CN1430864A - 发光二极管灯串的优选实施例 - Google Patents

Abstract

一种LED灯串采用在段串并联中连线的多个LED，其中一个或多个串联段并联连接，每个串联段用相同的输入电压作为源电压(110VAC或220VAC)。使用普通家用插头使LED灯串与电源电压相连接；并且还包括一个电并联连接的相应普通家用插座，以使得多条灯串从端到端相互连接；并且还包括交流－直流电能转换电路。该灯串的LED可以包括单色LED或者包含分别具有不同颜色的多个子管芯的LED。

Description

发光二极管灯串的优选实施例

本申请是1999年6月24日递交的序号为09/339,616、标题为“发光二极管灯串的优选实施例”、律师文档编号1009.004的共同未决申请的部分继续申请，而该09/339,616申请是在1998年8月28日递交的序号为09/141,914、标题为“采用串并联段耦合的发光二极管灯串”、律师文档编号1009.002的共同未决申请的部分继续申请，该共同未决申请的全部在此被作为参考文献。该申请要求1999年2月12日递交的美国临时申请第60/119,804号的优先权。

本发明涉及灯串，特别涉及采用发光二极管的装饰灯串。

发光二极管(LED)被越来越多地以各种形式用作为一种基本光源，包括装饰光，其原因如下。首先，作为一种器件，与普通的白炽光源和荧光光源相比，LED具有非常长的使用寿命，典型的LED使用寿命至少为100000小时。其次，LED具有几种可取的物理特性，包括耐久性、冷操作、以及能够在宽的温度变化范围内工作。第三，LED目前可用于所有原色和几种合成色，以及用于使用蓝光源和荧光体的“白色”形式。第四，利用最近的掺杂技术，LED变得更加有效，并且当前可用有色LED光源可能在等量的光输出下消耗的电能比白炽灯小一个量级。最后，随着应用的扩大和需求量的增加，以及随着新的制造技术的出现，LED越来越具有成本效率。

例如用于圣诞节的灯火是主要用于装饰目的的基于LED的灯串是LED的一个应用。例如授予Lanzisera的美国专利第5,495,147号标题为“LED灯串系统”(在下文中称为“Lanzisera”)以及授予Leake的美国专利4,984,999，标题为“灯串说明书”(在下文中称为“Leake”)描述了不同形式的基于LED的灯串。在Lanzisera和Leake中，所述的示例灯串采用使用降压变压器和整流器的电能变换方案的分离LED灯的纯并联布线。在现有技术中所找到的这些和所有其它LED灯串的说明把输入电能(通常假设为110伏交流电(VAC)的美国家用电能)转换为低压，接近于直流输入。本发明不采用这种输入电能转换，并且说明一个优选实施例，其中LED灯串直接由普通家用的110伏交流电或220伏交流电源来供电，而没有通过电能转换采用较低电压。LED可以用家用交流电驱动，而不用直流电，因为如果用在反向偏压方式中，额定的LED正向偏压通常比LED的p-n结击穿时的反向偏压低得多。当LED由交流电所驱动时，以交流电频率(例如，60或50Hz)产生脉冲光，该频率对于人眼来说足够高，从而看起来象一个连续光源。

本发明涉及一种灯串，包括：一对连接到家用交流电插头的连线；多个由该对连线供电的LED，其中这些LED相串联，以形成至少一个串联段；(多个串联段如果采用的话)，它们相互并联；在相对端的标准家用交流插座，用于以端对端的电并联方式连接多条灯串。

从下文的具体描述、所附权利要求以及附图，本发明的其它方面、特点和优点将变得更加显而易见，其中：

图1主要示出在优选实施例中的灯串的两个示例方框图，其中一幅图用于110VAC的普通家用输入电源(例如，60Hz)，另一幅图用于220VAC的普通家用输入电源(例如，50Hz)。

图2A示出本发明的一个实施例的示意图，其中图1中的50个LED(串联)段102的二极管沿同一方向连接。

图2B示出本发明的一个实施例的示意图，其中图1中的50个LED(串联)段102的二极管沿相反方向连接。

图3示出在另一个优选实施例中的灯串的两个示例方框图，其中一幅图用于110VAC的普通家用输入电源(例如，60Hz)，另一幅图用于220VAC的普通家用输入电源(例如，50Hz)。

