CN103348767A - 多个串联的发光装置的控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制多个串联的发光装置的电路，包括多个电子开关，该电子开关能够根据经过整流的电网电路进行控制，其中，多个电子开关与发光装置的至少一部分并联地布置，其中，多个电子开关的每一个在激活时分别使串联的发光装置的至少一个短路，电路还具有至少一个能量存储器，该能量存储器在充电阶段期间依靠电子开关与第一组发光装置并联，以及该能量存储器在放电阶段期间依靠电子开关与第二组发光装置并联。

Description

多个串联的发光装置的控制

技术领域

本发明涉及一种用于控制多个串联的发光装置的电路。

背景技术

直接在电网上运行半导体发光件、例如发光二极管（LED）或LED系统在原则上来说是有问题的，特别是当半导体发光件应当是可调的并且至少近似地具有正弦形的电流消耗时尤其如此。

已知的途径采用升压或降压变压器以便为半导体发光件调节供应电压。在电网整流器后也应用了滤波电容器，以将半导体发光件中的电流保持在几乎恒定的电平上。这种解决方案是不可调的。此外，通过半导体发光件的电流曲线不是正弦形的，这导致对交流电网的不利负荷或不期望的干扰。

另一缺陷在于，不具有能量存储器（滤波电容器）的电路导致所连接的发光装置的可见的闪烁。总之，滤波电容器也具有某种缺陷，即较高的再充电电流缩短了其使用寿命；因此，滤波电容器通常都成为用于控制发光装置的电路的一个薄弱点。

发明内容

本发明的目的在于，避免前述的缺陷并且特别地提出一种解决方案，以便能够可调节地通过电网电压有效地运行半导体发光件。

该目的通过根据独立权利要求所述的特征实现。本发明的改进方案也由从属权利要求中得出。

为实现该目的，提出一种用于控制多个串联的发光装置的电路或电路装置，

-包括多个电子开关，该电子开关能够根据经过整流的电网电压来进行控制，

-其中，这多个电子开关与发光装置的至少一部分并联地布置，

-其中，多个电子开关的每一个在激活时分别使串联的发光装置的至少一个短路，

-具有至少一个能量存储器，

-该能量存储器在充电阶段期间依靠电子开关与第一组发光装置并联以及

-该能量存储器在放电阶段期间依靠电子开关与第二组发光装置并联。

能量存储器由此能够有利地用作充电泵并且根据经过整流的电网电压的值

-在低于预设的阈值时为发光装置的一部分提供电能和

-在高于预设的阈值（或另一阈值）时通过经过整流的电网电压充电。

这导致发光装置中的至少一部分在一个周期的过程（包括例如能量存储器的放电、充电和放电）中能够几乎不间断地放射光线。不存在间断或者间断如此之短，使得发光装置的闪烁不能被人眼感受到。因此，通过作为充电泵工作的能量存储器有效地防止了发光部件的能感受到的闪烁。

在此必须说明的是，放电阶段特别地仅包括能量存储器的部分放电（完整的放电是不必要的并且可能也是不符合预期的）。由此将充电阶段设置为电能输送至能量存储器中的阶段，并且放电阶段设置为电能从能量存储器中释放的阶段。

一项改进方案设计为，在第一组发光装置上比在第二组发光装置上下降的电压更高。

由此能够实现对能量存储器的安全的和有利的充电。

另一改进方案设计为，能量存储器能够在初始的充电阶段期间在经过整流的电网电压的多个周期内充电。

如果能量存储器、例如电容器开始时（几乎）是空的，那么其在多个周期内充电。随后，在某一工作点上的周期性的运行如在上文中所说明的那样地进行。

在此必须说明的是，一个周期能够与经过整流的、脉动的（pulsierenden）电网电压的正半波相符。半波的（和由此周期的）频率特别地与电网交流电压的两倍的频率相符。

特别是一项改进方案设计为，能量存储器与电源、特别是恒流电源或电压控制的电源串联。

由此能够确保能量存储器在第二组发光装置的放电阶段期间提供适宜的电流。

也有一项改进方案设计为，串联的发光装置与电压控制的电源串联。

通过电压控制的电源使流经发光装置的电流（根据借助于电子开关激活的发光装置的数量）得到调节或者说限制。此外，如果电压控制的电源例如与由能量存储器和发光装置构成的串联电路串联地布置，那么能量存储器的充电电流便能够受到电压控制的电源的限制。

