CN104170530A - 用于照明元件阵列的驱动器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种照明系统，该系统包括驱动至少一个反应器的激励器。激励器是产生频率在约50kHz与约100MHz之间的AC波形的电波形发生器。反应器是包括照明元件的网络的欠阻尼谐振电路。电抗性部件分布在照明元件中。这些电抗性部件可以对个体照明元件调节电流和电压。对于低压照明元件如LED的阵列，驱动系统是特别有用的。系统是故障容错的，在于个体元件的故障不影响其余元件的操作，并且可添加和去除元件而不影响其它元件的可用性。

Description

用于照明元件阵列的驱动器
相关申请
本申请要求于2011年12月31日提交的美国临时申请第61/582,351号的优先权，其通过引用合并到本文中。
技术领域
本发明的一个或更多个实施方式涉及用于驱动多个照明元件的系统和方法。
背景技术
发光二极管(LED)通常以串联和/或并联组合的方式布置成行/串或阵列以用于特定的照明应用。LED在电学上是仅在一个方向上导通的二极管，就像用于非光学应用的二极管一样。LED本质上是具有与正向驱动电流成比例的发光输出的低电压器件。因此，传统的LED照明系统包括某种电流驱动器，该电流驱动器被设计成将来自电源的可用电力如AC电力转换为适于驱动LED的DC电流。驱动器可以被设计成对单个LED进行驱动或者对包括以串联和/或并联方式布置的多个LED的系统进行驱动。当对多个LED进行驱动时，诸如短路或开路的故障是指任意的单个LED可通过无法驱动或损坏其余的LED而导致系统完全故障。
还存在使用AC电流的LED驱动器。Elferich和Lurkens的美国专利第7,573,729B2号公开了位于输出变压器的初级侧的谐振电路；次级侧驱动LED，以相反的极性成对以使得每对中的一个LED在AC电流的每半个循环期间导通。多个对可以串联连接。然而，这种设计对于单独的LED的故障也是敏感的。多个对的串对于驱动电路来说像是单个元件，并且串中的任何部件的故障都会导致整个串瘫痪。此外可能破坏所需的谐振。
Miskin等人的美国专利第8,145,905B2号公开了另一种使用AC电流的驱动器和“反向并联”LED。Miskin公开了具有固定频率和电压AC输出的“固定高频逆变器”。逆变器驱动LED偶对(couplet)(反向并联LED)的各种可能的网络。使用电容器或电阻器可以对电流进行调整以适应单独的偶对或偶对的串联的串。在LED电路中没有使用串联或并联的电感器并且没有使用旁路电容器。输出电路以特定频率和特定电压被驱动并且不利用任何固有谐振。所得的系统对单个LED的故障敏感。在LED中的电流波形很可能表现出明显的谐波失真并且因此有可能发射出明显的射频干扰。总体能效不如谐振系统中那样高。
和Hein的美国专利第6,826,059B2号公开了用于荧光照明的基于镇流器(ballast)的LED驱动器。输出是谐振电路。以串或阵列配置LED，其中任一个阵列或两个阵列被布置成相反的极性。每个阵列完全由不具有电抗性部件的LED构成。阵列外的两个电容器和单个电感器完成谐振电路；不存在遍及LED阵列分布的电抗性部件。
所需要的是一种可以自调整以给LED阵列中的单独的元件提供受控功率的驱动电路，该电路另外对单独的LED的故障(短路或开路)敏感并且不需要另外的有源半导体部件。
发明内容
公开了一种照明系统，该系统包括驱动至少一个反应器的激励器。激励器是产生频率在约50kHz与约100MHz之间的AC波形的电波形发生器。反应器是包括照明元件的网络的欠阻尼谐振电路。电抗性部件分布在照明元件中。这些电抗性部件可以对个体照明元件调节电流和电压。对于低压照明元件如LED的阵列，驱动系统是特别有用的。系统是故障容错的，在于个体元件的故障不影响其余元件的操作，并且可以添加和去除元件而不影响其它元件的可用性。
反应器不包含除了用于其基本功能的照明元件以外的半导体元件。对于大多数电抗性串拓扑，LED以偶对的对连接(一个的阳极到另一个的阴极)。可以通过增大激励器驱动频率或通过减小反应器谐振电路的谐振频率来减小谐振电路的谐振的Q，从而调暗照明系统。
反应器还可以被配置成具有多个不同的反应器，每个反应器具有独立的谐振电路。这些可以被单独地调暗。
附加的照明元件可以被添加至照明元件的网络，以及谐振电路继续振荡并且驱动附加的照明元件和已经是照明元件的网络的一部分的照明元件。在一个不同的反应器中的照明元件在类型和数量上可以与其它的反应器中的照明元件不同。个体照明元件和/或个体反应器可以被添加到系统或从系统去除，而不影响其余元件或反应器的操作。
示例性的照明系统可以用于区域照亮、光疗法、消毒、刺激光化学反应、刺激光致发光或用于发光显示装置的元件。
反应器可以使用双线连接而远离激励器。
附图说明
图1示出了用于DC驱动串联连接的LED链的现有技术的系统。
图2示出了用于DC驱动并联连接的LED链的现有技术的系统。
图3示出了根据本发明使用激励器-反应器布置的AC驱动的实施方式。
图3a示出了用于激励器驱动单个反应器的示例性电路。图3b示出了用于激励器驱动多个反应器的示例性电路。图3c示出了典型的谐振峰。
图4示出了作为激励器供电电压的函数的反应器阵列电流。
图5b示出了针对图5a中所示的照明单元的模型阵列所选择的电流波形和电压波形，每个照明单元具有LED的偶对和限流旁路电容器。
图6b示出了针对图6a中所示的类似于图5a的具有一个故障的LED(开路)的照明单元的模型阵列所选择的电流波形和电压波形。
图6d和图6e示出了针对图6c中所示的类似于图5a的但是具有不相等的Vfwrd值的照明单元的模型阵列所选择的电流波形和电压波形。
图7b示出了针对图7a中所示的类似于图5a的具有两个故障的LED(开路)的照明单元的模型阵列所选择的电流波形和电压波形。
图8b示出了针对图8a中所示的类似于图5a的具有两个故障的LED(一个开路，一个短路)的照明单元的模型阵列所选择的电流波形和电压波形。
图9示出了具有外部控制的示例性全桥激励器的更详细的实施方式。
图10示出了适于连接到被适度调节和整流的电源电压的半桥电源。
图11示出了示例性LED单元链。图11a示出了三种类型的单元。
图11c示出了图11b中所示的类似于图5a的具有包括多个单元类型的网络的照明单元的模型阵列所选择的电流波形和电压波形。
图12示出了三个并联单元的布置。
图13示出了使用串联连接和并联连接二者的单元的布置。
图14示出了经由双线连接驱动多个远程反应器的激励器。
图15示出了针对多个反应器阵列的可能的连接的变体。
图16示出了给无负载电路添加反应器阵列的效果。
图17示出了对由AC激励器驱动的两个LED的输出进行组合的效果。
图18示出了磁耦合的电抗性串。
具体实施方式
在对本发明进行详细描述之前，应理解，除非另有说明，本发明不限于具体电路、照明元件或照明元件的类型。使用文中所描述的电路可以有利地驱动包括多个照明元件的任何照明系统。还应理解，文中使用的术语仅仅是为了描述具体的实施方式，而非旨在限制本发明的范围。使用LED作为示例性实施方式来描述典型的示例，但是也可以使用其它的照明元件。类似地，示例性实施方式被描述为用于区域照明，但是其它实施方式也可以用于其它应用中的图像显示、光疗法、光致发光、消毒、生物化学和光化学。
应注意，除非上下文另外明确指出，在本文和权利要求书中所使用的单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“该(the)”包括多个所指物。因此，例如，提到“一种LED(an LED)”包括两个或更多个LED等。
