CN1209720A

CN1209720A - 照明装置

Info

Publication number: CN1209720A
Application number: CN98118694A
Authority: CN
Inventors: 宇佐美丰
Original assignee: TEC KK
Current assignee: Toshiba TEC Corp; Tec Corp
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 1999-03-03
Also published as: US6057651A; JPH1167471A

Abstract

一种照明装置,包括:对来自工业电源31的交流电压进行整流的全波整流电路32、通过与扼流圈35及二极管38串联而连接于此全波整流电路32的输出端子之间的平滑电容器39、与平滑电容器并联的包含互相串联的由多个发光二极管42构成的第1及第2串联电路的光源单元43、通过扼流圈35及电阻37连接于全波整流电路32的输出端子之间的MOSFET36以及对MOSFET36进行开关控制的控制电路44。

Description

照明装置

本发明涉及以发光二极管作为光源的照明装置。

在现有的荧光灯照明装置中，如图7所示工业(商用)电源1的交流电压通过二极管桥式全波整流电路2变换为直流电压，此直流电压由升压电路3升压而供给高频变换电路4。此高频变换变换电路4将升压电路3的输出电压变换为高频电压并将之施加于作为光源的荧光灯。

在升压电路3中，电容器6连接在全波整流电路2的输出端子之间，晶体管等开关元件8通过电感器7连接到全波整流电路2的输出端子之间，并且大容量的平滑电容器10通过与二极管9串联而并联于开关元件8。开关元件8借助控制电路11实现电路的开和关。

变换电路4是一个半桥式变换器，其中晶体管等开关元件12、13组成的串联电路连接于平滑电容器10的两端之间，电容器14、15组成的串联电路并联于开关元件12、13的串联电路，荧光灯5通过扼流圈16连接于上述开关元件12、13的连接点和上述电容器14、15的连接点之间。预热用电容器17连接于荧光灯5的灯丝电极之间。

在此升压电路3中，当开关元件8由控制电路11接通时，电流流过电感器7并作为磁能储存。当开关元件8由控制电路11断开时，电流由电感器7通过二极管9流入平滑电容器10。由于这一动作使储存于电感器中的磁能转换为电荷能并储存于平滑电容器10中。平滑电容器10吸收商用频率50赫兹的脉动分量而使两端之间由整流电路供给的直流电压变成大致平坦的形状。

在变换电路4中，通过使开关元件12、13交互开关而在各开关元件的连接点上产生矩形的电压波形，于是首先通过预热用电容器17令预热电流流过荧光灯5的各灯丝电极，之后由于施加由各灯丝电极之间的高电压使荧光灯5启动点亮。

在此照明装置中，高频变换电路4用于防止荧光灯5闪烁，升压电路3用于驱动变换电路4。另外，使用交流可以防止荧光灯5内部的汞蒸汽偏向一侧的电极。

在现有的发光二极管照明装置中，如图8所示，工业电源21的交流电压由二极管桥式全波整流电路22变换为直流电压，经由平滑电容器23平滑，再将多个二极管单元通过各限流电阻24连接于平滑电容器23的两端之间。每个二极管单元都由串联连接的作为光源的多个发光二极管25组成。

各限流电阻24使流过相应的二极管单元的电流限制于一定值而使构成此二极管单元的多个发光二极管25点亮。

在现有的荧光灯照明装置中，为了将工业交流电源变换为高频，除升压电路外，还必需有高频变换电路，于是除了由于电路元件数量多之外，再加上由于AC→DC、DC→高频的两次电力变换，过去一直存在会产生很大的功率损失的问题。

另外，在现有的发光二极管照明装置中，也存在由于在流入发光二极管的电流通路中插入了限流电阻而产生功率损失而使电力变换效率降低的问题。因此也曾考虑采用限流电抗器代替限流电阻，但由于要对50 Hz的商用频率有作用需要100 mH左右的电感，所需的限流电抗器需要是大型的，重量很重，不适合实际应用。另外，还存在因为对商用交流电源要平滑电容器输入波形，在输入电流波形上会出现休止区间，产生大量高次谐波，从而对电路元件产生恶劣影响的问题。