此外还有一项改进方案设计为，电压控制的电源能够通过经过整流的电网电压来控制。

借助于例如类似于正弦形的、脉动的、经过整流的电网电压通过对电压控制的电源进行控制而达到这样的效果，即当电压值较低（在这种情况下仅一个发光装置或少数几个发光装置被激活）时流经发光装置的电流相应地匹配地小于当电压值较高（在这种情况下例如所有的发光装置均被激活）时流经发光装置的电流。电压控制的电源由此提供与刚好活动的发光装置的数量适宜的电流。

因此，不仅激活的发光装置的数量而且流经这些发光装置的电流均受到经过整流的电网电压的波形的影响或者说调节。这有利地导致几乎为正弦形的电流消耗并且由此降低了从电路出发的对电网造成的干扰。

在一个附加的改进方案的范畴中，电子开关和电压控制的电源共同地布置在集成的电路中。

另一个改进方案在于，设有第一能量存储器和第二能量存储器，

-其中，第一能量存储器

-在充电阶段期间依靠电子开关与第一组发光装置并联和

-在放电阶段期间依靠电子开关与第二组发光装置并联，

-其中，第二能量存储器

-在充电阶段期间依靠电子开关与第一组发光装置并联，

-在放电阶段期间（例如依靠电子开关）与第三组发光装置并联，其中，第三组发光装置例如是第一组发光装置中的子集。

由此能够通过设计另一个充电泵而附加地减少闪烁。特别是两个能量存储器能够在放电阶段期间（例如当经过整流的电网电压达到或低于预设的阈值时）交替地激活。这能够通过相应地控制电子开关来进行，该电子开关与相应的能量存储器例如串联地布置。

一个设计方案设计为，依靠控制单元对经过整流的电网电压进行检测和分析并且能够根据检测到的电网电压的值通过电子开关激活数量或多或少的多个发光装置。

特别是根据经过整流的电网电压的值控制不同的电子开关。因此能够通过经过整流的电网电压阶段性地激活不同的电子开关并且由此激活或断开不同数量的串联的发光装置。由此能够利用脉动的直流电压的曲线，以便根据其电压值接通或者是断开不同数量的发光装置。

电子开关与发光装置并联地布置。特别是每一电子开关均能够在其激活时使不同数量的发光装置桥接（或者说短路）。有利的是这样布置电子开关，即发光装置中的一个发光装置在第一电子开关激活时、发光装置中的两个发光装置在第二电子开关激活时、发光装置中的三个发光装置在第三电子开关激活时、等等依此类推能够桥接。当最后一个电子开关激活时，例如除了串联的发光装置中的一个发光装置外的所有发光装置均桥接。

通过电子开关的共同的参考电位例如来保证电子开关中的每一个均能够以相同的电路电压激活。

一个可替换的实施方式在于，特别地依靠控制单元能实现对发光装置进行调光控制。

因此，能够例如借助于可由使用者更改的参考电压进行对串联的发光装置的亮度调整（Dimmung（调光））。

另一设计方案为，控制单元和电子开关共同集成地设计在同一电路中。

一个改进方案为，发光装置包括至少一个半导体发光件、特别是一组半导体发光件。

半导体发光件可以是发光二极管（LED）。

一个设计方案为，电子开关包括半导体开关、特别是晶体管、双极晶体管和/或Mosfet。

也有一个设计方案为，能量存储器包括电容器、电解电容器或电池。

电池可以是可重复充电电池。

附图说明

随后根据附图示出和阐述本发明的实施例。

附图示出：

图1是具有一个用于在电网交流电压上运行多个串联的发光二极管的充电泵的示意性的电路图；

图2在图1的视图的基础上示出具有两个用于在电网交流电压上运行多个串联的发光二极管的充电泵的示意性的电路图；

图3是具有用于控制电子开关的控制单元的示意性的电路装置。

具体实施方式

本发明提出，应用一个或多个用于运行发光装置的充电泵，其中，至少一个充电泵例如在开始时（基本上或优选地）持续地并且随后周期性地（或重复性地）充电。在电网电压值较小的时间段内，提供用于发光装置（特别是由半导体发光件、例如发光二极管构成的链或者说串联电路）的能量，在此基本不会扭曲或干扰电网的电流消耗。

