。
具体的，所述整流单元由整流二极管组成的全波整流或半波整流电路构成。
采用整流二极管作为整流元件，体积小重量轻，便于二次集成封装。
具体的，所述采样单元由电阻网络构成。
电阻网络非常适合采集直流参数，便于设定开关单元动作点。
具体的，所述开关单元由晶体管，所述晶体管控制极与采样单元连接。
晶体管作为开关元件，具有控制容易，无触点，长寿命的特点。
更具体的，所述开关单元由晶体管构成，所述晶体管控制极与采样单元连接。
晶体管开关元件，技术成熟，反应灵敏，动作可靠。
具体的，所述晶体管为场效应晶体管或双极型晶体管，所述控制极为场效应晶体管的栅极或双极型晶体管的基极。
晶体管开关元件，技术成熟，反应灵敏，动作可靠。
本发明的有益效果是，使用交流电力直接驱动LED模组，电路简单，体积小、重量轻，成本低。通过预置适当的关断电压，特别是配合发光寿命可控LED，实现交流电力直接驱动LED发光装置在交流电压波动的时候不会闪烁。在交流电瞬时电压过高时，开关单元关断，LED模组不发光，提高了电源的利用效率，降低了电力损耗。同时，也避免LED模组因电流过大而烧毁的情况，延长了装置的使用寿命。通过预置适当的关断电压，实现交流电力直接驱动LED装置，在交流电压波动的时候不会闪烁。特别是采用发光寿命可控LED构成LED模组，能够利用LED发光余辉进一步克服交流电引起的LED闪烁现象，并提高LED发光装置的效率，延长LED的使用寿命。
附图说明
图1是实施例1的结构框图；
图2是实施例1的电路原理图；
图3是实施例2的结构框图；
图4是实施例3的结构客体；
图5是实施例3的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
发光寿命可控LED，是指发光寿命为1～100ms的LED。根据发光学定义，发光寿命为发光强度降到激发时最大强度的1/e所需的时间。
本发明中发光寿命可控LED，含有一种或多种无机和/或有机发光材料的组合。比如：CaS:Eu；CaS:Bi，Tm；ZnS:Tb；CaSrS2:Eu，Dy；SrGa2S4:Dy；Ga2O3:Eu；(Y，Gd)BO3:Eu3+；Zn2SiO4:Mn2+；YBO3:Tb3+；Y(V，P)O4:Eu3+；SrAl2O4:Eu2+；SrAl2O4:Eu2+，B；SrAl2O4:Eu2+，Dy3+，B；BaAl2O4:Eu2+；CaAl2O4:Eu2+；Sr3SiO5:Eu2+，Dy3+；BaMgAl10O17:Eu2+，Mn2+；Tb(acac)2(AA)phen；Y2O2S:Eu3+，Y2SiO5:Tb3+；SrGa2S4:Ce3+；Y3(Al，Ga)5O12:Tb3+；Ca2Zn4Ti15O36:Pr3+；CaTiO3:Pr3+；Zn2P2O7:Tm3+；Ca2P2O7:Eu2+，Y3+；Sr2P2O7:Eu2+，Y3+；Lu2O3:Tb，Sr2Al6O11:Eu2+；Mg2SnO4:Mn2+；CaAl2O4:Ce3+，Tb3+；Sr4Al14O25:Tb3+；Ca10(PO4)6(F，Cl):Sb，Mn；Sr2MgSi2O7:Eu2+；Sr2CaSi2O7:Eu2+；Zn3(PO4)2:Mn2+，Ga3+；CaO:Eu3+；Y2O2S:Mg2+，Ti3+；Y2O2S:Sm3+；SrMg2(PO4)2:Eu2+，Gd3+；BaMg2(PO4)2:Eu2+，Gd3+；Zn2SiO4:Mn，As；KLaF4:Er；CdSiO3:Dy3+；MgSiO3:Eu2+，Mn2+中的一种或多种。
本发明的交流电直接驱动的白光LED发光装置，包括交流输入端、保护单元、整流单元、采样单元、开关单元和n个LED模组，其中n≥1，且为整数。本发明发光装置中，整流单元的第一输出端(一般为直流输出正端)通过n个LED模组和一个开关单元连接到第二输出端(直流输出负端)。当LED模组数量超过2个时，每两个LED模组之间还有开关单元构成的通道与第二输出端连接。每一个开关单元都与采样单元连接，受其控制。本发明的LED发光装置电路，由n级LED模组级联构成，通过采样单元适当预置每一级LED模组对应开关单元的关断和接通电压，可以避免交流电压波动的时候出现闪烁现象。增加LED模组的数量，相当于降低了每一级LED模组的导通电压，提高了电源的利用率。多级LED模组应用时，当交流电压波动时，每个LED模组受到的影响相对采用单个模组的影响更小，LED工作的稳定性也更好，更可靠，抗交流电压波动的能力更强。配合发光寿命可控LED构成的LED模组，能够利用LED发光余辉进一步克服交流电引起的LED闪烁现象，并提高LED发光装置的效率，延长LED的使用寿命。本发明中，LED发光余辉与电路优势结合，效果明显。
