CN107429882A - 荧光取代led灯 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管LED灯电路适于在不必以任何方式改装荧光灯灯具的情况下取代所述荧光灯灯具中的荧光灯。LED灯串及其相关联驱动电路可划分成两个对称灯串。此外，所述两个串(更精确地说，电力轨)可利用二极管电压/电流导引系统来连结在一起。荧光取代LED灯设计‘欺骗’镇流器可被配置用于的所有荧光灯驱动模式。

Description

荧光取代LED灯
相关专利申请案
本申请案主张对2015年3月12日提出申请的共同拥有的第62/132,062号美国临时专利申请案的优先权，所述美国临时专利申请案据此出于所有目的以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及LED灯，且更特定来说，涉及经设计以在不必以任何方式改装灯具布线的情况下直接取代现有荧光灯灯具中的荧光灯的LED灯。
背景技术
随着发光二极管(LED)灯的价格降低，其由于优于现有技术白炽灯及荧光灯的较长使用寿命及较低电力消耗的进一步优点而在用于照明方面变得更具吸引力。数以百万计的商业及工业照明灯具使用荧光灯，所述灯具将通过使用LED灯来取代这些荧光灯而大大受益。然而，绝大多数这些荧光照明灯具在于其中安装LED灯(例如，绕过照明镇流器)时需要进行改装。一些较新LED灯已经设计以在不必将灯具重新布线的情况下利用特定类型的镇流器(而非所有镇流器，一般仅为瞬时启动镇流器)来取代荧光灯。荧光灯镇流器的移除及/或重新布线并不困难，但为危险活动，因为可存在高电压。此移除工作通常需要合格电工。
图1中展示简化荧光照明灯具电路的实例。荧光灯电路操作可理解为两种操作状态：1)灯预热/启动及2)灯运行。关于荧光灯102的预热状态的目的是将存在于灯102中的稀薄气体离子化。通常存在两个灯丝106及116，在荧光灯102(玻璃管，在所述玻璃管的内侧表面上具有磷光涂层)的每一端处有一个灯丝。当闭合预热启动器开关104时，来自AC源114的电流流动穿过灯丝106及116。穿过灯丝106及116的电流的施加会加热灯丝106及116，且因此，将环绕灯丝106及116的气体离子化。而且，由于存在与灯丝106及116串联的电感器112，因此AC电流也流动穿过电感器112。此电感器112在此项技术中通常称作镇流器。当断开预热启动器开关104时，跨越灯丝106及116的电流将停止。但按照法拉第磁感应定律，曾流动穿过电感器112(镇流器)的任何电流无法瞬间停止。电感器112中的崩溃磁场将致使电流仍然流动。跨越电感器112的电压将上升以便适应此物理定律。由于在预热状态期间已部分地将灯中的气体离子化，因此所述气体是导电的。来自电感器112的上升电压将从头到尾地启动跨越灯102中的离子化气体的电流流动。此事件在此项技术中称作“触发灯”。根本上，形成穿过离子化气体的电弧以允许电感器112继续其电流流动。一旦电流跨越整个灯102流动，气体便变得完全离子化，且AC电流跨越气体连续地流动。在此“运行状态”中，电感器112用于其其它目的，以限制灯电流。
先前描述是针对用于荧光灯电路中的磁镇流器。此项技术中存在若干个其它更复杂的荧光镇流器设计。已经开发以用于此技术且在照明市场中当前可用的许多创新允许较小镇流器设计、较佳能量效率、较高灯启动可靠性(包含在灯灭的情况下重新启动灯)、灯调光能力、灯闪烁避免、镇流器嗡嗡噪音避免及涉及经损坏或‘烧坏’灯的许多安全相关的特征。但其全部具有一个共同点：称作“镇流器”的荧光灯灯具中始终存在‘黑盒’。此镇流器装置启动灯且在灯接通时以有限电流驱动灯。
当今可用的LED取代灯需要对荧光灯灯具中的布线进行改装。这样做的唯一原因是，LED取代灯技术的当前技术水平未足够充分地模仿荧光灯泡的行为以使镇流器正确地对其进行驱动。许多LED取代灯供应商对其产品具有免责声明，所述免责声明具有如下的陈述：
1)将灯具中的<特定>镇流器导线剪掉及打结以允许此取代灯在现有荧光灯灯具中正确地工作。
2)必须移除镇流器且将灯具重新布线以进行恰当操作。
3)此灯仅与瞬时启动镇流器一起工作。如果不使用瞬时启动镇流器，那么需要将现有镇流器移除及将灯具重新布线。
关于许多LED取代灯产品也存在规定应仅由合格维修技术员执行灯具的任何重新布线的警告。对这些取代灯的可用性的这些局限抑制其宽广市场接受度。此市场需要允许制造LED取代灯使得经设计以用于标准热阴极荧光灯的镇流器与LED灯取代一起正确地操作的技术。
发明内容
因此，需要可在不必改装现有荧光灯灯具的布线的情况下取代如在这些灯具中所使用的标准热阴极荧光灯的LED灯。
根据一实施例，一种用于取代荧光灯的发光二极管(LED)装置可包括：LED灯结构，其具有经配置以与荧光灯的相应电触点的大小及位置匹配的第一、第二、第三及第四电触点；第一LED灯串及第一电力供应器，其位于所述LED灯结构中，所述第一电力供应器具有正电力输入及负电力输入；第二LED灯串及第二电力供应器，其位于所述LED灯结构中，所述第二电力供应器具有正电力输入及负电力输入；第一多个二极管，其布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点，其中所述第一节点可耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点可耦合到所述第一电触点，所述第三节点可耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点可耦合到所述第二电触点；第二多个二极管，其布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点，其中所述第一节点可耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点可耦合到所述第三电触点，所述第三节点可耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点可耦合到所述第四电触点；第三多个二极管，其布置成串联耦合式串，其中所述第三多个二极管的所述串联耦合式串的阳极可耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入及所述第一多个二极管的所述第一节点，且所述第三多个二极管的所述串联耦合式串的阴极可耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入及所述第二多个二极管的所述第三节点；及第四多个二极管，其布置成串联耦合式串，其中所述第四多个二极管的所述串联耦合式串的阳极可耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入及所述第二多个二极管的所述第一节点，且所述第四多个二极管的所述串联耦合式串的阴极可耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入及所述第一多个二极管的所述第三节点。
