DE202017107779U1

DE202017107779U1 - LED-Treiber

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Publication number: DE202017107779U1
Application number: DE202017107779.9U
Authority: DE
Original assignee: JITBOUNDARY UNITED PRODUCTION Inc
Current assignee: JITBOUNDARY UNITED PRODUCTION Inc
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2018-01-12
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: TWI615060B; US10154557B2; CN207897179U; US20180192492A1; TW201826885A

Abstract

Ein LED-Treiber, zumindest umfassend:
eine Gleichrichterschaltung, die einen ersten AC-Eingangsanschluss, einen zweiten AC-Eingangsanschluss, einen ersten Gleichrichterausgangsanschluss und einen zweiten Gleichrichterausgangsanschluss umfasst, wobei der erste und zweite AC-Eingangsanschluss zum Empfangen einer AC-Eingangsleistung dienen, wobei die Gleichrichterschaltung mit mindestens vier unidirektionalen Komponenten, nämlich der ersten, zweiten, dritten und vierten unidirektionalen Komponente, versehen ist, wobei der positive Anschluss der ersten und dritten unidirektionalen Komponente jeweils mit dem ersten und zweiten AC-Eingangsanschluss verbunden ist, wobei der negative Anschluss der ersten und vierten unidirektionalen Komponente jeweils mit dem zweiten Gleichrichterausgangsanschluss verbunden ist, wobei der negative Anschluss der zweiten und dritten unidirektionalen Komponente jeweils mit dem ersten Gleichrichterausgangsanschluss verbunden ist;
ein erstes LED-Modul, das zwischen den negativen Anschluss der ersten unidirektionalen Komponente und den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente geschaltet ist;
ein zweites LED-Modul, das zwischen den negativen Anschluss der dritten unidirektionalen Komponente und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente geschaltet ist; und
ein mehrstufiges Treibermodul, das zwischen den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente geschaltet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen LED-Treiber und ein Antriebsverfahren hierfür, bei dem der Helligkeitsunterschied zwischen verschiedenen LED-Modulen durch eine einfache Schaltungsstruktur reduziert und somit das Problem der ungleichmäßigen Helligkeit beseitigt werden kann.
Stand der Technik
Leuchtdioden (LED) sind elektronische Halbleiterkomponenten, die die Fähigkeit haben, zu leuchten. Derartige elektronische Komponenten gibt es bereits seit dem Jahr 1962. Anfangs konnten sie nur schwaches rotes Licht emittieren und später wurden sie so weiterentwickelt, dass sie auch als andere monochromatische Lichtquellen genutzt werden konnten. Heutzutage können LEDs bereits das gesamte sichtbare Licht, Infrarotlicht und UV-Licht emittieren und darüber hinaus hat sich ihre Leuchtstärke deutlich erhöht. In der Anfangsphase wurden LEDs als Anzeigelichter und für Anzeigetafeln eingesetzt. Mit dem Aufkommen der weißen Leuchtdiode hat auch die Verwendung von LEDs in verschiedenen Beleuchtungsvorrichtungen stetig zugenommen. Beispielsweise werden LEDs mit hoher Helligkeit in Verkehrsampeln, Fahrzeugleuchten und Bremslichtern weit verbreitet eingesetzt. In den letzten Jahren wurden außerdem Beleuchtungsvorrichtungen entwickelt, die eine mit Hochspannung betriebene LED-Lichterkette verwenden, um konventionelle weiße Glühlampen und Leuchtstofflampen zu ersetzen.
Um LEDs zum Leuchten zu bringen, ist der Betrieb mit einer DC(Direct Current – Gleichstrom)-Stromversorgung erforderlich. Wenn LEDs für eine Beleuchtungs- oder Anzeigevorrichtung eingesetzt werden und Wechselstrom (AC Alternating Current) für die Beleuchtungs- oder Anzeigevorrichtung verwendet wird, wird zur Umwandlung des Wechselstroms in Gleichstrom zusätzlich eine Stromwandlerschaltung benötigt, anschließend wird der Gleichstrom an die LEDs angelegt, um die LEDs zum Leuchten zu bringen. Auf dem heutigen Beleuchtungsmarkt lassen sich hierbei die gängigen LED-Lampentreiber unterteilen in 1. Schalttreiber, 2. Widerstands-Kapazitäten-Treiber, 3. mehrstufige Lineartreiber und 4. LED-Konstantstromtreiber. Unter diesen hat der Schalttreiber eine komplizierte Konfiguration, erfordert eine komplizierte Montage und hat eine kurze Lebensdauer, wobei noch zusätzlich eine Dimmschaltung hinzugefügt werden muss, wenn ein Dimmen der Lichtenergie nötig ist, wodurch seine Kosten noch höher sind. Die Spannung und der Strom des Widerstands-Kapazitäten-Treibers sind instabil. Der LED-Konstantstromtreiber hat eine geringe Effizienz.
1 zeigt eine LED-Beleuchtungseinheit, die einen mehrstufigen Lineartreiber aufweist. Hinter dem Brückengleichrichter 110 ist eine LED-Lichterkette angeschlossen, wobei die LED-Lichterkette in zwei Segmente, nämlich in das erste LED-Segment 121 und das zweite LED-Segment 122, unterteilt ist, wobei die beiden LED-Segmente jeweils mit den entsprechenden Eingangsanschlüssen DR1, DR2 des mehrstufigen Lineartreibers IC140 verbunden sind (siehe gleichzeitig 2). Durch die Erhöhung der Eingangsspannung 210 wird in einem AC-Zyklus am ersten LED-Segment 121 und am zweiten LED-Segment 122 nacheinander eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt, wodurch diese beiden leuchten. Wenn die Eingangsspannung 210 klein ist, wird der mehrstufige Lineartreiber IC140 über den Eingangsanschluss DR1 mit Strom versorgt, wobei beim Eingangsanschluss DR1 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird. Wenn die Eingangsspannung 210 bis zur Beleuchtungsspannung des ersten LED-Segments 121 erhöht wird, wird zu diesem Zeitpunkt am ersten LED-Segment 121 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt, wodurch dieses leuchtet, wobei der Eingangsanschluss DR1 zu Arbeiten beginnt und der LED-Strom I1 durch den Eingangsanschluss DR1 fließt. Wenn die Eingangsspannung 210 weiter derart erhöht wird, dass der Spannungsabfall des Eingangsanschlusses DR1 gegenüber dem Eingangsanschluss DR2 die Beleuchtungsspannung des zweiten LED-Segments 122 erreicht, wird zu diesem Zeitpunkt am ersten LED-Segment 121 und am zweiten LED-Segment 122 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt, wodurch das erste und zweite LED-Segment leuchten, wobei der LED-Strom I2 durch den Eingangsanschluss DR2 fließt und der Eingangsanschluss DR1 geschlossen wird. Im umgekehrten Fall arbeiten das zweite LED-Segment 122 und das erste LED-Segment 121 mit der Abnahme der Eingangsspannung 210, wenn die Spannung bis unter die Beleuchtungsspannung aller LED-Segmente fällt, nacheinander nicht mehr. Daher kann durch Verwendung eines solchen mehrstufigen Lineartreibers ohne zusätzliche Dimmschaltung eine Dimmfunktion erzielt werden.
Aus der 2 ist ersichtlich, dass durch die Erhöhung der Eingangsspannung 210 in einem Flussweg des positiven bzw. negativen Halbzyklus des AC-Zyklus im Prozess, in dem in der gleichen Reihenfolge am ersten LED-Segment 121 und am zweiten LED-Segment 122 nacheinander eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird und diese beiden dadurch leuchten (das erste LED-Segment 121 leuchtet immer zuerst und danach leuchtet das zweite LED-Segment 122), die Zeit, die diese zum Leuchten benötigen, und deren Leistung unterschiedlich sind. Dies führt dazu, dass die beiden LED-Segmente 121, 122 unterschiedliche Lichtmengen aufweisen und somit das Problem der ungleichmäßigen Helligkeit zwischen den beiden LED-Segmenten auftritt. Um dieses Problem zu lösen, ist es erforderlich, wie aus der taiwanesischen Patentanmeldungsveröffentlichung TW 201104915 A bekannt ist, alle LEDs auf komplizierte Weise anzuordnen, damit die LEDs in verschiedenen Segmenten der LED-Lichterkette gleichmäßig verteilt werden können, um so einen durch die unterschiedlichen Zyklen der unterschiedlichen Segmente hervorgerufenen Helligkeitsunterschied zu vermeiden. Allerdings führt eine solche Gestaltung nicht nur dazu, dass sich die Gestaltung der LED-Lampen verkompliziert, sondern es führt außerdem dazu, dass die Verwendung einer LED-Lichterkette mit einer großen Anzahl von Leuchtdioden erforderlich ist.
Während des Betriebs kommt es ferner bei allen LEDs synchron mit der Sinuswelle der Stromversorgung zu Abweichungen. D. h. mit der Zeit kommt es zu einer schnellen, sich wiederholenden Änderung der Intensität des von den jeweiligen LEDs emittierten Lichts, wodurch die Lichtquellen flimmern und instabil sind, d. h. es tritt das Phänomen des Flimmerns auf. Unabhängig davon, ob das menschliche Auge in der Lage ist, dieses wahrzunehmen oder nicht, hat das Phänomen des Flimmerns in unterschiedlichem Grade einen negativen Einfluss auf den menschlichen Körper und kann z. B. Kopfschmerzen, Schwindel, Augenschmerzen, Nervosität oder sogar Epilepsie hervorrufen.
In der Regel wird bei der Treiberschaltung zur Einstellung des AC-Spannungsausgangs des Gleichrichters und zur Erzeugung einer stabilen DC-Spannung die Kapazität erhöht, um den Effekt einer stabilen Spannung zu erzielen und hinsichtlich des Phänomens des Flimmerns eine Verbesserung zu erreichen. Die Erhöhung der Kapazität der LED-Beleuchtungseinheit des oben genannten mehrstufigen Lineartreibers ist aber keine gut geeignete Methode. Die Gründe dafür sind im Folgenden beschrieben:

1. Wenn der Kondensator am ersten LED-Segment 121 angeordnet ist, werden in der Ladephase die LEDs mit Wechselstrom angetrieben und der Kondensator wird gleichzeitig geladen. In der Entladephase werden die LEDs durch den Kondensator mit Strom versorgt. Zu diesem Zeitpunkt kann zwar das Problem des Flimmerns des ersten LED-Segments 121 gelöst und die Lichtausbeute verbessert werden, allerdings vergrößert sich in einem AC-Zyklus der Unterschied zwischen dem ersten LED-Segment 121 und dem zweiten LED-Segment 122, wodurch das Problem der ungleichmäßigen Helligkeit gravierender wird.
2. Wenn die beiden LED-Segmente 121, 122 mit einem Kondensator parallel geschaltet sind, kann die Eingangsspannung zwar fest auf die Beleuchtungsspannung des zweiten LED-Segments 122 eingestellt werden, jedoch wird zu diesem Zeitpunkt am ersten LED-Segment 121 und am zweiten LED-Segment 122 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt, wodurch diese beiden gleichzeitig leuchten, womit die Wirkung des mehrstufigen Antreibens verloren geht.
3. Wenn der Kondensator mit dem Gleichrichterausgangsanschluss verbunden ist, kann zwar der AC-Spannungsausgang nach der Gleichrichtung derart eingestellt werden, dass eine stabile Wechselstromspannung erzeugt wird, jedoch kommt es durch den starken Anstieg und den linearen Abfall des Wechselstroms und durch den hohen Grad der harmonischen Verzerrung der Wellenform zu einer niedrigen Leistung der LED-Beleuchtungseinheit. Ferner muss der Spannungsfestigkeitswert des Kondensators höher als die Eingangsspannung sein. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung 110 Volt beträgt, muss für den Kondensator ein Hochspannungskondensator verwendet werden (dessen Spannungsfestigkeitswert beträgt 150 Volt). Allerdings führt der Einsatz von Hochspannungskondensatoren auch zu einer relativen Erhöhung der Kosten und der Größe.

