DE112012003338T5

DE112012003338T5 - Wechselstrom-Gleichstrom-LED-Beleuchtungsvorrichtungen, -Systeme und -Verfahren

Info

Publication number: DE112012003338T5
Application number: DE201211003338
Authority: DE
Inventors: Tong Fatt Chew
Original assignee: GT Biomescilt Light Ltd
Current assignee: GT Biomescilt Light Ltd
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2014-04-24
Also published as: US20140217910A1; US20110298393A1; US8766548B2; US9018846B2; WO2013023234A1

Abstract

Es werden Beleuchtungsvorrichtungen (10), -systeme und -verfahren, die eine Wechselstromversorgung (14) in einen Gleichstrom umwandeln, zum Betreiben mehrerer Leuchtdioden (LEDs) offenbart. Eine Beleuchtungsvorrichtung (10) umfasst einen Vollwellengleichrichter (12) zum Umwandeln der Wechselstromversorgung in einen Gleichstrom. Ein Strombegrenzungsdioden(CLD)-Modul (16), das mindestens eine CLD umfasst, ist mit einem Ausgang des Vollwellengleichrichters in Reihe geschaltet, und ein Leuchtdioden(LED)-Modul (18), das mehrere LEDs umfasst, ist zwischen einem Ausgang des CLD-Moduls (16) und dem Vollwellengleichrichter (12) in Reihe geschaltet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein Beleuchtungsvorrichtungen, -systeme und -verfahren, die einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandeln, um eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) zu betreiben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die rasche Entwicklung des Wirkungsgrades von LEDs in den zurückliegenden Jahren hat dazu geführt, dass LEDs in Beleuchtungsanwendungen Einzug gehalten haben, wo sie in vielen Fällen die Glühlampe ersetzen und in einigen speziellen Beleuchtungsanwendungen allmählich auch an die Stelle von Kaltkatodenleuchtstofflampen (CCFLs) und Leuchtstoffröhren treten. Während sich LED-Anwendungen außerhalb des Beleuchtungssektors in vielfältiger Form in Ansteuerungsschaltungen fest etabliert haben, lässt sich das gleiche nicht für LEDs sagen, die direkt über das Stromnetz betrieben werden. Im Gegensatz zu anderen Anwendungen sehen sich LED-Lampenprodukte, die zur Beleuchtung verwendet werden, mit der Konkurrenz durch Glühlampen und CCFLs mit ihren geringen Anschaffungskosten konfrontiert. Insofern ist es kaum wettbewerbsfähig, teure Ansteuerungsschaltungen zum Betreiben von LED-Lampen direkt über das Stromnetz zu verwenden, weil die Ersatzkosten im Vergleich zu anderen Lampentechnologien höher sind und es länger dauert, bis sie sich amortisiert haben.
Außerhalb der Beleuchtungsanwendungen steht gewöhnlich eine unkomplizierte Niederspannungsversorgung zur Verfügung. Diese ermöglicht in Verbindung mit Konstantstromtreibern eine recht kostengünstige Lösung zum Ansteuern von LEDs für Instrumentierung und Displays in vielen Endanwendungen. Will man LEDs direkt über das Stromnetz betreiben, steht man gleich zu Beginn vor dem Problem der Kosten für das Netzteil zur Umwandlung des Wechselstroms in Gleichstrom. Im Stand der Technik macht ein gutes Netzteil für den LED-Betrieb mit einer Konstantstromquelle bereits fast die Hälfte der Kosten der ganzen LED-Lampe aus. In der Regel wird eine Schaltmodus-Stromversorgung implementiert. Andere existierende LED-Stromversorgungsregimes enthalten Halbwellengleichrichtung, Vollwellengleichrichtung und Gleichrichtung mit Glättungskondensatoren und -drosseln. Jedoch führen diese Regimes zu den Problemen eines niedrigen Leistungsfaktors und einer hohen Gesamtverzerrung der Stromversorgung durch Oberschwingungen.
Netzteile mit Konstantstromtreibern arbeiten in der Regel mit einer Schaltmodusstromversorgung im Verbund mit Schaltungen zum Erzeugen eines Konstantstroms zum Ansteuern der LEDs. Während der Konstantgleichstrom einen effizienten LED-Betrieb ermöglicht, bestehen der Ansteuerungsstromkreis und das Netzteil aus vielen Komponenten und sind somit teuer. Außerdem beansprucht dieses Design aufgrund der Größe und Anzahl der verwendeten Komponenten viel Platz. Das ist sehr hinderlich, wenn das Netzteil und der Ansteuerungsstromkreis in die Größe einer konventionellen Glühlampe eingepasst werden müssen.
Vollwellengleichrichtungsschaltkreis-Netzteile und -Ansteuerungsregimes haben gegenüber der Schaltmodusstromversorgung den Vorteil, dass sie weniger Komponenten haben und darum weniger Platz beanspruchen und relativ kostengünstig sind. Jedoch besteht eine Einschränkung dieses Designs darin, dass Spannung und Strom Halbsinus-Wellenformen folgen, die sich nicht zum Ansteuern von LEDs eignen.
Halbwellengleichrichtung ist nicht wettbewerbsfähig, weil infolge des Fehlens eines halben Betriebszyklus im Gleichstrommodus die Lichtabgabe gering ist. Zwar lässt sich das korrigieren, indem man zusätzliche LEDs in den Stromkreis einbaut, die im Umkehrzyklus arbeiten, doch verdoppeln sich dadurch die Kosten der LEDs.
Eine typische LED, wie zum Beispiel eine InGaN-LED, hat in der Regel bis zur Einschaltspannung einen Durchlassstrom nahe null, gefolgt von einem steilen Anstieg des Durchlassstroms für einen kleinen Spannungsanstieg. In einem typischen Design ist die Durchlassspannung dafür ausgelegt, im Spitzenzyklus ihren Maximalwert zu erreichen, der durch die LED fließen darf. Der resultierende durchschnittliche Ansteuerstrom für den gesamten Zyklus ist viel niedriger als der des Ansteuerungs-Gleichstroms. Das liegt zum Teil an der hohen Einschaltspannung der LED, und dies führt zu einem niedrigen Flussausgang für ein vollwellengleichrichtungsbasiertes LED-Modul.
Die Wellenform des Stroms und der Spannung, die durch den Vollwellengleichrichtungsschaltkreis erzeugt werden, hat hinsichtlich der Lumen pro Watt des Systems keinen optimalen Lichtabgabewirkungsgrad. Das liegt daran, dass nur ein kleiner Teil des Stromzyklus den maximal zulässigen Ansteuerstromwert aufweist, und folglich erreicht nur ein kleiner Teil des Stromzyklus die maximale Lichtabgabe, wie in 1 gezeigt. Die zeitgemittelte Lichtabgabe ist viel niedriger als im Gleichstrommodus. Darüber hinaus unterliegt die LED einer Beschränkung hinsichtlich der maximalen Spannung und des maximalen Ansteuerstrom, den sie verarbeiten kann, ohne dass es zu einer elektrischen Überlastung kommt. Eine Vollwellengleichrichtung ohne Modifizierung der sinusförmigen Durchlassspannung und der Durchlassstromwellenformen würde den Ansteuerstrom durch die LEDs wäherend eines Großteils des Stromzyklus stark begrenzen, was zu einem recht niedrigen durchschnittlichen Gesamtgleichstrom und einer niedrigen durchschnittlichen Leistung führen würde. 2 zeigt ein Beispiel der Lichtstärke(Iv)-Wellenform, die aus einer vollwellengleichgerichteten Stromversorgung resultiert. Etwa 40% der Dauer des Stromzyklus ist die Lichtabgabe praktisch null, und 70% der Dauer des Stromzyklus ist die Lichtabgabe weniger als die Hälfte des Spitzenwertes.
In konventionellen Brückengleichrichtungsschaltkreisen entsteht aufgrund der erhöhten Durchlassspannung der gleichgerichteten Stromversorgung über einen Teil des Stromzyklus mehr Wärme, was zu einer höheren LED-Sperrschichttemperatur führt. Die Lichtabgabe der LED nimmt in dem Maße ab, wie die Sperrschichttemperatur steigt, was an der Wärmecharakteristik der LED liegt. Das führt zu einem zweiten Einflussfaktor, der zum Absinken der Lichtabgabe beiträgt, zusätzlich zu dem Effekt, der durch die Stromsättigung in der LED-Sperrschicht hervorgerufen wird.
Einige Vollwellengleichrichtungsschaltkreise enthalten einen Filterkondensator, der dazu dient, Variation in der Gleichstromwellenform herauszuglätten. Jedoch bewirkt die kapazitive Last eine harmonische Verzerrung der Stromversorgung, und es kommt zu einem Abfall des Leistungsfaktors des Systems. Ein Beispiel eines solchen Schaltkreises, der zum Ansteuern von LEDs direkt aus dem Wechselstromnetz verwendet wird, ist in 3 gezeigt. Die Brückenschaltung wandelt die sinusförmige Wellenform aus dem Wechselstromnetz in eine vollwellengleichgerichtete Gleichstromwellenform um. Die Schaltung verwendet einen Kondensator C1 und eine Drossel L1 zum Glätten der resultierenden Gleichstromwellenform, während der Widerstandswert für den Widerstand R1 so gewählt wird, dass der Strom begrenzt wird, der durch die LEDs LED₁ bis LED_n fließt. Mitunter wird ein Überstromschutzgerät D1 in den Schaltkreis integriert. Zu den hauptsächlichen Verlusten des Systems gehören der Leistungsverlust im Widerstand R2 des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlungsblocks und der Leistungsverlust im Widerstand R1, der zum Begrenzen des durch die LEDs fließenden Stroms verwendet wird. In einem Beispiel des in 3 gezeigten Schaltkreises werden sechs InGaN-LEDs mit einer typischen Spannung von 3,3 V in der LED-Kette verwendet. In einem anderen Design werden zwei LED-Ketten mit jeweils sechs parallel geschaltete LEDs verwendet. Beide Designs haben insgesamt ungefähr 20 V Abfall an den LEDs mit der typischen durchschnittlichen Spannung von 3,3 V per LED. Der Überschuss der gleichgerichteten Spannung an den LEDs wird durch den Widerstand R1 aufgenommen und als Wärme dissipiert.
US 7,272,018 offenbart ein weiteres zum Stand der Technik gehöriges Netzteildesign in Form eines Schaltmodusstromversorgungsregimes mit Leistungsfaktorkorrektur. Der komplexe Schaltkreis hat mehr Komponenten und erhöht die Kosten des Designs für das Zuführen von Gleichstrom zu einer LED-Kette.
US 6,600,670 offenbart ein weiteres Schaltmodusstromversorgungsregime zum Bereitstellen einer Konstantgleichstromversorgung, die mehrere Arten von Komponenten benötigt und viele Komponenten hat. Für ein kostengünstiges Produkt wie zum Beispiel eine LED-Lampe sind diese Regimes nicht geeignet, auch wenn die Qualität der Gleichstromversorgung im Hinblick auf einen hohen Leistungsfaktor und eine geringe harmonische Verzerrung der Stromversorgung gut ist.
Ein weiteres Problem beim Ansteuern von LEDs direkt über das Wechselstromnetz ist die Variation der Durchlassspannung einzelner LEDs aufgrund ihrer Massenproduktion. Zum Beispiel liegt die Betriebsdurchlassspannung einer weißen LED in der Regel in einem Bereich von etwa 2,8 V bis etwa 3,5 V für höherwertige LEDs, während sie für geringerwertige LEDs in einem Bereich von etwa 2,8 V bis etwa 3,9 V liegt. Wenn die in Reihe geschalteten LEDs verkettet werden, so muss die Anzahl der verwendeten LEDs exakt bestimmt werden. Jedoch besteht aufgrund der Variation in der Durchlassspannung von LED zu LED die Notwendigkeit, einen schmalen Durchlassspannungsbereich für die LEDs zu spezifizieren. Diese Anforderung erzwingt ein striktes Durchlassspannungs-Binning für die LEDs. Dies erhöht die Herstellungskosten von LEDs zum Decken der Kosten von Ausschuss im Durchlassspannungs-Binningprozess. Wenn kein Durchlassspannungs-Binning ausgeführt wird, so kommt es zu einer Variation der Gesamtdurchlassspannung von den LEDs, was eine zunehmende Variation der Lichtabgabe der LED-Bauelemente zur Folge hat.