根据另一实施例，第一模式感测输入可与所述第一电力供应器相关联且可耦合到所述二极管的阳极，所述二极管的阴极耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入；且第二模式感测输入可与所述第二电力供应器相关联且可耦合到所述二极管的阳极，所述二极管的阴极耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入。根据另一实施例，所述第一及第二LED灯串中的每一者可包括多个LED。根据另一实施例，所述第一及第二电力供应器可各自包括恒定电流源。根据另一实施例，所述第一及第二电力供应器可各自包括顺序线性LED驱动器。根据另一实施例，所述第一及第二电力供应器可各自包括降压切换模式电力供应器。
根据另一实施例，第一微控制器可具有耦合到所述第一电力供应器的所述第一模式感测输入的输入；第一LED驱动器可由所述第一微控制器控制；第二微控制器可具有耦合到所述第二电力供应器的所述第二模式感测输入的输入；且第二LED驱动器可由所述第二微控制器控制；其中所述第一及第二LED驱动器可分别基于所述第一及第二模式感测输入处的信号电压而调整穿过所述第一及第二LED灯串的电流。根据另一实施例，所述LED灯结构可选自由双引脚T-5、T-8、T-10、T-12及T-17相等灯大小组成的群组。根据另一实施例，所述LED灯结构可选自由两英尺长度、四英尺长度及八英尺长度组成的群组。根据另一实施例，所述LED灯结构可包括双引脚U形弯管。根据另一实施例，所述第一、第二、第三及第四多个二极管可选自由硅二极管、肖特基二极管及快速恢复二极管组成的群组。
根据另一实施例，一种用于取代荧光灯的发光二极管(LED)装置可包括：LED灯结构，其具有经配置以与荧光灯的相应电触点的大小及位置匹配的第一、第二、第三及第四电触点；第一LED灯串及第一电力供应器，其位于所述LED灯结构中，所述第一电力供应器具有正电力输入及负电力输入；第二LED灯串及第二电力供应器，其位于所述LED灯结构中，所述第二电力供应器具有正电力输入及负电力输入；第一多个金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，其布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点，其中所述第一节点可耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点可耦合到所述第一电触点，所述第三节点可耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点可耦合到所述第二电触点；第二多个MOSFET，其布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点，其中所述第一节点可耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点可耦合到所述第三电触点，所述第三节点可耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点可耦合到所述第四电触点；第一二极管，其中所述第一二极管的阳极可耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入及所述第一多个MOSFET的所述第一节点，且所述第一二极管的阴极可耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入及所述第二多个MOSFET的所述第三节点；及第二二极管，其中所述第二二极管的阳极可耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入及所述第二多个MOSFET的所述第一节点，且所述第二二极管的阴极可耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入及所述第一多个MOSFET的所述第三节点。
根据另一实施例，第一模式感测输入可与所述第一电力供应器相关联且可耦合到所述第二二极管的所述阳极，所述第二二极管的阴极耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入；且第二模式感测输入可与所述第二电力供应器相关联且可耦合到所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入。根据另一实施例，第一微控制器可具有耦合到所述第一电力供应器的所述第一模式感测输入的输入；第一LED驱动器可由所述第一微控制器控制；第二微控制器具有耦合到所述第二电力供应器的所述第二模式感测输入的输入；且第二LED驱动器可由所述第二微控制器控制；其中所述第一及第二LED驱动器可分别基于所述第一及第二模式感测输入处的信号电压而调整穿过所述第一及第二LED灯串的电流。根据另一实施例，所述第一及第二电力供应器可各自包括顺序线性LED驱动器。