实施例1
参见图1和图2，本例发光装置包括交流输入端1、保护单元2、整流单元3、采样单元4、开关单元6和LED模组5，本例LED模组5的数量为1(即n＝1)。本例整流单元的第一输出端为直流输出正端31，该正端31通过LED模组5开关单元6连接到第二输出端直流输出负端32。参见图1。交流输入端1与交流电L端(相线)和N端(零线)连接，将交流电引入保护单元2。保护单元2对整个装置提供基本的保护功能，由压敏电阻VR和保险丝F构成，保险丝F串联在相线上，压敏电阻并联在相线和零线之间，见图2。对于应用于特殊环境的，保护单元2还可包括共模扼流圈以及气体放电管。共模扼流圈串联在相线和零线上，气体放电管一般并联在相线和零线之间。本例整流单元3由整流二极管构成的全波整流电路D组成，对交流电进行全波整流。本例电压采样单元4，由采样电阻R1和R2组成的电阻网络构成，通过采样整流电路D输出的直流电压，控制开关单元6。如图2所示。本例开关单元6由MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管，简称场效应管)M1和M2及稳压二极管DZ1、DZ2、电阻R3、R4和R5构成。本例LED模组5由多颗串联、并联或者混联的LED组成的阵列构成，可以是布置在同一印制电路板上的多个LED，或者集成封装在同一散热基板上的多个LED，又或者集成在同一半导体衬底上的多个LED构成的集成电路。
当交流电的瞬时电压达到LED模组5的开启电压时，开关单元6在采样单元4的驱动下导通，LED模组5开始发光；当交流电的瞬时电压超过预设的关断电压时，开关单元6关断，LED模组5停止发光；当交流电出现波动时，在正常的工作电压范围以内，即在LED模组5的开启电压与预设的关断电压之间时，发生变化的只是开关单元6的导通和关断的时间点，LED模组5的发光不会闪烁。
如图2所示，整流电路D输出正端和电阻R1的一端连接，同时连接到LED模组的正端，整流电路D的输出负端作为地。电阻R1的另一端与电阻R2的一端、稳压二极管DZ1的负端、电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端与场效应管M1的栅极连接，场效应管M1的漏极、电阻R4的一端、电阻R5的一端、稳压二极管DZ2的负端连接。电阻R5的另一端与场效应管M2的栅极连接，场效应管M2的漏极、电阻R4的另一端、LED模组的负端连接。电阻R2的另一端、稳压管DZ1的正端、稳压管DZ2的正端、场效应管M1的源极、场效应管M2的源极连接到地(直流输出负端)。
当交流输入端1与电网连接，本照明装置获得交流电力，经过保护单元2，并由整流单元3，整流成直流电，提供给采样单元4、开关单元6和LED模组5。在每个交流周期中，整流电路D输出电压从零开始上升，当电压升高到开关单元的开启电压时，场效应管M1关断，M2导通，LED模组5开始发光；随着输入电压升高LED模组通过的电流增大，在电压低于预设的关断电压阶段，采样单元4输出的电压不足以使场效应管M1导通，M1保持关断，M2保持导通，LED模组5持续发光；当电压意外升高，超过预设的关断电压时，M1开始导通，M2关断，LED模组不发光，保护LED模组5免受大电流的冲击。
本例中的LED全部采用发光寿命可控的LED，其发光寿命优选为10～30ms。这种发光寿命可控的LED，工艺实现比较容易，其发光余辉与电路优势相得益彰，可以明显提高抗交流闪烁的效果。
实施例2
如图3所示，本例发光装置LED模组5有2个，开关单元6也是2个，整流单元3正端31通过2个LED模组和第2开关单元6(图中标注为开关单元2，其他开关单元标注与此类似)与整流单元3负端32连接，在第1个LED模组5和第2个LED模组5之间有第1个开关单元6构成的通道与整流单元3负端32连接。本例所有开关单元6均与采样单元4连接。
实施例3