在提供一定的数值范围的情况下，应理解，在该范围的上限与下限之间的每个中间值(除非上下文另外明确指出，到下限单位的十分之一)、以及在该陈述的范围内的任何其它陈述的值或中间值包含在本发明中。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在较小范围中，并且也包含在经受了所陈述的范围中的任何特定排除的限制的本发明内。在所陈述的范围包括极限中的一个极限或二者的情况下，排除这些所包括的极限中的任一个或二者的范围也包括在本发明中。术语“约”通常是指所陈述的值的±10％。术语“基本上所有”通常是指大于总的可能量的95％的量。
定义
正如文中所使用的，术语“发光二极管”或“LED”是指下述半导体二极管：该半导体二极管在电流穿过该二极管时发射光。可以使用任何类型的LED，包括以任何可用波长、发光度或输入功率发射光的器件。可以使用任何可用的半导体材料并且可以使用任何可用的封装设计，只要可以进行到“激励器”的适当的电连接并且可以配置适当的“反应器”即可。
正如文中所使用的，术语“控向二极管”是指不用于发射光而仅用于引导电流在特定的路径中流动的二极管。
正如文中所使用的，术语“激励器”是指将电能源转换成具有适于驱动“反应器”的电压和频率的AC电压源的电路。
正如文中所使用的，术语“反应器”是指包括谐振电路的电抗性装置和照明元件的阵列或网络。
正如文中所使用的，术语“照明元件”是指直接(例如，白炽灯、弧光灯、可见光LED)或间接(例如，荧光灯、具有磷光体的LED)发射可见光的任何部件。照明元件还包括有机LED(OLED)、量子点、微腔等离子体灯、电致发光装置、以及可以将电流转换为可见光的任何元件。
正如文中所使用的，术语“电抗性部件”是指具有很小或没有实阻抗(即电阻)但具有显著的虚阻抗(即，电感和/或电容形式的电抗)的电子部件。电抗性部件通常是旨在给电路增加电容和/或电感但不明显增加电阻的作为电容器、电感器、变压器等出售的器件。
正如文中所使用的，术语“电抗性串”是指包括多个单元的反应器，每个单元包括照明元件和电抗性部件。电抗性串可以可选地包括电流控向二极管，但是除了照明元件本身以外，电抗性串不包括其它半导体器件和功耗器件。
正如文中所使用的，术语“谐振电路”是指下述电路：该电路具有自然振荡频率，并且旨在被驱动成接近于谐振、或“欠阻尼”使用，从而使得由诸如电路中的LED电阻进行的任何能量吸收不足以抑制振荡；即，电路在不再被驱动时将继续“减幅振荡(ring)”或振荡至少一个循环。
正如文中所使用的，术语“品质因数”或“Q”用来表征谐振系统的阻尼。Q还描述了谐振的锐度。通过Q＝2π(储存的能量)/(每个周期消耗的能量)来限定Q。也可以把Q计算为Q＝ω0/Δω，其中ω0是谐振频率，以及Δω是功率谱的半宽度，也称为谐振的“带宽”。展示电压或电流放大的欠阻尼谐振电路具有Q>1。
正如文中所使用的，术语“电流利用率”(CUR)是指穿过反应器中的照明元件的rms(均方根)电流与提供给反应器的总的rms电流的比率。当旁路元件(如电容器)被放置为与照明元件并联时，CUR小于一。
正如文中所使用的，术语“启动电压(strike voltage)”和“击穿电压(breakover voltage)”(Vb)是可互换的，并且是指下述电压：在该电压以上，装置的特定的网络开始导通并且汲取不可忽略的电流。如果装置的网络由单个LED构成，则使用术语“正向电压”(Vfrwd)来代替。
正如文中所使用的，术语“阵列”是指多个连接元件的具有任意维度的布置，例如，二维阵列、一维(线性)配置以及可以被构建成具有三维或更多维的配置。
正如文中所使用的，术语“调节”是指在存在变化环境下特定电参数(诸如电压、电流或功率)的控制。这不意味着不存在参数的值的变化，而是在局部环境中任何变化是功能上无意义的。
概况
本发明的实施方式给散布有电抗性部件的以阵列配置布置的各照明元件提供经调节的功率。这些阵列被称为电抗性串。在电抗性串的拓扑中，存在提供下述三个有利特性的实施方式：(1)电流/电压调节是足够鲁棒的，以使得可以容许一定程度的元件故障而不会显著影响其余功能元件的光输出；(2)阵列本身是电力变换过程(例如AC至DC)的必要部件；以及(3)按照使得对装置可变性和制造公差容忍的方式调节至阵列中的各个元件的电流和电压。
电抗性串可以具有各种属性。在一些实施方式中，电抗性串具有恒定的亮度，从而当一些元件发生故障时，元件的均衡会增大它们的电流以提供恒定的亮度。电流在元件的均衡中仅以最低限度发生改变。这种行为是对散布的电抗性部件的适当选择的结果。如果拓扑最初被配置用于获得最大发光度，则其余元件继续以相同电流工作以获得最大残余发光度。还有另一种是针对光致发光或化学/光疗法以较低的占空比提供增大的波峰因数。可以使光输出最大并且可以使热耗散最小化。
“反应器”包括电抗性串并且还包括至少一个电感器和一个电容器以形成谐振电路，其中基本上所有功耗发生在照明元件中。另外的控制元件可以是具有最小损耗的无源电抗性部件。不需要耗能元件如电阻器来调整各照明元件电流。此外，谐振行为提供了电流的伪调节，以对光输出进行调节。
LED激励使用AC电流，以及LED群中的功率的分配使用电抗性部件。改进了整体的可靠性，使部件数量最小化，并且可以降低整个系统的成本。因为高操作频率是神经良性的，并且无源反应器部件取代了典型的装备中的有源电源的扩散，所以功率分配的自主或自调节产生较不复杂且用于在人类生活空间中使用更安全的系统。在一些实施方式中，单个激励器可以被用于驱动多个反应器。例如，在配电板中的单个激励器可以驱动照亮典型的住宅所需要的所有的反应器。
大显示器包括作为像素的LED的阵列，一般区域照明，用于光疗、光致发光或化学处理的LED阵列，所有当前的唯一的挑战是功率调节和分配。考虑到功耗，驱动每个LED元件所需要的电压非常低，通常为1V至3.5V，但是所需的电流相当大，通常为20mA至350mA或者甚至更大。有利的是，串联连接个体LED以形成需要较高的总驱动电压的串，以及将串并联连接以将净阵列电压和电流需要调整至方便产生和分配的值。
LED驱动器通常使用与每个LED串联的限流电阻器以允许在所需的电流下使用较大的电压。在本发明的实施方式中这种限流电阻器是不需要的并且被认为是不期望的，因为它们以热的形式浪费了功率。
如果N个LED并联连接并且以例如3.2V被驱动，则电流是单个LED所需电流的N倍。例如，如果100个LED并联连接，每个LED需要350mA，则所需的电流会为35A，并且消耗的功率会为3.2V×35A＝112W。很难以低电压调节这种高电流，并且会需要显著的输出滤波。例如，来自240Vrms的电源AC电压的电压降低(例如，使用开关模式电源)趋于低效率。此外，LED本身的光输出将变化，这是因为其对所施加的电压非常敏感。跨越LED的整个并联负载的从2.9V至3.2V的变化会导致光输出的大的变化，并且不适应个体LED的电压和电流要求。这种并联连接的电压操作的强制共性意味着具有较低的正向电压结的边缘器件将消耗非线性增加的电流。这会导致LED故障和缩短的使用寿命。因为大电流必须被切换或调节，所以在小于全功率下的操作(例如，用于调暗或图像形成)可能甚至更加低效。当注意到任意LED的故障可以是LED变为在高电流轨(current rail)之间的零电阻连接的“短路”或者除了一个LED电流的整体降低之外不存在其它效应的开路时，调节效率的问题变得更为明显。并联连接中的一个LED的短路可能引起整个阵列的过电流断开。