Daher besteht ein Bedarf für einen LED-Treiber, der eine relativ einfache Schaltungsstruktur aufweist und durch den innerhalb der Zykluszeit des Wechselstroms die Leistung und Lichtmenge aller LED-Segmente der LED-Lichterkette gleich sind, um das Auftreten einer ungleichmäßigen Helligkeit zu vermeiden und somit hinsichtlich des Phänomens des Flimmerns eine Verbesserung zu erreichen, ohne dabei die Leistungsfaktoren der LED-Treiberschaltung zu beeinträchtigen. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass wechselstrombetriebene LED-Geräte sich für den Einsatz in Beleuchtungen noch besser eignen.
Aufgabe der Erfindung
Angesichts des obigen Problems besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines LED-Treibers und eines Antriebsverfahrens hierfür, bei dem der Helligkeitsunterschied zwischen verschiedenen LED-Modulen durch eine einfache Schaltungsstruktur reduziert und somit das Problem der ungleichmäßigen Helligkeit gelöst werden kann.
Technische Lösung
In der vorliegenden Erfindung wird jeweils ein Flussweg des positiven bzw. negativen Halbzyklus des Wechselstroms durch mindestens zwei unidirektionale Komponenten bereitgestellt, wobei jeweils im Flussweg des positiven bzw. negativen Halbzyklus mindestens zwei LED-Module integriert sind und ferner ein mehrstufiges Treibermodul integriert ist, wodurch die mindestens zwei LED-Module, wenn im positiven Halbzyklus oder im negativen Halbzyklus eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, in einer anderen Reihenfolge leuchten, sodass in der Zykluszeit des Wechselstroms die Leistung und Helligkeit der mindestens zwei LED-Module konsistent sein können, um dadurch das Problem der ungleichmäßigen Helligkeit zwischen verschiedenen LED-Modulen in einem gewöhnlichen mehrstufigen Treiber erheblich zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner einen LED-Treiber bereit, zumindest umfassend eine Gleichrichterschaltung, die einen ersten AC-Eingangsanschluss, einen zweiten AC-Eingangsanschluss, einen ersten Gleichrichterausgangsanschluss und einen zweiten Gleichrichterausgangsanschluss umfasst, wobei der erste und zweite AC-Eingangsanschluss zum Empfangen einer AC-Eingangsleistung dienen, wobei die Gleichrichterschaltung mit mindestens vier unidirektionalen Komponenten, nämlich der ersten, zweiten, dritten und vierten unidirektionalen Komponente, versehen ist, wobei der positive Anschluss der ersten und dritten unidirektionalen Komponente jeweils mit dem ersten und zweiten AC-Eingangsanschluss verbunden ist, wobei der negative Anschluss der ersten und vierten unidirektionalen Komponente jeweils mit dem zweiten Gleichrichterausgangsanschluss verbunden ist, wobei der negative Anschluss der zweiten und dritten unidirektionalen Komponente jeweils mit dem ersten Gleichrichterausgangsanschluss verbunden ist; ein erstes LED-Modul, das zwischen den negativen Anschluss der ersten unidirektionalen Komponente und den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente geschaltet ist; ein zweites LED-Modul, das zwischen den negativen Anschluss der dritten unidirektionalen Komponente und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente geschaltet ist; und ein mehrstufiges Treibermodul, das zwischen den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente geschaltet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren in schematischer Darstellung näher im Detail beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen mehrstufigen Lineartreibers,
2 eine Darstellung der Spannungswellenformen innerhalb der Zykluszeit des Wechselstroms eines herkömmlichen mehrstufigen Lineartreibers,
3 eine erste schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LED-Treibers,
4 eine Darstellung der Spannungswellenformen innerhalb der Zykluszeit des Wechselstroms des erfindungsgemäßen LED-Treibers,
5 eine zweite schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LED-Treibers,
6 eine dritte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LED-Treibers,
7 eine vierte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LED-Treibers und
8 eine fünfte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LED-Treibers.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Sofern nicht anders angegeben, haben die folgenden in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Begriffe die nachstehend angegebenen Bedeutungen. Es ist anzumerken, dass sich die in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Singularformen „ein”; „eine” und „der”; „die”; „das” auch auf einen oder mehrere der aufgeführten Gegenstände, z. B. mindestens einen, mindestens zwei oder mindestens drei, anstatt auf nur einen einzigen Gegenstand beziehen können. Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass die in den Ansprüchen verwendeten Begriffe „umfassend” und „aufweisend” so zu verstehen sind, dass die in den Ansprüchen beschriebenen Komponenten oder Kombinationen von Bestandteilen andere nicht in den Ansprüchen beschriebene Komponenten oder Bestandteile nicht ausschließen. Es soll darauf hingewiesen werden, dass der Begriff „oder” ein inklusiv oder bezeichnet und äquivalent zu dem Ausdruck „und/oder” ist, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorgibt. Soweit in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung der Begriff „etwa” verwendet wird, ist offensichtlich, dass die genannten Bereichsgrenzen oder Werte keine starren Grenzen darstellen, sondern dass vielmehr auch bei geringfügigen Abweichungen noch Ziel und Zweck der vorliegenden Erfindung erfüllt werden.
Beim erfindungsgemäßen Antriebsverfahren wird jeweils ein Flussweg des positiven bzw. negativen Halbzyklus des Wechselstroms durch mindestens zwei unidirektionale Komponenten bereitgestellt, wobei jeweils im Flussweg des positiven bzw. negativen Halbzyklus mindestens zwei LED-Module integriert sind und ferner ein mehrstufiges Treibermodul integriert ist, wodurch die mindestens zwei LED-Module, wenn im positiven Halbzyklus oder im negativen Halbzyklus eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, in einer anderen Reihenfolge leuchten.