如图4所示，本例发光装置LED模组5有3个，开关单元6也是3个，整流单元3正端31通过3个LED模组和第3个开关单元6与整流单元3负端32连接，在第1个LED模组5(图中标注为LED模组1，其他LED模组标注与此类似)和第2个LED模组5之间有第1个开关单元6构成的通道与整流单元3负端32连接。在第2个LED模组5和第3个LED模组5之间还有第2个开关单元6构成的通道与整流单元3负端32连接。本例所有开关单元6均与采样单元4连接。
本例装置的电路原理图如图5所示，其工作原理和具体电路结构与实施例1类似，此处不在赘述。本例采样单元4由电阻R1、R2，R6、R7，R11、R12构成，三个开关单元6，和3个LED模组组5成三级电路，三个开关单元6分别控制三个LED模组，通过采样单元4分别设置每一级开关的关断时间，并对相应的LED模组5进行保护。随着LED模组数量的增加，相当于降低了每一个LED模组的导通电压，提高了电源的利用率。多级LED模组应用时，当交流电压波动时，每个LED模组受到的影响相对采用单个模组的影响更小，LED工作的稳定性也更好，更可靠，抗交流电压波动的能力更强。
经上述详细的阐释，可以看出，本发明的电压采样单元监测输入电压，同时还具有对LED模组的保护功能。当交流电压出现大的波动的时候，开关单元也能及时断开，保护LED模组不因电流过大而损坏。
需要说明的是：虽然上述实施例已经详细描述了本发明的结构，但本发明并不限于上述实施例，凡是本领域技术人员根据上述描述进行的常规的替换结构，均属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.交流电直接驱动的白光LED发光装置，包括交流输入端、保护单元和整流单元，其特征在于，所述整流单元的第一输出端通过n个LED模组和一个开关单元连接到第二输出端，其中n≥1，且为整数；当n≥2时，每两个LED模组之间还有开关单元构成的通道与第二输出端连接，每一个开关单元都与采样单元连接；
所述交流输入端用于连接交流电，为装置提供工作电流；
所述保护单元与交流输入端连接，为装置提供保护功能；
所述整流单元与保护单元连接，对保护单元输出的交流电进行整流；
所述采样单元用于对整流单元的输出电压进行采样，并输出控制信号；
所述开关单元与采样单元连接，根据采样单元输出的控制信号关断或接通；
所述LED模组由LED阵列组成，所述阵列中的LED为发光寿命可控的LED。
2.根据权利要求1所述的交流电直接驱动的白光LED发光装置，其特征在于，所述发光寿命可控的LED发光寿命为1～100ms。
3.根据权利要求2所述的交流电直接驱动的白光LED发光装置，其特征在于，所述发光寿命为10～30ms。
4.根据权利要求1所述的交流电直接驱动的白光LED发光装置，其特征在于，所述LED阵列由布置在同一印制电路板上的至少1个LED构成，或者集成封装在同一基板上的至少1个LED构成，或者集成在同一半导体衬底上的至少1个LED构成。
5.根据权利要求4所述的交流电直接驱动的白光LED发光装置，其特征在于，所述LED并联和/或串联连接。
6.根据权利要求1所述的交流电直接驱动的白光LED发光装置，其特征在于，所述保护单元包括保险丝和/或压敏电阻，所述保险丝串联在交流输入端，所述压敏电阻并联在交流输入端。
7.根据权利要求6所述的交流电直接驱动的白光LED发光装置，其特征在于，所述保护单元还包括共模扼流圈和/或气体放电管，所述共模扼流圈串联在交流输入端，所述气体放电管并联在交流输入端。
8.根据权利要求1所述的交流电直接驱动的白光LED发光装置，其特征在于，所述整流单元由整流二极管组成的全波整流或半波整流电路构成。
9.根据权利要求1所述的交流电直接驱动的白光LED发光装置，其特征在于，所述采样单元由电阻网络构成。
10.根据权利要求1所述的交流电直接驱动的白光LED发光装置，其特征在于，所述开关单元由晶体管构成，所述晶体管控制极与采样单元连接。
11.根据权利要求10所述的交流电直接驱动的白光LED发光装置，其特征在于，所述晶体管为场效应晶体管或双极型晶体管，所述控制极为场效应晶体管的栅极或双极型晶体管的基极。
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