如果LED是串联连接的，则相同的100个LED所需的电压就是100×3.2V＝320V，并且电流将是350mA。总功耗还是112W。调节变得更容易并且效率可以更高。然而，个体LED的阻抗会改变，并且每个LED两端的电压降会相应地改变，产生不同的功耗。此外，最常见的故障是一个LED开路，并且这种故障中断到整个串的电力，于是串变得不工作。尽管有这种可靠性限制，具有电流控制的DC驱动的串联连接是最常用的方法，因为其比较便宜并且允许使用更小且更低成本的电源装置。
关于可靠性，应注意，如果例如个体LED被制造方规范为具有100,000hr(小时)的“至故障的平均时间”(MTBF)，则100个LED的串的MTBF会为100,000/100＝1000hr或仅约42天的连续操作。
本发明的实施方式提供了一种如图3所示的将“激励器”与谐振“反应器”集成的驱动LED阵列的新方法。激励器本身不发生谐振，而是给反应器提供低压AC激励器功率。用于驱动LED的常规的功率因数校正(PFC)输出级提供恒定(DC)电压。本发明的实施方式不需要对电压进行完全整流。
激励器功率输入可以仅是由整流电源提供的电压和电流的半正矢。谐振负载的实阻抗仅呈现电阻性阻抗相角，以使得由激励器产生的电压和电流的简单的斩波(chopped)的半正矢使电流保持为基本上与电压同相。所得到的功率因数超过0.90，而LED本身执行提供显著的效率优势的低电压高电流整流。在单个反应器或由同一激励器驱动的多个反应器中实现谐振，但是在每种情况下，谐振提供了最大功率传递，其中激励器的输出阻抗等于反应器的输入阻抗。一个或多个反应器提供了LED的伪串内调节的电抗性阵列的最小的且有效的网络。在电抗性串的LED中添加电抗性部件如电容器以对电流进行分配。激励器提供AC电流(斩波的半正矢)，其能够经由简单的两线连接来驱动阵列中的可变数目的LED。电流和电压是自调节的，只要不超过可用的谐振能量即可。一个或多个元件的故障将不会使得其它LED元件无法使用。这种通过谐振的自调节允许反应器阵列的可扩展布置，其中LED功耗可以被视为类似于谐振电路的阻尼损失。
LED阵列形成谐振电路或“反应器”的一部分。“激励器”改变输入的供电电压(例如，110V、60Hz或240V、50Hz的电源，或者12VDC的车用电池)以产生例如约50kHz至100MHz的谐振电路，其中谐振电路包括LED阵列。谐振频率的选择不是关键的，但是在每个两线网络两端必须一致，以使得反应器将进行谐振并提供照明。较高的频率通常允许使用较小的低成本的电容器用于限流和旁路功能(见下文)，但需要额外的部件和屏蔽结构以限制射频干扰。文中使用100kHz描述和示出了示例性实施方式。使用50kHz至3MHz来建立示例电路，50kHz至3MHz允许使用方便的传统陶瓷电容器和简单的电感器。
谐振可以由“品质因数”Q来表征，在每个循环消耗的能量方面表示Q。如果Q＝2π(最大储存能量)/(最大消耗能量)>1以及另外如果超过阵列的“开启”电压或“击穿”电压以允许电感部分中的能量累积开始谐振，则电路将在连续激励下保持处于谐振。
优选地，反应器的谐振频率在激励器频率的约5％内，并且反应器具有稍微滞后的相位以允许在电感元件中有最小但是足够的能量累积，以使得激励器驱动晶体管(例如，MOSFET)在例如半桥激励器拓扑中在零电压切换下进行工作。
LED近似于“恒压负载”；电流的差异仅是将LED或LED阵列中消耗的能量改变为第一近似值。在一些实施方式中，LED装配成对，其中每对在被称为偶对的连接中被布置成具有相反的极性(即，阴极到阳极)。阵列的击穿电压由下式给出：Vb＝Vd(N/2)Vfrwd，其中N是串联连接的N/2对的阵列中的LED的数量，Vd是0.75与1.5之间的常数。
谐振阵列还被辅助以通过Vfrwd值的随机分布沿一个方向开始导通。当电压从零升高时，一个LED在最低正向电压下击穿并且开始导通，然后作为阵列元件的均衡的级联作用首先导通，并且阵列的公共换向以远快于激励电流相位的转换可以负责的速率发生，直到阵列中的所有LED导通并且进行光辐射为止。因此，电抗性串具有显著的谐振倾向。
此外，将示出分配到各LED元件的电流以对于“电抗性串”的类型唯一的各种方式而被限制。施加到LED的电压可以是自动调节的以适应由于制造公差而产生的不同的LED特性，如变量Vfrwd。参照图5a所示的示例，并联电容器(旁路元件C1，C3，C5，C7)可以被放置成与每个LED对并联。这些电容器用于提供电压调节作为驱动电压的明显的电压分压。电流的调节是由适应Vfrwd的各种值的串联电容器提供的。串联电容器C2、C4、C6、C8以平均Vfrwd被偏置，从而使相位反转处供给每个LED的电流均等，其中串联电容器C2、C4、C6、C8在旁路元件C1、C3、C5、C7的最大转换速率下具有最大放电速率。因此，LED在谐振电感器的最大电流充电或放电处具有峰值(peak，pk)亮度。系统有效地自偏压。
使用如图5a所示的阵列中的旁路元件，例如，许多典型的照明设备生产装箱或选择步骤是不需要的。色度控制不是关键的。正向电压(Vfrwd)、发光强度或者色温参数等同物对于给定每个循环的其它驱动策略来说也不是等同重要的，电流对提供平均效应的所有值进行传输。本发明的实施方式的另一优点是对甚至阵列中相当比例的个体LED的短路或开路故障不敏感。电源也可以更简单，特别是在PFC功能被省去的情况下。电容器中储存的能量可以用于在谐振反应器电路中直接提供所有的所需的电流和电压调节。
图17示出了对来自偶对中的两个LED的光通量进行组合的典型效果。为了简单起见，通量被示出为矩形波形；一般来说，波形是正弦曲线或部分正弦曲线以有利于EMC规定要求。上面的两条迹线示出了LED 1和LED 2的通量。每个迹线有周期的约三分之一的工作时间，但是输出有180°的相位差。底部迹线示出了组合的通量。还以虚线示出平均值。
虽然文中描述的示例总体上使用电容器作为电抗性部件以将能量分配在光元件中，但是可以单独地或组合地使用一定数目的其它电抗性部件。例如，如图18所示，具有次级绕组围绕其被缠绕到每个LED对和串联电容器的多个铁氧体芯次级区段的单个初级绕组还允许对每个LED对进行电压和电流调节，并且在与允许在谐振电路中的谐振电感器与谐振电容器之间的必须的反相能量传递的夹持效应下工作在谐振中。
相比之下，使用用于驱动上述的LED的现有技术DC方法具有下述困难：首先，对于串联连接的LED链，链具有需要大量电流的大量的相互连接的发光元件。提供恒流调节的DC电源可以驱动大量的串联的LED。然而，串联链是易受链中的哪怕一个LED的故障损害的。并联通道元件可以用于确保保持串联链电流，但是通常与LED本身一样昂贵并且同样容易出现故障。对于DC操作，可以使用两个串联的二极管或其它SCR元件，但是由于添加这些附加的半导体部件，电路的复杂度和成本增加并且可靠性降低。此外，仍然需要明显地设计电流调节。类似地，使用并联连接的LED的DC调节电压或对于串联连接的LED的DC调节电流需要用于调节的部件的显著的复杂度，因而引起对可靠性的不利影响。对于具有DC电力的串联连接阵列和并联连接阵列二者需要外部电路以提供电流或电压限制。例如，对于串联连接，驱动电压必须从外部限制。否则，当电流不能通过串联链被驱动时，电压可能会过高。对于并联连接，必须提供电流限制以防止元件的短路。
本发明的实施方式在每个反应器中使用谐振电路，每个反应器具有仅利用无源部件实现其功能的简单设计。电抗性部件的数量与反应器阵列中的LED的数量相关，并且因此与整个LED反应器电路的总的电流或电压供电需要相关。通过谐振的自调节的使用避免了依靠前端电源电流调节，从而使有源部件的使用最小化并且增强了可靠性。输出电路可以被隔离或不隔离，并且输出电路在安装期间激活时可以安全地被人触摸。输出电路对部件故障不敏感。电流固有地受限于安全水平，并且操作频率远高于人体组织神经响应的频率。所有能被感觉到的只是光刺痛。没有心脏颤动或触电的可能性。基于本发明的区域照明系统除了具有提高的效率以外，可以远安全于以50Hz至60Hz电源电压驱动的任何形式的荧光或白炽光照明。