Wie oben dargelegt, verwenden viele Schaltkreisdesigns zum Betreiben von LEDs über eine Wechselstromversorgung induktive Komponenten, wie zum Beispiel Transformatoren, Drosseln oder Magnetspulen. Diese Komponenten verursachen elektromagnetisches Strahlungsrauschen und erfordern infolge dessen zusätzliche EMI-Unterdrückungsmaßnahmen im Schaltkreisdesign. Außerdem verursachen die Magnetspulen Brummrauschen in Gegenwart von magnetischen Teilen, zum Beispiel in Leuchtstoffröhrenleuchten.
Des Weiteren sind Schaltkreisdesigns zum Betreiben von LEDs über eine Wechselstromversorgung in US 7,344,275 , US 7,066,628 , US 6,867,575 , US 6,830,358 , US 6,636,027 , US 6,461,019 und US 6,072,280 offenbart. Jedoch sind diese Designs mit einem oder mehreren der oben erwähnten Probleme oder Nachteile behaftet.
Nachteile findet man auch bei konventionellen Systemen zum Steuern farbiger LEDs, die über eine Wechselstromversorgung betrieben werden. In konventionellen LED-Farbsteuerungssystemen werden entweder Impulsbreitenmodulation oder ohmsche Schalter verwendet, um die Farb- und Helligkeitspegel von roten, grünen und blauen (RGB) LEDs zu steuern, um den Farbgamut zu erzeugen. Impulsbreitenmodulation hat den Vorteil eines hohen Wirkungsgrades in Lumen pro Watt, aber ein Nachteil ist die Notwendigkeit komplexer Schaltungen zum Implementieren der Farbmischung, einschließlich der Verwendung von LED-Treibern, integrierten Farbsteuerungsschaltkreisen (ICs), eines Mikroprozessors und eines Netzteils für die Niederspannungsversorgung. Ohmsche Schalter nutzen den Reihenwiderstand zum Verringern des durch die LED-Schaltkreise fließenden Stroms. Obgleich dieses Verfahren billiger und einfacher als Impulsbreitenmodulation ist, verringert es den Wirkungsgrad des Beleuchtungssystems durch Wärmeverluste im Reihenwiderstand, insbesondere bei hohen Dimmpegeln.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und/oder ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung zum Betreiben von LEDs über eine Wechselstromversorgung bereitzustellen, die ein oder mehrere der oben erwähnten Probleme des Standes der Technik beseitigen oder wenigstens mindern oder den Verbrauchern eine nützliche Marktalternative bieten.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt – wenngleich auch nicht unbedingt der breiteste oder einzige Aspekt – betreffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung, die Folgendes enthält: einen Vollwellengleichrichter zum Umwandeln einer Wechselstromversorgung in einen Gleichstrom; ein Strombegrenzungsdioden(CLD)-Modul, das mit einem Ausgang des Vollwellengleichrichters in Reihe geschaltet ist, wobei das CLD-Modul mindestens zwei CLDs umfasst, die parallel geschaltet sind; und ein Leuchtdioden(LED)-Modul, das zwischen einem Ausgang des CLD-Moduls und dem Vollwellengleichrichter in Reihe geschaltet ist, wobei das LED-Modul mehrere LEDs umfasst.
Der Vollwellengleichrichter ist bevorzugt ein Brückengleichrichter, der eine einzelne Komponente oder vier Gleichrichterdioden in einer Brückenkonfiguration umfasst.
Das LED-Modul kann mindestens dreißig in Reihe geschaltete LEDs und/oder zwei oder mehr parallel geschaltete LEDs umfassen.
Das LED-Modul kann einen oder mehrere LED-Blöcke umfassen, wobei jeder LED-Block zwei oder mehr parallel und/oder in Reihe geschaltete LEDs umfasst.
Das CLD-Modul kann mindestens einen Schalter in Reihe mit mindestens einer CLD umfassen.
Der mindestens eine Schalter kann ein mechanischer Schalter oder ein elektronischer Schalter sein.
Bevorzugt beträgt die Summe eines Spannungsabfalls am CLD-Modul und am LED-Modul mindestens 90% der Wechselstromversorgungsspannung.
Zweckmäßigerweise werden die Anzahl von LEDs im LED-Modul und die Anzahl von CLDs im CLD-Modul so gewählt, dass ein gepulster Durchlassstrom entsteht, der Impulse aufweist, die flache Spitzen über mindestens 10% der Dauer des Stromzyklus umfassen.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann des Weiteren eine zurücksetzbare Positive-Temperaturkoeffizient(PTC)-Sicherung umfassen, die zwischen der Wechselstromversorgung und einem Eingang des Vollwellengleichrichters in Reihe geschaltet ist.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens zwei LED-Module und mindestens zwei CLD-Module umfassen, wobei jedes LED-Modul mit einem jeweiligen CLD-Modul in Reihe geschaltet ist.
Zweckmäßigerweise umfasst jedes LED-Moduls LEDs einer einzelnen Farbe.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann des Weiteren Folgendes enthalten: einen Verbinder zum Verbinden der Beleuchtungsvorrichtung mit der Wechselstromversorgung; ein Gehäuse, das mit dem Verbinder gekoppelt ist; und ein Substrat, das mit dem Verbinder innerhalb des Gehäuses gekoppelt ist, wobei die mehreren LEDs auf dem Substrat montiert sind.
Zweckmäßigerweise sind die mindestens zwei CLDs und der Vollwellengleichrichter an dem Substrat montiert.
Zweckmäßigerweise sind die mindestens zwei CLDs und der Vollwellengleichrichter mit dem Verbinder gekoppelt und befinden sich außerhalb des Gehäuses.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann des Weiteren mindestens einen Schalter in Reihe mit mindestens einer der CLDs umfassen, wobei sich der mindestens eine Schalter und die CLDs außerhalb des Gehäuses befinden.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens zwei LED-Module und mindestens zwei CLD-Module enthalten, wobei jedes LED-Modul mit einem jeweiligen CLD-Modul in Reihe geschaltet ist, wobei jedes LED-Modul LEDs einer einzelnen Farbe umfasst; und einen Schalter, der mit jedem CLD-Modul in Reihe geschaltet ist.
Zweckmäßigerweise wird der mindestens eine Schalter über eine Schnur oder eine Kordel, die mit dem Verbinder gekoppelt ist, betätigt.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann des Weiteren Folgendes enthalten: eine digitale Verknüpfungsschaltung, die mit mindestens einer der CLDs in Reihe geschaltet ist; einen Drahtlossendeschaltkreis, der mit der digitalen Verknüpfungsschaltung gekoppelt ist; und einen Drahtlosempfänger, der mit dem Drahtlossendeschaltkreis gekoppelt ist.
Zweckmäßigerweise befinden sich eines oder mehrere des Folgenden innerhalb des Gehäuses: der Vollwellengleichrichter; das CLD-Modul, die digitale Verknüpfungsschaltung; der Drahtlossendeschaltkreis, der Drahtlosempfänger.
Gemäß einem weiteren Aspekt – obgleich nicht unbedingt der breiteste Aspekt – betreffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Beleuchtungssystem, das Folgendes umfasst: mindestens zwei Beleuchtungsvorrichtungen, wobei jede Beleuchtungsvorrichtung einen Vollwellengleichrichter zum Umwandeln einer Wechselstromversorgung in einen Gleichstrom enthält; ein Strombegrenzungsdioden(CLD)-Modul, das mit einem Ausgang des Vollwellengleichrichters in Reihe geschaltet ist, wobei das CLD-Modul mindestens zwei CLDs umfasst, die parallel geschaltet sind; ein Leuchtdioden(LED)-Modul, das zwischen einem Ausgang des CLD-Moduls und dem Vollwellengleichrichter in Reihe geschaltet ist, wobei das LED-Modul mehrere LEDs umfasst; einen Verbinder zum Verbinden der Beleuchtungsvorrichtung mit der Wechselstromversorgung; ein Gehäuse, das mit dem Verbinder gekoppelt ist; und ein Substrat, das mit dem Verbinder innerhalb des Gehäuses gekoppelt ist, wobei die mehreren LEDs auf dem Substrat montiert sind; wobei jede Beleuchtungsvorrichtung mindestens zwei Verbinder umfasst, um eine der Beleuchtungsvorrichtungen elektrisch mit mindestens einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung zu koppeln.
Zweckmäßigerweise hat jeder der mindestens zwei Verbinder die Form einer Einsteckbuchse zum Aufnehmen eines Steckverbinders eines Kabels.
Zweckmäßigerweise hat einer der Verbinder einer ersten Beleuchtungsvorrichtung die Form einer Einsteckbuchse zum Aufnehmen eines Steckers einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung, und ein weiterer der Verbinder der ersten Beleuchtungsvorrichtung hat die Form eines Steckers zum Einführen in eine Einsteckbuchse einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt – obgleich nicht unbedingt der breiteste Aspekt – betreffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung, die Folgendes enthält: einen Vollwellengleichrichter zum Umwandeln einer Wechselstromversorgung in einen Gleichstrom; ein Strombegrenzungsdioden(CLD)-Modul, das mit einem Ausgang des Vollwellengleichrichters in Reihe geschaltet ist, wobei das CLD-Modul mindestens eine CLD umfasst; und ein Leuchtdioden(LED)-Modul, das zwischen einem Ausgang des CLD-Moduls und dem Vollwellengleichrichter in Reihe geschaltet ist, wobei das LED-Modul mehrere LEDs umfasst; wobei ein gepulster Durchlass(gleich)strom mit einer trunkierten Wellenform in das LED-Modul eingespeist wird.
Zweckmäßigerweise wird für LEDs mit oder ohne Phosphorwandler mit einer Anfangsemissionswellenlänge im Bereich von 360 nm bis 550 nm die Anzahl von LEDs, die in Reihe geschaltet sind, aus einem von Folgendem ausgewählt: a) für 110 V Wechselstrom, zwischen 34 und 54 LEDs; b) für 120 V Wechselstrom, zwischen 38 und 60 LEDs; c) für 230 V Wechselstrom, zwischen 80 und 124 LEDs; d) für 240 V Wechselstrom, zwischen 84 und 128 LEDs; und e) für 277 V Wechselstrom, zwischen 98 und 150 LEDs.
Zweckmäßigerweise umfasst das CLD-Modul mindestens zwei in Reihe geschaltete CLDs.
Zweckmäßigerweise werden die LEDs im LED-Modul aus Folgendem ausgewählt: LED-Komponenten; LED-Chips. In einigen Ausführungsformen umfasst das LED-Modul mindestens zwei in Reihe geschaltete LED-Chips.
Gemäß einem weiteren Aspekt – obgleich nicht unbedingt der breiteste Aspekt – betreffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung, das Folgendes enthält: Umwandeln einer Wechselstromversorgung mit einem Vollwellengleichrichter in einen Gleichstrom; und Einspeisen des Gleichstroms in: ein Strombegrenzungsdioden(CLD)-Modul, das mit einem Ausgang des Vollwellengleichrichters in Reihe geschaltet ist, wobei das CLD-Modul mindestens zwei CLDs umfasst, die parallel geschaltet sind; und ein Leuchtdioden(LED)-Modul, das zwischen einem Ausgang des CLD-Moduls und dem Vollwellengleichrichter in Reihe geschaltet ist, wobei das LED-Modul mehrere LEDs umfasst.
Zweckmäßigerweise enthält das Verfahren das Steuern einer durch das LED-Modul bereitgestellten Beleuchtung mit mindestens einem Schalter in Reihe mit mindestens einer der CLDs im CLD-Modul.
Bevorzugt enthält das Verfahren das Auswählen einer Anzahl von LEDs im LED-Modul und einer Anzahl von CLDs im CLD-Modul, um einen gepulsten Durchlassstrom zu erzeugen, der Impulse aufweist, die flache Spitzen über mindestens 10% der Dauer des Stromzyklus umfassen.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern und ihre praktische Umsetzung zu ermöglichen, werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszahlen auf identische Elemente beziehen. Die Zeichnungen sind lediglich beispielhaft und zeigen Folgendes:
1 ist eine Stromwellenform in einer Leuchtdiode (LED), die mit einem bekannten Vollwellengleichrichtungsschaltkreis verbunden ist;
2 ist eine normalisierte Lichtstärkewellenform für eine LED, die mit einem bekannten Vollwellengleichrichtungsschaltkreis verbunden ist;
