CN103260283B - 用于操作发光二极管的电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及为了照明的目的向发光二极管供电并控制发光二极管的电路装置，以及用于该电路装置的方法。本发明提出了一种驱动电路（32），用于提供操作至少一个发光二极管（34）的操作电流，其中，所述操作电流具有不同的正强度。

Description

用于操作发光二极管的电路

本申请是申请号为200880023011.4的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于操作发光二极管的电路装置和用于实现此目的的方法。

背景技术

传统的发光二极管（LED）发出的光处于有限的光谱范围内。例如，图1示出了蓝1、绿2、黄3和红4发光二极管的光谱。各种LED模块为人们所知，其中，具有不同颜色，例如蓝和黄发（两个LED）或者红、绿和蓝（RGB），的发光二极管如此组合，例如通过散射屏混合它们的光，并且使得混合后的光呈现白色或者使得由此产生的光的光谱5扩展到整个可见光范围。

虽然此光基本上呈现“白色”，但是在此发射光的光谱范围内存在波谷6，7。这些波谷具有的不利影响在于：例如，会导致带有处于这些间隙范围内的颜色的物体外表无光泽。使用显色指数或CRI光度变量来表达的显色质量的好坏相应地依赖于这些间隙。

显色指数表达的是：人工发光装置的显色与自然太阳光的宽分布连续光谱的接近程度如何。众所周知，这不能仅仅通过色温来表达，因为色温不能指示在人工发光装置的光谱中是否可能存在间隙。

因此，当RGB发光二极管彼此连接时，这些光谱间隙出现。然而，在使用所谓的白光二极管时，也发现了这些波谷。所谓的白光二极管是与光致发光材料（荧光染色剂，发光材料）一起组合的发光二极管。通过磷光层或者由其形成的色转换层，将来自于LED芯片的第一光谱的光部分地转换为第二光谱。然后，第一和第二光谱的混合产生白光的光谱。

图2示出了这种白光发光二极管的光谱。借助于色转换层，短波光例如蓝光8可以转换为长波光，例如处于黄光或红光波长范围9内。

然而，在这种发光装置芯片的实际（如蓝光）光谱8和转换层的第二（黄光或红光）偏移光谱9之间通常也存在光谱间隙或者至少一个波谷10，从而导致显色质量或显色指数降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于发光二极管或发光二极管模块的控制电路，使用该控制电路可以提高发光二极管的显色指数或显色质量。

可以由具有独立权利要求的特征的设备和方法实现该目的。

现在，本发明有意识地利用了这一事实，即，发光二极管的颜色光谱依赖于操作该发光二极管时所用的强度或者电流。现在，本发明改善显色指数CRI在于以某种程度减小光谱间隙，这是因为有意识地使用了随时间而不同的强度来操作发光二极管。

用不同的强度操作会导致光谱在时间上被拖尾，考虑到人眼的分辨能力，并且当以时间求平均时，改善显色指数CRI。

优选地，强度的变化比眼睛的时间分辨能力更快（例如超过100Hz），这在脉宽调制发光二极管的情形中也为人们所知。与只将高电平或零用于发光装置的强度的PWM不同，根据本发明，使用至少一个另外的正的（即非零）强度值。

根据本发明的第一方面，提供了为至少一个发光二极管（LED）供应操作电流的驱动电路。在为灯电流指定供应期望值的情况下，所述驱动电路将所述期望值在时间上扩展为不同的值，其中，时间平均值对应于所述期望值。