Im in 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel wird das Antriebsverfahren durch Verwendung eines Treibers erreicht. Der Treiber umfasst mindestens eine Gleichrichterschaltung, ein erstes LED-Modul 510, ein zweites LED-Modul 610 und ein mehrstufiges Treibermodul 710.
Die Gleichrichterschaltung umfasst einen ersten AC-Eingangsanschluss 311, einen zweiten AC-Eingangsanschluss 312, einen ersten Gleichrichterausgangsanschluss 313 und einen zweiten Gleichrichterausgangsanschluss 314, wobei der erste und zweite AC-Eingangsanschluss 311, 312 durch Gleichrichtung zum Empfangen einer AC-Eingangsleistung und zur Umwandlung der AC-Eingangsleistung in DC-Stromversorgung dienen, wobei die Gleichrichterschaltung mit mindestens vier unidirektionalen Komponenten, nämlich der ersten, zweiten, dritten und vierten unidirektionalen Komponente 315, 316, 317, 318, versehen ist, wobei der positive Anschluss der ersten und dritten unidirektionalen Komponente 315, 317 jeweils mit dem ersten und zweiten AC-Eingangsanschluss 311, 312 verbunden ist, wobei der negative Anschluss der ersten und vierten unidirektionalen Komponente 315, 318 jeweils mit dem zweiten Gleichrichterausgangsanschluss 314 verbunden ist, wobei der negative Anschluss der zweiten und dritten unidirektionalen Komponente 316, 317 jeweils mit dem ersten Gleichrichterausgangsanschluss 313 verbunden ist. Die oben genannten unidirektionalen Komponenten können Gleichrichterdioden oder Leuchtdioden sein.
Das erste LED-Modul 510 ist zwischen den negativen Anschluss der ersten unidirektionalen Komponente 315 und den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente 316 geschaltet. Das erste LED-Modul 510 kann eine einzelne Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden aufweisen oder es kann mit mehreren Leuchtdioden in Reihe geschaltet sein, wie in der Figur gezeigt ist.
Das zweite LED-Modul 610 ist zwischen den negativen Anschluss der dritten unidirektionalen Komponente 317 und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente 318 geschaltet. Das zweite LED-Modul 610 kann eine einzelne Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden aufweisen oder es kann mit mehreren Leuchtdioden in Reihe geschaltet sein, wie in der Figur gezeigt ist.
Das mehrstufige Treibermodul 710 ist zwischen den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente 316 und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente 318 geschaltet. Hierbei kann das mehrstufige Treibermodul 710 eine mehrstufige Antriebseinheit oder eine Strombegrenzungseinheit sein, wobei das mehrstufige Treibermodul 710 mit einem ersten und zweiten Eingangsanschluss S1, S2 versehen sein kann, wobei der erste Eingangsanschluss S1 zwischen das erste LED-Modul 510 und den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente 316 geschaltet ist, wobei der zweite Eingangsanschluss S2 zwischen das zweite LED-Modul 610 und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente 318 geschaltet ist, wobei beim mehrstufigen Treibermodul 710 mehrere Beleuchtungsspannungen in verschiedenen Stufen eingestellt werden können. Im in der Figur gezeigten vorliegenden Ausführungsbeispiel sind entsprechend eine Beleuchtungsspannung in der ersten Stufe und eine Beleuchtungsspannung in der zweiten Stufe eingestellt.
(Siehe gleichzeitig 4) Durch die Erhöhung der Eingangsspannung 810 wird in einem AC-Zyklus am ersten LED-Segment 510 und am zweiten LED-Segment 610 nacheinander eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt, wodurch das erste und zweite Segment leuchten, wobei das erste und zweite LED-Modul 510, 610, wenn im positiven Halbzyklus oder im negativen Halbzyklus eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, in einer anderen Reihenfolge leuchten. Wenn im positiven Halbzyklus eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird und die Eingangsspannung 810 bis zur Beleuchtungsspannung in der ersten Stufe erhöht wird, beginnt der erste Eingangsanschluss S1 zu arbeiten und der LED-Treiberstrom fließt durch den ersten Eingangsanschluss S1, wobei zu diesem Zeitpunkt beim ersten LED-Modul 510 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, wodurch dieses leuchtet. Wenn die Eingangsspannung 810 weiter derart erhöht wird, dass der Spannungsabfall des ersten Eingangsanschlusses S1 gegenüber dem zweiten Eingangsanschluss S2 die Beleuchtungsspannung in der zweiten Stufe erreicht, fließt zu diesem Zeitpunkt der LED-Treiberstrom durch den zweiten Eingangsanschluss S2 und der erste Eingangsanschluss S1 wird geschlossen, wobei zu diesem Zeitpunkt beim ersten und zweiten LED-Modul 510, 610 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, wodurch diese beiden leuchten. Im umgekehrten Fall arbeiten das zweite LED-Modul 610 und das erste LED-Modul 510 mit der Abnahme der Eingangsspannung 810, wenn die Spannung bis unter die Beleuchtungsspannung aller Stufen fällt, nacheinander nicht mehr. Da beim Flussweg des positiven Halbzyklus dem ersten LED-Modul 510 Priorität zugeteilt wird, wird im Prozess der kontinuierlichen Zunahme der Spannung zuerst beim ersten LED-Modul 510 und dann beim zweiten LED-Modul 610 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt, wodurch diese beiden nacheinander leuchten.
