CN105472832A - Led灯具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED灯具。根据本发明的一个方面，提供了一种LED灯具，包括：LED单元，用于发光；驱动单元，用于驱动所述LED单元工作，以使所述LED单元在适当的工作点发光；以及谐振单元，用于接收输入并向所述驱动单元提供交流电功率，并且保护所述驱动单元和所述LED单元不被所述输入损坏。

Description

LED灯具

技术领域

本发明一般涉及照明领域，具体地涉及LED灯具。

背景技术

在日常生活中，荧光灯是非常常见的光源，其已被人们广泛使用，大多数照明设备都采用了荧光灯作为光源。

然而，近年来，LED(light-emittingdiode)发光技术的进展很快，由于LED灯的效率较高，并且寿命较长，所以出现了用LED灯逐渐取代荧光灯的趋势。对于发出同样亮度的光，LED灯比荧光灯所消耗的能量更少，也就是说，LED灯比荧光灯的发光效率更高。而且，随着LED发光技术的深入研究，其寿命也已达到可接受的程度，甚至能够超过一般荧光灯的寿命。另外，LED灯的制造成本也在逐渐降低。因此，为了节约能源，将有越来越多的荧光灯被LED灯所替代。

由于荧光灯自身的电学和光学特性，在利用荧光灯发光的大多数原有电路中，采用了电子镇流器(electronicballast，简称ECG)，作为连接在交流电源与荧光灯之间的部件。例如，在采用自谐振电子镇流器的情况下，在启动时，自谐振电子镇流器能够产生瞬时较高的电压(例如，1000V或更高)，以使荧光灯电离击穿而发光。在荧光灯电离击穿后，其工作电压降到并稳定在适当的电压值，以维持其发光。

然而，对于LED灯而言，由于其发光机理与荧光灯不同，因此其在启动时不需要瞬时的高电压，相反，瞬时的高电压(例如，1000V或更高)反而会损坏LED灯。当前，在一些LED灯具中，已集成了用于AC/DC转换和输出功率调节的驱动器，这种瞬时的高电压也会造成驱动器的损坏。

为了使LED灯具在现有的照明电路中既能够正常工作，又不会被瞬时的高电压损坏，在用LED灯具替代照明电路中现有的荧光灯的过程中，不得不对现有的线路进行改造，例如，拆除电子镇流器，或者为电子镇流器设置旁路，以使电子镇流器失效。但这些方法均为操作带来了不便，也增加了照明电路升级改造的时间和人力成本。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种便于替代传统照明电路中现有的荧光灯的LED灯具。

根据本发明的一个方面，提供了一种LED灯具，包括：LED单元，用于发光；驱动单元，用于驱动所述LED单元工作，以使所述LED单元在适当的工作点发光；以及谐振单元，用于接收输入并向所述驱动单元提供交流电功率，并且保护所述驱动单元和所述LED单元不被所述输入损坏。

根据本发明所提供的技术方案，谐振单元的存在能够在保证LED单元正常发光的情况下，保护驱动单元和LED单元不被来自于LED灯具外部的输入损坏。

附图说明

参照附图来阅读本发明的各实施方式，将更容易理解本发明的其它特征和优点，在此描述的附图只是为了对本发明的实施方式进行示意性说明的目的，而非全部可能的实施，并且不旨在限制本发明的范围。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施方式的LED灯具的示意图；

图2示出了图1所示的LED灯具与原有荧光灯发光电路中的电子镇流器连接的示意图；

图3示出了在LED灯具中具有谐振单元和不具有谐振单元时，在采用相同的自谐振电子镇流器的情况下，LED灯具的输入功率的比较结果；

图4示出了根据本发明另一个实施方式的LED灯具在连接至原有荧光灯发光电路中的电子镇流器时的示意图；

图5示意性地示出了根据本发明一个实施方式的谐振单元中的电感器和电容器串联形成的电路中电流和频率的关系；

图6示出了根据本发明另一个实施例的LED灯具在连接至交流电压源时的示意图；以及

图7示出了根据本发明另一个实施方式的LED灯具的示意图。

具体实施方式

现参照附图对本发明的实施方式进行详细描述。应注意，以下描述仅仅是示例性的，而并不旨在限制本发明。此外，在以下描述中，将采用相同的附图标号表示不同附图中的相同或相似的部件。

