TW201141313A - AC LED apparatus - Google Patents

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201141313 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明係有關一種發光二極體，特別是關於一種交流發 光二極體燈具。 【先前技林ί】 [0002] 發光二極體燈具使用發光二極體作為光源。相較於傳統 日光燈，發光二極體燈具的使用壽命較長且消耗能源較 少，因此已逐漸被作為一種光源裝置。 [0003] 發光二極體一般是由直流電源供應器或交流至直流轉換 器（例如交換電源供應器）來驅動。然而，傳統交換電 源供應器的轉換效率最高僅為90%，且通常都低於此值。 再者，傳統交換電源供應器由於使用大電容或/且大電感 ，因此體積龐大。 [0004] 此外，每一地區或國家的發光二極體燈具必需使用特定 的交流電源，其電壓範圍介於100-240伏特，頻率為50 或60赫茲。因此，除非重新設計，否則，適用於某地區 的發光二極體燈具無法使用於另一地區。 [0005] 傳統發光二極體燈具的另一缺點為其易受到電源雜訊的 影響而使得燈具閃爍。若要降低電源雜訊，一般要使用 更多的電容及/或電感。 [0006] 鑑於傳統發光二極體燈具無法有效地提供光源，因此亟 需提出一種新穎發光二極體燈具，其具有高電源效率、 小體積、可適用於各種電源電壓或降低電源雜訊的影響 100100206 表單編號Α0101 第3頁/共34頁 1002000351-0 201141313 【發明内容】 [0007] 鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種交流 發光二極體裝置，其具有高電源效率。 [0008] 根據本發明實施例，交流發光二極體裝置包含整流器、 控制器、複數串聯發光二極體及複數開關。整流器整流 電源交流電壓以產生整流電壓。控制器監視整流電壓。 發光二極體電性耦接於整流電壓與地之間。該些開關分 別對應至複數發光二極體的至少一部份，其中每一開關 的一端電性耦接至相應發光二極體的一電極。控制器根 據整流電壓以控制該些開關。 【實施方式】 [0009] 第一 A圖顯示本發明實施例的高電源效率之交流發光二極 體裝置。交流發光二極體裝置可直接操作於交流電源， 不需使用直流轉換器。雖然本實施例使用發光二極體， 然而也可使用其他光源裝置，例如有機發光二極體（ OLED)。 [0010] 在本實施例中，交流發光二極體裝置（例如交流發光二 極體燈具）包含整流器10，例如橋式整流器，其通過電 源交流電壓（例如正弦波形電壓）的正半週期，並將負 半週期反相，因而形成全波整流電壓Vr。整流電壓Vr受 到控制器12的監視。控制器12可以為硬體電路、微處理 器、可程式邏輯裝置（programmable logic device, PLD)、可程式陣列邏輯（programmable array logic， PAL) 或可執行本說明書以下所描述之一或多個功 能的其他裝置。 100100206 表單編號A0101 第4頁/共34頁 1002000351-0 201141313 [0011] 串聯的複數發光一極體])〇__Dn電性輕接於整流電壓Vr與地 之間，其中，發光二極體電流係從整流電壓h流向地。 在本實施例中’“電性轉接”可指電子元件之間藉由電 氣而直接或間接連接。雖然、本實施例使用—列的發光二 極體’然而’於其他實施例中，也可使用併聯的多列發 光二極體。 [0012] ❹ Ο 在本實施例中’每一發光二極體D1_Dn (do除外）的一個 電極（例如陽極）電性耦接至相應開關S卜Sn的一端。開 關Sl-Sn的另一端則電性耦接至地。藉此，當一開關（例 如開關11 )閉合時，則相應發光二隹體（例如發光二極 體11)及其後續的所有發光二極體（例如發光二極體 D12-Dn，其序號大於π者）皆關閉〜在本實施例及其他 實施例中，發光二極體]>〇並無相應開關’其主要係用以 防止整流電壓Vr和地之間的短路。