可以周期性地改变操作电流。

可以规定操作电流能够采用指定的离散值。在这种情况下，采用离散值的时间段可以小于人眼的时间分辨能力。特别地，离散值的时间段可以小于1/100秒。

操作电流可以至少不时地持续变化。

在空载时间期间，所述操作电流的强度可以减至零。

电流源可以具有用于接收与操作电流的时间行进有关的信息的输入端。

同样地，电流源可以具有用于接收所述操作电流的时间平均强度的期望值的输入端。

另外，电流源可以具有用于接收操作电流的实际值的输入端。

可以提供调节电路，用来借助于所述期望值和已检测到的操作电流的实际值，调节所述操作电流。

可以选择操作电流的行进使得人眼不能感知到任何闪烁。

根据本发明的另一方面，提供一种用于操作至少一个发光二极管的设备，该设备包括所述类型的电流源。

所述设备可以具有多个电流源，用于控制多个发光二极管。

根据本发明的又另一方面，提供一种用于改善至少一个发光二极管的显色指数的方法，其中，流经发光二极管的电流随着时间连续地具有不同的强度。

根据本发明的另一方面，提供一种用操作电流操作至少一个发光二极管的方法，其中，所述操作电流具有不同的正强度。

因此，本发明涉及用于改善LED显色指数的电路和方法，其中，用带有比人眼的时间分辨能力高的频率的不同强度来操作所述LED。

还提供了显色指数调制单元，其被供应平均的电流期望值，其中，该调制单元将此平均期望值在时间上扩展为宽分布的可采纳电流。

本发明基本上涉及根据所施加的正向电流，有意识地利用发光二极管中的主要波长会的漂移的可能性。

取决于用法，施加正向电流使得其振幅值在每个时间周期上做某程度的变化。因此，实现发出的光或者其发出的波长能像本发明希望的那样随着时间周期偏移，使得通常的窄带发光二极管的光发射得以某种程度地分散（“波长跳动”）。用这种方法，可以有意识地提高混合体系中的显色指数。

为了形成针对这种体系的信号形状，可以采取不同的选择。因此，例如除了三角波信号、2-3阶信号或多阶信号之外，其他的控制信号也是可能的。然而，对信号形状的选择要使得可获得期望的跳动谱宽。

另外，还可以根据期望的平均电流信号来选取信号形状。

例如，可以使用RGBY（红、绿、蓝、黄）体系，其中，例如通过阶跃信号单独控制每种颜色，并且由此产生所述跳动。

附图说明

下文将借助附图更加详细地阐述本发明，在附图中：

图1示出各个已知的单色发光二极管的光谱和已知的RGB发光二极管的光谱，

图2示出借助于色转换层而产生的已知的白光发光二极管的光谱，

图3示出根据本发明的电路装置的示例性实施例，

图4示出发光二极管的操作电流和此发光二极管发射的光的光谱之间的依赖性，

图5示出根据本发明的特定实施例的操作电流，

图6示出使用图5所示的操作电流所产生的不同的光谱，以及示出人眼所感知到的更宽的光谱，

图7至12示出根据本发明另外实施例的操作电流的可替换形式，以及

图13示出根据本发明的电路装置的另一示例性实施例。

具体实施方式

图3示出根据本发明的电路装置的示例性实施例。

电路装置30基本上包括：控制电路（驱动电路）31、电流源32以及用于一个或更多个发光二极管34的发光二极管模块33。

发光二极管34由电流源32操作。电流源32具有双极晶体管，其中发光二极管34连接到NPN晶体管35的集电极。晶体管35的发射极通过欧姆电阻器36连接到接地端。晶体管35还通过另一欧姆电阻器37耦合到控制单元31。控制单元31通过控制连接端38控制晶体管35的接通和关断。

第二晶体管或开关35'设置在电流源32中，与第一晶体管或开关35并联。通过控制电路31的控制连接端38'以类似于第一晶体管35的方式控制第二晶体管35'。第二晶体管35'也分别通过欧姆电阻器36'、37'连接到接地端和控制连接端38'。

通常实施可控开关功能的各个NPN晶体管35、35'构成可切换的电流流出（也称作为“电流吸收器”）。利用欧姆电阻器36、36'，可以检测二极管电流，并且通过改变基极电压可以将二极管电流调节至期望的值。在这种情况下，为了控制发光二极管34，根据本发明的控制信号施加到晶体管35、35'的基极连接处。

如果只有第一晶体管35接通，则发光二极管34由电流I1操作。相反地，如果第一晶体管35关断且只有第二晶体管35'接通，则发光二极管34由电流I2操作。如果晶体管35、35'同时接通，则产生操作电流I1+I2。