图1示出了根据本发明一个实施方式的LED灯具的示意图。如图1所示，LED灯具100可包括LED单元110、驱动单元120以及谐振单元130。LED单元110可包括一个或多个LED作为发光元件，以用于在通电时发光。驱动单元120与LED单元110相连接，并用于驱动LED单元110工作，以使所述LED单元在适当的工作点发光。驱动单元120能够将其从谐振单元130接收到的交流电转换为直流电，从而提供给LED单元110，以进行发光。根据本发明的一个实施例，对于不同的LED单元，其适合的工作点(即，其额定功率)可能不同，驱动单元120能够根据LED单元110的工作情况来调节提供至LED单元110的直流电功率，以使LED单元110在适当的工作点工作。谐振单元130可接收来自于LED灯具100外部的输入，并在接收到输入时向驱动单元120提供交流电功率。根据本发明，谐振单元130的存在能够在保证LED单元110正常发光的情况下，保护驱动单元120和LED单元110不被来自于LED灯具100外部的输入损坏。

图2示出了图1所示的LED灯具与原有荧光灯发光电路中的电子镇流器连接的示意图。在用根据本发明的LED灯具替代照明电路中原有的荧光灯，以对照明电路进行升级改造时，可直接将原有的荧光灯替换为根据本发明的LED灯具。如图2所示，在原有的照明电路中，已包含了电子镇流器200，电子镇流器200由交流电源供电，其中L代表火线，N代表零线，PE代表地线。根据本发明的一个实施方式，LED灯具100的谐振单元130与电子镇流器200相连接，以接收电子镇流器200的输出。电子镇流器200的输出经谐振单元130提供至驱动单元120，由此，谐振单元130保护驱动单元120和LED单元110中的各元件不被电子镇流器200的输出损坏。

尤其是，根据本发明的一个实施方式，LED灯具100用于替代原有照明电路中的荧光灯。电子镇流器200在原有荧光灯发光电路中的一个作用是在启动时产生瞬时较高的电压(例如，1000V或更高)，以使荧光灯电离击穿而发光，而根据本发明的LED单元110并不需要这样的高启动电压而发光，且较高的瞬时电压会导致驱动单元120和/或LED单元110受到损坏，因此谐振单元130的存在能够保护驱动单元120和LED单元110中的各元件不被电子镇流器200所产生的瞬时高压损坏，从而使LED灯具100适于利用现有的电子镇流器200的输出发光。

由此，在用LED灯具替代照明电路中现有的荧光灯的过程中，可直接将原有的荧光灯替换为根据本发明的LED灯具，而无需对现有的线路进行改造，即，无需拆除原有的电子镇流器，也无需为原有的电子镇流器设置旁路，以使电子镇流器失效。从而简化了操作，降低了照明电路升级改造的时间和人力成本。

图3示出了在LED灯具中具有谐振单元和不具有谐振单元时，在采用相同的自谐振电子镇流器的情况下，LED灯具的输入功率的比较结果。在图3中，坐标横轴为LED单元110的等效电路的阻抗，坐标纵轴为输入至LED灯具的交流电功率(即电子镇流器的输出功率)。从图3可以看出，在LED灯具中增加了谐振单元后，可明显降低输入至LED灯具的交流电功率，尤其是当输入至LED灯具的电功率越大时，谐振单元所产生的效果越明显。因此，谐振单元可以起到防止电子镇流器在启动时产生的瞬时高电压损坏驱动单元120和LED单元110中各元件的作用。

图4示出了根据本发明另一个实施方式的LED灯具在连接至原有荧光灯发光电路中的电子镇流器时的示意图。在以下描述中，为了简要起见，将主要针对本实施方式与图2所示实施方式的不同之处进行描述，而省略对与图2所示实施方式相同的部件与操作的描述。

如图4所示，LED灯具100的谐振单元130可包括电感器131和电容器132，电感器131和电容器132彼此串联连接。根据图4所示的连接关系，当谐振单元130接收到电子镇流器200的交流输出时，将在电感器131和电容器132所构成的串联LC电路中形成振荡。

谐振单元130的电感器131和电容器132所形成的这种振荡能够在电子镇流器200在其启动期间产生瞬时的高电压时，降低提供至其后端的驱动单元120和LED单元110的电压，以保护驱动单元120和LED单元110中的各元件不被电子镇流器200的输出损坏，从而使得LED灯具100能够利用电子镇流器200的输出发光。