Beim Flussweg des negativen Halbzyklus wird dem zweiten LED-Modul 610 Priorität zugeteilt. Wenn die Eingangsspannung 810 bis zur Beleuchtungsspannung in der ersten Stufe erhöht wird, beginnt der zweite Eingangsanschluss S2 zu arbeiten und der LED-Strom fließt durch den zweiten Eingangsanschluss S2, wobei zu diesem Zeitpunkt beim zweiten LED-Modul 610 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, wodurch dieses leuchtet. Wenn die Eingangsspannung 810 weiter derart erhöht wird, dass der Spannungsabfall des zweiten Eingangsanschlusses S2 gegenüber dem ersten Eingangsanschluss S1 die Beleuchtungsspannung in der zweiten Stufe erreicht, fließt zu diesem Zeitpunkt der LED-Strom durch den ersten Eingangsanschluss S1 und der zweite Eingangsanschluss S2 wird geschlossen, wobei zu diesem Zeitpunkt beim zweiten und ersten LED-Modul 610, 510 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, wodurch diese beiden leuchten. Da beim Flussweg des negativen Halbzyklus dem zweiten LED-Modul 610 Priorität zugeteilt wird, wird im Prozess der kontinuierlichen Zunahme der Spannung zuerst beim zweiten LED-Modul 610 und dann beim ersten LED-Modul 510 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt, wodurch diese beiden nacheinander leuchten.
In diesem Ausführungsbeispiel leuchten im Flussweg des positiven Halbzyklus bzw. des negativen Halbzyklus alle LED-Module in unterschiedlicher Reihenfolge. Dies entspricht genau dem, was in der vorliegenden Erfindung definiert ist, nämlich dass „alle LED-Module, wenn im positiven Halbzyklus oder im negativen Halbzyklus eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, in einer anderen Reihenfolge leuchten”. Aus der 4 ist ersichtlich, dass in der Zykluszeit des Wechselstroms die Leistung und Helligkeit des ersten und zweiten LED-Moduls konsistent sind, um dadurch das Problem der ungleichmäßigen Helligkeit zwischen verschiedenen LED-Modulen in einem gewöhnlichen mehrstufigen Treiber erheblich zu reduzieren. Ob in der Zykluszeit des Wechselstroms die Leistung des ersten und zweiten LED-Moduls konsistent sind, kann mit der folgenden Berechnungsformel bestimmt werden:
In den 2 und 4 stellen V1, –V1 die Beleuchtungsspannungen in der ersten Stufe dar. V2, –V2 stellen die Beleuchtungsspannungen in der zweiten Stufe dar. Der Zeitraum von 0 bis t1 stellt die Beleuchtungsspannungen, die nicht die erste Stufe erreicht haben, dar. Die Zeiträume von t1 bis t2, von t3 bis t4, von t5 bis t6 und von t7 bis t8 stellen die Beleuchtungsspannungen, die die erste Stufe erreicht haben, dar, wobei die Zeiten dieser Zeiträume gleich sind, d. h. T1 = |t1 – t2| = |t3 – t4| = |t5 – t6| = |t7 – t8|. Die Zeiträume von t2 bis t3 und von t6 bis t7 stellen die Beleuchtungsspannungen, die die zweite Stufe erreicht haben, dar, wobei die Zeiten dieser Zeiträume gleich sind, d. h. T2 = |t2 – t3| = |t6 – t7|.
In der in 2 gezeigten herkömmlichen Treiberschaltung sind in einem AC-Zyklus die Leistungen der beiden leuchtenden LED-Segmente jeweils S01, S02. I1 ist der Antriebsstromwert, wenn V1 die Beleuchtungsspannung ist und I2 ist der Antriebsstromwert, wenn V2 die Beleuchtungsspannung ist, hierbei ist: S01 = I1 × V1 × 4T1 + I2 × V1 × 2T2 S02 = I2 × (V2 – V1) × 2T2 (Formel 1) unter der Annahme, dass V2 = 2V1 ist, ist S02 = I2 × V1 × 2T2 (Formel 2) Die Subtraktion von Formel 1 und Formel 2 ist (I1 × V1 × 4T1). Dies zeigt, dass S01 größer als S02 ist, d. h. die Leistungen der beiden leuchtenden LED-Segmente 121, 122 sind weiterhin unterschiedlich, sodass ein Helligkeitsunterschied zwischen den beiden LED-Segmenten 121, 122 vorliegt.
Im Vergleich zu 4 sind in einem AC-Zyklus die Leistung des ersten und zweiten LED-Moduls jeweils S03, S04. I1 ist der Antriebsstromwert, wenn V1 die Beleuchtungsspannung ist und I2 ist der Antriebsstromwert, wenn V2 die Beleuchtungsspannung ist, hierbei ist: S03 = I1 × V1 × 2T1 + I2 × V1 × T2 + I2 × (V2 – V1) × T2 (Formel 3) S04 = I2 × (V2 – V1) × T2 + I1 × V1 × 2T1 + I2 × V1 × T2 (Formel 4) Formel 3 und Formel 4 sind gleich, was bedeutet, dass S03 und S04 gleich sind, d. h. die Leistung des leuchtenden ersten LED-Moduls und die Leistung des leuchtenden zweiten LED-Moduls sind gleich und die Helligkeit des ersten LED-Moduls und die Helligkeit des zweiten LED-Moduls sind gleich, sodass es für das menschliche Auge keinen sichtbaren Helligkeitsunterschied gibt.
(Siehe 5) Das erste LED-Modul 510 ist ferner mit einer ersten Kondensatoreinheit 520 parallel geschaltet und das zweite LED-Modul 610 ist ferner mit einer zweiten Kondensatoreinheit 620 parallel geschaltet, wodurch die erste Kondensatoreinheit 520 und die zweite Kondensatoreinheit 620 jeweils den gleichgerichteten AC-Spannungsausgang im ersten LED-Modul 510 und den gleichgerichteten AC-Spannungsausgang im zweiten LED-Modul 610 einstellen können. In der Ladephase werden die LEDs vom gleichgerichteten Wechselstrom angetrieben und zugleich werden die erste und zweite Kondensatoreinheit 520, 620 geladen. In der Entladephase werden das erste und zweite LED-Modul 510, 610 jeweils durch die erste und zweite Kondensatoreinheit 520, 620 mit Strom versorgt, um eine stabile Gleichspannung zu erzeugen, sodass sich das erste und zweite LED-Modul 510, 610 im besten Arbeitsbereich befinden, und um dadurch hinsichtlich des Phänomens des Flimmerns eine Verbesserung zu erreichen, ohne dabei die Stromoberschwingungen und die Leistungsfaktoren der Treiberschaltung der LED-Module zu beeinträchtigen. Ferner sind in der vorliegenden Erfindung die Kondensatoreinheiten jeweils mit den entsprechenden LED-Modulen parallel geschaltet, wobei der Spannungsfestigkeitswert der jeweiligen Kondensatoreinheit von der Anzahl der mit dem Treiber verbundenen LED-Module abhängig ist, d. h. je größer die Anzahl der verbundenen LED-Module ist, desto niedriger kann der Spannungsfestigkeitswert der jeweiligen Kondensatoreinheit sein. Der Spannungsfestigkeitswert der verwendeten Kondensatoren kann geringer als 100 Volt sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können Niederspannungskondensatoren mit 20 bis 50 Volt verwendet werden, die weniger kostspielig und kleiner sind.