因此，可以由能提供例如三种不同的严格的正电流强度I1、I2、I1+I2的电流源32控制发光二极管34。

还可以用已知的方式来对控制电路（驱动器）31和电流源32进行不同地构造。在这种情况下，重要的是，电流源32要提供用于操作发光二极管的至少两种正电流振幅。

可以外部或内部地向控制电路31提供期望值，该期望值指定通过发光二极管的时间平均期望电流。控制电路将此期望值扩展为大于零的至少两个不同值，这些大于零的至少两个不同值一个接着另一个地被实施，其中它们的时间平均值再次对应于指定的期望值。

可以将颜色轨迹校正命令提供给控制电路。该颜色轨迹校正命令可以选择性地激发振幅扩展，以及还可能指定振幅扩展的程度。因此，颜色轨迹校正命令提供了对光谱的调整。

随后，根据颜色轨迹校正命令，控制电路例如通过之前储存的值（查找表）或者通过已实施的功能，可以确定相关联的振幅值并将该相关联的振幅值输出给颜色轨迹校正命令，这些相关联的振幅值随后一个接着另一个地被实施。可替换地或另外地，根据颜色轨迹校正命令，控制电路可以施加用于振幅扩展的操作模式（连续的，离散的）。

根据本发明的可替换的电流源和控制电路能够提供时变且连续的操作电流。自然地，也包括这种电流源：其仅部分地在特定的时间段产生连续的操作电流。

也可以检测流经发光二极管或多个发光二极管的电流，并将该电流调节到指定的期望值。可以选择此期望值使得以最大可能程度的效率操作发光二极管。

为了控制或调节用于发光二极管34的电流，晶体管或开关35、35'连接到控制电路31的控制连接端38、38'。

形成发光二极管的操作电路或正向电流使得发光二极管34在不同的强度下被操作。这有意地利用了这一事实，即发光二极管的颜色光谱依赖于操作该发光二极管所用的电流。

图4示出了发光二极管的操作电流和该发光二极管发出的光的光谱之间的这种依赖性。在不同的值用作操作电流或正向电流的情况下，也会导致不同的光谱分布，尤其参见在1、5、10和20mA的各个操作电流情况下的曲线40、41、42、43。

现在，本发明提出：一个接着另一个地用不同的强度来操作发光二极管。因此，在图4的实例中，一个接着另一个地用1、5、10和20mA的操作电流来操作发光二极管。

因为在频率范围内各个光谱是不同的或偏移的，故存在作为平均值的一光谱，其比单个光谱40、41、42、43更宽，或者其相比于单个光谱40、41、42、43，具有更小的波谷。因此，可以提高显色指数。

图5示出由用于发光二极管34的电流源32产生的操作电流或正向电流50的特定实例。这种多阶操作电流50具有某一时间周期T=(ton+toff)，其中在时间段ton期间，操作电流50采用不同的正强度值。在时间段toff期间，操作电流50的值减小至零，其中不一定要提供该toff。

在时间段ton期间，操作电流50在各个时间t1、t2、t3、t4和t5相继地采用电流值ΔI2、ΔI1、Inom、ΔI1和ΔI2。因此，在本示例性实施例中，获得·的平均电流强度为：

Im=[(t1+t5)·ΔI2+(t2+t4)·ΔI1+t3·Inom]/[ton+toff]

为了调光的目的，还可以改变操作电流50的脉冲占空比。可替换地，还可以减小或者增大或者甚至略去时间段toff。

图6示出用Inom、ΔI1和ΔI2的操作强度可以实现的不同的光谱。随着电流强度下降，发光二极管产生的光谱不断地向更长的波长偏移。

优选地，强度的变化比人眼的时间分辨能力更快，使得眼睛仅仅感知到发射光的时间平均值。因此，操作电流50变化的频率应当大于100Hz。相应地，各个时间段t1、t2、t3、t4和t5应当小于1/100秒。

因此，相比于在以额定强度Inom操作的期间产生的光谱，眼睛感知到的光谱60更宽。

图7至12示出根据本发明的另外实施例的发光二极管操作电流或正向电流的可替换的形式。

图7至11中所示的操作电流优选为周期性的，并且优选地具有时间段toff，在toff期间强度为零。

根据图5和7的操作电流50、70可以采用不同的个别值，即不同的离散值：0、ΔI1、ΔI2或Inom。因此，重要的是，要用至少两个不同的严格为正的强度如ΔI1和Inom来操作发光二极管。以此方式，可以分散发射光的光谱。