发光装置能够通过电压控制的电源来运行，其中，例如脉动的、经过整流的电网电压能够用作起控制作用的电压。经过整流的（脉动的）电网电压的（类似于正弦形的）半波具有电网交流电压的两倍的频率（即例如100Hz或120Hz）。由此也得出了用于运行发光装置的（几乎或者是基本为）正弦形的工作电流。

发光装置能够通过电子开关来控制。电子开关可以是半导体开关，例如晶体管、双极晶体管、Mosfet等。优选地能够应用具有共同的参考电位的半导体开关。由此简化了对半导体开关的控制。此外，半导体开关还能够与控制该半导体开关的单元一起（例如在硅上）集成地设计。

图1示出用于在电网交流电压110上运行多个串联的发光二极管101至109的示意性的电路图。

电网交流电压110通过整流器111转换成（脉动的）直流电压。直流电压在整流器111之后与二极管112的阳极（正的的供电电压）和与电源121的接口（地电势）连接。

二极管112的阴极与节点113连接。节点113通过由二极管114和（可选择的）电源115构成的串联电路与节点118连接，其中，二极管114的阴极在节点113的方向上示出。

发光二极管101至109在相同的定向上串联，其中，发光二极管101的阳极与节点113连接并且发光二极管109的阴极与节点119连接。电源121布置在节点119和整流器111之间。

发光二极管104和105之间的分接头和中间分接头用节点127表示。在节点127和节点118之间布置二极管120，其阴极在节点118的方向上示出。在节点117和节点119之间布置电容器117（例如设计为电解电容器）。

节点127此外还与Mosfet122的漏极接口连接。Mosfet122的源极接口与节点119连接。发光二极管105和106之间的分接头与Mosfet123的漏极接口连接。Mosfet123的源极接口与节点119连接。发光二极管106和107之间的分接头与Mosfet124的漏极接口连接。Mosfet124的源极接口与节点119连接。发光二极管107和108之间的分接头与Mosfet125的漏极接口连接。Mosfet125的源极接口与节点119连接。发光二极管108和109之间的分接头与Mosfet126的漏极接口连接。Mosfet126的源极接口与节点119连接。

二极管112，114和120可以是型号为1N4004的二极管。每一发光二极管101至109均能够设计为至少一个发光二极管或者说至少一个半导体发光件。特别是每一发光二极管101至109能够包括一组发光二极管。用于一组发光二极管的额定电压能够特别地与总电压除以每组发光二极管中的发光二极管的数量得出的电压相符。

例如每个发光二极管101至109能够与需要供电电压为35V的一组发光二极管相对应。

Mosfet122至126的栅极接口由合适的控制单元（未在图1中示出；关于控制单元的细节：也可见图3）来控制。

因此能够根据电网电压的值来激活Mosfet，例如

-当电网电压值为8*35V=280V时激活Mosfet126；

-当电网电压值为7*35V=245V时激活Mosfet125；

-当电网电压值为6*35V=210V时激活Mosfet124；

-当电网电压值为5*35V=175V时激活Mosfet123；

-当电网电压值为4*35V=140V时激活Mosfet122；

如果相应的Mosfet122至126被激活，优选地断开剩余的Mosfet。在以上的实例中，这意味着当电网电压在大约175V和210V之间的范围内时，Mosfet123导电地接通，由此使发光二极管106至109短路或者说桥接。由此，在该持续时间期间仅发光二极管101至105有效地串联并且能够通过（当前的）电网电压运行。相应的情况适用于其它的电路状态。

能够应用任意的电子开关、例如（双极）晶体管或类似装置以代替Mosfet。电子开关能够与控制单元和/或电源一起例如在硅基上集成地制造。

必须指出的是，中间分接头或分接头表明的是两个元器件之间的接触的一种可能性。这在电气上与能够和多个元器件连接的节点相对应。

电容器117首先在多个电网周期内通过四个发光二极管101至104的阈值电压（在上个实例中：140V）充电。充电通过节点127和二极管120进行。电源121也限定用于电容器117的充电电流。在充电的期间，Mosfet122至126优选地断开地控制，即发光二极管105至109中没有发光二极管短路。