3 ist ein Schaltbild, das einen bekannten Vollwellengleichrichtungsschaltkreis veranschaulicht, der ein Filter umfasst;
4 ist ein Schaltbild, das eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 ist eine Spannungswellenform für eine LED in einem LED-Modul der in 4 gezeigten Vorrichtung;
6 ist eine Stromwellenform für eine LED in dem LED-Modul der in 4 gezeigten Vorrichtung;
7 ist eine Lichtstärkewellenform für eine LED in dem LED-Modul der in 4 gezeigten Vorrichtung;
8 zeigt den Spannungsabfall an LEDs und Strombegrenzungsdioden (CLDs) und den Durchlassstrom durch die CLDs mit einer gleichgerichteten Wechselstromnetzversorgung für eine konkrete Ausführungsform der in 4 gezeigten Vorrichtung;
9 ist ein Schaltbild, das eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer ersten konkreten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
10 ist ein Schaltbild, das eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer zweiten konkreten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
11 ist ein Schaltbild, das eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer dritten konkreten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
12–17 zeigen verschiedene Anordnungen von LEDs im LED-Modul;
18 ist ein Schaltbild, das das CLD-Modul veranschaulicht, das Schalter zur Dimmsteuerung umfasst;
19 ist ein Schaltbild, das das CLD-Modul veranschaulicht, das einen Drehschalter zur Dimmsteuerung umfasst;
20 ist eine Spannungswellenform, welche die Wärmedissipation durch das CLD-Modul veranschaulicht;
21 ist ein Schaltbild, das eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer vierten konkreten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
22 ist eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung, in der die CLDs, die LEDs und der Gleichrichter innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind;
23 ist eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung, in der sich die CLDs und der Gleichrichter außerhalb des Gehäuses befinden;
24 ist eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung, in der sich die CLDs, der Gleichrichter und ein Schalter außerhalb des Gehäuses befinden;
25 ist eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung, die LEDs mit mehreren Farben umfasst und in der sich die CLDs, der Gleichrichter und die Schalter außerhalb des Gehäuses befinden;
26 ist eine schematische Zeichnung einer drahtlos gesteuerten Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung;
27 ist eine schematische Zeichnung eines Beleuchtungssystems, das mindestens zwei Beleuchtungsvorrichtungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst, die miteinander gekoppelt sind;
28 ist ein Schaltbild des in 27 gezeigten Beleuchtungssystems;
29 ist ein Schaltbild, das eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
30 ist ein Schaltbild, das eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
31 ist ein Schaltbild, das eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Der Fachmann erkennt, dass Elemente in den Zeichnungen unter dem Blickwinkel der Einfachheit und Klarheit dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgerecht gezeichnet wurden. Zum Beispiel können die relativen Abmessungen von einigen der Elemente in den Zeichnungen verzerrt dargestellt sein, um das Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
4 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung 10, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitgestellt ist und einen Gleichrichter 12 umfasst, der mit einer Wechselstromversorgung 14 zum Umwandeln der Wechselstromversorgung 14 in einen Gleichstrom gekoppelt ist. Ein Strombegrenzungsdioden(CLD)-Modul 16 ist mit einem Ausgang des Gleichrichters 12 in Reihe geschaltet, und ein Leuchtdioden(LED)-Modul 18 ist zwischen einem Ausgang des CLD-Moduls 16 und dem Gleichrichter 12 in Reihe geschaltet.
Das LED-Modul 18 kann eine oder mehrere in Reihe geschaltete LEDs und/oder zwei oder mehr parallel geschaltete LEDs umfassen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das LED-Modul 18 einen oder mehrere LED-Blöcke umfassen, wobei jeder LED-Block zwei oder mehr parallel und/oder in Reihe geschaltete LEDs umfasst. Das CLD-Modul 16 kann eine einzelne CLD oder zwei oder mehr parallel geschaltete CLDs umfassen. Die Anordnungen der LEDs und der CLDs werden im Weiteren ausführlicher beschrieben. Dem Fachmann ist klar, dass der Begriff „LED-Modul” auch eine einzelne LED enthält und dass der Begriff „CLD-Modul” auch eine einzelne CLD enthält.
In bevorzugten Ausführungsformen enthält das LED-Modul 18 mehrere LEDs, damit die Beleuchtungsvorrichtung 10 effizient arbeiten kann. Zum Beispiel umfasst das LED-Modul 18 mit einer Wechselstromversorgung 14 von 120 V mindestens 30 in Reihe geschaltete LEDs. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit einer Wechselstromversorgung 14 von 240 V umfasst das LED-Modul 18 mindestens 70 in Reihe geschaltete LEDs. In solchen bevorzugten Ausführungsformen umfasst das CLD-Modul zwei oder mehr parallel geschaltete CLDs, um sicherzustellen, dass eine hinreichende Beleuchtung durch das LED-Modul 18 bereitgestellt wird.
Der Gleichrichter 12 ist ein Vollwellengleichrichterschaltkreis, der zum Umwandeln der Wechselstromversorgung 14 in eine vollwellengleichgerichtete Gleichstromversorgung verwendet wird. Folglich fließt ein vollwellengleichgerichteter Gleichstrom durch das CLD-Modul 16 und das LED-Modul 18. In einigen Ausführungsformen umfasst der Gleichrichter 12 eine einzelne Komponente in Form einer einzelnen diskreten Brückengleichrichterkomponente. In anderen Ausführungsformen wird der Gleichrichter 12 unter Verwendung von vier diskreten Gleichrichterdioden 20 implementiert, die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind, wie in 4 gezeigt.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein konventioneller Vollwellengleichrichterschaltkreis so modifiziert, dass die sinusförmige Wellenform für die Spannung und den Strom durch die eine oder die mehreren LEDs im LED-Modul 18 nahe der Spitze der Wellenform trunkiert wird, wie in 5 gezeigt. Die Trunkierung verringert die maximale Spannung, die die LEDs erreicht, und verlängert gleichzeitig die Dauer, die die LEDs mit maximaler Stromansteuerung betrieben werden.
Wie in den 5 und 6 gezeigt, besteht der Effekt des Einbaus des CLD-Moduls 16 in den Brückengleichrichterschaltkreis im Begrenzen des Stroms auf eine spezifizierte Stromgrenze unter Verwendung einer vorgegebenen Anzahl von CLDs. In dem Beispiel der 5 und 6 wird der Strom auf 60 mA beschränkt, und infolge dessen wird der Spannungsabfall an den LEDs entsprechend auf etwa 3,5 V beschränkt. Dieses Beispiel verwendet die Charakteristik einer InGaN-LED, um einen fairen Vergleich mit der in den 1 und 2 gezeigten Wellenformen zu erhalten. Mit Bezug auf die Lichtstärkewellenform in 7 hat die modifizierte Wellenform gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Effekt einer Steigerung der zeitgemittelten Lichtabgabe für die gleiche Leistungsaufnahme über den konventionellen Vollwellengleichrichterschaltkreis ohne Modifizierung.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung übersteigt der Spannungsabfall an jeder CLD die CLD-Begrenzungsspannung V_L. Die Begrenzungsspannung V_L einer CLD wird beim Begrenzungsstrom I_L gemessen. Der Begrenzungsstrom I_L beträgt 80% des Abschnürstroms I_p. Der Abschnürstrom I_p ist der Regulatorstrom bei einer spezifizierten Prüfspannung V_T, die in der Regel 25 V beträgt. Die oben erwähnten Parameter von CLDs sind dem Fachmann vertraut. Weitere Informationen finden sich aber zum Beispiel im Motorola-Datenblatt für Motorola-CLDs 1N5283 bis 1N5314 und in den Datenblättern für CLDs anderer Hersteller.
In der vorliegenden Erfindung wird die Anzahl von LEDs, die im LED-Modul 18 mit einer oder mehrerer CLDs im CLD-Modul 16 in Reihe geschaltet sind, so abgeglichen, dass der Gesamtspannungsabfall an den LEDs und CLDs mindestens 90% der Durchschnittsspannung der Wechselstromversorgung 14 beträgt. In einigen Ausführungsformen ist der Gesamtspannungsabfall an den LEDs und CLDs im Wesentlichen der gleiche wie die durchschnittliche Versorgungsspannung. Außerdem wird die Anzahl der im LED-Modul 18 verwendeten LEDs so bestimmt, dass der Spannungsabfall an den CLDs groß genug ist, damit die CLDs in einem Strombegrenzungsmodus arbeiten können. In der Regel arbeitet der Strombegrenzungsmodus oberhalb von 10 V. Die Kennlinien für Durchlassstrom (I_F) und Durchlassspannung (V_F) eines derzeit angebotenen Sortiments von CLDs, die von der Central Semiconductor Corp. hergestellt werden, sind in ihrem Datenblatt mit dem Titel „High Current Current Limiting Diode CCLH080 thru CCLH150, JEDEC DO-35 case” offenbart.
Um den Punkt zu veranschaulichen, beträgt der Spannungsabfall am Gleichrichter 12 in einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung 10, die den Gleichrichter 12, das CLD-Modul 16 und das LED-Modul 18, die mit der Wechselstromversorgung 14 gekoppelt sind, umfasst, in der Regel weniger als 0,8 V je Diode 20 oder 1,6 V insgesamt in einer Richtung. Bei einer Spitzenspannung von 340 V aus der Wechselstromversorgung 14 beträgt der Spannungsabfall am CLD-Modul 16 und am LED-Modul 18 somit nur 340 V – 1,6 V = 338,4 V. Dies stellt 99,5% der Versorgungsspannung dar.
Wie in 9 gezeigt, umfasst die Beleuchtungsvorrichtung 10 gemäß einigen Ausführungsformen eine zurücksetzbare Positive-Temperaturkoeffizient(PTC)-Sicherung 21, die zwischen der Wechselstromversorgung 14 und einem Eingang des Vollwellengleichrichters 12 in Reihe geschaltet ist. Die zurücksetzbare Sicherung 21 trägt weniger als 0,5 V zum Schaltkreis bei Spitzenspannung bei. Der resultierende Spannungsabfall am CLD-Modul 16 und am LED-Modul 18 beträgt somit nur 338,4 V – 0,5 V = 337,9 V. Das sind 99,4% der Versorgungsspannung. Die zurücksetzbare Sicherung 21 funktioniert durch disproportionales Erhöhen ihres Widerstands nach einem bestimmten Schwellenstrom, so dass der Gesamtstrom signifikant verringert wird, und kehrt zum Normalzustand zurück, wenn sich die Sicherung 21 abkühlt. Geeignete zurücksetzbare Sicherungen 21 gibt es von der Firma Bourns, obgleich Sicherungen von anderen Herstellern ebenfalls geeignet sind.
Die Anzahl der LEDs im LED-Modul 18 wird anhand der Variation der Durchlassspannung der LEDs bei Spitzenstrom bestimmt. Anhand von 8, die den Spannungsabfall an LEDs und CLDs für eine gleichgerichtete 120 V-Wechselstromnetzversorgung mit einer gleichgerichteten Spitzenspannung von 170 V zeigt, werden nun verschiedene Betriebsbedingungen und Effekte für die LEDs und CLDs für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das LED-Modul 18 mehrere in Reihe geschaltete InGaN-LEDs mit einer typischen Durchlassspannung V_F von 3,3 V je LED bei 20 mA Gleichstrom. Dies entspricht einer Spitzenspannung von etwa 3,6 V je LED bei 60 mA Durchlassstrom. Wenn der CLD-basierte Schaltkreis dafür ausgelegt ist, im Strombegrenzungsmodus bei ungefähr 1/3 des Stromzyklus zu arbeiten, so ist es erforderlich, dass das CLD-Modul 16 mit dem Begrenzen des Durchlassstroms beginnt, wenn die variierende Gleichspannung etwa 140 V erreicht. Dies bewirkt eine Dauer von etwa 33% eines Zyklus in einem konstanten begrenzten Strommodus. Bei einer ermittelten Anzahl von vierzig LEDs bewirkt die LED-Kette einen Gesamtspannungsabfall von 144 V an der Spitze des Stromzyklus. Das CLD-Modul 16 nimmt bis zu 26 V bei Spitzenspannung auf.