另一方面，由于在正常工作时，电子镇流器200的输出功率大于LED单元110发光所需的功率，而电感器131和电容器132所构成的串联LC电路能够将LED单元110所不需要的这部分功率以无功功率的方式流回电子镇流器200，以使这部分能量被电子镇流器200回收，从而提高了效率，节约了能源。

表1是采用不同的自谐振电子镇流器1-4的情况下，根据本发明的LED灯具与电子镇流器构成的电路的总体效率的测量结果。在表1中，V_in、I_in、P_in分别表示电子镇流器输入端的电压、电流和功率，PF表示该电路的总体功率因数，V_LED、I_LED、P_LED分别表示LED单元两端的电压、电流和功率。从表1中可以看出，对于各电子镇流器，该电路的总体效率在不同输入电压条件下均高于75％。

表1

根据本发明的一个方面，谐振单元130的电感器131和电容器132的取值大小将使得当电子镇流器200的输出提供至谐振单元130时，谐振单元130作为整体表现为感性阻抗。根据现有的电子镇流器的电特性，其只能为呈现为纯阻性电抗和感性电抗的负载供电。如果电子镇流器200的负载呈现容性电抗，则电子镇流器200将停止工作。因此，在用LED灯具替代照明电路中现有的荧光灯以对现有照明电路进行升级改造时，为了简化操作并降低成本，使现有电路设备中的电子镇流器能够正常供电，谐振单元130作为整体将表现为感性阻抗。

图5示意性地示出了谐振单元中的电感器和电容器串联形成的电路中电流和频率的关系。在图5中，坐标横轴和坐标纵轴分别为电感器和电容器串联形成的电路中电流的频率和电流值。如图5所示，电流I的峰值I_max出现在谐振点，即此时所对应的频率为该LC电路的谐振频率f_r。当对该LC电路施加的交变电压(或流过该LC电路的交变电流)的频率f大于该LC电路的谐振频率f_r时，则该LC电路表现为感性阻抗。反之，当对该LC电路施加的交变电压(或流过该LC电路的交变电流)的频率f小于该LC电路的谐振频率f_r时，则该LC电路表现为容性阻抗。

谐振单元中的电感器和电容器串联形成的电路的感抗X_L和容抗X_C如下式(1)和(2)：

X_L＝2πfL(1)

$X_C=\frac{1}{2\mathrm{\πfC}}---\left(2\right)$

其中，L为电感器131的电感值，C为电容器132的电容值。

当X_L＝X_C时，即可计算出该LC电路的谐振频率f_r，如下式(3)：

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(3\right)$

参照图5，可以理解，对于交变电压(或交变电流)给定的频率f，该LC电路的谐振频率f_r越小，则该LC电路越易于表现为感性阻抗。换句话说，为了使谐振单元130在接收到电子镇流器200的输出时作为整体表现为感性阻抗，谐振单元130的电感器131的电感值L和电容器132的电容值C的大小应使得该LC电路的谐振频率f_r小于电子镇流器200的输出电压的频率f_ECG，即，L和C应满足下式(4)：

$\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}<f_{\mathrm{ECG}}---\left(4\right)$

优选地，L和C满足下式(5)：

$\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}<\frac{f_{\mathrm{ECG}}}{2}---\left(5\right)$

根据以上公式可知，L和C的取值越大，则越易于使谐振单元130在接收电子镇流器200的交流输出时作为整体表现为感性阻抗。但由于L和C的取值越大，则电感器131和电容器132的物理尺寸越大，而在用LED灯具替代照明电路中现有的荧光灯以对现有照明电路进行升级改造时，LED灯具还需满足与现有荧光灯尺寸相同或相近的要求，才能易于操作，本领域技术人员可根据实际需求对L和C进行选择，以在符合LED灯具尺寸要求的基础上，满足上述公式(4)或(5)。

根据本发明的一个方面，现有照明电路中的电子镇流器的输出电压的频率约为25-70kHz。因此，谐振单元130的电感器131的电感值L和电容器132的电容值C使得该LC电路的谐振频率f_r小于25kHz；优选地，小于20kHz；更优选地，小于12.5kHz。