在此将电容器117的最大充电限制在例如在五个发光二极管105至109上下降的电压（在上个实例中为：175V）的范围内。

如果节点118上的电网电压降至预设的水平以下（例如在上个实例中165V），那么储存在电容器117中的能量便通过二极管114和节点113流入发光二极管的串联电路中。在此通过选择性存在的电源115来限制电流。在这种情况下，优选地导电地接通Mosfet122，断开其余的Mosfet123至126。电流由此从节点113处经过发光二极管101至104和Mosfet122流向节点119并且从此处进一步经过电源121流向整流器111的方向。

电源121限制流经发光二极管的电流以及电容器117的最大充电电流。

就这方面来说，能够周期性地以电网交流电压的两倍的频率（由整流器111提供的、脉动的直流电压具有两倍的电网频率）运行发光二极管101至109，其中，当电网电压低于预设的阈值时，导电地接通Mosfet122并且由电容器117向发光二极管101至104供电。一旦电网电压高于预设的阈值（或者说高于第二阈值，该第二阈值又高于所述的阈值）时，重新为电容器再充电；在这种情况下，重新断开（切断）至少Mosfet122。

优选地电路能够这样确定尺寸，即与电网电压的、脉动的、经过整流的波形的当前的电压值无关地，至少发光二极管101至104是不带电的（或者仅在非常短的时间段内）。

电容器117的首次充电能够在多个电网周期内进行，这是因为充电电流（也）受到电源121的限制。

可选地可以取消电源115。电源115可以是恒流电源或电压控制的电源。在后一种情况下，起控制作用的电压能够由经过整流的电网电压来提供。

在充电周期期间输送至电容器117的能量优选地多于其周期性的放电能量。充电电压优选地高于电容器的放电电压。例如充电时长也能够大于放电时长和/或用于电容器117的充电电流的平均值能够大于其放电电流的平均值。

电容器117上的电压由此能够在完成充电后围绕着工作点波动。在这里所说明的实例中，该电压能够在发光二极管电压的四至五倍之间波动，即在140V和175V之间波动。有利地这样设计电容器117，即在示出的应用中，在放电周期期间不低于140V的电压水平。

当电网电压的值低的不足以导电地接通任何Mosfet122至126或者仅足以导电地接通Mosfet126时，则例如对电容器117进行再充电。在这里所说明的实例中，这与电容器117的从约280V的电压起的再充电相应。

电源121优选地是电压控制的电源，其中，控制电压能够借助于（经过整流的）电网电压实现（图1中的虚线116）。由此确保了流经发光二极管的或者说用于为电容器充电的电流（几乎）是正弦形（或者说基于经过整流的、脉动的、正弦半波形的信号而类似于正弦形）的并且由此不干扰或者说不显著地干扰电网。

二极管112，114和120能够作为电子开关，例如作为晶体管、Mosfet等等而实现。特别是电子开关能够与电源115和/或电源121一起集成地设计。

当经过整流的电网电压降至预设的阈限以下时，电容器117将电荷“泵”进发光二极管中，通过这样的方式以高于两倍的电网频率的频率对发光二极管进行亮度调制。由此有效地防止了发光二极管的可被感知的闪烁。

在图1中介绍的线路图中，电容器117可以是充电泵：电容器117（在初始充电后）根据输入信号的电压在一定的时间段内进行充电；如果电压降低至预设的水平之下，则电容器将电荷泵进发光装置中。放电和充电能够周期性地交替，其中，能够通过经过整流的交流电压的类似于正弦形的半波来预设周期。