Betrachten wir eine obere extreme Spannungsvariation mit einer durchschnittlichen Durchlassspannung V_F von 3,60 V je LED, so beträgt die Spitzendurchlassspannung V_F 3,90 V. Die Gesamtspitzendurchlassspannung V_F für vierzig LEDs beläuft sich auf 156 V, und die Durchlassspannung des CLD-Moduls 16 nimmt 14 V auf. Dies ermöglicht es dem CLD-Modul 16, seine Strombegrenzungsfunktion oberhalb der Mindestbetriebsspannung zu halten, die in der Regel 8 bis 10 V beträgt.
Betrachten wir eine untere extreme Spannungsvariation mit einer Spitzendurchlassspannung V_F von 3,30 V, was weniger wahrscheinlich ist als ein Abfallen der Durchlassspannung der LED unter ihren typischen Wert. Die LEDs, die für die vorliegende Erfindung vorgeschlagen werden, gehören zu einer mit hoher Effizienz hergestellten Produktionspartie von LEDs. Bei einer Spitzendurchlassspannung von 3,30 V und vierzig LEDs im LED-Modul 18 beträgt die Gesamtdurchlassspannung für das LED-Modul 132 V, und das CLD-Modul 16 nimmt nun 38 V auf. Das ist immer noch unter der CLD-Spitzenbetriebsspannungsspezifikation, die in der Regel mit 50 V spezifiziert ist. Der überschüssige Spannungsabfall, der durch das CLD-Modul 16 aufgenommen wird, wird als Wärme dissipiert.
Bei einer 240 V-Wechselstromversorgung ist die Spitzenspannung 340 V. Bei Verwendung von 88 LEDs im LED-Modul 18 und einem Betrieb bei einer Spitzendurchlassspannung von 3,60 V je LED und 60 mA Spitzenstrom beträgt die typische Gesamtspitzendurchlassspannung des LED-Moduls 18 317 V, was einen Abfall von 23 V am CLD-Modul 16 bedeutet.
Bei einem höheren Extrem, bei dem die Spitzendurchlassspannung ein Maximum von 3,75 V je LED hat, beläuft sich dies auf eine Gesamtspitzendurchlassspannung des LED-Moduls 18 von 330 V, was zu einem Durchlassspannungsabfall von 10 V am CLD-Modul 16 führt. Hier muss die Spezifikation für die Durchlassspannung an einzelnen LEDs bei einem Maximum von 3,75 V für eine Beleuchtungsvorrichtung 10 in Form einer 240 V LED-Lampe im Vergleich zu einem Durchlassspannungsmaximum von 3,90 V für eine 120 V-LED-Lampe gedeckelt werden.
Wenn mehrere CLDs im CLD-Modul 16 verwendet werden, so sind die CLDs in einigen Ausführungsformen miteinander parallel geschaltet, und die Anzahl von CLDs im CLD-Modul 16 wird durch den Durchlassstrom bestimmt, der durch das LED-Modul 18 fließen muss. Gemäß dem aktuellen Stand der Technik ist jede CLD in der Lage, den Strom auf ein Maximum von etwa 15 mA zu begrenzen. Für einen kleinen, 10 × 10 mm großen LED-InGaN-Chip beträgt der durchschnittliche Gleichstrom, der in der Regel benötigt wird, etwa 20 mA. Im gepulsten Modus mit einer relativen Einschaltdauer von 2 oder 3 ist der zulässige Strom bis etwa 40–60 mA. Somit wäre die Anzahl der benötigten CLDs 60 mA/15 mA = 4, oder 40 mA/15 mA = 3, auf die nächstgelegene ganze Zahl gerundet. Bei einem größeren Chip wäre der Strombedarf höher. Zum Beispiel würde ein 20 × 20 mm großer Chip etwa 120 mA Ansteuerstrom erfordern, d. h. etwa 8 CLDs mit jeweils 15 mA Begrenzungsfähigkeit.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die 9–19 beschrieben.
9 zeigt eine Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung 10, wobei die Wechselstromversorgung 14 120 V Netzwechselstrom liefert, der durch den Gleichrichter 12 zu Gleichstrom vollwellengleichgerichtet wird. Das CLD-Modul 16 umfasst vier CLDs (C₁, C₂, C₃, C₄), die parallel geschaltet sind, und das LED-Modul 18, das mit dem CLD-Modul 16 in Reihe geschaltet ist, umfasst vierzig LEDs (L₁ bis L₄₀). Diese Ausführungsform verwendet InGaN-LEDs mit einer kleinen LED-Chip-Größe von ungefähr 100 mm Fläche mit einer typischen Spitzenbetriebsspannung von 3,6 V bei 60 mA im gepulsten Modus und einer relativen Einschaltdauer von 1/3. Jede CLD ist in der Lage, einen Durchlassstrom I_F von 15 mA im Strombegrenzungsmodus zu liefern, weshalb vier parallel geschaltete CLDs benötigt werden, um einen Spitzenstrom von 60 mA für den Schaltkreis bereitzustellen. In dieser Ausführungsform sind die CLDs Hochstrom-CLDs Modell CCLH150 von der Central Semiconductor Corp., und der Gleichrichter 12 ist ein Einzelkomponentenhalbleiter MB6S von der Firma Fairchild, aber es können auch alternative Komponenten verwendet werden.
In Ausführungsformen dieser Erfindung wird die Anzahl von LEDs so bestimmt, dass die Durchlassspannung an den LEDs und die Durchlassspannung an den CLDs so ausbalanciert sind, dass ein gepulster Durchlassstrom mit einer flachen Spitze am CLD-Modul 16 und am LED-Modul 18 über den Stromzyklus anliegt, wobei die flache Spitze des Durchlassstroms von ausreichender Dauer ist, um eine zeitgemittelte Lichtstärke-Reaktion nahe ihrem gleichstrombetriebenen Modus zu erreichen, wie in 7 gezeigt. Bei einer Spitzenspannung von 170 V ist die Anzahl von LEDs etwa vierzig. Dies bewirkt einen Durchlassspannungsabfall am LED-Modul 16 bei Spitzenspannung von etwa 144 V für LEDs von 3,6 V und 60 mA. Der Durchlassspannungsabfall am CLD-Modul 16 beträgt infolge dessen 26 V, was niedriger als die maximale zulässige Spitzenspannung von 50 V für das CLD-Modul 16 ist.
Die akzeptable Durchlassspannung für die LEDs für diesen Schaltkreis liegt im Bereich von 3,6 V bis 3,9 V Spitzenspannung bei 60 mA. Bei der Grenze von 3,9 V Spitzenspannung beträgt der Gesamtspannungsabfall am LED-Modul 18 156 V, was zu einem Spannungsabfall von 14 V am CLD-Modul 16 führt. Dies ist mehr als das Minimum von 10 V, die ausreichen, damit eine Hochstrom-CLD im Strombegrenzungsmodus arbeiten kann.
Die Dauer, die die LED bei Spitzenstrom betrieben wird, ist wichtig, weil dies zur durchschnittlichen Lichtabgabe beiträgt. Es ist bevorzugt, dass der flache Spitzenstrom während des Betriebes so breit wie möglich ist, d. h. eine maximale Dauer über einen vollen Stromzyklus hat. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Kompromiss erreicht, wenn in der Regel der Spitzenstrom für etwa 33% des Stromzyklus erreicht wird. In dem Maße, wie das Verhältnis der Dauer des Spitzenstroms zur Dauer eines einzelnen Stromzyklus sinkt, nimmt der Wirkungsgrad der Beleuchtungsvorrichtung 10 ab. Es wird angenommen, dass, wenn das Verhältnis unter etwa 10% sinkt, die Beleuchtungsvorrichtung 10 im Hinblick auf den Stromverbrauch, der für die Lichtabgabe benötigt wird, inakzeptabel ineffizient wird. Folglich werden die Anzahl von LEDs im LED-Modul 18 und eine Anzahl von CLDs im CLD-Modul 16 so ausgewählt, dass ein gepulster Durchlassstrom entsteht, der Impulse aufweist, die flache Spitzen über mindestens 10% der Dauer des Stromzyklus umfassen.
In Ausführungsformen der Erfindung wird eine Mindestanzahl von LEDs benötigt, damit die Beleuchtungsvorrichtung 12 bei oder nahe dem optimalen Wirkungsgrad arbeitet. In einem Grenzfall liegt eine durchschnittliche Spitzendurchlassspannung an den LEDs bei einer Grenze von 4,0 V, mit einer Wechselstromversorgung 14 von 110 V und einer Spitzenspannung von 155 V. Der Spannungsabfall am CLD-Modul 16 liegt bei einer Grenze von 35 V. Es gibt einen verbleibenden Spannungsabfall von 120 V an einer Reihe von 4,0 V-LEDs im LED-Modul 18, wodurch die Mindestanzahl von LEDs in dieser Ausführungsform auf dreißig festgesetzt wird.
Es versteht sich, dass, wenn die Wechselstromversorgung 14 erhöht wird, zum Beispiel auf 120 V Wechselstrom, 220 V Wechselstrom oder 240 V Wechselstrom, die Anzahl von LEDs im LED-Modul 18 in Reihe mit dem CLD-Modul 16 von dem Minimum von dreißig im obigen Beispiel erhöht wird. Es versteht sich des Weiteren, dass, wenn die durchschnittliche Spitzendurchlassspannung der LEDs bei maximalem Betriebsstrom von 4,0 V verringert wird, die Anzahl der in den Ausführungsformen der Erfindung verwendeten in Reihe geschalteten LEDs im LED-Modul 18 ebenfalls von dem Minimum von dreißig LEDs im obigen Beispiel erhöht werden muss, damit die Beleuchtungsvorrichtung 12 im Hinblick auf Lichtabgabe und Wirkungsgrad optimal arbeiten kann.
Es versteht sich des Weiteren, dass, wenn sich die Art der LEDs ändert, sich die Spitzenspannung bei maximalem Strom ebenfalls ändert. Wenn zum Beispiel die InGaN-LEDs (in der Regel für blaue und grüne Beleuchtung) gegen andere Arten von LEDs, wie zum Beispiel AlInGaP-LEDs (in der Regel für orangefarbene und rote Beleuchtung), ausgetauscht werden, so fällt die Spitzenspannung bei maximalem Strom von nahe 4,0 V auf nahe 3,0 V ab, wodurch die Anzahl der im LED-Modul 18 verwendeten LEDs steigt.
Die oben erwähnte Mindestanzahl von dreißig LEDs, die in den obigen Ausführungsformen für einen optimalen Wirkungsgrad spezifiziert wurde, basiert auf den existierenden Arten von LEDs, wie zum Beispiel InGaN- und AlInGaP-LEDs. Der Erfinder sieht aber voraus, dass mit der Verfügbarkeit anderer Materialien, die sich zur Verwendung in LEDs eignen, die Mindestanzahl von LEDs, die in der Beleuchtungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sinkt.
10 zeigt eine Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung 10, wobei die Wechselstromversorgung 14 240 V Netzwechselstrom liefert, der durch den Gleichrichter 12 zu Gleichstrom vollwellengleichgerichtet wird. Für eine 240 V-Wechselstromversorgung beträgt die entstehende Spitzenspannung etwa 340 V, und die Anzahl von LEDs muss so korrigiert werden, dass der Spannungsabfall am CLD-Modul 16 einen Stromimpuls von hinreichender Dauer in einem Stromzyklus ermöglicht. Das CLD-Modul 16 umfasst vier CLDs (C₁, C₂, C₃, C₄), die parallel geschaltet sind, und das LED-Modul 18, das mit dem CLD-Modul 16 in Reihe geschaltet ist, umfasst achtundachtzig LEDs (L₁ bis L₈₈).
Die LEDs in dieser Ausführungsform sind InGaN-LEDs mit einer typischen Durchlassspannung von 3,3 V bei 20 mA Gleichstrom. Die typische Spitzenspannung bei 60 mA für solche LEDs beträgt etwa 3,6 V. Bei 3,6 V Spitzenspannung beträgt die Gesamtspannung am LED-Block für achtundachtzig in Reihe geschaltete LEDs 317 V. Der Spitzenspannungsabfall an den CLD beträgt darum 23 V, was immer noch innerhalb der maximal zulässigen Spitzenspannung von 50 V für die CLD liegt. Bei 3,75 V Spitzenspannung je LED beträgt die Gesamtspannung am LED-Block 330 V. Der Spitzenspannungsabfall an der CLD beträgt darum 10 V, was gerade die Mindestspannung ist, die benötigt wird, um im Strombegrenzungsmodus zu arbeiten. In dieser Ausführungsform sind die CLDs Hochstrom-CLDs Modell CCLH150 von der Central Semiconductor Corp., und der Gleichrichter 12 ist ein Einzelkomponentenhalbleiter MB6S von der Firma Fairchild, aber es können auch alternative Komponenten verwendet werden.
Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform mit einer 240 V-Versorgung und der vorherigen, in 9 gezeigten Ausführungsform mit einer 120 V-Versorgung ist, dass die LED-Durchlassspannungskennlinie eine Grenze V_FMAX von 3,75 V beim Spitzenstrom von 60 mA im Vergleich zu einer Grenze V_FMAX von 3,90 V bei 60 mA für die 120 V LED-Lampe haben muss.