Wie dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist, kommt es beim Phänomen des Flimmerns zu zyklischen Veränderungen, die mit dem Veränderungsbetrag der Amplitude, des Durchschnittspegels, der periodischen Häufigkeit, der Form und/oder des Tastgrads ihrer Wellenform bestimmt werden können. Um das Flimmern zu quantifizieren werden in der Regel das Flimmern in Prozent und der Flimmerindex verwendet. Um den vorteilhaften Effekt der vorliegenden Erfindung genauer zu veranschaulichen, sind nachfolgend die Daten, die durch die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Messungen und die im Rahmen der herkömmlichen Lineartreiber durchgeführten Messungen erhalten wurden, aufgeführt, wobei beim Messen das von United Power Research Technology Corp. hergestellte Handspektrometer (Modellnummer MF205N) verwendet wurde:

	herkömmlicher einstufiger Lineartreiber	herkömmlicher sechsstufiger Lineartreiber	erfindungsgemäßer Treiber
Flimmerindex	0,4	0,25	0,05
Flimmern in Prozent (%)	99	99	17
Sichtbarkeitsmaß des Stroboskopeffekts	4,1	2,8	0,5
Frequenz (Hz)	120	120	120

Tabelle 1

	herkömmlicher einstufiger Lineartreiber	herkömmlicher sechsstufiger Lineartreiber	erfindungsgemäßer Treiber
Flimmerindex	0,68	0,42	0,06
Flimmern in Prozent (%)	99	99	25
Sichtbarkeitsmaß des Stroboskopeffekts	6,2	5,9	0,68
Frequenz (Hz)	120	120	120