图3和图5a所示的示例性反应器电路实施方式示出了可以以各种专用硬件来实施的等效电路。文中所描述的实施方式的变化是本领域已知的并且也包括在本发明的范围内。如图所示可以通过在印刷电路板(PCB)或柔性印刷电路板(FPCB)上的组装而使用分立电容元件。电容不必被集总并且可以是包括在配电网络中的引线和/或导电膜的物理属性。电容还可被集成到LED器件封装中。例如，合适的模块化器件可以包括两个阳极到阴极连接的LED和两个电容器，其中每个电容器表示图3和图5a中所示的链中的反应器元件。
在一些实施方式中，激励器可以在相当大的距离例如1000m或更大的距离上给多个反应器阵列提供电力，该距离仅受限于总负载和线缆的载流容量。向使供给的能量转换到更高的电压和更低电流的谐振电路提供电力的这种低电压装置具有多种商业优势和安全优势。例如，“激励器”可以位于保险丝盒或断路器盒中的远处或其它方便的位置处。所有照明设备可以是无源反应器，无论其是白炽灯泡替代物、荧光管替代物还是LED阵列。这种系统可以替代当前用于单独的照明设备的众多电源，其中每个电源具有有限的寿命并且所有电源增加了局部环境中的射频干扰(RFI)。
本发明的优点是其固有地使由于电磁脉冲或其它电磁噪声源引起的损害最小化。串联电感器自然地限制了到LED阵列的快速电流尖峰。在包括单元类型1、单元类型2或单元类型3(图11a)的拓扑中，每个单元具有限制LED对两端的电压尖峰的并联电容。每个LED还具有对反向连接的二极管的Vfrwd会出现的反向偏压进行限制的反向连接的二极管。
还应注意，在这些电抗性串拓扑中，分布式电源受到正弦曲线电压和电流波形的影响。如果主要的高压切换(如果需要的话)在零电压处发生，则在整个网络中，LED的换向提供仅非线性的开关事件。还可以看到，反应器部件或照明设备的添加增大了由滞后相位保持的能量，并且改进了分布式两引线的正弦电压波形、有助于最小化RFI的极性不确定功率分布。
电路细节：
图3a、图3b和图3c中示出了本发明的激励器和反应器的示例性实施方式。发光元件形成谐振功率输出电路的固有部分。一般地，为了让“激励器”部分工作，必须有至少一个“反应器”，使得反应器谐振电路相对于激励器电路驱动波形是稍微相位滞后的。这确保了激励器输出开关(通常包括MOSFET或其它晶体管)在零电压切换模式下工作，这使射频发射最小化并且使热消散最小化。此外，光输出可以通过下述方式被“调暗”：以稍微较高的频率驱动反应器阵列，使得Q减小，并且电压和电流放大率减小，从而调暗光输出。
根据本发明的实施方式，存在有通过下述电抗性无源部件(电容器)互连的LED的大量配置，电抗性无源部件可以通过使用由激励器驱动的谐振反应器而被驱动。每个配置提供占空比、故障不敏感性、波形或波峰因数方面的不同优点。可以基于例如下述因素而做出特定配置的选择：激励器中公开的功率因数校正的使用、实现期望发光度所需的LED的数量和成本、以及是否使用远程磷光体。
因为当源和负载处于谐振时，AC端口与其负载精确匹配，所以通过将变压器的次级侧设计成与负载处于谐振，确保了最佳的功率传递。仅当从高电压电源如AC电源提供源能量时，需要使用变压器。当使用其中可能不需要电压下降的诸如来自光伏电源或电池的低压电源时，还可以应用使用谐振电源来驱动LED阵列(或其它元件)的原理。对于LED使用，功率转换效率进一步被优化，因为电抗性阵列中的LED可以执行通常在常规的开关模式的电源的次级侧进行的整流，从而节省了通常存在于电源中的能量耗散的源。LED中的半导体(诸如GaAs)不累积“储存电荷”并且因此是高效的开关材料。这种布置给电抗性阵列的LED提供了高效的AC供电，于是LED以50％的最大占空比进行操作。(在某些应用中通过使用替选的电抗性阵列拓扑可以有利地减小最大占空比，从而通过增大如下文所描述的阵列中的再循环电流而允许更大的故障不敏感性)。
低占空比LED驱动并不一定是个问题。典型地，LED仍然可以以相同的平均功率被驱动，因为功率通常仅由平均热耗散而不是峰值电流限制。在所使用的典型的谐振频率下，可见的闪烁(flicker)不能被看见，并且不需要驱动电流的滤波。(不需要额外的电容器或其它储存部件。)在一些实施方式中，通过使用衰减时间长于谐振驱动的周期的磷光体，还可以存在附加的光学“滤波”。当使用LED来泵浦磷光体时，正如通常为了从辐射较短且较高能量波长的单色LED光激励器来产生“白”光所做的那样，磷光体在时间上和空间上高效地平均LED的波动功率，以产生具有较大发射面积的近DC光源。
由于LED结构和引线敷料以及激励器与反应器之间的连接和布线，可以选择谐振电路电感Lr和电容Cr的值来克服其它附带的电抗。可以适合激励器与反应器之间的1Km或更大的间隔。允许系统适合部署在宽广区域上的反应器的同样的设计灵活性还可以被应用于高密度的小元件照明阵列上，其中个体元件是例如量子点或微腔等离子体器件。
添加反应器增大了来自多个反应器的累加的滞后相位能量并且驱动激励器进一步进入零电压切换，以使得波形变为正弦波的近似并且使发射最小化。图14表示了这种布置，其中图示地表示的“插入的”照明设备可以是由图11(a)所示的各种“单元”构成的图11、图12或图13所示的或其它地方引用的任何种类。图15示出了这些不同的电抗性阵列配置的更极端的版本。如果所有阵列达到击穿电压(与任一相位中的任意二极管的最低Vfrwd相关)以开始击穿级联，则可以驱动这些配置。图16示出了插入LED的“电抗性阵列”(如各种描述)对谐振的Q的影响。将能量吸收LED(其在导通中具有适当的恒定电压)插入到谐振电路中不改变谐振频率，因为电抗性阵列表示对谐振电路的标称无损电抗性元件(电容器和电感器)之间的谐振能量的电抗性转移的纯电阻。
通常，反应器阵列中的LED成对布置，以使得一个LED的阴极被连接到另一LED的阳极并且第二LED的阴极被连接到第一LED的阳极。这个对或“偶对”还被连接到串联的限流电容器以形成“单元”，并且单元还可以与下述另一个电容器并联连接，该另一个电容器为驱动LED的电流提供电流旁路。这个旁路电容器与通过分压提供对偶对两端的电压的调节的其它旁路电容器(例如，如图11中所示的C1、C3、C5、C7和C9)串联，同时各偶对的串联电容器提供偶对中的两个LED之间的电流均衡。由于工作谐振频率高，所以所需要的电容值小。LED的开路故障减少了分支中的电流流动，这减小了合并电容，从而增大了反应器的谐振频率。反应器谐振频率变得更远离激励器驱动频率，并且因此降低了谐振电流。因此电流调节的周围的LED位点可保持不变，阵列的相邻单元不受影响。类似的调节针对短路故障而发生，尽管这种故障是很不常见的。在图5、图6、图7和图8中展示了短路故障和开路故障二者。短路降低了故障的短路LED两端的电压，并且通过旁路电容器的电流降低以进行补偿。
现在转向附图，图1示出了在LED照明中使用的现有技术电源设备的示意表示。串联连接的LED 108的链被示出为由DC电流源驱动，DC电流源具有提供受控的输出照明所需的所有的感测和控制。AC电源100给整流器和功率因数校正(PFC)102馈电，整流器和功率因数校正(PFC)102的输出去到DC至DC控制器104。控制器104的输出去到另一整流和滤波级106，另一整流和滤波级106又给经电流调节的DC功率提供限压控制。反馈路径110提供电流和电压调节。在Elferich和Lurkens的美国专利第7,573,729B2号中使用同样的串联LED链，其使用两个这种串联链。如果任何一个LED元件发生开路故障，则整个链瘫痪。