11 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung, wobei die Wechselstromversorgung 14 120 V Netzwechselstrom liefert, der durch den Gleichrichter 12 zu Gleichstrom vollwellengleichgerichtet wird. In dieser Ausführungsform umfasst das CLD-Modul 16 acht CLDs (C₁, C₂, ..., C₈), die parallel geschaltet sind, und das LED-Modul 18 umfasst mehrere LED-Blöcke (P01, P02, ..., P40), die in Reihe geschaltet sind. Jeder LED-Block umfasst drei parallel geschaltete LEDs (LED11, LED12, LED13 usw.), und in dieser Ausführungsform sind vierzig LED-Blöcke in Reihe geschaltet. Der Gesamtspannungsabfall am LED-Modul 18 ist ähnlich dem Gesamtspannungsabfall an vierzig in Reihe geschaltete LEDs, wie oben mit Bezug auf 9 beschrieben.
Es gibt zwei wichtig Vorteile in Verbindung mit der in 11 gezeigten Konfiguration. Ein Vorteil ist, dass das LED-Modul 16 immer noch arbeitet, wenn eine oder mehrere der LEDs ausfallen. Wenn eine LED in einer Reihe einzelner LEDs ausfällt, so fällt damit die gesamte Reihe von LEDs aus. Bei einer langen Reihe von LEDs verringert sich die Zuverlässigkeit der Beleuchtungsvorrichtung 10 exponentiell mit zunehmender Anzahl von LEDs in der Reihe.
In dieser Ausführungsform haben die acht parallel geschalteten CLDs (C₁, C₂, ..., C₈) im CLD-Modul 16 eine Gesamtspitzenstromgrenze von 120 mA im Strombegrenzungsbetriebsmodus. In diesen Gesamtspitzenstrom teilen sich die drei parallel geschalteten LEDs (LED11, LED12, LED13 usw.) in einem LED-Block, wobei jede LED etwa 40 mA erhält. Wenn eine einzelne LED im offenen Stromkreis ausfällt, so kann das LED-Modul 18 immer noch nahe der maximalen Kapazität arbeiten. Wenn – mit Bezug auf 11 – die LED11 ausfällt, so wird der Durchlassstrom I_F1 zur LED-12 und LED-13 umgeleitet. Wenn die LED11 ausfällt, so wird der Spitzendurchlassstrom I_F1 von 40 mA umgeleitet und zwischen I_F2 und I_F3 an LED12 und LED13 aufgeteilt. Somit werden die Spitzendurchlassströme I_F2 und I_F3 für LED-12 und LED13 von 40 mA auf 60 mA angehoben.
Ein weiterer Vorteil der in 11 gezeigten Konfiguration ist, dass die LED-Lichtabgabe nicht signifikant durch den Ausfall einer LED im LED-Modul 18 beeinträchtigt wird. Der Gesamtbetrieb des LED-Moduls 18 wird minimal beeinträchtigt, da nur eine einzige von 120 LEDs kein Licht mehr aussendet. Ebenso bedeutsam ist, dass, wenn eine LED in einem der LED-Blöcke (P01, P02, ..., P40) ausfällt, der erhöhte Durchlassstrom in den verbleibenden zwei LEDs des LED-Blocks die Lichtabgabe um einen Betrag verstärkt, der fast so groß ist wie der Lichtverlust, der durch die ausgefallene LED verursacht wird. Dies ist das Ergebnis der Kennlinie von LEDs, für die die Lichtabgabe ungefähr proportional zum Durchlassstrom ist, der durch die LED fließt. Somit wird der Lichtverlust, der durch die ausgefallene LED verursacht wird, durch die erhöhte Lichtabgabe der anderen zwei LEDs in dem LED-Block ausgeglichen, wodurch fast eine Parität mit der ursprünglichen Lichtabgabe vor dem LED-Ausfall erreicht wird.
Verschiedene Anordnungen der LEDs im LED-Modul 18 werden nun mit Bezug auf die 12–17 besprochen. Als eine Alternative zu der einzelnen Kette von in Reihe geschalteten LEDs, die in den 9 und 10 gezeigt ist, kann das LED-Modul 18 mehrere Ketten von parallel geschalteten LEDs umfassen, wie zum Beispiel die zwei parallel geschalteten Reihen von LEDs, die in 12 gezeigt sind. Durch diese Ausführungsform kann das LED-Modul 18 selbst dann funktionieren, wenn eine Reihe ausfällt. Der Kompromiss ist jedoch, dass – im Falle eines Ausfalls in einer Reihe von LEDs – die verbleibende Reihe die doppelte Strommenge erhält, und dieser Überstrom verkürzt die Lebensdauer der verbleibenden LEDs.
Das LED-Modul 18 kann – mit Bezug auf 13 – mehrere LED-Blöcke umfassen, wobei jeder Block ein Paar parallel geschaltete LEDs umfasst. Durch diese Anordnung kann das LED-Modul 18 selbst dann funktionieren, wenn eine der LEDs ausfällt. Die Anordnung in 13 hat gegenüber der Anordnung in 12 den Vorteil, dass nur eine einzige LED eine Stromerhöhung durch den Ausfall ihres Gegenstücks erhält, während der Rest der LED-Paare in jedem LED-Block unbeeinträchtigt bleibt.
Das LED-Modul 18 kann – mit Bezug auf 14 – mehrere LED-Blöcke umfassen, wobei jeder LED-Block drei parallel geschaltete LEDs umfasst. Diese Anordnung ist eine Verbesserung gegenüber der Ausführungsform von 13, weil, wenn eine der LEDs in einem der LED-Blöcke, die in Reihe geschaltet sind, ausfällt, der Durchlassstrom in den anderen zwei LEDs in dem LED-Block – im Vergleich zu einer 100%-igen Erhöhung des Durchlassstroms für LED-Blöcke, die ein Paar parallel geschaltete LEDs umfassen – nur eine 50%-ige Erhöhung des Durchlassstroms erfährt. Diese geringere Erhöhung des Durchlassstroms verringert die elektrische Belastung der LEDs, die durch den Ausfall betroffen sind.
Mit Bezug auf 15, und im Gegensatz zu 14, kann das LED-Modul 18 mehrere LED-Blöcke umfassen, wobei jeder LED-Block drei parallel geschaltete Reihen von LEDs umfasst. In dieser Ausführungsform umfasst jede parallel geschaltete Reihe zwei in Reihe geschaltete LEDs. Diese Anordnung verringert die Auswirkungen eines Strom-Hogging, das durch einzelne parallel geschaltete LEDs verursacht wird. In der Situation eines Strom-Hogging fließt mehr Strom durch eine LED mit einer niedrigeren Durchlassspannung als durch ihre Nachbarn mit höherer Durchlassspannung in einer parallel geschalteten Kette. Dies verursacht eine ungleichmäßige Lichtemission und eine ungleichmäßige Wärmedissipation zwischen LEDs, was nicht erwünscht ist.
Wenn zwei LEDs in Reihe geschaltet sind, so ist die Variation in den einzelnen LEDs geringer, da nur die Gesamtsumme der Durchlassspannung an dem LED-Paar zählt. Die Variation der Summen der Durchlassspannungen von zwei LEDs ist im Allgemeinen günstiger als im Fall einer Variation zwischen jeder LED. Der Kompromiss bei dieser Anordnung ist, dass, wenn eine einzelne LED des in Reihe geschalteten LED-Paares ausfällt, es zu einem Lichtverlust von beiden LEDs in der Reihe kommt.
Das LED-Modul 18 kann – mit Bezug auf 16 – mehrere LED-Blöcke umfassen, wobei jeder LED-Block zwei parallel geschaltete Reihen von LEDs umfasst. In dieser Ausführungsform umfasst jede parallel geschaltete Reihe zwei in Reihe geschaltete LEDs. Diese Anordnung hat einen Vorteil gegenüber der Ausführungsform von 13 im Hinblick auf das Strom-Hogging, mit dem Kompromiss eines größeren Lichtverlusts, sollte eine der LEDs ausfallen.
Jeder in Reihe geschaltete LED-Block im LED-Modul 18 umfasst – mit Bezug auf 17 – zwei parallel geschaltete Reihen von LEDs, wobei sich drei LEDs in jeder parallel geschaltete Reihe befinden. Diese Anordnung hat einen Vorteil gegenüber den Ausführungsformen in den 13 und 16 in Bezug auf das Strom-Hogging, weil die Gesamtdurchlassspannung nun eine Summe von drei LEDs ist. Die prozentuale Variation der Gesamtdurchlassspannung in einer Kette würde geringer sein als die prozentuale Variation der Durchlassspannung an zwei LED, oder an einer einzelnen LED.
Betrachten wir zum Beispiel sechs LEDs mit Durchlassspannungen von 3,1, 3,2, 3,2, 3,3, 3,4 und 3,5 V, die in zwei Konfigurationen verteilt sind. In einer sind drei parallel geschaltete LEDs, zum Beispiel 3,2, 3,3 und 3,5 V in einer Gruppe, und 3,1, 3,2 und 3,4 V in einer anderen. Die Durchlassspannungsdifferenz zwischen Minimum und Maximum ist für beide Gruppen 0,3 V, was sich auf etwa 10% der durchschnittlichen Durchlassspannung (d. h. 3,23 bis 3,33 V) an einer einzelnen LED beläuft. In einer weiteren Anordnung haben drei in Reihe geschaltete LEDs mit Durchlassspannungen von 3,2, 3,3 und 3,5 V eine Gesamtdurchlassspannung von 10,0 V, während die andere Kette mit Durchlassspannungen von 3,1, 3,2 und 3,4 V eine Gesamtdurchlassspannung von 9,7 V hat. Die Durchlassspannungsdifferenz zwischen den zwei LED-Ketten ist 0,3 V, was sich nur auf etwa 3% der Gesamtdurchlassspannung der LED-Kette von 9,7–10,0 V beläuft.
Das Design des CLD-Moduls 16 richtet sich größtenteils nach dem erforderlichen Soll-Gesamtspitzendurchlassstrom und der Spezifikation der Strombegrenzungskapazität der verwendeten CLDs. Die Hochstrom-CLDs CCLH080 bis CCLH150 mit einem Doppelsteckergehäuse JEDEC DO-35 von der Central Semiconductor Corp. eignen sich zur Verwendung in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, obgleich ein breites Sortiment von CLDs einer Reihe verschiedener Herstellern ebenfalls geeignet ist. Das CLD-Modul 16 kann eine einzelne CLD oder mehrere parallel geschaltete CLDs umfassen, wie oben mit Bezug auf die 9–11 beschrieben.
Weitere Ausführungsformen der Beleuchtungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf die 18 und 19 beschrieben. Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst das CLD-Modul 16 mindestens einen Schalter in Reihe mit mindestens einer der CLDs. Der Schalter kann ein mechanischer Schalter oder ein elektronischer Schalter sein. Diese Ausführungsformen enthalten die Fähigkeit einer Dimmsteuerung des LED-Moduls 18 durch Einschalten der erforderlichen Anzahl von CLDs im CLD-Modul 16. Die erreichbaren Dimm-Pegel entsprechen der Anzahl der eingeschalteten CLDs, die in dem Schaltkreis verwendet werden.
In der in 18 gezeigten Ausführungsform umfasst das CLD-Modul 16 vier mechanische Schalter 22, wobei ein Schalter mit jeder CLD (C₁, C₂, C₃, C₄) in Reihe geschaltet ist. Es versteht sich, dass der Begriff „mechanischer Schalter” einen Schalter meint, der durch einen physischen Kontakt zwischen zwei Anschlüssen aktiviert wird, so dass Strom dort hindurch fließen kann.
In der in 19 gezeigten Ausführungsform werden die vier mechanischen Schalter 22 im CLD-Modul 16 der vorherigen Ausführungsform durch einen Drehschalter 24 mit einer Anzahl verschiedener Positionen, die jedem erforderlichen Beleuchtungspegel entsprechen, ersetzt. Zum Beispiel kann der Drehschalter 24 mehrere Anschlüsse (1–4) an einer Innenfläche eines äußeren Rings umfassen, um mehrere Anschlüsse (a–d) an einer Außenfläche einer inneren Scheibe, einem inneren Knauf oder etwas ähnlichem auf verschiedene Weise zu kontaktieren. 19 zeigt einen Anschluss 4 in Kontakt mit Anschluss a. Mit Bezug auf Tabelle 1 unten kann der Drehschalter 24 nacheinander durch Schalterpositionen 1 bis 8 geschaltet werden, um die Anschlüsse (1–4) und (a–d) zu variieren, die einander kontaktieren, und somit die Beleuchtungspegel entsprechend der Anzahl der verwendeten CLDs variieren. Die Schalterpositionen 1 bis 8 entsprechen der folgenden Anzahl von CLDs, die verwendet werden: 0-1-2-3-4-3-2-1. Zum Beispiel steht in Position 3 Anschluss a in Kontakt mit Anschluss 3, und Anschluss b steht in Kontakt mit Anschluss 4, so dass zwei der CLDs aktiviert sind. Der Schalter kann zum Beispiel durch wiederholtes Ziehen an einer Schnur, die mit dem Schalter verbunden ist, oder durch andere manuelle Schaltmittel betätigt und durchgeschaltet werden. TABELLE 1