随后将示例性地说明的是，也能够设计多个用于运行发光装置的充电泵。

图2基于图1的视图示出了用于在电网交流电压110上运行多个串联的发光二极管101至109的示意性的电路图。

作为对图1中的充电泵的补充，除了包括具有电源115以及从属的电路的电容器外，图2还具有另一充电泵。由此能够进一步缩短间隔时长并实现显得更为持续的亮度印象。

区别于图1的是，图2具有电容器201（例如电解电容器），该电容器与电源202和二极管204串联，其中，二极管204的阴极与节点203连接，该节点与发光二极管105和发光二极管106之间的分接头相应。电容器201利用其负极与节点119连接。电容器201和电源202之间的分接头通过二极管205与节点127连接，其中，二极管205的阳极在节点127的方向上示出。

二极管204，205例如是与二极管112，114和120（1N4004）相同的型号。

电源202可以是能够接通或者是断开的电源、特别是受控制的电源。

与针对图1的前述的实施方式类似，电容器201通过节点127上的电压和二极管205来充电。如果节点203上的电压降至预设的、低于经过充电的电容器201的电压水平以下，则能够接通电源202并且电容器201通过二极管204向节点203中供应能量并且由此为发光二极管106至109供应能量。用于电容器201的充电电流受到（电压控制的）电源121的限制并且流经发光二极管106至109的电流也受到（可能受电压控制的或恒流的）电源202的限制。

可选地可以取消电源202并且通过电子开关来代替，该电子开关能够由控制单元控制。例如也能够利用激活Mosfet122（电荷从电容器117流进发光二极管101至104中并且通过Mosfet122流进节点119中）而激活该电子开关：随后电荷附加地从电容器201处通过节点203流经发光二极管106至109（断开所有的Mosfet123至126）。也可能的是，即能够接通以及断开的电源202（或者设计用于代替该电源的开关）和Mosfet122交替地（以相同的或不同的接通和/或断开持续时间）运行。

除了通过电容器117为发光二极管101至104供应能源（见前述的实施方式）外，发光二极管106至109的能源供给由此还能够通过电容器201进行。

图3示出了具有用于控制电子开关的控制单元的示意性的电路装置（例如在图1和图2中示出的Mosfet122至126的栅极接口）。

发光装置305例如是彼此串联的半导体发光件或半导体发光件组。特别是发光装置组能够分别地共同控制。

脉动的、具有电网交流电压的两倍的频率的直流电压301输送至控制单元302。该控制单元能够具有处理器和/或（微）控制器，其根据脉动的直流电压301的曲线来控制电子开关303。开关303能够与在图1和图2中示出的Mosfet相应。此外还有这样的可能性，即电源115和/或202也是能够接通或者是断开（关于这一点可见图2中的电源202中的开关）。原则上可能的是，即也应用其它的电子开关、例如（双极）晶体管。

通过这样的方式，即根据半波的电压的值来控制开关303中的一个或多个开关，控制单元302分析脉动的直流电压301的半波的曲线，从而与电压曲线相适应地通过开关303阶段性地激活发光装置305（在此，所激活的发光装置305的数量能够与电压曲线的高低相应地阶段性地增加）。为此，半波优选地划分成不同的阶段或开关阈限，从而使得随着电压的升高而阶段性地接通发光装置305和随着电压的降低而使发光装置305阶段性地重新断开。

此外，脉动的直流电压301也输送至电压控制的电源304处（参见：图1和图2中的电压控制的电源121），通过该电源并根据半波的电压提供（特别是限制）流经发光装置305的电流。由此能够实现这样的情况，即流经发光装置305的电流也基本处于电网电压的相位内，这对于功率因数起到了有利的作用并且降低或者是防止了电路对电网的干扰作用。

控制单元302也示出了（至少）一个能量存储器306，其如在这里所说明地那样作为充电泵起作用并且根据脉动的直流电压的值将电荷“泵”入发光装置中。

能量存储器306在这里例如作为控制单元的部件示出，但是也能够独立于该控制单元地设计。可选地，控制单元在这种情况下能够控制至少一个用于激活能量存储器的开关。

可能的替换方案是，控制单元302控制电压控制的电源304。

其它优点：

至少一个充电泵在发光装置的发光阶段期间充电；在没有电网能源可供使用或用于运行发光装置的电网能源不足的时间段期间，由该至少一个充电泵提供用于运行发光装置的能量。能量存储能够例如借助于电容器或借助于另一能量存储器进行。