本发明的目的在于提供一种无需复杂的结构就能在抑制高次谐波的同时降低功率损失的照明装置。

根据本发明的第一观点，提供的照明装置包括：对来自交流电源的交流电压进行整流的全波整流电路、通过与电感器及二极管串联而连接于全波整流电路的输出端子之间的平滑电容器、与平滑电容器并联的包含多个发光二极管的串联电路的光源单元、通过电感器连接于此全波整流电路的输出端子之间的开关元件和对开关元件进行开关控制的控制电路，并且控制电路可以在通过二极管点亮光源单元时，根据开关切换控制将平滑电容器端子之间的电压设定为高于输入平滑电容器的输入电压的峰值，并且等于多个发光二极管的正向电压的总和。

根据本发明的第二观点，在第一观点中所述的照明装置的控制电路，还可以在熄灭光源单元时，根据开关切换控制将平滑电容器端子之间的电压，设定为低于多个发光二极管的最低正向电压的总和。

根据本发明的第三观点，在第一观点中所述的照明装置的控制电路，还可以在对光源单元调光时，根据开关切换控制将平滑电容器端子之间的电压，设定为高于多个发光二极管的最低正向电压的总和，并低于最大正向电压的总和。

根据本发明的第四观点，在第二观点中所述的照明装置的控制电路，使开关切换控制基于依赖输入电压的阈值电压进行。

根据本发明的第五观点，在第三观点中所述的照明装置的控制电路，使开关切换控制基于与光源单元调光时的输入电压成比例的阈值电压进行。

图1为根据本发明实施例的发光二极管照明装置构成的电路图；

图2为图1所示的控制电路的详细电路图；

图3为示出图1所示的光源单元的电压控制范围和电流控制范围之间的关系的曲线图；

图4为图1所示的扼流圈中流过的电流、供给MOSFET的控制电压及由MOSFET得到的输出检测电压时序图；

图5A及图5B为示出阈值电压相对于供给图1所示的控制电路的检测电压的变化的波形图；

图6为图1所示的发光二极管照明装置的输入电压及输入电流的波形图；

图7为现有的荧光灯照明装置构成的电路图；

图8为现有的发光二极管照明装置构成的电路图。

下面参照附图说明与本发明一实施例有关的发光二极管照明装置。

图1示出发光二极管照明装置的构成。此照明装置，如图1所示，具有二极管桥式全波整流电路32，电阻33、34、37及40，扼流圈35，MOS型场效应晶体管(MOSFET)36，二极管38，平滑电容器39，可变电阻41，控制电路44，以及光源单元43。

二极管桥式全波整流电路32的输入端子的连接使其可以接受来自工业交流电源的交流电压。串联连接的电阻33、34连接于此全波整流电路32的输出端子之间充当分压电路。在全波整流电路32的负极侧输出端子接地。

另外，MOSFET36用作开关元件，此MOSFET36和电阻37的串联电路通过作为电感器的扼流圈35连接于全波整流电路32的输出端子之间。此外，平滑电容器39通过与扼流圈35及二极管38串联连接于全波整流电路32的输出端子之间。此外，光源单元43与平滑电容器39并联。此光源单元43包含互相并联的第1及第2串联电路，两者分别由作为光源的多个发光二极管42串联连接而构成。

控制电路44是用于对MOSFET36的开关切换进行控制的集成电路块。此控制电路44的输入电压检测端子1连接于电阻33、34的连接点，接地端子2接地，电压反馈端子3的连接方式使其可以接受来自电阻40和可变电阻41的连接点DV的反馈电压，电流峰值检测端子4连接于MOSFET36的源级端子和电阻37的连接点，控制输出端子5连接于MOSFET36的栅极端子，电流停止检测端子6连接于与扼流圈35磁耦合的线圈45的一端。线圈45的另一端接地。此照明装置还设置有具有开灯按钮、调光(1)按钮、调光(2)按钮和关灯按钮的操作单元46。此操作单元46将由连接点DV得到的电压经过从上述按钮中选择的一个按钮进行分压，供给控制电路44的电压反馈端子3。

控制电路44，如图2所示，具有比较器44A、PWM定序器44B以及乘法器44C。比较器44A将流过电流停止检测端子6的电流与参考值REF进行比较，并将与此比较结果相应的输出电压f提供给PWM定序器44B。在该电流小于参考值REF时，设定此输出电压f等于0V。乘法器44C对来自输入电压检测端子的输入电压a及来自电压反馈端子3的反馈电压b进行乘法运算，并将该乘法运算结果得出的电压c提供给PWM定序器44B。电流峰值检测端子4还将来自MOSFET36的输出电压d供给PWM定序器44B以便检测电流峰值。PWM定序器44B，在输出电压f为0V时，通过控制输出端子5向MOSFET36提供接通电压作为控制电压，在输出电压d等于来自乘法器44c的电压c时，通过控制输出端子5向MOSFET36提供断开电压作为控制电压。操作单元46，为使连接点DV的电压保持一定，采用由分别设置的电阻R1和R2构成的分压电路将该电压分压后负反馈给电压反馈端子3。开灯按钮用的分压电路的分压比由电阻R1及R2的电阻比R1∶R2，比如100∶1，来设定。由此，在构成将此光源单元43的全部发光二极管42点亮的系统的场合，调光(1)用分压电路的分压比由电阻比R1∶R2设定，比如为100∶5，调光(2)用分压电路的分压比由电阻比R1∶R2设定，比如为100∶10，关灯用分压电路的分压比由电阻比R1∶R2设定，比如大约为100∶30。