Position Anschlüsse in Kontakt Anzahl der aktivierten CLDs

1 - 0

2 a4 1

3 a3, b4 2

4 a2, b3, c4 3

5 a1, b2, c3, d4 4

6 b1, c2, d3 3

7 d, d2 2

8 d1 1
In anderen Ausführungsformen haben der eine oder die mehreren Schalter 22 die Form eines oder mehrerer elektronischer Schalter, die mit einem ferngesteuerten Schaltkreis verbunden sind, der auf elektromagnetische Signale anspricht, wie zum Beispiel Infrarot(IR)-, Funk- oder sichtbare Lichtsignale, um den Dimmpegel einzustellen. Es versteht sich, dass der Begriff „elektronischer Schalter” einen Schalter meint, in dem ein elektronisches Signal an ein elektronisches Relais gesendet wird, um einen Stromkreis an- oder auszuschalten, so dass ein Stromfluss zwischen zwei Anschlüssen zugelassen bzw. unterbrochen wird. Das Signal, das zum Auslösen des elektronischen Schalters verwendet wird, kann durch elektromagnetische Signale einer Fernbedienung oder von optisch codierten Wählscheibenschaltern, auch als kontaktlose Schalter bekannt, bereitgestellt werden. Wenn das Signal ein IR-Signal ist, so kann das Infrared Data Association(IRDA)-Kommunikationsprotokoll verwendet werden.
Die verschiedenen Vorteile der Verwendung von CLDs in der vorliegenden Erfindung werden nun besprochen. Ohne das CLD-Modul 16 im Schaltkreis wären die LEDs höheren Durchlassspannungsspitzen ausgesetzt. Wenn die Durchlassspannung in einer LED steigt, so geht die Lichtabgabe in einen Sättigungszustand über, und der Wirkungsgrad beginnt aufgrund der Stromsättigung in der LED-Sperrschicht abzunehmen. Die Lichtabgabe im Fall der Vollsinuswellenstromversorgung ist dergestalt, dass die LEDs nur über eine kurze Dauer in ihrem effizienten Bereich betrieben werden, während zu anderen Zeiten entweder gar keine Lichtabgabe erfolgt oder der Wirkungsgrad der Lichtabgabe aufgrund einer übermäßig hohen Durchlassspannung und eines übermäßig hohen Durchlassstroms verringert wird, insbesondere nahe der Spitze der Sinuswelle. Wenn der Strom auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird, so können die LEDs effizienter bei einer längeren Zyklusdauer arbeiten. Des Weiteren ist die elektrische Belastung geringer, wodurch sich die Grenznutzungsdauer der LEDs verlängert.
Bezüglich des im Stand der Technik anzutreffenden Problems einer höheren LED-Sperrschichttemperatur, die durch hohe Durchlassspannungen während des Zyklus der hohen Durchlassspannung der Stromversorgung verursacht wird, nehmen die eine oder die mehreren CLDs im CLD-Modul 16 in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die überschüssige Durchlassspannung auf. Somit wird, mit Bezug auf 20, Wärme in den CLDs anstatt in den LEDs dissipiert, wodurch die LEDs kühler bleiben und somit der Wirkungsgrad der Lichtumwandlung der LEDs steigt. Des Weiteren wird die Lebensdauer der LEDs infolge der verringerten Temperatur in den LEDs verlängert. Die Position der CLDs auf der Leiterplatte kann so ausgelegt werden, dass sie möglichst weit von den LEDs entfernt ist, wodurch die Umgebungstemperatur um die LEDs herum gesenkt wird.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Gesamtkosten niedriger als bei der konventionellen Stromkreisgleichrichtung unter Verwendung von Transformatoren, Widerständen, Drosseln und Kondensatoren. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nur zwei Arten von Festkörperbauelementen zum Ansteuern der LEDs direkt aus dem Wechselstromnetz 14 verwendet, nämlich CLDs und Gleichrichtungsdioden. Die Anzahl der erforderlichen Komponenten ist ebenfalls viel niedriger als bei vielen Schaltkreisdesigns des Standes der Technik, was hilft, die Kosten zu senken und die Designs zu verkleinern.
Das Fehlen von Kondensatoren in der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlung verbessert den Leistungsfaktor der auf CLD-Gleichrichtern basierenden Beleuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung im Vergleich zur konventionellen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlung und minimiert die Gesamtverzerrung durch Oberschwingungen. Andere Stromversorgungen für LEDs, CCFLs und Leuchtstofflampen erfordern teure Regimes zum Erreichen eines akzeptabel hohen Leistungsfaktors und einer niedrigen Gesamtverzerrung durch Oberschwingungen für die Stromversorgung.
Wenn der Spitzenstrom von der Sinuswellenform trunkiert wird, so wird der durchschnittliche Gleichstrom der modifizierten Wellenform unter Verwendung des auf CLD-Gleichrichtern basierenden Schaltkreises der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Ausgang eines normalen Brückengleichrichters erhöht. Dies hat den Effekt der Erhöhung der zeitgemittelten Lichtabgabe des LED-Systems.
Weil des Weiteren die LED im gepulsten Modus betrieben wird, kann der maximale Gleichstrom über den maximal zulässigen Gleichstrom im ungepulsten Modus hinaus geführt werden. Als ein Element einer guten Konstruktionspraxis sollte im Interesse der Zuverlässigkeit die im gepulsten Modus generierte Wärme nicht höher sein als die im ungepulsten reinen Gleichstrommodus. Für eine äquivalente Menge an dissipiertem Gleichstrom kann der maximale gepulste Gleichstrom bis zu dreimal so hoch sein wie der maximal zulässige durchschnittliche Gleichstrom für den Gleichstrommodus.
Dieser höhere gepulste Gleichstrom ist in der Lage, den Verlust von Lichtstärke (Iv) während des „Aus-Zyklus” zu kompensieren. Die resultierende zeitgemittelte Lichtstärke kann so ausgelegt werden, dass sie der durchschnittlichen Lichtstärke im Gleichstrommodus nahe kommt oder diese übersteigt. 7 zeigt eine Lichtstärke im gepulsten Gleichstrommodus, die beim 2,3-fachen der Lichtstärke im reinen Gleichstrommodus abflacht. Die zeitgemittelte Lichtstärke über den Stromzyklus hinweg beträgt etwa das 1,2-fache der Lichtstärke im reinen Gleichstrommodus.
Bezüglich des oben erwähnten Problems, dass LEDs hinsichtlich ihrer Durchlassspannung einem strikten Binning unterzogen werden müssen, wird im Fall der auf dem CLD-Gleichrichter basierenden Beleuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung jegliche Variation der Durchlassspannung der LEDs in einer Kette durch das CLD-Modul 16 aufgenommen, während der durch die LED-Kette fließende Strom auf einen recht konstanten maximalen Wert begrenzt wird. Dies gewährleistet eine geringe Variation der Lichtabgabe zwischen den Bauelementen.
Die CLD-basierte Beleuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung beseitigt die Notwendigkeit induktiver Komponenten, wie zum Beispiel Transformatoren, Drosseln oder Magnetspulen. Folglich sind zusätzliche EMI-Unterdrückungsmaßnahmen nicht erforderlich, und das durch die magnetischen Komponenten verursachte Brummrauschen wird vermieden.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die 21 bis 31 beschrieben.
Mit Bezug auf 21 umfassen einige Ausführungsformen der Beleuchtungsvorrichtung 10 mindestens zwei LED-Module 18 und mindestens zwei CLD-Module 16, wobei jedes LED-Modul 18 mit einem jeweiligen CLD-Modul 16 in Reihe geschaltet ist. In der in 21 gezeigten Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsvorrichtung 10 vier parallel geschaltete LED-Module 18 (L1, L2, L3, L4), wobei jedes LED-Modul 18 jeweils mit vier parallel geschalteten CLD-Modulen 16 (C1, C2, C3, C4) in Reihe geschaltet ist. In dieser Ausführungsform umfasst jedes LED-Modul 18 LEDs einer einzelnen Farbe. Zum Beispiel besteht LED-Modul L1 nur aus roten (R) LEDs, LED-Modul L2 besteht nur aus grünen (G) LEDs, LED-Modul L3 besteht nur aus blauen (B) LEDs, und LED-Modul L4 besteht nur aus weißen (W) LEDs.
In dieser Ausführungsform sind die LEDs in den LED-Modulen 18 in Reihe geschaltet, aber die Anordnung von LEDs in den LED-Modulen kann jede beliebige Konfiguration von LEDs haben, wie oben mit Bezug auf die 9–17 beschrieben wurde.
In dieser Ausführungsform umfasst jedes CLD-Modul 16 einen Schalter zum selektiven Nutzen der CLDs, die innerhalb jedes CLD-Moduls 16 parallel geschaltet sind, um verschiedene Beleuchtungspegel zu realisieren. Zum Beispiel können die CLD-Module 16 (C1, C2, C3, C4) den nicht-ohmschen Drehschalter 24 umfassen, wie oben mit Bezug auf 19 beschrieben wurde. Diese Anordnung ermöglicht eine mehrfarbige Beleuchtung mit justierbarer Lichtstärke. Jeder Drehschalter 24 erlaubt vier Lichtstärkepegel für jede Farbe, da eine, zwei, drei oder vier CLDs in jedem CLD-Modul 16 verwendet werden können. Einschließlich der AUS-Position gibt es 5 Lichtstärkepegel für jede Farbe. Darum ergibt die Kombination von fünf verschiedenen Lichtstärkepegeln und 4 verschiedenen Farben 5⁴ = 625 verschiedene Farb- und Lichtstärke-Einstellungen. Im Allgemeinen erhöht sich die Anzahl der Farb-/Lichtstärkepegel-Kombinationen um (n + 1)^m, wobei n die Anzahl von CLDs ist, die zum Ansteuern jedes LED-Moduls 18 verwendet werden, und m die Anzahl der verwendeten verschiedenfarbigen LED-Module ist. In dieser Ausführungsform erzeugen Mischungen zum Beispiel aus weißen mit roten, grünen oder blauen LEDs eine ansprechende Palette von Pastellfarben, zum Beispiel Apfelgrün, Hellrosa, Blauweiß, Gelbweiß usw.
Die Ausführungsformen der Erfindung zum Betreiben und Steuern farbiger LEDs unter Verwendung des CLD-basierten Gleichrichterschaltkreises lösen die oben erwähnten Probleme von Farb-LED-Steuerungssystemen des Standes der Technik, da sie sowohl den Wirkungsgrad von impulsbreitenmodulierten Beleuchtungssystemen erreichen als auch die Einfachheit der Farbmischung unter Verwendung von Mehrebenen-Schaltern ermöglichen. Diese Fähigkeit wäre nicht möglich ohne die Verwendung von CLDs in Verbindung mit jedem LED-Modul gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Fachmann erkennt außerdem, dass auch eine elektronische Ersatzschaltung zum Ausführen des Mehrebenen-Schaltens implementiert werden kann. Zum Beispiel kann die Schaltschnittstelle die Form von Drucktasten oder optisch codierten kontaktlosen Drehschaltern oder Wählscheiben oder einer intelligenten IRDA-Fernsteuereinheit in Kommunikation mit einem IR-Empfänger in den CLD-Modulen 16 haben, wie oben beschrieben wurde und im Folgenden anhand der in 26 gezeigten Ausführungsform weiter beschrieben wird.
Wir wenden uns der Ausführungsform von 22 zu. Die Beleuchtungsvorrichtung 10 hat die Form einer Glühlampe, einer Leuchtkugel oder einer Lampe und umfasst einen beliebigen der CLD-basierten Gleichrichterschaltkreise gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben wurden. Die Beleuchtungsvorrichtung 10 umfasst des Weiteren einen Verbinder 26 zum Verbinden der Beleuchtungsvorrichtung 10 mit der Wechselstromversorgung 14. Wie in 22 gezeigt, kann der Verbinder 26 ein Außengewinde 28 zum Einschrauben in eine konventionelle Lampenfassung umfassen. Alternativ kann der Verbinder 26 die Form einer konventionellen Bajonettfassung haben, die ein Paar (nicht gezeigter) hervorstehender Stifte umfasst. Der Verbinder 26 kann auch jede andere Form haben, so dass er in die gewünschte Fassung oder Aufnahme passt. Die Beleuchtungsvorrichtung 10 umfasst des Weiteren ein Gehäuse 28 in Form eines Glaskolbens, der mit dem Verbinder 26 gekoppelt ist. Die Beleuchtungsvorrichtung 10 umfasst des Weiteren ein Substrat 30, das über Drähte 32 mit dem Verbinder 26 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 30 die Form einer gedruckten Leiterplatte (PCB) haben und kann einen Aluminiumkern und/oder eine Wärmesenke und/oder eine anodisierte Kupferplatte umfassen. Das Substrat 30 ist innerhalb des Gehäuses 28 angeordnet und kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten, dem Fachmann bekannten Mittels an einer Innenwand des Gehäuses montiert sein. Die mehreren LEDs (L₁ bis L_x) aus einem oder mehreren LED-Modulen 18 sind auf dem Substrat 30 montiert. In dieser Ausführungsform sind die mindestens zwei CLDs (C₁ bis C_x) aus einem oder mehreren CLD-Modulen 16 und der Vollwellengleichrichter 12 auf dem Substrat 30 montiert.