该解决方案也具有这样的优点，即功率因数基本上取决于电压控制的电源并且也受到其限制。由此得出电网的基本为正弦形的电流负荷。

充电泵能够分离地或集成地设计。

充电泵特别地可以是发光装置的链的部件（例如集成在LED链中）。有利的是这样的实现方式，即该至少一个充电泵的充电电压高于其放电电压；特别有利的是，在充电泵的周期性的充电期间所提供的电流多于在充电泵的周期性的放电期间的电流。相应地（可替换地或附加地），充电泵的周期性的充电所持续的时间长于其周期性的放电所持续的时间。

参考标号表

101至109   发光二极管或者是半导体发光件组

110   电网交流电压

111   整流器

112   二极管

113   节点

114   二极管

115   电源（恒流电源或电压控制的电源）

116   用于控制电压控制的电源的电压

117   电容器

118   节点

119   节点

120   二极管

121   电压控制的电源

122至126   电子开关（n沟道Mosfet）

127   节点

201   电容器

202   具有电子开关的电源（例如能够由控制单元激活）

203   节点

204，205   二极管

301   经过整流的、脉动的电网电压（与电网（交流）电压相比具有两倍的频率）

302   控制单元

303   电子开关

304   电压控制的电源

305   发光装置（例如由半导体发光件构成的串联电路或由半导体发光系统构成的串联电路，其中，每个半导体发光系统具有至少一个半导体发光件）

306   能量存储器（充电泵），例如（电解）电容器。

Claims (14)

1.一种用于控制多个串联的发光装置（101-109；305）的电路

-包括多个电子开关（122-126；303），所述电子开关能够根据经过整流的电网电压（301）进行控制，

-其中，多个所述电子开关（122-126；303）与所述发光装置（105-109）的至少一部分并联地布置，

-其中，多个所述电子开关（122-126；303）的每一个在激活时分别使串联的所述发光装置（105-109；305）的至少一个短路，

-具有至少一个能量存储器（117；306），

-所述能量存储器在充电阶段期间依靠所述电子开关与第一组发光装置（105-109）并联以及

-所述能量存储器在放电阶段期间依靠所述电子开关与第二组发光装置（101-104）并联。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，在所述第一组发光装置上比在所述第二组发光装置上下降的电压更高。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述能量存储器（117；201；306）能够在初始的充电阶段期间在经过整流的所述电网电压（301）的多个周期内充电。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述能量存储器（117；201；306）与电源（115；202）、特别是恒流电源或电压控制的电源串联。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，串联的所述发光装置（101-109；305）与电压控制的电源（121；304）串联。

6.根据权利要求5所述的电路，其中，电压控制的所述电源（121；304）能够通过经过整流的所述电网电压（301）来控制。

7.根据权利要求5或6中任一项所述的电路，其中，所述电子开关（122-126；303）和电压控制的所述电源（121；304）共同地布置在集成的电路中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电路，包括第一能量存储器（117）和第二能量存储器（201），

-其中，所述第一能量存储器

-在充电阶段期间依靠所述电子开关与所述第一组发光装置（105-109）并联以及

-在放电阶段期间依靠所述电子开关与第二组发光装置（101-104）并联，

-其中，所述第二能量存储器

-在充电阶段期间依靠所述电子开关与所述第一组发光装置（105-109）并联以及

-在放电阶段期间依靠所述电子开关与第三组发光装置（106-109）并联，其中，所述第三组发光装置特别地是所述第一组发光装置（105-109）中的子集。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，依靠控制单元（302）对经过整流的所述电网电压（301）进行检测和分析并且能够根据检测到的所述电网电压（301）的值通过所述电子开关（122-126；303）激活或多或少的多个所述发光装置（101-109；305）。

10.根据权利要求9所述的电路，其中，依靠所述控制单元能实现对所述发光装置进行调光控制。

11.根据权利要求9或10中任一项所述的电路，其中，所述控制单元（302）和所述电子开关（122-126；303）共同集成在一个电路中。

12.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述发光装置包括至少一个半导体发光件、特别是一组半导体发光件。

13.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述电子开关包括半导体开关、特别是晶体管、双极晶体管和/或Mosfet。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述能量存储器包括电容器、电解电容器或电池。

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