根据另一实施例，一种用于用发光二极管(LED)灯取代荧光灯的方法可包括如下步骤：提供LED灯结构，所述LED灯结构具有经配置以与荧光灯的相应电触点的大小及位置匹配的第一、第二、第三及第四电触点；提供位于所述LED灯结构中的第一LED灯串及第一电力供应器，所述第一电力供应器具有正电力输入及负电力输入；提供位于所述LED灯结构中的第二LED灯串及第二电力供应器，所述第二电力供应器具有正电力输入及负电力输入；提供布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点的第一多个二极管，其中所述第一节点可耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点可耦合到所述第一电触点，所述第三节点可耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点可耦合到所述第二电触点；提供布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点的第二多个二极管，其中所述第一节点可耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点可耦合到所述第三电触点，所述第三节点可耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点可耦合到所述第四电触点；提供布置成串联耦合式串的第三多个二极管，其中所述第三多个二极管的所述串联耦合式串的阳极可耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入及所述第一多个二极管的所述第一节点，且所述第三多个二极管的所述串联耦合式串的阴极可耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入及所述第二多个二极管的所述第三节点；及提供布置成串联耦合式串的第四多个二极管，其中所述第四多个二极管的所述串联耦合式串的阳极可耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入及所述第二多个二极管的所述第一节点，且所述第四多个二极管的所述串联耦合式串的阴极可耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入及所述第一多个二极管的所述第三节点。根据所述方法的另一实施例，可包括将所述LED灯结构安装到荧光灯灯具中的步骤。
根据另一实施例，一种用于用发光二极管(LED)灯取代荧光灯的方法可包括如下步骤：提供LED灯结构，所述LED灯结构具有经配置以与荧光灯的相应电触点的大小及位置匹配的第一、第二、第三及第四电触点；提供位于所述LED灯结构中的第一LED灯串及第一电力供应器，所述第一电力供应器具有正电力输入及负电力输入；提供位于所述LED灯结构中的第二LED灯串及第二电力供应器，所述第二电力供应器具有正电力输入及负电力输入；提供布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点的第一多个金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，其中所述第一节点可耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点可耦合到所述第一电触点，所述第三节点可耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点可耦合到所述第二电触点；提供布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点的第二多个MOSFET，其中所述第一节点可耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点可耦合到所述第三电触点，所述第三节点可耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点可耦合到所述第四电触点；提供第一二极管，其中所述第一二极管的阳极可耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入及所述第一多个MOSFET的所述第一节点，且所述第一二极管的阴极可耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入及所述第二多个MOSFET的所述第三节点；及提供第二二极管，其中所述第二二极管的阳极可耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入及所述第二多个MOSFET的所述第一节点，且所述第二二极管的阴极可耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入及所述第一多个MOSFET的所述第三节点。
附图说明
通过参考联合附图进行的以下描述可获得对本发明的更完整理解，在附图中：
图1图解说明现有技术荧光灯及镇流器的示意图；
图2图解说明根据本发明的特定实例性实施例的适于在不必改装荧光灯具的情况下取代所述荧光灯具中的荧光灯的LED灯电路的示意图；
图3图解说明根据本发明的教示的预热导通模式A中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图4图解说明根据本发明的教示的预热导通模式B中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图5图解说明根据本发明的教示的预热导通模式C中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图6图解说明根据本发明的教示的预热导通模式D中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图7图解说明根据本发明的教示的运行导通模式A中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图8图解说明根据本发明的教示的运行导通模式B中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图9图解说明根据本发明的教示的运行导通模式C中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图10图解说明根据本发明的教示的运行导通模式D中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图11图解说明根据本发明的教示的运行导通模式E中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