Bei der in 23 gezeigten Ausführungsform hat die Beleuchtungsvorrichtung 10 die Form einer Glühlampe, einer Leuchtkugel oder einer Lampe ähnlich der vorherigen Ausführungsform, die oben beschrieben wurde und in 22 gezeigt ist. Jedoch sind in dieser Ausführungsform die mindestens zwei CLDs (C₁ bis C_x) aus einem oder mehreren CLD-Modulen 16 und der Vollwellengleichrichter 12 nicht auf dem Substrat 30 in dem Gehäuse 28 montiert, sondern befinden sich statt dessen außerhalb des Gehäuses 30. In dieser Ausführungsform sind die mindestens zwei CLDs (C₁ bis C_x) und der Vollwellengleichrichter 12 mit einem Hauptschalter 34 in einer separaten Einheit gekoppelt, die mit einer Fassung 36 über Verbindungsdrähte 38 gekoppelt ist. Der Verbinder 26 der Beleuchtungsvorrichtung 10 wird in der Fassung 36 aufgenommen, um die Beleuchtungsvorrichtung 10 über die mindestens zwei CLDs (C₁ bis C_x), den Vollwellengleichrichter 12 und den Hauptschalter 34 mit der Wechselstromversorgung 14 zu verbinden.
Wenden wir uns 24 zu, wo eine ähnliche Anordnung wie die, die oben mit Bezug auf 23 beschrieben wurde, gezeigt ist. Jedoch ist in dieser Ausführungsform mindestens ein Schalter 24 mit mindestens einer der CLDs (C₁ bis C_x) im CLD-Modul 16 in Reihe geschaltet. Folglich befinden sich der mindestens eine Schalter 24 und die CLDs außerhalb des Gehäuses 30 und sind in dieser Ausführungsform in einer separaten Einheit angeordnet, die den Gleichrichter 12 und den Hauptschalter 34 umfasst. Der mindestens eine Schalter 24 kann die Form des Drehschalters, wie oben beschrieben, haben, um eine Dimmsteuerung zu ermöglichen, wobei der Dimmpegel durch die diskrete Anzahl von CLDs (C₁ bis C_x) bestimmt wird, die im CLD-Modul 16 angeordnet sind.
Die in 25 gezeigte Beleuchtungsvorrichtung 10 ähnelt der Anordnung, die oben mit Bezug auf 24 beschrieben wurde, außer dass die Beleuchtungsvorrichtung 10 mindestens zwei LED-Module 18 und mindestens zwei CLD-Module 16 umfasst, wobei jedes LED-Modul 18 mit einem jeweiligen CLD-Modul 16 in Reihe geschaltet ist und jedes LED-Modul LEDs (L₁ bis L_x) einer einzelnen Farbe umfasst. Zum Beispiel können vier LED-Module bereitgestellt werden, die nur weiße, rote, grüne oder blaue LEDs (L₁ bis L_x) umfassen. Ein Schalter 24 ist mit jedem CLD-Modul 16 in Reihe geschaltet. Die Schalter 24 können beispielsweise die Form von Drehschaltern haben, wie oben beschrieben, um verschiedene Lichtstärkepegel für jede Farbe zu erzeugen. In diesem Beispiel sind vier verschiedene Farben von LEDs mit jeweiligen Schaltern 24 und jeweiligen CLD-Modulen 16 bereitgestellt. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Anzahlen von Farben bereitgestellt werden können. Gemäß einigen Ausführungsformen wird der mindestens eine Schalter über eine Schnur oder eine Kordel 40 betätigt, die mit dem Verbinder 26 über eine oder mehrere Fassungen 36 gekoppelt ist, um bequem die Lichtstärke und Farbkombinationen durch Ziehen an der Schnur oder Kordel 40 zu steuern.
In der in 26 gezeigten Ausführungsform hat die Beleuchtungsvorrichtung 10 eine längliche Form, wie zum Beispiel eine Röhre. Die Beleuchtungsvorrichtung 10 umfasst eine beliebige der CLD-basierten Gleichrichterschaltkreise gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Beleuchtungsvorrichtung 10 umfasst des Weiteren eine digitale Verknüpfungsschaltung 42, die mit mindestens einer der CLDs des CLD-Moduls 16 in Reihe geschaltet ist, und einen Drahtlossendeschaltkreis 44, der mit der digitalen Verknüpfungsschaltung 42 gekoppelt ist. Die Beleuchtungsvorrichtung 10 umfasst außerdem einen Drahtlosempfänger 46, der mit dem Drahtlossendeschaltkreis 44 gekoppelt ist. Die Beleuchtungsvorrichtung 10 umfasst ein transparentes Gehäuse 28, das an einer Basis 48 montiert ist, und die Basis 48 kann dafür verwendet werden, die Beleuchtungsvorrichtung 10 an einer Oberfläche, wie zum Beispiel einer Decke oder einer Wand, zu montieren. Ein Substrat 30 ist innerhalb des Gehäuses 28 bereitgestellt, und mehrere LEDs (L₁ bis L_x) eines oder mehrerer LED-Module 18 sind auf dem Substrat 30 montiert. Drähte 32 koppeln die Beleuchtungsvorrichtung 10 über ein Stromkabel 50 mit einer Wechselstromversorgung 14. In einigen Ausführungsformen sind die Basis 48 und das Gehäuse 28 eine integral ausgebildete Einheit, wie zum Beispiel eine Dose aus einem geeigneten Kunststoffmaterial, wobei ein Teil der Einheit, der dem Gehäuse 28 entspricht, transparent ist, damit Licht von den LEDs hindurchtreten kann, und ein Teil der Einheit, der der Basis 48 entspricht, lichtundurchlässig ist.
In der in 26 gezeigten Ausführungsform können eines oder mehrere des Folgenden in dem Gehäuse 28 angeordnet sein: der Vollwellengleichrichter 12; das eine oder die mehreren CLD-Module 16; das eine oder die mehreren LED-Module 18; die digitale Verknüpfungsschaltung 42; der Drahtlossendeschaltkreis 44; der Drahtlosempfänger 46.
Die Beleuchtungsvorrichtung 10 kann mindestens zwei LED-Module 18 und mindestens zwei CLD-Module 16 umfassen, wobei jedes LED-Modul 18 mit einem jeweiligen CLD-Modul 16 in Reihe geschaltet ist und jedes LED-Modul LEDs (L₁ bis L_x) einer einzelnen Farbe umfasst. In dem in 26 gezeigten Beispiel sind LED-Module 18 bereitgestellt, die rote, grüne, blaue und weiße LEDs umfassen. Ein Drahtlossender 52 wird zum Senden von Signalen an den Drahtlosempfänger 46 verwendet, um die Intensitätspegel und Farbkombinationen des durch die Beleuchtungsvorrichtung 10 ausgesendeten Lichts zu steuern. Der Drahtlossender 52 kann in einer tragbaren Steuereinheit angeordnet werden, die Drucktasten umfasst, und zum Senden kann das oben beschriebene IRDA-Protokoll.
Wenden wir uns den 27 und 28 zu, wo ein Beleuchtungssystem 54 gezeigt ist, das mindestens zwei der Beleuchtungsvorrichtungen 10 umfasst, die oben beschrieben wurden. Gemäß einigen Ausführungsformen des Beleuchtungssystems 54 hat jede Beleuchtungsvorrichtung 10 eine längliche Form, wie zum Beispiel eine Röhre oder ein integral ausgebildeter Kasten, und ähnelt somit der oben mit Bezug auf 26 beschriebenen Ausführungsform. 27 zeigt zwei miteinander zu verbindende Beleuchtungsvorrichtungen 10, und 28 zeigt ein Beispiel eines Schaltkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der in dem Gehäuse 28 jeder Beleuchtungsvorrichtung 10 angeordnet ist. In diesem Beispiel ist der Schaltkreis in 28 der gleiche wie der, der oben mit Bezug auf 21 beschrieben wurde. Jede Beleuchtungsvorrichtung 10 umfasst mindestens zwei CLDs (C₁ bis C_x) von mindestens einem CLD-Modul 16 und den Vollwellengleichrichter 12, der in dem Gehäuse 28 angeordnet ist. Ein Substrat 30 ist in dem Gehäuse 28 angeordnet, und mehrere LEDs (L₁ bis L_x) eines oder mehrerer LED-Module 18 sind auf dem Substrat 30 montiert. Drähte 32 koppeln die LEDs (L₁ bis L_x) und die anderen Komponenten an mindestens zwei Verbinder 56, wobei mindestens ein Verbinder 56 an jedem Ende der Basis 48 angeordnet ist. In der in 27 gezeigten Ausführungsform hat jeder Verbinder 56 die Form einer Einsteckbuchse zum Aufnehmen eines Steckverbinders 58 eines Stromkabels 50, das die mindestens zwei Beleuchtungsvorrichtungen 10 elektrisch koppelt.
Gemäß anderen Ausführungsformen des Beleuchtungssystems 54 umfasst jede Beleuchtungsvorrichtung 10 einen der Verbinder 56 in Form einer Einsteckbuchse und einen der Verbinder 56 in Form eines komplementär geformten Steckers. Diese Anordnung ermöglicht es, den Stecker einer ersten Beleuchtungsvorrichtung 10 in die Einsteckbuchse einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung 10 einzuführen, und ermöglicht es der Einsteckbuchse der ersten Beleuchtungsvorrichtung 10, einen Stecker einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung aufzunehmen. Auf das Stromkabel 50 der vorherigen Ausführungsform wird verzichtet, und es gibt eine nahtlose Verbindung zwischen benachbarten Beleuchtungsvorrichtungen 10.
Es ist vorgesehen, dass mehrere Beleuchtungsvorrichtungen 10 in einem solchen Beleuchtungssystems 54 miteinander gekoppelt werden können, das zum Beispiel in Korridoren großer und kleiner Gebäude verwendet wird, die privaten, gewerblichen und/oder industriellen Zwecken dienen. Zum Beispiel kann das Beleuchtungssystem 54, wenn ein Strom von etwa 100 mA durch jede Beleuchtungsvorrichtung 10 fließt und ein Netzstrom von 13 A anliegt, 130 Beleuchtungsvorrichtungen 10 umfassen, die in Reihe geschaltet sind. Jedoch kann das Beleuchtungssystem 54 auch andere Anzahlen von Beleuchtungsvorrichtungen 10 umfassen, die in alternativen Konfigurationen miteinander verbunden sind.
Eine weitere Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung 10 ist in 29 gezeigt. In dieser Ausführungsform – wie schon bei früheren, oben beschriebenen Ausführungsformen – wandelt der Vollwellengleichrichter 12 eine Wechselstromversorgung in einen Gleichstrom um, und ein Strombegrenzungsdioden(CLD)-Modul 16 ist in Reihe an den Ausgang des Vollwellengleichrichters 12 gekoppelt. Das LED-Modul 18, das mehrere LEDs umfasst, ist ebenfalls zwischen dem Ausgang des CLD-Moduls 16 und dem Vollwellengleichrichter 12 in Reihe geschaltet, wie im Fall früherer Ausführungsformen. Jedoch umfasst das CLD-Modul 16 in dieser Ausführungsform nicht mindestens zwei CLDs, die parallel geschaltet sind, sondern ist eine einzelne CLD 60 mit einer höheren Stromtransportkapazität als die mehreren CLDs, die in früheren Ausführungsformen verwendet wurden. Ein Beispiel einer solchen CLD 60 mit hoher Stromtransportkapazität ist eine CLD YUNI 2DHL080 mit einer Kapazität 80 mA, die bei Guizhou Yuni Electronic Technology Co., Ltd. zu beziehen ist. Das Ersetzen mehrerer parallel geschalteter CLDs durch eine einzelne CLD verringert zusätzlich die Anzahl der Komponenten im Vergleich zum Stand der Technik.
In den oben dargelegten Ausführungsformen hat der gepulste Durchlass(gleich)strom, der in das LED-Modul eingespeist wird, eine trunkierte Wellenform. Die Anzahl von LEDs im LED-Modul 18 und die Anzahl von CLDs im CLD-Modul werden so gewählt, dass ein gepulster Durchlassstrom bereitgestellt wird, der Impulse umfasst, die flache Spitzen über mindestens 10% der Dauer des Stromzyklus aufweisen. Für die InGaN-LED-Technologie in Allgemeinen, die weiße, blaue, grüne und blaugrüne LEDs oder LEDs mit einer Anfangsemissionswellenlänge im Bereich von 360 nm bis 550 nm bereitstellt, wird die Anzahl von LEDs, die im LED-Modul 18 in Reihe geschaltet sind, unter einem von Folgendem ausgewählt:

a) für 110 V Wechselstrom, zwischen 34 und 54 LEDs;
b) für 120 V Wechselstrom, zwischen 38 und 60 LEDs;
c) für 230 V Wechselstrom, zwischen 80 und 124 LEDs;
d) für 240 V Wechselstrom, zwischen 84 und 128 LEDs; und
e) für 277 V Wechselstrom, zwischen 98 und 150 LEDs.