Tabelle 2

In den obigen mittels Handspektrometer gemessenen Daten zeigt Tabelle 1 die beim Triac-Dimmer beim Einstellen einer Helligkeit von 100% erhaltenen Messergebnisse und Tabelle 2 zeigt die bei diesem Dimmer beim Einstellen einer Helligkeit von 20% erhaltenen Messergebnisse. Je niedriger das Flimmern in Prozent und der Flimmerindex sind, desto weniger sichtbar ist das Phänomen des Flimmerns. Das Sichtbarkeitsmaß des Stroboskopeffekts (Stroboscopic Effect Visibility Measure) ist eine Methode zur Quantifizierung der Sichtbarkeit von hochfrequentem Flimmern mit einem Frequenzbereich von 80 Hz bis 2000 Hz, einer Probenahmezeit von mindestens 1 s und einer Probenahmegeschwindigkeit von mindestens 4000 1/s. Bei dieser Methode wird eine schnelle Fourier-Transformation (FFT Fast Fourier Transformation) am gemessenen Lichtausgangsverlauf durchgeführt und diese dann zusammen mit der Frequenzantwortfunktion für das menschliche Auge berechnet. Sichtbarkeitsmaß des Stroboskopeffekts =1: schwach sichtbar; Sichtbarkeitsmaß des Stroboskopeffekts < 1: nicht sichtbar; Sichtbarkeitsmaß des Stroboskopeffekts > 1: deutlich sichtbar. Aus den obigen Messdaten ist ersichtlich, dass der Flimmerindex, das Flimmern in Prozent und das Sichtbarkeitsmaß des Stroboskopeffekts der vorliegenden Erfindung, wenn der Dimmer die Helligkeit auf 100% und 20% einstellt, die niedrigsten sind und hierbei das Sichtbarkeitsmaß des Stroboskopeffekts < 1 ist. Somit weist die vorliegende Erfindung das geringste Flimmern auf. Darüber hinaus umfasst das neue Beleuchtungsgesetz, das in Kalifornien, USA, eingeführt wurde, eine neue Spezifikation für das Flimmern von Lichtquellen bei der Einstellung der Helligkeit auf 100% und 20% durch einen Dimmer: Wenn die Flimmerfrequenz unterhalb von 200 Hz liegt, muss das Flimmern in Prozent weniger als 30% betragen. Aus den obigen Messdaten ist ersichtlich, dass nur der erfindungsgemäße Treiber in der Lage ist, diese Spezifikation zu erfüllen.
Im in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die vorliegende Erfindung auch mit mehreren mehrstufigen Treibermodulen versehen sein, wie z. B. zwei mehrstufigen Treibermodulen 710, 720, die jeweils mit einem ersten und zweiten Eingangsanschluss S1, S2 versehen sind, wobei der erste Eingangsanschluss S1 des mehrstufigen Treibermoduls 710 zwischen das zweite LED-Modul 610 und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente 318 geschaltet ist, wobei der zweite Eingangsanschluss S2 zwischen das erste LED-Modul 510 und den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente 316 geschaltet ist, wobei der erste Eingangsanschluss S1 des anderen mehrstufigen Treibermoduls 720 zwischen das erste LED-Modul 510 und den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente 316 geschaltet ist, wobei der zweite Eingangsanschluss S2 zwischen das zweite LED-Modul 610 und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente 318 geschaltet ist. Auf diese Weise kann ebenfalls ein mehrstufiges Antreiben erreicht werden und in der Zykluszeit des Wechselstroms können die Leistung und Helligkeit des ersten und zweiten LED-Moduls konsistent sein.
In der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der LED-Module erhöht werden. Ferner können mindestens ein weiteres LED-Modul und mindestens eine weitere unidirektionale Komponente hinzugefügt werden. Im in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein drittes LED-Modul 910 hinzugefügt. In der Gleichrichterschaltung sind zwei unidirektionale Komponenten, nämlich die fünfte und sechste unidirektionale Komponente 920, 930, hinzugefügt. In der Gleichrichterschaltung ist ein dritter Gleichrichterausgangsanschluss 940 hinzugefügt. Das mehrstufige Treibermodul 710 ist mit einem dritten Eingangsanschluss S3 versehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel leuchten das erste, zweite und dritte LED-Modul, wenn im positiven Halbzyklus oder im negativen Halbzyklus eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, ebenfalls in einer anderen Reihenfolge und die Leistung und Helligkeit aller LED-Module sind in der Zykluszeit des Wechselstroms konsistent, sodass es für das menschliche Auge keinen sichtbaren Helligkeitsunterschied gibt.
In der vorliegenden Erfindung können die LED-Module jeweils ferner mit einer Kondensatoreinheit parallelgeschaltet sein, wie in 8 gezeigt. Das oben genannte mindestens eine weitere hinzugefügte LED-Modul ist mit einer anderen Kondensatoreinheit ebenfalls parallelgeschaltet. Das im Ausführungsbeispiel und in der Figur gezeigte erste, zweite und dritte LED-Modul 510, 610, 910 ist jeweils mit der ersten, zweiten und dritten Kondensatoreinheit 520, 620, 950 parallelgeschaltet. Das erste, zweite und dritte LED-Modul leuchten, wenn im positiven Halbzyklus oder im negativen Halbzyklus eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, ebenfalls in einer anderen Reihenfolge und die Leistung und Helligkeit aller LED-Module sind in der Zykluszeit des Wechselstroms konsistent, sodass es für das menschliche Auge keinen sichtbaren Helligkeitsunterschied gibt. Durch die Kondensatoreinheiten kann hinsichtlich des Phänomens des Flimmerns eine Verbesserung erreicht werden, ohne die Stromoberschwingungen und die Leistungsfaktoren der ursprünglichen Treibermodule der LED-Module zu beeinträchtigen.
In der vorliegenden Erfindung wird somit jeweils ein Flussweg des positiven bzw. negativen Halbzyklus des Wechselstroms durch mindestens zwei unidirektionale Komponenten bereitgestellt, wobei jeweils im Flussweg des positiven bzw. negativen Halbzyklus mindestens zwei LED-Module integriert sind und ferner ein mehrstufiges Treibermodul integriert ist, wodurch die mindestens zwei LED-Module, wenn im positiven Halbzyklus oder im negativen Halbzyklus eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, in einer anderen Reihenfolge leuchten, sodass in der Zykluszeit des Wechselstroms die Leistung und Helligkeit der mindestens zwei LED-Module konsistent sein können, um dadurch das Problem der ungleichmäßigen Helligkeit zwischen verschiedenen LED-Modulen in einem gewöhnlichen mehrstufigen Treiber erheblich zu reduzieren.
Bezugszeichenliste