下面对此发光二极管开灯点亮的动作予以说明。

如使MOSFET36接通，则有电流通过扼流圈35、MOSFET36及电阻37流过，在扼流圈35中储存与流过扼流圈35的电流相应的磁能。而如使MOSFET36断开，则通过MOSFET36的电流被断开，于是这一次电流由扼流圈35通过二极管38流入平滑电容器39。由此在平滑电容器39中储存电荷，而扼流圈35中的磁能减少。

之后，在流经扼流圈35的电流为零的时刻，MOSFET36重新接通。然后重复同样的动作。为了使流经扼流圈35的电流一直减少到零，平滑电容器39的电位必须高于输入电压的峰值，即必须是升压型的交流一直流变换。

因为平滑电容器39的充电依赖于MOSFET36的开关切换状态，通过使MOSFET36一直处于开、关状态，则虽然依赖输入电压，但对平滑电容器39一直有电流流入。此时的平滑电容器39的脉动成分与电容器输入形式的相比有所减少。

于此，假设发光二极管42的正向电压最低为1V，最大为有电流20 mA流过时的1.5V，则在发光二极管42由200个串联连接构成时，其正向电压的总和处于200 V～300 V的范围。也即平滑电容器39两端之间的电压处于0～200 V之间时，在发光二极管中完全没有电流流过，在200 V～300 V之间时流过发光二极管42的电流量根据电压而定，所以发光二极管42的发光量为可随电压而改变。

因此，在300 V时光源单元43处于产生最大亮度的状态。此时的电压和电流之间的关系用图表示则如图3所示。

平滑电容器39两端之间的电压，如MOSFET36的接通时间长时，则在扼流圈35之中储存的磁能也相应增多，结果变换为平滑电容器39中的电荷能的量也增加。反之，MOSFET36的接通时间短，则平滑电容器39两端的电压低。利用这一点，在使施加于光源单元43之上的电压在200V～300 V范围内变化时，就可以对光源单元43进行调光控制。

这样，控制电路44，在操作操作单元46的开灯按钮时，使平滑电容器39的两端电压达到300V而控制MOSFET36的通断；在操作操作单元46的调光(1)按钮时，使平滑电容器39的两端电压达到例如270V而控制MOSFET36的通断；在操作操作单元46的调光(2)按钮时，使平滑电容器39的两端电压达到例如230V而控制MOSFET36的开关切换；在操作操作单元46的关灯按钮时使平滑电容器39的两端电压不足200V而控制MOSFET36的通断或保持断开状态。于是，在操作开灯按钮时光源单元43以最大亮度开灯；操作调光(1)按钮时，光源单元43以大约70％的亮度开灯；操作调光(2)按钮时，光源单元43以大约30％的亮度开灯，操作关灯按钮时，光源单元43关灯。这样，就可以简单地进行关灯控制、调光控制和开灯控制。

控制电路44，为了通过操作开灯、调光(1)、调光(2)及关灯各按钮依照预定的时序对MOSFET36进行控制，对输入电压的状态、平滑电容器39的端子电压、流过扼流圈35的电流的变化点以及流过MOSFET36的电流分别进行检测。输入电压的状态利用电阻33和34的连接点上输入到输入端子1的电压检测，平滑电容器39的端子电压利用电阻40和可变电阻41的连接点上输入到输入端子3的电压检测，流经扼流圈35的电流的变化点将流经与扼流圈35磁耦合的线圈45的电流送入端子6进行检测。另外，流经扼流圈35的电流利用输入到端子4的MOSFET36和电阻37的连接点电压进行检测。于是，根据这些检测结果就可以向自端子5输出按预定时序进行开关控制的信号。具体说来，如MOSFET36按图4所示接通时，流经扼流圈35的电流就如图4所示直线增加。因为此电流是流经MOSFET36及电阻37，在电阻37上所产生的波形如图4所示。因此，控制电路44检测输入到端子4的电压波形，在此电压达到阈值电压Vth时就可断开MOSFET36。