图12图解说明根据本发明的教示的运行导通模式F中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图13图解说明根据本发明的教示的运行导通模式G中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图14图解说明根据本发明的教示的运行导通模式H中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图15图解说明根据本发明的教示的运行导通模式I中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图16图解说明根据本发明的教示的运行导通模式J中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图17图解说明根据本发明的教示的运行导通模式K中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图18图解说明根据本发明的教示的运行导通模式L中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图19图解说明根据本发明的教示的运行导通模式M中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图20图解说明根据本发明的教示的运行导通模式N中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图21图解说明根据本发明的教示的运行导通模式O中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图22图解说明根据本发明的教示的运行导通模式P中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图23图解说明根据本发明的教示的运行导通模式Q中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图24图解说明根据本发明的教示的运行导通模式R中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图25图解说明根据本发明的教示的运行导通模式S中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图26图解说明根据本发明的教示的运行导通模式T中的荧光灯及“模仿”此荧光灯操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图；
图27图解说明可用于图2中所展示的LED灯电路的LED驱动器的示意图；
图28图解说明可用于图2中所展示的LED灯电路中的包括降压切换模式电力供应器拓扑的LED驱动器的示意图；
图29图解说明可用于图2中所展示的LED灯电路中的顺序线性LED驱动器的示意图；
图30图解说明可用于图2中所展示的LED灯电路中的包括降压切换模式电力供应器拓扑、低压降电压调节器及微控制器且进一步包括感测模式监测的LED驱动器的示意图；
图31图解说明根据本发明的其它特定实例性实施例的适于在不必改装荧光灯具的情况下取代所述荧光灯具中的荧光灯的较高效率LED灯电路的示意图；
图32图解说明如图31中所使用且具有低于二极管的电力损耗的MOSFET实施的桥式整流器的示意图；及
图33图解说明如图31中所使用且具有低于二极管的电力损耗的简化MOSFET实施的桥式整流器的示意图。
虽然本发明易于做出各种修改及替代形式，但已在图式中展示并在本文中详细描述其特定实例性实施例。然而，应理解，本文中对特定实例性实施例的描述不打算将本发明限于本文中所揭示的特定形式。
具体实施方式
根据本发明的各种实施例，本文中揭示且主张可在不必以任何方式改装荧光灯灯具的情况下取代所述荧光灯具中的荧光灯的发光二极管(LED)灯电路。现有LED取代灯需要以某种方式将荧光灯灯具中的灯镇流器重新布线。特定镇流器可与目前提供的LED灯中的一些LED灯兼容，但并非所有镇流器均受支持。根据各种实施例，揭示将与所有当前基础设施荧光镇流器及灯具一起工作且因此不需要将现有荧光灯镇流器电路重新布线的LED灯的电路。预期且在本发明的范围内，可提供呈可与其将取代的荧光灯相当的物理灯配置(LED灯结构)的LED灯电路。荧光灯具有许多形状及大小，举例来说但不限于为两英尺长度、四英尺长度及八英尺长度的双引脚T-5、T-8、T-10、T-12、T-17；U形弯管等，且所揭示及所主张LED灯电路可在提供于适当LED灯结构中时与这些形状及大小匹配。
根据各种实施例，LED灯串及其相关联驱动电路可划分成两个对称灯串。此外，所述两个串(更精确地说，电力轨)可利用二极管电压/电流导引系统来连结在一起。LED荧光灯取代设计‘欺骗’镇流器可实现的所有灯驱动模式。
本发明描述一种供用于打算安装于现有热阴极荧光灯灯具中的LED取代灯的技术。当前‘技术水平’LED取代灯设计需要对现有经安装荧光灯灯具进行一些电返工以正确地操作。虽然返工通常是小型的，但其是危险活动，因为存在高电压。所述工作通常需要合格电工。本发明论述将与LED电力供应驱动器一起使用以实施与所有当前安装的荧光灯灯具基础设施一起工作的取代LED灯的二极管电流导引设计。由于不需要对现有及经安装荧光灯灯具进行返工来使用所揭示的设计，因此会避免先前技术的危险且昂贵的要求。此应导致LED灯向荧光灯取代市场中的更大渗透。
现在参考图式，示意性地图解说明特定实例性实施例的细节。图式中，将由相似编号表示相似元件，且将由带有不同小写字母后缀的相似编号表示类似元件。
参考图2，描绘根据本发明的特定实例性实施例的适于在不必改装荧光灯具的情况下取代所述荧光灯具中的荧光灯的LED灯电路的示意图。LED灯202可包括第一LED串及电力供应器222，第二LED串及电力供应器224，导引二极管226、228、230及232以及在LED灯202的一端上的第一双引脚连接108及110，及在LED灯202的另一端上的第二双引脚连接118及120。