图4示出对应于图3中的两个方框图的交流至直流电源的示意图，用于110VAC或220VAC输入电源。

图5示出以“直线”或者“帘”的形式制造的灯串的示意图(这两种形式可以被用于110VAC或220VAC输入)。

图6示出用于在灯串中容纳LED的外壳的特殊加工的示意图，其用于保证在灯串电路中正确的LED电极。

图7示出LED以及其在灯串中的外壳的特殊加工和制造的示意图，其中使用图6中的例子保证正确的LED极性。

图8示出附加到LED及其在灯串的外壳上的光纤“冰柱”的示意图，其中该“冰柱”以预定的方式散射LED光。

术语“交流电压”有时简称为“VAC”，在此有时用于表示电压数值，例如“220VAC”。应当知道所述的交流电压数值是额定电压，该电压以正向和反向偏压连续循环，并且在给定时间点的实际瞬间电压可以不同于额定电压数值。

根据本发明，一种LED灯串采用多个以串并联形式连接的LED，其中至少包括一个多LED的串联段。该串联段的大小由标准输入电压(例如，110VAC或220VAC)与所采用LED的驱动电压(例如，2V直流)的比值所决定。另外，如果采用多个串联段，每个串联段具有相同的LED结构(相同数目和种类的LED)，并且沿着灯串并联连接。灯串的LED可以包括单色LED或者包括分别具有不同颜色的多个子管芯的一个LED。LED透镜可以是任何形状的，并且可以是透明、有色透明、或者有色散射的。另外，每个LED可以具有内部电路以提供间断的通-断闪烁和/或间断的LED子管芯颜色改变。灯串的各个LED可以连续排列(使用相同颜色)，或者周期排列(使用多种交替颜色)，或者随机排列(任何多种颜色的次序)。LED灯串可以提供把多个LED灯串从端到端并联连接和实际连接的电接口。光纤束或股也可以连接到各个LED，从而以预定方式散射LED光。

本发明的一种LED灯串具有如下优点。该LED灯串比白炽灯灯串寿命更长并且消耗更少的电能，并且由于它产生更少的热量因此更加安全。通过采用串并联段以便于能够直接用标准家用110VAC或220VAC电源而工作，从而可降低该LED灯串的制造成本，并且不需要任何附加电路(交流驱动)，或者仅仅用小型的电路(直流驱动)。另外，该LED灯串可以用标准的110VAC或220VAC插头和插座使多个灯串方便地从端到端连接在一起。

LED灯串的直接交流驱动避免了任何电能转换电路和附加线路(这些电路的线路会增加灯串的成本)。附加线路造成附加的机械限制，并且它们还降低了装饰灯串的美感。但是，直接交流驱动导致脉冲光。尽管在一般的交流驱动频率(例如50或60Hz)下该脉冲光不能被看到，但是脉冲本身不是最有效地使用每个LED器件，因为它比用直流连续驱动LED产生更少的总光量。较低光量的产生可以通过使用更贵更亮的LED来补偿，从而存在一个工程权衡利弊的问题，其中交流驱动是基本校准选择，直流驱动是替换校准选择。

图1示出根据本发明的LED灯串的实施例，并且主要且较佳地是通过交流驱动。在图1中，两个方框图对应于采用100个LED的示例灯串，用于110VAC(上图)或220VAC(下图)标准家用电流输入(例如，50或60Hz)。在图1的上框图中，输入电接口仅仅包括连接到一对驱动线上的标准110VAC家用插头101。对于在图1中假设约为2.2V的LED平均驱动电压，对于对应110VAC输入的上框图的基本串联段大小大约为50个LED。因此，对于110VAC，两个50LED 102的串联段沿着灯串并联到驱动线。用于110VAC灯串的两条驱动线端接一个标准的110VAC家用插座103，以使得多个灯串从端到端相互电并联。