图6示出了根据本发明另一个实施例的LED灯具在连接至交流电压源时的示意图。如图6所示，在没有电子镇流器的情况下，LED灯具100的谐振单元130可直接与交流电压源相连接，其中L表示火线，N表示零线。根据该实施例，谐振单元130的电感器131和电容器132的取值大小使得当谐振单元130连接至交流电压源时，谐振单元130作为整体表现为容性阻抗。

由于为了适用于上述电子镇流器200的输出，根据本发明的LED灯具100均具有谐振单元130。将该谐振单元130设置为在直接连接至交流电压源时，作为整体表现为容性阻抗，则该谐振单元130在直接连接交流电压源后，不会对交流电压源所提供的电功率产生实质性的影响，从而使该交流电压源的输出可在几乎未经任何转换的情况下作用于谐振单元130后端的驱动单元120和LED单元110，以用于发光。

由此，使得根据本发明包括谐振单元130的LED灯具100也可以在原有电路不具有电子镇流器的情况下，直接接入诸如日常民用或工业用电(电压为220V或380V)的交流电压源，以进行照明。

参照图5，可以理解，对于给定的交流电压源，其频率f也是固定的，则电感器131和电容器132的串联电路的谐振频率f_r越大，则该LC电路越易于表现为容性阻抗。换句话说，为了使谐振单元130在直接连接至交流电压源时作为整体表现为容性阻抗，谐振单元130的电感器131的电感值L和电容器132的电容值C的大小应使得该LC电路的谐振频率f_r大于交流电压源的输出电压的频率f_AC，即，L和C应满足下式(6)：

$\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}>f_{\mathrm{AC}}---\left(6\right)$

优选地，L和C满足下式(7)：

$\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}>{2f}_{\mathrm{AC}}---\left(7\right)$

根据本发明的一个方面，诸如日常民用或工业用电的交流电压源的输出电压的频率约为50-60Hz。因此，谐振单元130的电感器131的电感值L和电容器132的电容值C使得该LC电路的谐振频率f_r大于60Hz；优选地，大于100Hz；更优选地，大于120Hz。

结合以上公式(4)-(7)，根据本发明一种实施方式的LED灯具既能够在连接至原有照明电路中的电子镇流器时发光，又能够在没有电子镇流器的情况下直接与交流电压源相连接时发光，为此，该LED灯具的谐振单元130的电感器131的电感值L和电容器132的电容值C应满足如下公式(8)：

$f_{\mathrm{AC}}<\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}<f_{\mathrm{ECG}}---\left(8\right)$

优选地，L和C满足下式(9)：

$2f_{\mathrm{AC}}<\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}<\frac{f_{\mathrm{ECG}}}{2}---\left(9\right)$

因此，根据该实施方式的LED灯具不仅可在替代照明电路中现有的荧光灯时，适于利用现有的电子镇流器的输出发光，还可以在原有电路不具有电子镇流器的情况下，直接接入交流电压源，以进行发光，即，与电子镇流器和交流电压源二者都兼容。

图7示出了根据本发明另一个实施方式的LED灯具的示意图。如图7所示，LED灯具100的驱动单元120包括桥式整流器121和开关电源(SwitchModePowerSupply，简称SMPS)122。桥式整流器121连接至谐振单元130，并将来自于谐振单元130的交流电转换为直流电，该直流电经由开关电源122提供给LED单元110。开关电源122连接在桥式整流器121与LED单元110之间，用于将由桥式整流器121转换的直流电提供给LED单元110，并调节提供至LED单元110的直流电功率。

本领域技术人员可以理解，对于LED灯具的输入功率与开关电源的负载阻抗(即，LED单元的等效阻抗)呈正向变化关系的情况(即，负载阻抗增大时，LED灯具的输入功率也随之增大)，该开关电源需具有正反馈控制环。反之，对于LED灯具的输入功率与其负载阻抗呈反向变化关系(即，负载阻抗增大时，LED灯具的输入功率会随之减小)的情况，该开关电源需具有负反馈控制环。