然而，图8至11示出根据本发明的具有连续强度的操作电流80、90、100、110。强度在零和严格为正的最大值ΔI之间变化。因此，自然地在多于两个的不同正电流强度下操作发光二极管。

图9中示出了操作电流90，其在第一阶段tr=ton，从零增加至最大值ΔI，以及在第二阶段toff，取值为零。

因此，发光二极管的显色指数得以提高。例如，在图10的操作电流100的情况下，就产生了此效果。因此，在所谓的边界或者临界模式下操作发光二极管，即带有控制操作，其中操作电流或二级管电流以基本上三角形的方式增加至最大值ΔI，随后降至零以便再次立即上升。

根据图10的操作模式保证了高水平的扩展，因而保证了高水平的颜色校正。这是因为利用此操作模式，电流的最大值是时间平均值的两倍。因此，可以不时地用两倍于LED生产商指定的连续操作的额定值的值来操作该LED。

理想地，时间段toff接近于零，从而不存在其中没有能量传送的范围。然而，由于技术实施的原因、达到的必要的零点识别和控制操作的开关时间，可能存在大于零的不希望的某时间段toff。

以类似于操作电流100的方式，图11中所示的操作电流110具有在时间段tr期间从零到最大值ΔI的上升阶段，以及具有在时间段tf期间从所述最大值ΔI到零的下降阶段。然而，在这二者之间，在时间段tnom期间，操作电流110保持恒定在最大值ΔI。

如图8所示，操作电流或正向电流80也是可行的，其在周期时段（ton+toff）中，具有多个上升和/或下降阶段。在根据图8控制发光二极管的情形中，在处于两个上升阶段tr01、t12之间的时间段t1期间，电流保持恒定在ΔI1。在第二上升阶段t12之后，电流在时间段t2期间保持为最大值ΔI2并随后线性下降至零。

然而，如图12所示，还可以如此选择操作电流或正向电流120，使得设置该电流的振幅为几乎恒定。这样，ΔI减小至最小值。因此，发光二极管34仅用单阶电流电平来操作。在此情况下，可以用LED制造商为连续操作指定的额定值来操作发光二极管34。

因此，对以电流来操作发光二极管34的限制是使得由该发光二极管34发出的光的光谱可以得以分散或具有更小的波谷。

在单色发光二极管的情形中，如蓝色、绿色、黄色或红色，可以相对于最大强度增加光谱的相对强度。

图13示出根据本发明的用于控制发光二极管34的电路装置130的另一示例性实施例。电路装置130具有开关调节器，该开关调节器由扼流圈L1、电容器C1、单向导通二极管D1、开关S1和发光二极管34形成。在此实例中，开关调节器形成为降压转换器，然而，还可以使用其他拓扑结构，例如升压转换器、回扫式转换器或者甚至降压-升压转换器。为了监控开关调节器中的电流和电压以及通过发光二极管34的电流和电压，设置多个电阻器（“分流器”）。因此，电阻器Rs用于监控在开关S1接通期间通过开关S1的电流。两组分压器R3/R4和R1/R2用于监控发光二极管34的电压。然而，在可替换的实施例中，发光二极管34还可以与扼流圈1串联。控制电路IC控制开关调节器的开关S1。可以外部或者内部地将期望值提供给控制电路IC，该期望值指定通过发光二极管的时间平均期望电流。控制电路将该期望值扩展为大于零的至少两个不同值，这些不同值一个接着另一个地被实施，其中时间平均值再次对应于指定的期望值。

可以向控制电路IC提供颜色轨迹校正命令作为外部的期望值。颜色轨迹校正命令可以有选择地激发振幅扩展，并且还可能指定该振幅扩展的程度。因此，颜色轨迹校正指定了对光谱的调整。