图2示出了用于并联连接的LED的组208的现有技术电源设备的示意表示。AC电源200给整流器和功率因数校正(PFC)202馈电，整流器和功率因数校正(PFC)202的输出去到DC至DC控制器104。控制器204的输出去到另一整流和滤波级206，另一整流和滤波级206又给经电流调节的DC功率提供限压控制。反馈路径210提供电流和电压调节。从高电压到低电源的转换以达到用于并联操作所需的诸如1.2V的LED驱动电压是固有地效率低下的。照明输出的良好控制需要严密的电压调节和复杂的电路，该电路会是不可靠并且难以支持、制造和维护的。
图3示出了本发明的实施方式的激励器-反应器的主要元件。激励器302将输入功率如240Vac或110Vac的电源300转换成隔离变压器306的初级侧上的激励器波形。电源被整流并且在306被提供PFC以及在310被转换成高频斩波波形。如果需要调暗特征，可以通过在310针对激励器波形编程较高频率驱动来提供调暗特征。反应器304是从隔离变压器306的次级侧驱动的谐振电路。如图所示，有使用在次级上的中心抽头输出设置的两个分开的谐振电路312和314，尽管也可以使用单个输出电路。示出的每个电路驱动三个单元316。每个单元包括阳极到阴极连接的LED的偶对318以及串联限流电容器320和并联旁路电容器322。输送到个体LED的功率基本上是恒定的并且通过谐振反应器电路来自调节。
图3a示出了射频激励器驱动电路330的关键要素。功率级包括由脉冲栅极驱动波形334驱动的两个功率MOSFET 332，以及使用半桥拓扑馈入隔离变压器338的初级侧的两个电容器336。发光元件被总体上示出为在用作谐振输出级的有源功能阻尼的隔离变压器338的次级侧上的反应器340中的“电抗串”342，并且其形成反应器。整个电路可以以接近95％的效率(针对半桥转换器的功率输出/输入)进行工作。
图3b示出了激励器的更简单且等效的电路。因为反应器电路的固有的高Q，所以该电路是高效的。激励器可以直接从仅具有足够的电源EMC(电磁兼容性)滤波的不良滤波整流的电源电压(+V)运行。来自电池或光伏源的直接DC驱动也是可能的。最少部件、恒定的零电压切换以及非调节级可导致高可靠性。图3b中的示例反应器360包括在隔离变压器358的次级两端的并联连接的四个个体反应器362。激励器350和反应器360通过2线连接而连接。
图3c示出了频域中的谐振。(垂直轴“imagndcurrent”是来自频率分析器的电流幅值接地电流)。实际的寄生效应加宽了带宽并且降低了Q。这种加宽提供了容易地允许添加附加的LED而不破坏谐振的公差。对照图16，图16示出了在反应器电路中从零个(图16a)到20个(图16b)LED不改变谐振频率；谐振的振幅下降，但是电路继续谐振。
图4示出了作为用于本发明的实施方式诸如图3a的电路的激励器峰值供电电压的函数的所测量的LED电流的曲线。阵列的光通量直接随着LED电流而变化。如图所示，在所测量的电流(因而光通量)有小的变化，该变化远小于驱动电压的大的变化。例如，当激励器电压从110Vrms增加到240Vrms、约为2.2倍时，电流增加了约27％。这种对于供电电压变化的相对不敏感性可以提供欠压电阻和更高的PFC二者。
5a示出了用于生成图5b中所示的模拟波形的模型反应器电路。为了简单起见，在运行该模拟时，电路由如图5a中所示的恒定AC电流发生器500驱动。电流发生器等同于电压发生器加上电感器。整个驱动电压波形Vdrive为100kHz的近似正弦曲线。在Vdrive的正半循环期间，三个正向偏置的LED即D1、D5和D7有具有输出脉冲为相同的电流波形ID1、ID5和ID7，同时反向偏置的D2示出了如所期望的那样具有180°相移的类似的波形ID2。串联的限流电容器C2传递D1和D2对的两个LED的电流，如IPARCAP波形所示。并联旁路电容器C1具有电流波形ICERCAPl。在没有LED导通的间隔期间旁路电容器达到峰值；在这个间隔期间出现波形上的明显的“假信号(glitch)”。C1和C2的值都为0.1μF。
图6a示出了与图5a相同的具有D3的开路故障602的电路。图6b示出了与图5b相同的但是包括有二极管故障的模拟波形。通过将峰值至峰值幅度从17.1V增加至19.9V来补偿驱动电压Vdrive，但是其余器件中的电流波形保持不变。
图6c示出了类似于图5a的D3与D7串联连接以模拟D3的Vfrwd加倍的电路。图6d示出了D3、D4的电流波形以及串联电容器C4的电压波形。与D3接通的时间相比，D3接通的时间有小的偏移，但是峰值电流保持相同。该偏移在图6e中更容易看到，其中具有双倍Vfrwd的D3的电流波形与正常二极管D1的电流波形进行比较。图6e还示出了并联旁路电容器C3两端的近似正弦电压波形。正如在本示例那样，Vfrwd的甚至大的变化仅使D3的平均电流和光输出产生很小的变化。
图7a示出了与图5a相同的具有两个LED即D3和D5的开路故障702的电路。图7B示出了与图5b相同的包括有两个二极管故障的模拟波形。通过使峰值至峰值幅度从17.1V增加至22.5V来补偿驱动电压Vdrive，但是其余器件中的电流波形同样保持不变。
图8a示出了与图5a相同的具有两个故障的LED即D3和D5的电路，D3短路802，并且D5开路804。图8B示出了与图5b相同的包括有两个二极管故障的模拟波形。通过使峰值至峰值幅度从17.1V增加至19.1V来补偿驱动电压Vdrive，但是其余器件中的电流波形同样保持不变。
图9示出了根据本发明的一些实施方式的具有外部监管和数字控制的激励器电路。PFC功能可以完全地受数字控制。与图3a的半桥电路相比，这个电路是用于更高功率的全桥电路。PSU可以是“照明网络”的一部分并且可以经由USB总线与中央控制进行通信。中央控制可以提供调暗指令并且监视故障状况。
图10示出了可能用于典型的白炽灯和荧光灯照明的适于连接到经适当调节且整流的电源电压的半桥电源。在该电路中，半桥储存电容器被示出为具有开关S1和S2的电压源V1和V4。用消耗“LEDpwr”的负载电阻R1模拟LED。该电路模拟器表示可以依赖于与白炽灯和荧光灯照明一致的240Vrms或110Vrms的标准电压作为唯一的调节，并且是多绕组变压器(L3是初级，并且L1和L2是次级)的一个示例，其中单个低压绕组(L1或L2)供应单个反应器。这种电路是信息性的，因为该电路模仿对于初级侧开关中进行零电压切换提供滞后相位同时在正确的相位下注入电流以允许高的次级侧电流的初级绕组与次级绕组之间的最小耦合。图10仅示出了可能使用本发明的替选实施方式并且利用图4a中所看到的自动调节的各种配置的一个示例。
图11示出了来自包括10个或100个单元的可以为更大的LED电抗性串的5个单元或5级部分。每个单元包括两个LED加上串联和并联的电容器。并联电容器的大小被设置为提供所期望的旁路或再循环电流，以及串联电容器确定或限制偶对的对的电流和占空比并且均衡该对的每个成员导通的电流。该电流均衡由电容器偏置来实现，以便对功率循环的两个半循环放出相等的电流。旁路电容器还提供不穿过LED的电流路径，使得当LED出现开路故障时电路的剩余部分能够继续运行。
图11a示出了包括LED偶对的单元的示例性实施方式。所示的0.1μF的电容值是示例性的并且例如可以根据个体LED的电流要求和所选择的谐振频率来改变。例如，可以通过使电容值匹配特定LED以给每个LED提供所期望的操作电流来得到具有一种以上类型的LED的阵列。类型1已经用于图3、图5至图8以及图11中。如果类型1单元中的任何一个LED发生故障(开路或闭路)，则单元中的伴随LED将不起作用。类型2单元允许更多个LED在较低电压下被振荡电路驱动。类型3单元允许任意LED单独出现故障；伴随的LED不受影响。