在图1的下框图中，输入电接口类似地包括连到一对驱动线上的一个标准220VAC家用插座104。再次假设在图1中平均LED驱动电压约为2.2V，对于对应220VAC输入的下图的基本串联段大小为100个LED。因此，对于220VAC，仅有一个100个LED的串联段105沿着灯串连接到驱动线。用于220VAC灯串的两条驱动线端接一个标准220VAC家用插座，以使得多个灯串从端到端并联连接。请注意，对于110VAC或220VAC灯串，在灯串中采用的标准插头和插座根据该灯串所用在的国家而变化。

当使用交流驱动并且在该灯串中包含两个或多个串联段时，该串联段可以分别由交流电压周期的正半周或负半周所驱动。唯一的要求是，在每个串联段中，LED以相同的极性连接；但是由于与其它串联段相并联地受到驱动，因此该串联段本身可以沿任何方向连接，并使用对称交流电能周期的正半周或负半周。

图2A和2B示出实现图1的上图的两个示意图，其中示出交流驱动的最简单例子，即采用两个50LED的串联段并联连接并由110VAC所供电。在图2A的上图中，这两个LED串联段并联连接，并且每个段的极性沿相同方向(或者等同方向，如果这两个段都反向的话)。利用这种段排列方式，两个串联段同时闪烁，使用来自对称交流电周期的正半周(或者负半周，如果两个段都反向的话)的电力。这种结构的一个可能的优点是，由于LED都以相同的频率(在比例中为60Hz)同时闪烁，则当该灯串周期闪烁时，它最亮。该结构的缺点在于，由于两个段同时闪烁，它们同时耗电，并且在这时最大电流消耗最大。但是，当每次以该频率发生闪烁时，闪烁的光量为最大。闪烁频率，50-60Hz，不能直接由人眼所看到，而是被整合为连续光。

图2B的下方示意图示出用于图1的上图的替换实施方式，其中两个50LED的串联段相并联并由110VAC所供电。在这种排列方式中，两个串联段的极性相对于输入交流电彼此反向。因此，两个段交替闪烁，其中一个段在每个交流电周期的负半周过程中闪光。交流电的对称性或者“正弦波”的特性使得这种方式成为可能。其优点是，由于每个段交替闪烁，则在相反的交流电相位过程中消耗能量，在每次闪烁过程中消耗的总电能仅仅是以前的一半(即，与两个段同时闪烁相比)。但是，当每次闪烁发生时，在此以两倍的频率闪烁，闪烁的光量被减小(即，是上文所述的两个段同时闪烁的光量的一半)。该闪烁频率，100-120Hz，不能够直接由人眼所看到，而是被整合为连续光。

当在交流驱动电路中存在两个或多个串联段时，反向串联段之间的权衡主要受到减小峰值电流消耗的需要的影响。第二个影响与人眼整合周期闪光的特性有关。在此，作者不完全了解，对于以较慢频率的更亮闪光与较快频率的更暗闪光，人在感觉亮度方面是否有任何明显的差别。在任何结构中，对于典型的对称“正弦波”的交流驱动，平均电能消耗，以及发射的光平均量总是相同。并且由于在任何情况中的闪烁频率远大于人眼可以直接区分各个闪光的频率，因此频率对人感觉的总效果可能不重要，并且平衡负载，通过反向一半或近一半串联段(例如，对于LED串联段的数目为奇数的情况)更可能是优选的实现方式，因为其峰值功率消耗最小。

对于用非标准输入(例如，三相交流电)的交流驱动，串联段可以类似地按极性排列，以在多相交流电的各个周期中分用电能。这可能导致多个极性被用于LED串联段，也就是说三个极性用于三个正周期或三个负周期。

作为交流驱动的另一种优选方案，图3示出两个方框图，其对应于采用100个LED和直流驱动的示例灯串，用于110VAC(上图)或220VAC(下图)标准家用电流输入(例如，50或60Hz)。在图3的上框图中，输入电接口包括连到一对驱动线上的一个标准110VAC家用插头301，随后接着一个直流-交流转换电路302。如图1中所示，在图3中该平均LED驱动电压假设约为2.2V，对应于110VAC输入的用于上框图的基本串联段的大小约为50个LED。因此，对于110VAC，使用沿着灯串的附加馈线，把50个LED的两个串联段303并联到交流-直流转换器302的输出端。用于110VAC灯串的两条驱动线端接一个标准110VAC家用插座304，以使得多个灯串从端到端电并联。