理解用于图2中所展示的LED电路中的电流/电压二极管导引的操作的关键是：提供两个独立电力轨。使用这两个轨会导致此LED灯与所有已知镇流器配置一起工作的能力。这些轨上的电压彼此对抗地‘浮动’且借此可决不交叉连接。每一电力轨能够驱动包括多个LED拓扑的LED串。这些拓扑良好地记录于LED照明技术中。然而，存在于这些轨上的负载优选地应相当地相等。当负载基本上相等时，这些轨上的所得电压将基本上相同。虽然不需要这些负载相等(平衡)以用于二极管导引的恰当操作，但平衡负载使LED灯的设计非常对称，且因此更易于实施。
预期且在本发明的范围内，导引二极管226、228、230及232可包括具有充分电流载运电容器及峰值反向电压额定值以用于其既定应用的任何类型的二极管。导引二极管226、228、230及232可为(举例来说但不限于)硅二极管、肖特基二极管、快速恢复二极管等。
导通模式
存在电流可流动穿过灯丝106及116且跨越标准荧光灯102中的气体(将产生恰当灯操作)的许多方式。如下文中所揭示，将定义所有所需要导通模式。所图解说明的每一导通模式具有图2中所展示的导引二极管的子示意图。这些子示意图展示穿过适当导引二极管的瞬时DC电流传导。仅展示针对所述电流模式导通的那些二极管。未展示的其它二极管不具有跨越其的电位或是逆向偏置的，借此阻挡电流流动穿过其。
参考图3到6，描绘根据本发明的教示的分别在预热导通模式A、B、C及D中的荧光灯以及“模仿”这些荧光灯预热导通操作的图2中所展示的LED灯电路的操作的示意图。返回参考图1，当预热启动器开关闭合时发生‘预热状态’。此出于使荧光灯中的灯丝变热的目的而迫使电流跨越这些灯丝。由于在预热模式期间闭合预热启动器开关且电力轨上的负载是完全相同的，因此在任一给定预热模式期间在每一电力轨上产生的电压是总RMS线电压(减去二极管正向电压降)的二分之一。即：
VRMSPowerSupplyA＝VRMSPowerSupplyB＝1/2(Mains_VoltageRMS-4VF_Diode) 方程式1
参考图7到26，描绘根据本发明的教示的运行导通模式A到T中的荧光灯以及“模仿”这些运行导通模式中的荧光灯的操作的图2中所展示的LED灯电路的导引二极管操作的示意图。再次返回参考图1，当预热启动器开关在‘预热状态’结束之后断开时发生‘运行状态’。在荧光灯中，此致使在气体中发生‘触发’。当导引二极管在同一镇流器灯具中与LED一起使用时不存在触发。当发生状态改变时，电感器112中的电路不受抑制地继续流动。不会产生高电压。
由于可以对灯泡的恰当操作无差别的若干种不同方式将荧光照明灯具布线，因此需要考虑所有各种DC传导模式且本发明需要支持所有这些电流传导路径。由于电力轨上的负载是基本上相同的，因此在任一给定运行模式期间在每一电力轨上产生的电压是总RMS线电压(减去二极管正向电压降)的二分之一。即：
VRMSPowerSupplyA＝VRMSPowersupplyB＝1/2(Mains_VoltageRMS-5VF_Diode) 方程式2
应注意，方程式2不完全相同于方程式1。两者之间存在一个二极管正向电压降差异。即，在预热状态期间，轨上的电压将在0.3伏与0.7伏之间的某处，高于当系统进展到运行状态时。预热状态与运行状态的操作之间至少存在一个二极管电压降差异是非常重要的。许多电子镇流器将主动地感测跨越灯丝的电流以便确定灯丝是否‘烧坏’。如果那里不存在较高二极管压降，那么电流将采取穿过从B侧耦合A侧的二极管的‘捷径’而不传导穿过所有四个灯引脚。监测穿过所述引脚的电流的电子镇流器可放弃驱动灯(假定其是有缺陷的)。图2中所展示的导引二极管是‘欺骗’电子镇流器感测荧光灯在电路中(并非LED取代)且其正标称地操作所需要的最少数目个二极管。
可用于电力轨的模式感测输入
应注意，每一电力供应器轨具有与其相关联的模式感测引脚。当镇流器将灯泡置于预热状态中时，此引脚将仅仅相对于电力供应器的负轨浮动。如果每一电力供应器轨上的模式感测引脚经由下拉电阻器箝位到其负轨，那么由此轨供电的LED驱动电子器件可感测外部镇流器何时切换到运行状态。每隔二分之一AC循环，两个电力轨中的一者将在其模式感测引脚上具有作用中经断言电压。另一轨所经历的模式感测将被箝位到低。在下一二分之一AC循环期间，两个电力供应器轨将经历相反情况；即，后者将使其模式感测为作用中的，而前者所经历的模式感测将被箝位到低。以此方式，在电源循环周期的大约二分之一内，LED驱动电子器件将知晓镇流器已将灯置于运行状态中。知晓电子镇流器正驱动荧光灯的哪一状态可是相当有用的。许多基于微控制器的电子镇流器设计期望测量预热状态与运行状态之间的电流差异。LED驱动电子器件可调整其驱动电流以便模仿荧光灯的电流分布。
参考图27，描绘可用于图2中所展示的LED灯电路的LED驱动器的示意图。可使用简单电流源2754，例如(举例来说但不限于)Supertex CL2LED驱动器。LED电力供应器的要求可为相当适当的，如图27图解说明。除LED自身以外，此设计仅还使用两个组件(驱动器及电容器)。
参考图28，描绘可用于图2中所展示的LED灯电路中的包括降压切换模式电力供应器拓扑的LED驱动器的示意图。例如微芯片HV9910C等通用高亮度LED驱动器可以降压切换模式电力供应器配置来利用。
参考图29，描绘可用于图2中所展示的LED灯电路中的顺序线性LED驱动器的示意图。图29具有专门经设计以用于荧光灯取代的LED驱动器器件2954。应注意，图29中所展示的驱动器电路不具有通常占据电路板上的空间的电感器或电容器。图29中所展示的驱动器可是(举例来说但不限于)Supertex CL8801或等效物。LED串电力供应器222c或224c可进一步包括整流器二极管2956、低压降(LDO)电压调节器2960(例如，MCP1702)、微控制器2964(例如，PIC12F1612)、N沟道MOSFET 2968以及电阻器2958、2962及2966。微控制器2964可耦合到用于确定镇流器是在预热状态还是运行状态中的模式感测输入，且然后通过接通或关断N-MOSFET 2968而更改LED串的电流消耗以‘欺骗’智能型微控制器镇流器，所述接通或关断将电阻器2966连接到LED驱动器器件2954或将电阻器2966与LED驱动器器件2954断开连接(此将改变其串联电流的值)。如果不需要模式感测，那么微控制器2964及其相关联电路组件并非必要的。