再次参照图3，当根据本发明具有谐振单元的LED灯具连接至自谐振电子镇流器时，LED灯具的输入功率(即，自谐振电子镇流器的输出功率)将随着LED单元的等效阻抗的增大而减小。根据本发明的一个实施例，图7所示的LED灯具100所包含的开关电源122具有负反馈控制环。因此，该开关电源122适于LED灯具的输入功率与负载阻抗呈反向变化关系的情况。也就是说，当开关电源122具有负反馈控制环时，LED灯具100由于包含了谐振单元130而能够利用现有照明电路中的自谐振电子镇流器的输出发光。本领域技术人员可以理解，对于包含具有负反馈控制环的开关电源122的LED灯具100，其也适于直接利用交流电压源的输出发光。因此，根据本实施例的LED灯具不仅可在替代照明电路中现有的荧光灯时，适于利用现有的自谐振电子镇流器的输出发光，还可以在原有电路不具有电子镇流器的情况下，直接接入交流电压源，以进行发光，即，与自谐振的电子镇流器和交流电压源二者都兼容。

然而，非自谐振电子镇流器与自谐振电子镇流器的输出特性不同。当根据本发明具有谐振单元的LED灯具连接至非自谐振电子镇流器时，LED灯具的输入功率(即，非自谐振电子镇流器的输出功率)将随着LED单元的等效阻抗的增大而增大。根据本发明的另一个实施例，图7所示的LED灯具100所包含的开关电源122具有正反馈控制环。因此，该开关电源122适于LED灯具的输入功率与负载阻抗呈正向变化关系的情况。也就是说，当开关电源122具有正反馈控制环时，LED灯具100能够利用现有照明电路中的非自谐振电子镇流器的输出发光。

以上对本发明各实施方式的描述是为了更好地理解本发明，其仅仅是示例性的，而非旨在对本发明进行。应注意，在以上描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。本领域技术人员可以理解，在不脱离本发明的发明构思的情况下，针对以上所描述的实施方式进行的各种变化和修改，均属于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种LED灯具，包括：

LED单元，用于发光；

驱动单元，用于驱动所述LED单元工作，以使所述LED单元在适当的工作点发光；以及

谐振单元，用于接收输入并向所述驱动单元提供交流电功率，并且保护所述驱动单元和所述LED单元不被所述输入损坏。

2.如权利要求1所述的LED灯具，其中所述谐振单元包括串联连接的电感器与电容器。

3.如权利要求2所述的LED灯具，其中所述电感器的电感值和所述电容器的电容值使得所述谐振单元在接收到电子镇流器的输出作为所述输入时，表现为感性阻抗。

4.如权利要求3所述的LED灯具，其中所述电感器的电感值和所述电容器的电容值满足以下两个公式之一：

$\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}<f_{\mathrm{ECG}}$ 和 $\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}<\frac{f_{\mathrm{ECG}}}{2}$

其中，L为所述电感器的电感值，C为所述电容器的电容值，f_ECG为所述电子镇流器的输出电压的频率。

5.如权利要求3或4所述的LED灯具，其中所述电子镇流器输出电压的频率为25-70kHz。

6.如权利要求2所述的LED灯具，其中所述电感器的电感值和所述电容器的电容值满足以下两个公式之一：

$f_{\mathrm{AC}}<\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}<f_{\mathrm{ECG}}$ 和 $2f_{\mathrm{AC}}<\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}<\frac{f_{\mathrm{ECG}}}{2}$

其中，L为所述电感器的电感值，C为所述电容器的电容值，f_AC为所述谐振单元在接收到交流电压源的输出作为所述输入时，所述交流电压源的输出电压的频率，f_ECG为所述谐振单元在接收到电子镇流器的输出作为所述输入时，所述电子镇流器的输出电压的频率。

7.如权利要求6所述的LED灯具，其中所述电子镇流器输出电压的频率为25-70kHz，所述交流电压源输出电压的频率为50-60Hz。

8.如权利要求1-7中任一项所述的LED灯具，其中所述驱动单元包括：

桥式整流器，用于将来自于所述谐振单元的交流电转换为直流电；以及

开关电源，用于将由所述桥式整流器转换的直流电提供给所述LED单元，并调节提供至所述LED单元的直流电功率。

9.如权利要求8所述的LED灯具，其中所述谐振单元在接收到自谐振电子镇流器或交流电压源的输出作为所述输入时，所述开关电源是具有负反馈控制环的开关电源。

10.如权利要求8所述的LED灯具，其中所述谐振单元在接收到非自谐振电子镇流器的输出作为所述输入时，所述开关电源是具有正反馈控制环的开关电源。