图11b示出了包含不同的单元类型的复杂阵列的模拟电路。图11c示出了所选择的电流和电压波形。尽管是不同的单元类型，但是所有的二极管电流波形是等同的。
在图9中所示的控制器是比图3的半桥电源更复杂的全桥开关模式电源。全桥控制器可以被有利地用于较大功率照明或图像矩阵控制。微控制器902控制滞后相位、全桥控制器以及可变电压DC供电904，可变电压DC供电904可以使用例如升降压结构。电源904根据由四个FET Q1至Q4形成的全桥电路确定DC电压(+V)和因此确定可用于电抗性LED阵列的功率，四个FET Q1至Q4连接到具有中间抽头的次级绕组的变压器T1的初级绕组。全桥电路用作用于谐振并联LC电路906的激励器能量源。每个次级绕组经由互耦电感器L1或L2连接到具有特有的总电容的电抗性LED链908。LED电抗性阵列908的电容连同包括变压器T1的自感、T1的初级电感、全桥MOSFET和电感器L1和L2的整个集总电感一起，所有这些构成具有特定品质因数Q的谐振电路，品质因数Q是通过在被驱动电抗性阵列中激励的LED元件的固有功率消耗而衰减的。在这种谐振中，MOSFET Q1至Q4仅当其两端的电压为零时被接通(零电压切换)，从而减少开关功率损失和辐射或导通的EMI。
本示例性实施方式中约为100kHz的激励器的振荡频率是由微控制器驱动902的频率来确定的。谐振电路的自然的谐振频率被设计成接近但不等于该设定频率，以使得改变后的反应器阻抗反映通过耦合的电感器的更大或更少的电流。耦合的电感器表示复杂的阻抗，以使得例如由负载汲取的较大的电流导致较小的输出电压，并且较小的电流导致较大的输出电压。
激励器输出电压是根据阵列中的LED的数目和阵列类型来选择的。输出功率的控制是通过来自可变的输出电压AC到DC转换器904的输出电压来设定的，该转换器被设置为提供与反应器谐振电路的电容和电感以及所期望的输出功率水平相称的电压。
电路具有主要被电感器和变压器中的磁化功率损失和开关元件中的导通损失所限制的效率。在滞后相位桥电路中，这些几乎构成了全部损失，因为电路在零电压切换下进行工作，并且可以实现高达95％的总功率转换效率。然而，存在以下结果：不用于LED光刺激的目的的如波形6b、7b和8b中所示的网络中的电抗性或循环功率。在图12所示的示例性实施方式(并联连接的单元)中，循环电流等于流过LED的电流，实现最佳的电流至发光度转换。所期望达到的程度取决于系统布线的电流承载能力。
用于发光元件如LED的传统的DC驱动器必须将110Vac至240Vac的电源电压转换成如2Vdc至4Vdc的低电压。电压的这种减小在本质上效率较低。相比之下，本发明的实施方式在次级处不需要整流或调节而是依靠反应器谐振电路中的天然能量限制和由反应器中的电容器元件所提供的个体LED中的电流控制。LED提供通常由常规电源的次级所提供的整流。反应器谐振电路的欠阻尼振荡具有固有的调节特性。在能源与负载之间进行直接的能量传递。当负载实际上是恒定(如关于LED阵列)的时，如图5b中可以看出的调节曲线是完全可以胜任的。
假设对于LED中的一个LED，C2携带Ifrwd，则用于图5a或图11的类型1(见图12)的单个单元具有(C1+C2)的电容。如果N个这样的单元串联布置，则总电容Ctotal＝(C1+C2)/N。针对特定的阵列尺寸或者串长度来选择电感和电容。选择由激励器部分“看到”的总电容连同串联电感以提供期望频率下的谐振。例如，图11示出了5个单元，但是图11A中有如类型2的延长的分支。如果电容值全部被设定为0.1μF，则总电容Ctotal由下式给出：(C1+C2)/5＝40nF。需要由串表示的有效电容以在比现存的有效谐振极低得多的频率下建立极，给电抗性阵列部署串联Cr可以有效地确定用于确定任意频率工作点的谐振电容。谐振电容和有效净分布电容的这种差异至少约为5倍。
实际的电路示出了振荡超过如上所述的模拟中发现的振荡的倾向。用LCR仪表使用约100mV的低电压进行阵列电容的测量(measured)，其中LED元件短路且不导通。在这种非导通的情况下，预期电容是高度非线性的。在实际中，为了计算串联电感器的目的，使用C＝1.5×Cmeasured，串联谐振的常规方程ω0＝(LC)-1/2是大致有效的。串联的电感器通常可以是取决于阵列的尺寸和所需功率的小的铁氧体。
通过图10中的分别可以根据相对彼此呈现的或者相对初级L3(激励器绕组)呈现的匝数比的平方放大或减小电抗性部件的绕组L1、L2和L3的选择，可以进一步增大激励器功能的灵活性和反应器的电容。也可以使用次级绕组的电感来控制输送到分离的反应器阵列的相对电流(功率)。上述的实施方式通常使用电容器来设定相对电流，在某种程度上是因为所需的电容器是低成本并且容易部署的。然而，在一些实施方式中，低成本的铁氧体电感器组可以包含在次级绕组中以便提供类似的功能，同时相同的初级绕组可以是对所有电感器所共同的，如图18所示。
当在反应器激活的情况下改变反应器部件或修复反应器中的元件中的故障时，由本发明的实施方式提供的自然功率调节允许快速和自动的响应。在这种动态的反应器结构中，高频操作可能需要非常小的电抗性元件。此外，当对反应器中的元件进行切换时，不需要断开激励器功率。限制阻尼电阻可以以与谐振电路并联的方式被添加，否则谐振电路理论上在瞬时零负载的情况下接近无穷大(由于天然电路元件寄生损失，实际上不会出现无穷大阻抗)。在元件被接通或断开时的不同阻抗的任何负载以与图7和图8所示的元件故障示例相同的方式引起即时适应。通过提供能量的处于谐振中的电路的固有滤波的选择特性，任何短暂的过渡干扰是临界阻尼的。
高效率、最小部件数、很少的有源部件、没有线性有源部件、高隔离以及使用者安全的组合为封装提供了独特的机会。例如，激励器可以被构建成适于小阵列的小的无风扇封装，其可以被置于地板底层、天花板或墙壁位置，而无需考虑热生成、高电压暴露或者防火。
如图9所示，通信途径可以存在于激励器与信息网络或单独的计算机之间。可以使用这种通信以允许由小众群体针对控制和维护功能二者高效地管理大的照明网络。
LED的AC驱动的特征在于个体元件是通过具有小于50％的占空比以及高“波峰因数”波形的脉冲波形高效地驱动的。参照图17，偶对具有交替照明的LED(为了方便起见，示出为由方波驱动)。LED发光功率通常受来自器件的热消耗限制，因此以50％的占空比驱动的器件可以通过在第一近似的情况下相同的平均光输出和相同的平均热耗散的两倍被过驱动(overdrive)。进行试验以将DC恒定电流驱动与下述电流下的AC驱动进行比较：该电流是与蓝色XPE LED(Cree有限公司)驱动磷光体(Intematix公司)以产生白光所等同的rms电流(相同的平均电功率输入)。使用测量lux(勒克司)或lm/m2(lm是流明的缩写，流明是对发射光的感知功率的测量，考虑到人眼的正常响应)的仪表测量光输出。在3m处对于18W的输入功率，使用AC驱动测得的输出为70lux。与DC驱动相比，当通过AC驱动时，测得的输出大约高10％。通过使用在使用本发明的实施方式的电路中固有的较短的占空比、较高的功率驱动而提高了电功率到有用的照明功率的净转换。
在电流利用率(CUR)方面表征反应器是有用的，电流利用率是通过反应器的照明元件的rms电流与流过反应器的总电流的比率。通常地，CUR在约0.3与约0.95之间。不流经照明元件的电流流过电抗性旁路元件(通常是图中所示的示例电路中的电容器)。可以根据特定的应用改变CUR。通常地，CUR确定包括流过照明元件的电流和照明元件两端的电压的各种重要的参数。对于LED而言，CUR确定正向偏压和反向偏压二者。CUR还确定故障敏感度的水平以及/或者添加和去除照明元件(通常作为包括相关联的电抗性元件的单元)的能力。较低的CUR通常提供更多的容错性以及去除或增加更多照明元件的能力。然而，较低的CUR意味着相比于较高的CUR必须提供更高的总电流。因此较低的CUR可导致一定的总效率损失，达到实电抗性元件具有损失的程度。