参考图30，描绘可用于图2中所展示的LED灯电路中的包括降压切换模式电力供应器拓扑、低压降电压调节器及微控制器且进一步包括感测模式监测的LED驱动器的示意图。图30中所展示的LED驱动器可包括使用模式感测信号的微控制器3052，所述模式感测信号可用于根据智能型镇流器期望在恰当操作的荧光灯中经历的情形来改变电流值。驱动器器件(例如，HV9910C)3054可是也允许使LED串变暗且借此控制灯具镇流器必须供应的总体电流的降压模式电力供应器配置。以此方式，镇流器的状态通过模式感测信号的断言来识别且微控制器3052相应地调整LED电流。如先前所阐释，许多电子镇流器期望感测不同镇流器状态下的电流差。微控制器3052可以此方式模仿荧光灯的行为且‘欺骗’电子镇流器荧光灯在电路中(而非LED取代)且其正标称地操作。也可提供低压降(LDO)电压调节器3050以用于给微控制器3052供电。
较高效率主动整流
方程式1及2两者均具有是Vf或二极管整流器的正向电压降的倍数的项。当跨越灯驱动电流时，经历五倍于Vf的总电压降。甚至关于低Vf二极管，由于所有LED电流通过这五个二极管且电力的一部分在这些二极管整流器中被损耗，因此未转换为光而是转换为热。可通过用MOSFET取代两个桥式整流器级226、228而缓解此情况，如下文中更全面地描述。
参考图31，描绘根据本发明的其它特定实例性实施例的适于在不必改装荧光灯具的情况下取代所述荧光灯具中的荧光灯的较高效率LED灯电路的示意图。LED灯3102可包括第一LED串及电力供应器222、第二LED串及电力供应器224、导引二极管230及232、MOSFET桥式整流器3128及3132，以及在LED灯3102的一端上的第一双引脚连接108及110，以及在LED灯3102的另一端上的第二双引脚连接118及120。LED灯3102以与LED灯202基本上相同的方式工作，但具有较少电力损耗，因为高电压降二极管的数目已减少，因此与LED灯202相比较改进LED灯3102的效率。
用MOSFET替代二极管的目的是节省通过这些器件耗散的电力。当MOSFET接通时，跨越源极到漏极的电压降是非常小的，对于二极管上固有的正向压降是不重要的。因此，从这些器件耗散的热固有地小于通过二极管的耗散，因此增加整流功能的效率。使用MOSFET桥式整流器在半导体设计技术中是众所周知的。
参考图32及33，描绘如图31中所使用且具有低于二极管的电力损耗的MOSFET实施的桥式整流器的示意图。图32及33中所展示的MOSFET桥式整流器包括N沟道MOSFET 3240及3246，以及P沟道MOSFET 3242及3244。图32中所展示的MOSFET桥式整流器进一步包括在MOSFET 3242及3244的每一栅极上的齐纳(Zener)二极管3248及电流限制电阻器3250，而图33不包括所述齐纳二极管及电流限制电阻器。此是图32与33中所展示的两个电路之间的唯一差异。
图32及33中所展示的MOSFET 3240、3242、3244及3246中的每一者充当阀，正如图2中所展示的二极管。即，其沿特定方向传递电流且沿相反方向阻挡电流流动。在MOSFET经偏置以导通的情况下，每一MOSFET中的衬底二极管恰好指示电流流动方向。当AC RMS电压小于N沟道与P沟道接通阈值值电压的和时，这些衬底二极管将导通。但是，一旦AC RMS电压高于此经求和阈值，MOSFET便将开启，因此减小跨越MOSFET的电压降。应注意，MOSFET将成对开启，从而提供整流功能。
应注意，在图31中，仍需要两个二极管230及232。如先前所陈述，预热状态与运行状态的操作之间存在一个二极管电压降差异是重要的。如先前所陈述，需要此以‘欺骗’许多镇流器设计尝试确定荧光灯灯丝是否烧坏。当灯经驱动使得电流跨越灯丝而非跨越灯运行时，这些二极管230及232将不导通，因为跨越接通MOSFET中的两者将存在较低电压降，从而确保存在电流，好似灯丝导通。这些二极管230及232将仅在处于运行状态中时导通。应注意，LED串电力供应器上的模式感测输入的操作在操作中完全相同(但关于MOSFET而非关于二极管)。
图33是图32的较简单版本，但可能不适合用于所有设计。在图32中，齐纳二极管3248及电流限制电阻器3250执行MOSFET 3240、3242、3244及3246的功能。这些齐纳二极管将跨越栅极所经历的最大电压‘箝位’到MOSFET的源极。在此实施方案中，此电压可为相当高的。MOSFET与LED串电力供应器设计的特定组合可不产生在选择MOSFET的情况下不合规格的Vgs。在所述情形中，图33是具有较少部件的实施方案。
在针对此技术使用主动整流时的另一考虑是LED串电力供应器是否具有输入电容器。如果如此，那么此主动整流方法将不工作。为使用主动整流，所选择LED串电力供应器必须摆脱输入电容器，例如图29中所展示的电路或等效物。应注意，此LED串电力供应器实例不具有将通过MOSFET有源整流器‘往回汲取’的输入电容器。其也具有感测镇流器是在预热状态还是运行状态中的能力，且更改其电流消耗以‘欺骗’智能型微控制器镇流器。
图27到31中所展示的LED驱动电路仅是可能LED驱动器/电力供应器的几个实例。可递送所需要的LED电流且在由方程式1及2暗示的局限下工作的任何恰当设计的LED电力供应器将工作，只要从灯具的镇流器的角度来看连续电流流动到供应器中即可。不连续操作可迷惑许多电子镇流器感测荧光灯熄灭或烧坏且不可操作。
作为对图28到31(且实际上对此项技术中使用的所有LED电力供应驱动器拓扑)的最后注意：这些示意图展示接地或相等电位符号(指向下的三角形)。本发明需要两组电力供应器轨及两个电力供应器电路以正确地工作。电力轨A及B的相等电位决不连结在一起。即，相等电位仅为每一供应器局部的，且仅在所述供应器上互连。

Claims (18)

1.一种用于取代荧光灯的发光二极管LED装置，其包括：
LED灯结构，其具有经配置以与荧光灯的相应电触点的大小及位置匹配的第一、第二、第三及第四电触点；
第一LED灯串及第一电力供应器，其位于所述LED灯结构中，所述第一电力供应器具有正电力输入及负电力输入；
第二LED灯串及第二电力供应器，其位于所述LED灯结构中，所述第二电力供应器具有正电力输入及负电力输入；
第一多个二极管，其布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点，其中所述第一节点耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点耦合到所述第一电触点，所述第三节点耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点耦合到所述第二电触点；