在图3的下框图中，输入电接口类似地包括连到一对驱动线上的一个标准220VAC家用插头305，随后接有一个交流-直流转换器电路306。再次假设图3中的平均LED驱动电压约为2.2V，用于下图的对应于220VAC输入的基本串联段大小为100个LED。因此，对于220VAC，使用沿着灯串的附加馈线，把仅仅一个100个LED的串联段307连接到交流-直流转换器306的输出端。用于220VAC灯串的两个驱动线端接在一个标准220VAC家用插座308上，以使得多台灯串从端到端相并联。请注意，对于110VAC或220VAC灯串，在该灯串中采用的标准插头和插座根据该灯串所用在的国家而变化。

图4示出用于图3的两幅图中的交流-直流转换器的示例电路原理图。至图1中的电路的交流输入由用于交流源401的符号所表示。压敏电阻器402可选地被用于保证在电涌期间电压受到限制。实际的交流到直流的整流通过利用全波桥式整流器403而进行。该桥式整流器403产生波动直流电流，并且因此仅仅用作为一个示例电路。根据成本的考虑，可以采用不同的整流方案。例如，可以添加一个或多个电容器或电感器以减小波动，并少量地增加成本。由于具有许多可能实现方式，并且由于它们是不重要的，因此这些和类似的附加电路特征被有意地从图4中省略。

对于110VAC或220VAC的LED灯串，以及根据是否使用交流-直流电源转换器，最终的产品可以是基本的“直线”灯串形式或者基本的“帘”灯串形式的一种变形，如图5中的上图和下图中所示。在基本的“直线”型灯串中，标准的(110VAC或220VAC)插头501连到驱动线上，该驱动线通过上述串并联馈电方式向LED502供电。为了压缩体积，两条驱动线和其它馈线503沿着灯串的长度缠绕在一起，并且“直线”形式的LED502与缠绕线503对齐排列，并且LED502沿着灯串长度等间距分布(请注意附图没有按比例画出)。在“直线”形式的灯串中的两条驱动线端接标准(对应于110VAC或220VAC)插座504。典型地，LED每隔4英寸等间距分布。

在灯串的基本“帘”形式中，如图5中的下图所示，标准(110VAC或220VAC)插头501再次被连到驱动线上，该驱动线通过上述串并联馈电向LED502供电。为了压缩体积，两条驱动线和其它馈线503沿着灯串的长度缠绕在一起。但是到LED的馈线现在被缠绕和排列，使得LED以小组形式(图中示出3-5组作为一个例子)偏离灯串的轴线。这些偏离的LED组的长度可以沿着灯串保持相同长度，或者它们可以按周期或随机方式变化。在偏离LED的每个组中，如图所示LED502可以等间距分布，或者它们可以按照周期或随机方式不等间距分布(请注意附图没有按比例画出)。在灯串的“帘”形式中，两条驱动线也端接一个标准(对应于110VAC或220VAC)插座504。典型地，LED偏离组沿着灯串轴线每隔6英寸等间距分布，并且在每个组中，LED每隔4英寸等间距分布。

在任何上述LED灯串的优选实施例中，使用多种需要附加电路的技术，或者通过简单地把每个串联段中的一个LED替换为一个闪烁LED，可以获得闪烁效果。闪烁LED现在可以在市场上购得，其价格与连续发光的LED相当，因此该灯串可以在随附有包含在几个额外LED中的(例如一个或两个)必要的附加闪烁灯的情况下销售。