Das oben Dargelegte gilt unabhängig davon, ob die LEDs im LED-Modul 18 einen Phosphorwandler umfassen. Das oben Dargelegte basiert darauf, dass die LEDs mit zwischen 2,7 V und 3,7 V angesteuert werden und dass die CLD bei einer Spitzenspannung im Bereich von etwa 15 V bis 30 V arbeitet.
Mit Bezug auf 30 kann das CLD-Modul 16 gemäß anderen Ausführungsformen mindestens zwei CLDs 60 in Reihe anstatt parallel geschaltet enthalten. Der Gedanke hinter diesen Ausführungsformen dieser Erfindung ist, dass mit jeder zusätzlichen in Reihe geschalteten CLD der Betriebsspannungsbereich der CLD-Reihe erhöht wird. Dieser erhöhte Spannungsbereich ermöglicht es dem Schaltkreis, eine größere Variation der Gesamt-LED-Spannungsschwankung in der LED-Reihe zu absorbieren, ohne dass die LED-Helligkeit beeinträchtigt wird. Wenn die LED-Spannungsvariation zu hoch ist, wenn zum Beispiel die Gesamt-LED-Spannung in Reihe höher als die Bemessungsspannung ist, dann erhält die CLD 60 eine verringerte Betriebsspannung. Das wiederum kann möglicherweise dazu führen, dass die CLD 60 unterhalb der Strombegrenzungsregion arbeitet, wodurch der Wirkungsgrad des LED-Systems stark verringert wird. Der Einbau von zwei oder mehr CLDs 60 in Reihe ermöglicht es dem LED-System, bei Verwendung von LEDs mit höheren V_f-Variationen zuverlässiger und toleranter zu sein (d. h. bei weniger strikt V_f-gebinnten LEDs, so dass billigere LEDs verwendet werden können, ohne dass Leistung verloren geht). Dies bedeutet einen Kostenvorteil für das System.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen können die LEDs in den LED-Modulen 18 die Form einzelner LED-Komponenten oder LED-Chips haben. Das LED-Modul kann mehrere LED-Komponenten oder mehrere LED-Chips umfassen. Zum Beispiel kann das LED-Modul 18 mindestens zwei in Reihe geschaltete LED-Chips umfassen. Die LED-Chips können in vorkonfigurierten Einheiten bereitgestellt werden, die mehrere LED-Chips in Reihe umfassen. 31 zeigt ein Beispiel, in dem das LED-Modul 18 vorkonfigurierte Einheiten 18b umfasst, die 6 LED-Chips in Reihe umfassen.
Vorkonfigurierte Einheiten 18b, die 2, 3, 4, 6 oder 12 LED-Chips umfassen, können ebenfalls in einigen Ausführungsformen verwendet werden. LED-Chips, und insbesondere vorkonfigurierte Einheiten 18b, haben den Vorteil gegenüber einzelnen LED-Komponenten, dass sie weniger Komponenten haben, im PCB-Layout weniger Platz beanspruchen und geringere Kosten je Lumen für das LED-System verursachen.
Somit lösen die Aspekte der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, – oder mindern zumindest – die oben erwähnten Probleme, die man aus bekannten Schaltkreisdesigns zum Betreiben von LEDs über eine Wechselstromversorgung kennt. Die oben erwähnten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dank der Verwendung der Ausführungsformen des CLD-Moduls 16 und des LED-Moduls 18, wie oben beschrieben, in Reihe mit dem Ausgang eines Vollwellengleichrichters 12 erreicht.
In dieser Spezifikation wurde das Ziel verfolgt, die Erfindung zu beschreiben, ohne sie auf eine einzelne Ausführungsform oder eine bestimmte Zusammenstellung von Merkmalen zu beschränken. Der einschlägig bewanderte Fachmann kann Variationen aus den konkreten Ausführungsformen ableiten, die dennoch in den Schutzumfang der Erfindung fallen.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Vollwellengleichrichter zum Umwandeln einer Wechselstromversorgung in einen Gleichstrom; ein Strombegrenzungsdioden(CLD)-Modul, das mit einem Ausgang des Vollwellengleichrichters in Reihe geschaltet ist, wobei das CLD-Modul mindestens eine CLD umfasst; und ein Leuchtdioden(LED)-Modul, das zwischen einem Ausgang des CLD-Moduls und dem Vollwellengleichrichter in Reihe geschaltet ist, wobei das LED-Modul mehrere LEDs umfasst; wobei ein gepulster Durchlass(gleich)strom mit einer trunkierten Wellenform in das LED-Modul eingespeist wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Vollwellengleichrichter aus einem von Folgendem ausgewählt ist: einem Brückengleichrichter, der eine einzelne Komponente umfasst, und einem Vollwellengleichrichter, der vier Gleichrichterdioden in einer Brückenkonfiguration umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Anzahl von LEDs im LED-Modul und eine Anzahl von CLDs im CLD-Modul so gewählt werden, dass der gepulste Durchlassstrom Impulse aufweist, die flache Spitzen über mindestens 10% der Dauer des Stromzyklus umfassen.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das LED-Modul mindestens dreißig in Reihe geschaltete LEDs umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Anzahl von LEDs, die im LED-Modul in Reihe geschaltet sind, aus einem von Folgendem ausgewählt ist: a) für 110 V Wechselstrom, zwischen 34 und 54 LEDs; b) für 120 V Wechselstrom, zwischen 38 und 60 LEDs; c) für 230 V Wechselstrom, zwischen 80 und 124 LEDs; d) für 240 V Wechselstrom, zwischen 84 und 128 LEDs; und e) für 277 V Wechselstrom, zwischen 98 und 150 LEDs.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das LED-Modul einen oder mehrere LED-Blöcke umfasst, wobei jeder LED-Block zwei oder mehr parallel geschaltete LEDs umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei jeder LED-Block zwei oder mehr in Reihe geschaltete LEDs umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das CLD-Modul mindestens zwei CLDs umfasst, die parallel geschaltet sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das CLD-Modul mindestens einen Schalter in Reihe mit mindestens einer der CLDs umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Summe eines Spannungsabfalls am CLD-Modul und am LED-Modul mindestens 90% der Wechselstromversorgungsspannung beträgt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des Weiteren eine zurücksetzbare Positive-Temperaturkoeffizient(PTC)-Sicherung umfasst, die zwischen der Wechselstromversorgung und einem Eingang des Vollwellengleichrichters in Reihe geschaltet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, die mindestens zwei LED-Module und mindestens zwei CLD-Module umfasst, wobei jedes LED-Modul mit einem jeweiligen CLD-Modul in Reihe geschaltet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des Weiteren Folgendes umfasst: einen Verbinder zum Verbinden der Beleuchtungsvorrichtung mit der Wechselstromversorgung; ein Gehäuse, das mit dem Verbinder gekoppelt ist; und ein Substrat, das mit dem Verbinder innerhalb des Gehäuses gekoppelt ist, wobei die mehreren LEDs auf dem Substrat montiert sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die mindestens eine CLD und der Vollwellengleichrichter an dem Substrat montiert sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine CLD und der Vollwellengleichrichter mit dem Verbinder gekoppelt sind und sich außerhalb des Gehäuses befinden.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 15, die des Weiteren mindestens einen Schalter in Reihe mit der mindestens einen CLD umfasst, wobei sich der mindestens eine Schalter und die mindestens eine CLD außerhalb des Gehäuses befinden.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 16, die Folgendes umfasst: mindestens zwei LED-Module und mindestens zwei CLD-Module, wobei jedes LED-Modul mit einem jeweiligen CLD-Modul in Reihe geschaltet ist, wobei jedes LED-Modul LEDs einer einzelnen Farbe umfasst; und einen Schalter, der mit jedem CLD-Modul in Reihe geschaltet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren Folgendes umfasst: eine digitale Verknüpfungsschaltung, die mit der mindestens einen CLD in Reihe geschaltet ist; einen Drahtlossendeschaltkreis, der mit der digitalen Verknüpfungsschaltung gekoppelt ist; und einen Drahtlosempfänger, der mit dem Drahtlossendeschaltkreis gekoppelt ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei eines oder mehrere von Folgendem innerhalb eines Gehäuses der Beleuchtungsvorrichtung angeordnet sind: der Vollwellengleichrichter; das CLD-Modul; das LED-Modul; die digitale Verknüpfungsschaltung; der Drahtlossendeschaltkreis; der Drahtlosempfänger; ein Substrat.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 19, die mindestens zwei LED-Module und mindestens zwei CLD-Module umfasst, wobei jedes LED-Modul mit einem jeweiligen CLD-Modul in Reihe geschaltet ist, wobei jedes LED-Modul LEDs einer einzelnen Farbe umfasst.
Beleuchtungssystem, das mindestens zwei der Beleuchtungsvorrichtungen nach Anspruch 13 umfasst, wobei jede Beleuchtungsvorrichtung mindestens zwei Verbinder umfasst, um eine der Beleuchtungsvorrichtungen elektrisch mit mindestens einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung zu koppeln.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 21, wobei jeder der mindestens zwei Verbinder die Form einer Einsteckbuchse zum Aufnehmen eines Steckverbinders eines Kabels hat.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 21, wobei einer der Verbinder einer ersten Beleuchtungsvorrichtung die Form einer Einsteckbuchse zum Aufnehmen eines Steckers einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung hat und ein weiterer der Verbinder der ersten Beleuchtungsvorrichtung die Form eines Steckers zum Einführen in eine Einsteckbuchse einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung hat.
Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung, das Folgendes enthält: Umwandeln einer Wechselstromversorgung mit einem Vollwellengleichrichter in einen Gleichstrom; und Einspeisen des Gleichstroms in ein Strombegrenzungsdioden(CLD)-Modul, das mit einem Ausgang des Vollwellengleichrichters in Reihe geschaltet ist, wobei das CLD-Modul mindestens eine CLD umfasst; und Einspeisen eines gepulsten Durchlassstroms mit einer trunkierten Wellenform in ein Leuchtdioden(LED)-Modul, das zwischen einem Ausgang des CLD-Moduls und dem Vollwellengleichrichter in Reihe geschaltet ist, wobei das LED-Modul mehrere LEDs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, das Folgendes enthält: Steuern einer durch das LED-Modul bereitgestellten Beleuchtung mit mindestens einem Schalter in Reihe mit der mindestens einen CLD im CLD-Modul.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, das Folgendes enthält: Auswählen einer Anzahl von LEDs im LED-Modul und einer Anzahl von CLDs im CLD-Modul dergestalt, dass der gepulste Durchlassstrom Impulse aufweist, die flache Spitzen über mindestens 10% der Dauer des Stromzyklus umfassen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Anzahl von LEDs, die im LED-Modul in Reihe geschaltet sind, aus einem von Folgendem ausgewählt ist: a) für 110 V Wechselstrom, zwischen 34 und 54 LEDs; b) für 120 V Wechselstrom, zwischen 38 und 60 LEDs; c) für 230 V Wechselstrom, zwischen 80 und 124 LEDs; d) für 240 V Wechselstrom, zwischen 84 und 128 LEDs; und e) für 277 V Wechselstrom, zwischen 98 und 150 LEDs.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das CLD-Modul mindestens zwei in Reihe geschaltete CLDs umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die LEDs im LED-Modul aus Folgendem ausgewählt werden: LED-Komponenten; LED-Chips.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 29, wobei das LED-Modul mindestens zwei in Reihe geschaltete LED-Chips umfasst.