第二多个二极管，其布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点，其中所述第一节点耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点耦合到所述第三电触点，所述第三节点耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点耦合到所述第四电触点；
第三多个二极管，其布置成串联耦合式串，其中所述第三多个二极管的所述串联耦合式串的阳极耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入及所述第一多个二极管的所述第一节点，且所述第三多个二极管的所述串联耦合式串的阴极耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入及所述第二多个二极管的所述第三节点；及
第四多个二极管，其布置成串联耦合式串，其中所述第四多个二极管的所述串联耦合式串的阳极耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入及所述第二多个二极管的所述第一节点，且所述第四多个二极管的所述串联耦合式串的阴极耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入及所述第一多个二极管的所述第三节点。
2.根据权利要求1所述的LED装置，其进一步包括：
第一模式感测输入，其与所述第一电力供应器相关联且耦合到所述二极管的阳极，所述二极管的阴极耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入；及
第二模式感测输入，其与所述第二电力供应器相关联且耦合到所述二极管的阳极，所述二极管的阴极耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入。
3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的LED装置，其中所述第一及第二LED灯串中的每一者包括多个LED。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的LED装置，其中所述第一及第二电力供应器各自包括恒定电流源。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的LED装置，其中所述第一及第二电力供应器各自包括顺序线性LED驱动器。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的LED装置，其中所述第一及第二电力供应器各自包括降压切换模式电力供应器。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的LED装置，其进一步包括：
第一微控制器，其具有耦合到所述第一电力供应器的第一模式感测输入的输入；
第一LED驱动器，其由所述第一微控制器控制；
第二微控制器，其具有耦合到所述第二电力供应器的第二模式感测输入的输入；及
第二LED驱动器，其由所述第二微控制器控制；
其中所述第一及第二LED驱动器分别基于所述第一及第二模式感测输入处的信号电压而调整穿过所述第一及第二LED灯串的电流。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的LED装置，其中所述LED灯结构选自由双引脚T-5、T-8、T-10、T-12及T-17相等灯大小组成的群组。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的LED装置，其中所述LED灯结构选自由两英尺长度、四英尺长度及八英尺长度组成的群组。
10.根据权利要求1到7或9中任一权利要求所述的LED装置，其中所述LED灯结构包括双引脚U形弯管。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的LED装置，其中所述第一、第二、第三及第四多个二极管选自由硅二极管、肖特基二极管及快速恢复二极管组成的群组。
12.一种用于取代荧光灯的发光二极管LED装置，其包括：
LED灯结构，其具有经配置以与荧光灯的相应电触点的大小及位置匹配的第一、第二、第三及第四电触点；
第一LED灯串及第一电力供应器，其位于所述LED灯结构中，所述第一电力供应器具有正电力输入及负电力输入；
第二LED灯串及第二电力供应器，其位于所述LED灯结构中，所述第二电力供应器具有正电力输入及负电力输入；
第一多个金属氧化物场效应晶体管MOSFET，其布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点，其中所述第一节点耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点耦合到所述第一电触点，所述第三节点耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点耦合到所述第二电触点；
第二多个MOSFET，其布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点，其中所述第一节点耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点耦合到所述第三电触点，所述第三节点耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点耦合到所述第四电触点；
第一二极管，其中所述第一二极管的阳极耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入及所述第一多个MOSFET的所述第一节点，且所述第一二极管的阴极耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入及所述第二多个MOSFET的所述第三节点；及