DR1, DR2: Eingangsanschluss
I1, I2: LED-Strom
S1: erster Eingangsanschluss
S2: zweiter Eingangsanschluss
S3: dritter Eingangsanschluss
110: Brückengleichrichter
LED 121: erstes LED-Segment
LED 122: zweites LED-Segment
IC140: mehrstufiger Lineartreiber
210, 810: Eingangsspannung
311: erster AC-Eingangsanschluss
312: zweiter AC-Eingangsanschluss
313: erster Gleichrichterausgangsanschluss
314: zweiter Gleichrichterausgangsanschluss
315: erste unidirektionale Komponente
316: zweite unidirektionale Komponente
317: dritte unidirektionale Komponente
318: vierte unidirektionale Komponente
510: erstes LED-Modul
520: erste Kondensatoreinheit
610: zweites LED-Modul
620: zweite Kondensatoreinheit
710: mehrstufiges Treibermodul
720: mehrstufiges Treibermodul
910: drittes LED-Modul
920: fünfte unidirektionale Komponente
930: sechste unidirektionale Komponente
940: dritter Gleichrichterausgangsanschluss
950: dritte Kondensatoreinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

TW 201104915 A [0005]

Claims

Ein LED-Treiber, zumindest umfassend: eine Gleichrichterschaltung, die einen ersten AC-Eingangsanschluss, einen zweiten AC-Eingangsanschluss, einen ersten Gleichrichterausgangsanschluss und einen zweiten Gleichrichterausgangsanschluss umfasst, wobei der erste und zweite AC-Eingangsanschluss zum Empfangen einer AC-Eingangsleistung dienen, wobei die Gleichrichterschaltung mit mindestens vier unidirektionalen Komponenten, nämlich der ersten, zweiten, dritten und vierten unidirektionalen Komponente, versehen ist, wobei der positive Anschluss der ersten und dritten unidirektionalen Komponente jeweils mit dem ersten und zweiten AC-Eingangsanschluss verbunden ist, wobei der negative Anschluss der ersten und vierten unidirektionalen Komponente jeweils mit dem zweiten Gleichrichterausgangsanschluss verbunden ist, wobei der negative Anschluss der zweiten und dritten unidirektionalen Komponente jeweils mit dem ersten Gleichrichterausgangsanschluss verbunden ist; ein erstes LED-Modul, das zwischen den negativen Anschluss der ersten unidirektionalen Komponente und den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente geschaltet ist; ein zweites LED-Modul, das zwischen den negativen Anschluss der dritten unidirektionalen Komponente und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente geschaltet ist; und ein mehrstufiges Treibermodul, das zwischen den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente geschaltet ist.
LED-Treiber nach Anspruch 1, bei dem das mehrstufige Treibermodul mindestens zwei Eingangsanschlüsse aufweist, wobei eines dieser Eingangsanschlüsse zwischen das erste LED-Modul und den positiven Anschluss der zweiten unidirektionalen Komponente geschaltet ist und der andere Eingangsanschluss zwischen das zweite LED-Modul und den positiven Anschluss der vierten unidirektionalen Komponente geschaltet ist.
LED-Treiber nach Anspruch 1, bei dem das mehrstufige Treibermodul eine mehrstufige Antriebseinheit oder eine Strombegrenzungseinheit ist.
LED-Treiber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei dem LED-Treiber mindestens ein weiteres LED-Modul und mindestens eine weitere unidirektionale Komponente hinzugefügt wird.
LED-Treiber nach Anspruch 4, bei dem das erste LED-Modul ferner mit einer ersten Kondensatoreinheit parallel geschaltet ist und das zweite LED-Modul ferner mit einer zweiten Kondensatoreinheit parallel geschaltet ist.
LED-Treiber nach Anspruch 4, bei dem das mindestens eine weitere hinzugefügte LED-Modul jeweils mit einer anderen Kondensatoreinheit parallel geschaltet ist.
LED-Treiber nach Anspruch 6, bei dem der Spannungsfestigkeitswert der Kondensatoreinheiten geringer als 100 Volt ist.
LED-Treiber nach Anspruch 4, bei dem die unidirektionalen Komponenten Gleichrichterdioden oder Leuchtdioden sind.