前文描述了本发明的仅一种实施方式，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行对于工程技术领域的技术人员而言显而易见的各种修改。例如，电源可以是全数字的，从而允许仅一个低复杂度和低成本的电子部件来提供激励器波形和功率、以及与要检测并传送到远程系统控制器或监视器的加热和退化信息相关的整个网络控制交互和维护管理。

Claims (22)

1.一种照明系统，包括：
包括电波形发生器的激励器；以及
包括谐振电路的反应器；
其中，所述谐振电路包括多个电抗性部件和多个照明元件；
其中，所述激励器能够进行操作以驱动所述谐振电路；
其中，所述电波形发生器能够进行操作以生成频率在约50kHz与约100MHz之间的交流波形；
其中，所述多个电抗性部件的第一子组确定所述多个照明元件中的第一照明元件中的功率，以及所述多个电抗性部件的第二子组确定所述多个照明元件中的第二照明元件中的功率；以及
其中，所述谐振电路在被所述激励器驱动时是欠阻尼的。
2.根据权利要求1所述的照明系统，
其中，所述反应器处于谐振中；
其中，所述多个电抗性部件包括多个旁路部件，所述多个旁路部件确定所述反应器的电流利用率CUR，以及
其中，所述CUR在约30％与约95％之间；
其中，所述电流利用率是流经所述照明元件的电流与由所述激励器供应给所述反应器的电流的比率。
3.根据权利要求2所述的照明系统，其中，所述电抗性部件在个体照明元件或照明元件对之间分配电流和电压，以使得每个照明元件或照明元件对具有作为所述CUR的单调函数的单独调节的电流。
4.根据权利要求2所述的照明系统，其中，所述电抗性部件在个体照明元件或照明元件对之间分配电流和电压，以使得每个照明元件或照明元件对具有作为所述CUR的单调函数的单独调节的电压。
5.根据权利要求2所述的照明系统，其中，所述照明元件包括发光二极管LED。
6.根据权利要求5所述的照明系统，其中，所述反应器不包含除了所述LED或控向二极管之外的有源半导体元件。
7.根据权利要求5所述的照明系统，其中，所述LED与另一LED或控向二极管连接成对，其中，每对的每个成员的阴极连接至该对的另一成员的阳极。
8.根据权利要求7所述的照明系统，其中，所述电抗性部件在个体照明元件或照明元件对之间分配电流和电压，以使得每个照明元件或照明元件对具有单独调节的正向偏压和反向偏压，所述单独调节的正向偏压和反向偏压是所述CUR的单调函数。
9.根据权利要求7所述的照明系统，其中，所述电抗性部件在个体照明元件之间分配电流，以使得当一对中的一个LED发生故障时，提供给所有其它对中的LED的功率仍然可用。
10.根据权利要求2所述的照明系统，其中，所述电抗性部件在个体照明元件之间分配电流，以使得能够添加和去除非零数目的照明元件而不影响所述反应器中的其它照明元件的可用性。
11.根据权利要求10所述的照明系统，其中，能够被添加和去除的所述照明元件的非零数目是所述CUR的单调函数。
12.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述谐振电路的谐振频率显著低于所述电波形发生器的开关部件能够以零电压切换进行工作的所述交流波形的频率。
13.根据权利要求12所述的照明系统，其中，能够通过增大所述电波形发生器的频率以使得所述谐振电路的谐振的Q降低而调暗所述照明元件的光输出。
14.根据权利要求1所述的照明系统，还包括多个反应器；
其中，所述多个反应器中的每个反应器包括谐振电路，所述谐振电路包括多个电抗性元件和多个照明元件，以及
其中，所述激励器能够进行操作以驱动所述多个反应器中的所有的反应器。
15.根据权利要求14所述的照明系统，其中，所述多个反应器中的每个反应器中的照明元件的光输出能够作为独立于所述多个反应器中的其它反应器中的所述照明元件的组而被调暗。
16.根据权利要求14所述的照明系统，其中，所述多个反应器中的一个反应器包括与所述多个反应器中的另一反应器中的照明元件类型不同的照明元件。
17.根据权利要求14所述的照明系统，其中，所述多个反应器中的一个反应器包括与所述多个反应器中的另一反应器中的照明元件数目不同的照明元件。
18.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述多个照明元件包括成像显示装置的元件。
19.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述反应器与所述激励器分隔开约2m与约1000m之间的距离，并且所述反应器通过双线连接被连接至所述激励器。
20.一种驱动多个照明元件的方法，包括：
将多个照明元件连接在包括多个电抗性部件的电抗性串中；以及
使用频率在约50kHz与约100MHz之间的交流波形驱动所述电抗性串；
其中，所述交流波形是由电波形发生器生成的；
其中，所述多个电抗性部件能够进行操作以在个体照明元件之间分配电流，使得每个照明元件具有单独调节的功率；以及
其中，所述电抗性串形成具有质量因数为Q的谐振的欠阻尼谐振电路的一部分。
21.根据权利要求20所述的方法，
其中，所述电抗性串的谐振频率显著低于所述交流波形的频率，所述谐振电路具有相对于所述交流波形的滞后相位，以及所述电波形发生器的开关部件能够以零电压切换进行工作；以及
其中，所述方法还包括通过增大所述滞后相位的相位滞后以使得所述谐振电路的谐振的Q降低或升高来调暗所述照明元件的光输出。
22.一种照明部件，其能够进行操作以用作根据权利要求1所述的反应器，所述照明部件包括多个单元，每个单元包括至少一个照明元件、串联的电抗性元件以及并联的电抗性元件。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105704854A (zh) * 2014-12-12 2016-06-22 首尔半导体株式会社 闪烁性能得到改善的led驱动电路及包括此的led照明装置
CN105792408A (zh) * 2015-01-09 2016-07-20 松下知识产权经营株式会社 照明系统以及照明器具
CN116567883A (zh) * 2023-07-10 2023-08-08 江苏帝奥微电子股份有限公司 一种led控制系统及其方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2987929B1 (fr) * 2012-03-09 2014-04-11 Digital Art Internat Dispositif pour la diffusion en surface d'images lumineuses a l'echelle du corps humain
FR2997018A1 (fr) * 2012-10-23 2014-04-25 Oreal Dispositif et procede de traitement cosmetique par la lumiere
US11388799B2 (en) * 2012-11-08 2022-07-12 Applied Biophotonics Ltd. Distributed photobiomodulation therapy system and method