电路装置130是优选实施例，其实现对根据本发明的对发光二极管34的控制，具有最少的可能损耗。

在以几乎恒定的振幅来操作发光二极管的期间，至少是在时间周期T的某一时间段，导致电路装置130在所谓的连续传导模式下操作是可能的。电路装置130被控制使得通过扼流圈L1的电流永不降至零并且维持为平均而言恒定的一值。为了实现这样的操作，在第一阶段，通过闭合开关S1，磁化抗流器L1。利用电阻器Rs，在该阶段可以监控通过扼流圈L1的电流。如果实现了某一电流值（上限值），则开关S1断开。由于扼流圈L1的磁化，现在电流进一步被驱动通过单向导通二极管D1和发光二极管34。因此，通过扼流圈L1的电流慢慢下降。由于电流通过单向导通二极管D1和发光二极管34流动，故也对电容器C1充电。利用两组分压器R3/R4和R1/R2，可以监控通过扼流圈L1的电流的降低和扼流圈L1去磁的减少。如果电流达到了某一下限值，开关S1接通以及磁化扼流圈L1。虽然现在单向导通二极管D1阻断电流流动，电容器C1通过发光二极管34放电。因此，电路装置130在高频范围内操作。

通过为最大和最小扼流圈电流，因而为通过发光二极管34的电流适当选择两个限值，发光二极管34可以设置电流的振幅扩展。在选择的两个限值相应窄化了电流的情形中，电流对于观察者来说几乎恒定。例如，根据图5，通过设置两个限值，一个接着另一个分别为各个时间t1、t2、t3、t4和t5设置电流为值ΔI2、ΔI1、Inom、ΔI1和ΔI2是可能的。

在根据图12的操作期间，利用刚高于或刚低于额定电流的两个间距窄的限值，只设置了额定值。

然而，电路装置130还可以在所谓的边界或临界模式下操作。根据图10，这种操作产生操作电流100。通过闭合开关S1，扼流圈L1从完全去磁化状态开始，被磁化直至达到最大值ΔI。这时开关S1断开以及扼流圈L1被去磁，这导致操作电流下降。通过在两组分压器R3/R4和R1/R2处的测量或者通过至少在分压器R1/R2处的测量，可以确定操作电流达到零点的时间。通过直接或间接测量变量，一旦检测到（或者可以推算）已经达到操作电流的零点，可以闭合开关S1并磁化扼流圈L1。

例如，电路装置130还可以在根据图11的操作模式下操作。通过闭合开关S1，扼流圈L1从完全去磁化状态开始，被磁化直至达到最大值ΔI。这时开关S1断开并且扼流圈L1被去磁，但是只是达到刚低于最大值ΔI的内部设定下限值时就停止。如果已经达到了此值，接通开关S1。这时电路装置130在所谓的连续传导模式下操作，直至时间段Tnom已流逝。这时，在时间段tf期间，开关S1保持断开并且扼流圈L1被去磁，这导致了操作电流的下降。通过在两组分压器R3/R4和R1/R2处的测量或者通过至少在分压器R1/R2处的测量，可以确定操作电流达到零点的时间。一旦检测到操作电流的零点已经达到或者时间段toff已经流逝，则可以接通开关S1并且磁化扼流圈L1。在此操作模式下，开关S1具有两个不同的开关频率，相比于时间段Tr、Tf和Toff，在时间段Tnom期间，用更高的时钟频率来控制开关S1。

因此，通过提供外部信号，例如颜色轨迹校正命令，可以选择和调整电路装置130的操作模式，因而可以选择和调整开关调节器的操作模式。例如，可以选择在所谓的连续传导模式下的操作、在所谓的边界或临界模式下的操作或者甚至在这两种操作模式的组合下的操作。

图2示出在借助于根据图5的正向电流、对具有磷光层的白光发光二极管进行控制的期间本发明的效果。相应地，用不同的严格为正的电流强度即ΔI1、ΔI2和Inom来操作白光发光二极管。

曲线11、12、13标记在用各个强度Inom、ΔI2和ΔI1进行操作期间的白光发光二极管的光谱。随着强度降低，光谱朝长波长方向偏移。

用一个接着另一个的不同强度来操作白光发光二极管。在周期时间（ton+toff）内，产生整体上比各个光谱11、12、13都宽的光谱14。因此，可以减小相邻的波谷16、17。同样重要的是，还可能明显地减小蓝光光谱8和经转换的黄光光谱9之间的光谱波谷15。