在该灯串的任何优选实施例的连线中，如上文所述，关键之处在于每个LED用正确的LED极性来供电。这等同于来自同一驱动线的所有馈电总是进入每个LED的正极或负极端。由于驱动线是交流的，因此是否最初选择正极或负极并不重要，唯一重要的是在每个串联段中的LED具有相同的极性方向(所有都是正极在前或者所有都是负极在前)。为了便于正确地制造，以及便于由用户正确地更换LED灯，每个LED及其组装到外壳中的组件可以被改进，以保证正确的极性。在图6中示出一种改进，其中LED(在最左侧示出的带有一个矩形弧顶的透镜)被改变为在其基座601上包含一个键形凸起，并且相应地，LED灯基座包含一个缺口602以容纳该键形凸起。仅仅用于制造方面的第一对改进部件使得LED正确地安装在其基座上，以形成可替换的LED灯泡。为了正确地把可替换LED灯泡安装在灯串上的支座上，灯基座也被改变为在其底部603包括一个键形凸起603，并且灯支座相应地有一个缺口604，用于正确地对准。第二对改进部件在制造方面和用户方面都是有用的，用于正确地把LED灯泡安装或替换到灯串上的支座中。LED灯基座或支座一起形成LED外壳。

在制造上述改进部件以保证正确的LED极性中，可以适当地制造LED模子，以使得图6中所示的两段可替换的LED灯泡可以在一个步骤中作为单个工件而制造。这在图7中示出，其中单个可替换LED灯泡701具有单个键形凸起，以安装到其缺口的灯支座702上。尽管这需要对LED基座进行更多的改进，但是所得的组件包括两个而不是三个LED工件，这使得灯串可以更快并以更低成本制造。

一般地，在灯串中的LED将包括一个用于广角散射的透镜。但是，还可以把光纤束或股附加到LED上，从而以预定的方式在空间上散射LED光，而产生某种视觉效果。在这种情况下，LED透镜被设计为产生沿着其轴线的窄角光束(例如，20度射束宽度)，使得LED光以高的耦合效率流到光纤中。使用光纤的一个例子在图8中示出，其中采用非常高损耗的光纤杆，使该光纤杆象一个被照射的“冰柱”。在图8中，LED801及其壳体802可以用固定到LED透镜和光纤杆的端部的短管804连到光纤杆803上(请注意该图没有按比例示出)。一个示例设计方案使用具有窄角端射束的圆柱型LED透镜，其中LED透镜的直径与光纤杆的直径相同(例如，5毫米或3/16英寸)。光纤杆803一般长度为3-8英寸之间，并且在整个灯串长度上是一致的，或者光纤杆长度可以按照周期或随机方式变化。

尽管在图8中的光纤杆803可以用各种塑料或玻璃材料所构成，但是最好该杆由透明的丙烯塑料或透明的苯乙烯塑料制成刚性形式，或者用聚氯乙烯(PVC)塑料制成高度柔性形式。由于安全、耐用、光透明性以及成本方面的原因，这些塑料是优选的。可以在该塑料杆材料中添加气泡或者其它结构，例如微金属反射体，以实现所需的损耗方式，用于离轴(off-axis)发光(损耗)以及轴向光传导。另外，如果使用PVC或透明的苯乙烯，可能需要添加防紫外线化学成份，例如阻胺抗光剂(HALS)化学成份的组合物。把光纤杆803连接到LED透镜801的管道804还可以用各种材料制成，并且根据不透明性、内径、壁厚以及柔软性可以用各种方式来确定。从安全性、耐用性、透光性以及成本方面考虑，该连接管804最好为短的(例如，10毫米长)标准透明柔软的PVC管(包含抗紫外线化学成分)，其直径使得该管道适合固定在LED透镜和光纤杆上(例如，具有1/4英寸外径的标准壁管)。粘合剂可以被用于更加牢固地固定该组件。

应当知道，本领域内的专业技术人员可以对已经描述并示出以说明本发明的实质的部件的具体细节、材料和布局方面作出各种改变，而不脱离所附权利要求中表达的本发明的原理和范围。

Claims (30)