US10328276B2 (en) 2014-02-14 2019-06-25 Applied Biophotonics Ltd. Sinusoidal drive system and method for phototherapy
WO2016079683A1 (en) * 2014-11-17 2016-05-26 Intervention Technology Pty Ltd Free space optical communications system
DE102016109240A1 (de) * 2016-05-19 2017-11-23 Huf Hülsbeck & Fürst Gmbh & Co. Kg Beleuchtungsmodul mit Fehlerdiagnose und zugehöriges Verfahren
CN109788599A (zh) * 2017-11-14 2019-05-21 通用电气照明解决方案有限公司 Led灯的保护电路

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1585250A (zh) * 2003-08-21 2005-02-23 哈利盛东芝照明株式会社 放电灯点亮装置
US20090167202A1 (en) * 2004-02-25 2009-07-02 Lynk Labs, Inc. AC Light Emitting Diode And AC Led Drive Methods And Apparatus
CN201294672Y (zh) * 2008-08-06 2009-08-19 陈炳桂 电子共振荧光灯镇流器
WO2011152795A1 (en) * 2010-06-04 2011-12-08 Opulent Electronics International Pte Ltd Device and method for driving leds

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6853150B2 (en) * 2001-12-28 2005-02-08 Koninklijke Philips Electronics N.V. Light emitting diode driver
CN1879453B (zh) * 2003-11-13 2010-06-23 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有亮度和颜色控制的谐振电源led控制电路
US7723926B2 (en) * 2006-05-15 2010-05-25 Supertex, Inc. Shunting type PWM dimming circuit for individually controlling brightness of series connected LEDS operated at constant current and method therefor
WO2009013676A2 (en) * 2007-07-23 2009-01-29 Nxp B.V. Led arrangement with bypass driving
US8188679B2 (en) * 2007-07-23 2012-05-29 Nxp B.V. Self-powered LED bypass-switch configuration
JP5229034B2 (ja) * 2008-03-28 2013-07-03 サンケン電気株式会社 発光装置
US8242704B2 (en) * 2008-09-09 2012-08-14 Point Somee Limited Liability Company Apparatus, method and system for providing power to solid state lighting
US7986107B2 (en) * 2008-11-06 2011-07-26 Lumenetix, Inc. Electrical circuit for driving LEDs in dissimilar color string lengths
KR101008458B1 (ko) * 2009-03-23 2011-01-14 삼성전기주식회사 Ｌｅｄ 구동 회로
JP5515931B2 (ja) * 2009-04-24 2014-06-11 東芝ライテック株式会社 発光装置及び照明装置
US8324840B2 (en) * 2009-06-04 2012-12-04 Point Somee Limited Liability Company Apparatus, method and system for providing AC line power to lighting devices
KR101683765B1 (ko) * 2009-10-30 2016-12-21 삼성디스플레이 주식회사 광원 구동 방법 및 이를 수행하기 위한 표시 장치
US8274231B2 (en) * 2010-02-16 2012-09-25 Tai-Her Yang Current regulator drive circuit shunting current by voltage-dividing load
CN101835314B (zh) * 2010-05-19 2013-12-04 成都芯源系统有限公司 一种具有调光功能的led驱动电路及灯具

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1585250A (zh) * 2003-08-21 2005-02-23 哈利盛东芝照明株式会社 放电灯点亮装置
US20090167202A1 (en) * 2004-02-25 2009-07-02 Lynk Labs, Inc. AC Light Emitting Diode And AC Led Drive Methods And Apparatus
CN201294672Y (zh) * 2008-08-06 2009-08-19 陈炳桂 电子共振荧光灯镇流器
WO2011152795A1 (en) * 2010-06-04 2011-12-08 Opulent Electronics International Pte Ltd Device and method for driving leds

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105704854A (zh) * 2014-12-12 2016-06-22 首尔半导体株式会社 闪烁性能得到改善的led驱动电路及包括此的led照明装置
CN105792408A (zh) * 2015-01-09 2016-07-20 松下知识产权经营株式会社 照明系统以及照明器具
CN105792408B (zh) * 2015-01-09 2019-02-15 松下知识产权经营株式会社 照明系统以及照明器具
CN116567883A (zh) * 2023-07-10 2023-08-08 江苏帝奥微电子股份有限公司 一种led控制系统及其方法
CN116567883B (zh) * 2023-07-10 2023-09-15 江苏帝奥微电子股份有限公司 一种led控制系统及其方法

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