还可能用根据本发明的电流源32或用根据本发明的操作电流来控制多个发光二极管。

还可以通过根据本发明的不同操作电流来并行地控制多个发光二极管。

Claims (11)

1.一种用于为至少一个发光二极管LED提供操作电流的驱动电路装置，包括：

开关调节器，

其中，通过提供外部信号，能选择和调整所述驱动电路装置(130)的操作模式以及所述开关调节器的操作模式,

其中，所述开关调节器包括扼流圈(L1)和开关(S1)，其中，所述扼流圈(L1)通过将所述开关(S1)接通而被磁化，并且通过将所述开关(S1)关断而被去磁化，并且其中，所述开关调节器还包括控制电路(IC)，所述控制电路由外部信号，即期望值，来供给并且将所述期望值扩展为大于零的至少两个不同的限值，

其中，如果所述扼流圈的电流实现了上限值，则所述开关(S1)开路，以及

如果所述扼流圈的电流达到了下限值，则所述开关(S1)接通并且所述扼流圈(L1)被磁化。

2.根据权利要求1所述的驱动电路装置，

其中，所述驱动电路装置(130)的操作模式以及所述开关调节器的操作模式能够被选择为连续传导模式、边界或临界模式、或者这两种操作模式的组合。

3.根据权利要求2所述的驱动电路装置，

其中，在所述连续传导模式中，所述驱动电路装置被控制使得通过所述扼流圈(L1)的电流永不降至零并且维持为平均而言恒定的值。

4.根据权利要求2所述的驱动电路装置，

其中，在所述边界或临界模式中，所述驱动电路装置被控制为使得所述操作电流以三角形的方式增加至最大值，随后降至零以再次立即上升。

5.根据权利要求4所述的驱动电路装置，

其中，在所述边界或临界模式中，

如果所述操作电流实现了最大值，则所述开关(S1)开路，并且所述扼流圈(L1)被去磁，以及

如果检测出或推算出已经达到所述操作电流的零点，则所述开关(S1)闭合，并且所述扼流圈(L1)被磁化。

6.根据权利要求2所述的驱动电路装置，

其中，通过闭合所述开关(S1)，所述扼流圈(L1)从完全去磁化状态开始，被磁化直到实现了所述操作电流的最大值，

然后，所述驱动电路装置在所述连续传导模式下操作指定的时间段Tnom，以及

当所述时间段Tnom已流逝时，所述扼流圈(L1)被去磁，使得所述操作电流达到零点。

7.根据权利要求6所述的驱动电路装置，

其中，一旦检测到所述操作电流的零点已经达到，或者时间段toff已经流逝，则闭合所述开关(S1)并且磁化所述扼流圈(L1)。

8.根据权利要求6所述的驱动电路装置，

其中，一旦在检测到所述操作电流的零点之后时间段toff已经流逝，则闭合所述开关(S1)并且磁化所述扼流圈(L1)。

9.根据权利要求7或8所述的驱动电路装置，

其中，所述开关(S1)具有两个不同的开关频率，与其他的时间段相比，在所述时间段Tnom期间，用更高的时钟频率来控制所述开关(S1)。

10.根据权利要求1至8中的任一项所述的驱动电路装置，

其中，所述开关调节器被形成为降压转换器、升压转换器、回扫式转换器或降压-升压转换器。

11.一种利用驱动电路装置为至少一个发光二极管LED提供操作电流的方法，所述驱动电路装置包括开关调节器，其中，通过提供外部信号，能选择和调整所述驱动电路装置(130)的操作模式以及所述开关调节器的操作模式，

其中，所述开关调节器包括扼流圈(L1)和开关(S1)，其中，所述扼流圈(L1)通过将所述开关(S1)接通而被磁化，并且通过将所述开关(S1)关断而被去磁化，并且其中，所述开关调节器还包括控制电路(IC)，所述控制电路由外部信号，即期望值，来供给并且将所述期望值扩展为大于零的至少两个不同的限值，

其中，如果所述扼流圈的电流实现了上限值，则所述开关(S1)开路，以及

如果所述扼流圈的电流达到了下限值，则所述开关(S1)接通并且所述扼流圈(L1)被磁化。