1.一种灯串，包括：

电串联以形成至少一个串联段的多个发光二极管“LED”，每个串联段被并联电连接在具有一个源端和一个末端的各对连线之间并位于在该源端和末端之间；以及

一个第一连接器，它电连接在该源端，该连接器适用于直接电连接到一个交流电源。

2.根据权利要求1所述的灯串，其中该灯串适合于在没有至直流电的中间转换的情况下接收交流电。

3.根据权利要求2所述的灯串，进一步包括把LED支承在该源端与该末端之间的一对线路。

4.根据权利要求1所述的灯串，其中该电源提供了具有至少约为110伏的交流电压的交流电。

5.根据权利要求4所述的灯串，其中每个LED具有一个p-n结-它确定了一个击穿电压，其中如果在所述p-n结上施加高于该击穿电压的反向偏压，则所述p-n结被击穿，并且在该灯串中的交流电压小于该击穿电压。

6.根据权利要求5所述的灯串，其中该交流电压在大约110-220伏的范围内。

7.根据权利要求1所述的灯串，其中该交流电压具有使每个LED发出使人眼感觉为连续光的脉冲光的频率。

8.根据权利要求7所述的灯串，其中该频率至少为约50Hz。

9.根据权利要求1所述的灯串，其中该第一连接器是有极性的，并且该灯串进一步包括一个第二个有极性的连接器，其适用于与另一条灯串的第一有极性连接器相连接，从而提供在一个端到端排列中的多个灯串连接。

10.根据权利要求1所述的灯串，其中每个串联段的LED的数目最多为由该电源所决定的最大数。

11.根据权利要求1所述的灯串，其中每个LED具有一个相应的光输出颜色，并且在每个串联段中的所有LED为相同颜色或不同颜色。

12.根据权利要求11所述的灯串，其中在每个串联段中的LED以非随机顺序或随机顺序按颜色排列。

13.根据权利要求11所述的灯串，其中至少一个LED包括一个壳体和一个可拆卸安装到该壳体上以用于散射通过该光纤束的LED光输出的光纤束。

14.根据权利要求1所述的灯串，其中该LED偏离该连线并且相对于一条连线轴排列。

15.根据权利要求14所述的灯串，其中每个LED平行于该连线排列，以产生一种直线排列。

16.根据权利要求15所述的灯串，其中在每个串联段中的LED等间距分开。

17根据权利要求14所述的灯串，其中该LED以偏离组排列，其中每个偏离组具有与其中的LED相关的长度，并且垂直于该连线排列，以产生一条具有帘排列方式的灯串，其中该灯串包括按照周期或伪随机排列方式等间距或不等间距地排列的偏离组。

18.根据权利要求17所述的灯串，其中在一个偏离组中该LED以一个第一距离等间距排列，并且每个偏离组沿着驱动连线轴以一个第二距离等间距排列。

19.根据权利要求1所述的灯串，其中该LED的灯支座和灯基座适合于包括相配合的缺口或键形凸起，用于把该灯支座安装到该灯基座中，从而按照极性定向和排列LED。

20.根据权利要求1所述的灯串，其中该LED的灯组件适合于包括相配合的缺口或键形凸起，用于把灯泡安装到灯组件中，从而按照极性把该LED定向和排列到该灯串上的灯支座上。

21.根据权利要求6所述的灯串，其中该交流电源是220VAC。

22.根据权利要求21所述的灯串，其中在一个串联段中的LED的最大数为100。

23.根据权利要求6所述的灯串，其中该交流电源为110VAC。

24.根据权利要求23所述的灯串，其中在一个串联段中的LED的最大数为50。

25.根据权利要求1所述的灯串，其中该灯串包括多个串联段。

26.根据权利要求9所述的灯串，其中第一有极性的连接器是一个有极性的插头。

27.根据权利要求26所述的灯串，其中该第二有极性的连接器是一个有极性的插座。

28.根据权利要求1所述的灯串，其中一个灯串进一步包括一个有损耗光纤杆-其直径等于一个对应LED透镜的直径，并包括一个光纤容器，其中该光纤容器适合于把该杆和LED透镜容纳到相对的端，从而产生一种光冰柱的特点。

29.根据权利要求2所述的灯串，其中包括多个串联段，并且其中在每个串联段中的所有LED具有限定一个串联段的极性方向的相同极性，并且该串联段沿着与该灯串中的其它串联段相同或不同的串联段极性方向并联电连接在所述连线对之间。

30.根据权利要求29所述的灯串，其中该灯串的所有段沿相同串联段极性方向并联连接在所述连线对之间。

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