第二二极管，其中所述第二二极管的阳极耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入及所述第二多个MOSFET的所述第一节点，且所述第二二极管的阴极耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入及所述第一多个MOSFET的所述第三节点。
13.根据权利要求12所述的LED装置，其进一步包括：
第一模式感测输入，其与所述第一电力供应器相关联且耦合到所述第二二极管的所述阳极，所述第二二极管的阴极耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入；及
第二模式感测输入，其与所述第二电力供应器相关联且耦合到所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入。
14.根据权利要求12或13所述的LED装置，其进一步包括：
第一微控制器，其具有耦合到所述第一电力供应器的第一模式感测输入的输入；
第一LED驱动器，其由所述第一微控制器控制；
第二微控制器，其具有耦合到所述第二电力供应器的第二模式感测输入的输入；及
第二LED驱动器，其由所述第二微控制器控制；
其中所述第一及第二LED驱动器分别基于所述第一及第二模式感测输入处的信号电压而调整穿过所述第一及第二LED灯串的电流。
15.根据权利要求12到14中任一权利要求所述的LED装置，其中所述第一及第二电力供应器各自包括顺序线性LED驱动器。
16.一种用于用发光二极管LED灯取代荧光灯的方法，所述方法包括如下步骤：
提供LED灯结构，所述LED灯结构具有经配置以与荧光灯的相应电触点的大小及位置匹配的第一、第二、第三及第四电触点；
提供位于所述LED灯结构中的第一LED灯串及第一电力供应器，所述第一电力供应器具有正电力输入及负电力输入；
提供位于所述LED灯结构中的第二LED灯串及第二电力供应器，所述第二电力供应器具有正电力输入及负电力输入；
提供布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点的第一多个二极管，其中所述第一节点耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点耦合到所述第一电触点，所述第三节点耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点耦合到所述第二电触点；
提供布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点的第二多个二极管，其中所述第一节点耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点耦合到所述第三电触点，所述第三节点耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点耦合到所述第四电触点；
提供布置成串联耦合式串的第三多个二极管，其中所述第三多个二极管的所述串联耦合式串的阳极耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入及所述第一多个二极管的所述第一节点，且所述第三多个二极管的所述串联耦合式串的阴极耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入及所述第二多个二极管的所述第三节点；及
提供布置成串联耦合式串的第四多个二极管，其中所述第四多个二极管的所述串联耦合式串的阳极耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入及所述第二多个二极管的所述第一节点，且所述第四多个二极管的所述串联耦合式串的阴极耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入及所述第一多个二极管的所述第三节点。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括将所述LED灯结构安装到荧光灯灯具中的步骤。
18.一种用于用发光二极管LED灯取代荧光灯的方法，所述方法包括如下步骤：
提供LED灯结构，所述LED灯结构具有经配置以与荧光灯的相应电触点的大小及位置匹配的第一、第二、第三及第四电触点；
提供位于所述LED灯结构中的第一LED灯串及第一电力供应器，所述第一电力供应器具有正电力输入及负电力输入；
提供位于所述LED灯结构中的第二LED灯串及第二电力供应器，所述第二电力供应器具有正电力输入及负电力输入；
提供布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点的第一多个金属氧化物场效应晶体管MOSFET，其中所述第一节点耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点耦合到所述第一电触点，所述第三节点耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点耦合到所述第二电触点；
提供布置成桥式整流器配置且具有第一、第二、第三及第四节点的第二多个MOSFET，其中所述第一节点耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入，所述第二节点耦合到所述第三电触点，所述第三节点耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入，且所述第四节点耦合到所述第四电触点；
提供第一二极管，其中所述第一二极管的阳极耦合到所述第一电力供应器的所述负电力输入及所述第一多个MOSFET的所述第一节点，且所述第一二极管的阴极耦合到所述第二电力供应器的所述正电力输入及所述第二多个MOSFET的所述第三节点；及
提供第二二极管，其中所述第二二极管的阳极耦合到所述第二电力供应器的所述负电力输入及所述第二多个MOSFET的所述第一节点，且所述第二二极管的阴极耦合到所述第一电力供应器的所述正电力输入及所述第一多个MOSFET的所述第三节点。
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