这样，如断开MOSFET36，则如图4所示，此次扼流圈35中的电流将直线减小，不久就变为零。于是，控制电路44通过经端子6的输入检测到此电流为零的时刻时，就使MOSFET36接通。

因此，在此种控制中，如使控制电路44设定的阈值电压Vth变化，就可以使MOSFET36的开关切换控制开或关的时刻改变。也即，如阈值电压Vth提高，则输入电流增加而使流入平滑电容器39的电流量增加。反之，如阈值电压Vth降低，则输入电流减小而使流入平滑电容器39的电流量减少。

因此，可以利用设定的阈值电压Vth改变调光的程度。另外，通过在增加光源43的发光二极管42的数量而增加负载的电力(功率)消耗时提高阈值电压Vth，反之，在减少光源43的发光二极管42的数量而减小负载的电力(功率)消耗时降低阈值电压Vth，就可以做到根据负载的变化而进行相应的改变。如此，仅仅改变阈值电压Vth就可以根据负载的变化而简单地进行相应的改变。

为了使输入电流波形与输入电压波形相似，使阈值电压Vth与来自控制电路44的端子1的输入电压的检测电压成比例地变化。此外，为了抑制平滑电容器39的端子电压的变动，即平滑电容器39的脉动，通过来自控制电路44的端子3的电压检测平滑电容器39的端子电压，将其与参考电压进行比较，并根据其差值改变阈值电压Vth。

因此，通过使阈值电压Vth成正比，加之，使其与平滑电容器39的端子电压和参考电压的差值成比例变化，就可以使阈值电压Vth和输入电压的波形相似。图5A示出控制电路44的端子3的输入电压高时，端子1的输入电压Vin和阈值电压Vth的电压波形，图5B示出控制电路44的端子3的输入电压低时端子1的输入电压Vin和阈值电压Vth的电压波形。

流过扼流圈35的电流的电流波形是以阈值电压Vth为顶点的无数三角形形状。电流波形为三角形形状，其平均电流为峰值电流的1/2。因此，可以设定阈值电压Vth等于所要求的输入电流的两倍。

通过这种控制，除了可以得到光源单元43所需的预定输出功率之外，还可以如图6所示使输入电流波形Vin和输入电流波形Iin一致。于是，波形相等就可使功率因数尽量接近100％。此外，因为输入电压为商用频率的正弦波，输入电流的波形也为正弦波，不包含高次谐波分量。而且，因为光源单元43的亮度的调节和功率因数的改善及输入电流高次谐波的减少可归结为MOSFET36的开关控制，控制很简单。此外，因为发光二极管42是利用直流开灯，可不需要高频变换器，可以使整体上使用的元件个数减少而简化了构成。

根据本发明，照明装置无需复杂的构成，就可以在抑制高次谐波的同时减少电力损失。

Claims

1．一种照明装置，包括：

对来自交流电源的交流电压进行整流的全波整流电路；通过与电感器及二极管串联而连接于上述全波整流电路的输出端子之间的平滑电容器；与上述平滑电容器并联的包含多个发光二极管的串联电路的光源单元；通过上述电感器连接于上述全波整流电路的输出端子之间的开关元件以及对上述开关元件进行开关控制的控制电路，上述控制电路在通过上述二极管点亮上述光源单元时，根据上述开关切换控制将上述平滑电容器端子之间的电压设定为高于输入上述平滑电容器的输入电压的峰值，并且等于上述多个发光二极管的正向电压的总和。

2．一种权利要求1所述的照明装置，其中：

所述控制电路在熄灭上述光源单元时，根据开关切换控制将上述平滑电容器端子之间的电压设定为低于上述多个发光二极管的最低正向电压的总和。

3．一种权利要求1所述的照明装置，其中：

所述控制电路在对上述光源单元调光时，根据上述开关切换控制将上述平滑电容器端子之间的电压设定为高于上述多个发光二极管的最低正向电压的总和，并低于最大正向电压的总和。

4．一种权利要求1所述的照明装置，其中：

所述控制电路根据取决于上述输入电压的阈值电压进行上述开关切换控制。

5．一种权利要求3所述的照明装置，其中：

所述控制电路根据与上述光源单元调光时的上述输入电压成比例的阈值电压进行上述开关切换控制。