當然，也可以使用一 個以上的發光二極體來避免整流電壓Vr和地之間的短路 。開關Sl-Sn的實施可使用電源金屬氧化物半導體（M0S )裝置，例如N型金屬氧化物半導體（NMOS)、P型金屬 氧化物半導體（PM〇s)或互補式金屬氧化物半導體（ CMOS)。雖然本實施例使用金屬氧化物半導體，然而， 也可以使用其他形式的電晶體。第一B圖顯示作為開關的 電源金屬氧化物半導體裝置及相應之發光二極體。其中 ，電源金屬氧化物半導體裝置的源/汲極之一耦接至地， 另一源/汲極則耦接至相應發光二極體的陽極，閘極受控 於控制器12。第一c圖顯示第一A圖之交流發光二極體裝 置的另一種替代實施例，其具有不同的開關S1 -Sn配置。 100100206 表翠編號A0101 第5頁/共34頁 1002000351-0 201141313 其中’每-開關ShSn的-端電性_至相應發光二極體 的陽極’而每一開關S1_S_另—端則電性輕接至相應發 的陰圖顯示根據第—c圖之作為開關 的電源金屬氧化物半導體裝置及相應之發光二極體及相 應的開關。其中’電源金屬氧化物半導體裝置的源/汲極 之-耗接至相應發光二極體的陽極，另—源々極則搞接 至相應發光二極體的陰極，閘極受控於控制器〗2。控制 器12根據整流電壓v r以控制開關s丨_ s n的斷開或閉合。 詳而言之，控制器12控制開關51_311，使得導通的發光二 極體數目追蹤整流電壓矸的大小，因而讓導通的發光二 極體數目與整流電壓Vr的大小成比例,。再者，導通之發 光二極體的串聯順向電壓大約等於整流電壓因此， 歲乎所有整流電源都轉換為光能量，因而具高電源效率 。根據計算或實驗得知，本實施例的電源效率可達到 90-98%或更高。下表一例示一些整流電壓Vr及相應的關 閉及導通發光二極體，假設每巧發光二極體的順向電壓 為3. 3伏特。序號小於閉合開關私開關係為斷開的。 表一 Vr • · « 33 36. 3 … 151. 8 155. 1 閉合 開關 ♦ » » S11 S12 • · · S47 S48 導通 發光 二極 • · · D0-D 10 D0-D 11 ---— D0-D 46 D0-D 47 表單編號A0101 第6頁/共34頁 1002000351-0 [0013] [0014] 100100206 201141313 體 串聯 … 3.3* 3.3* … 3.3* 3. 3* … 順向 10 11 46 47 電壓 =33 = 36. = 151 = 155 3 .8 .1 本實施例所示交流發光二極體裝置的另一優點為其不受 電源交流電壓的雜訊影響。當控制器12偵測到較電源交 流電壓更尖銳之信號波形的雜訊時，控制器12可捨棄該 雜訊，因此不改變開關S：l-Sn的狀態，因而讓交流發光二 ^ 極體裝置更能抵抗雜訊，且較少發生閃爍。 [0015] 再者，由於串聯順向電壓可追蹤整流電壓Vr的大小，因 此，本實施例所示交流發光二極體裝置即可適用於各區 域或國家的不同電壓及頻率。 [0016] 本實施例所示交流發光二極體裝置還可包含電流控制電 路14，其電性串聯耦接於發光二極體DO-Dii。如第一A圖 所示，電流控制電路14電性耦接於整流電壓Vr與發光二 0 極體D0的陽極之間。每一開關Sl-Sn的一端電性耦接至相 應發光二極體Dl-Dn的陽極，每一開關S卜Sn的另一端則 電性耦接至地。電流控制電路14的配置位置可異於第一A 圖所示。電流控制電路14可偵測流經串聯發光二極體 D0-Dn的發光二極體電流，例如使用與發光二極體D0-Dn 相串聯的電阻來進行偵測。偵測到的電流可饋至控制器 12。在一例子中，當偵測到的電流顯示發光二極體電流 超過一預設臨界值時，控制器12因此調整導通發光二極 體的數目，或甚至關閉整串發光二極體。電流控制電路 100100206 表單編號A0101 第7頁/共34頁 1002000351-0 201141313 1 4的實施可使用傳統電流控制技術，其細節在此省略。 [0017] 第一 E圖顯示交流發光二極體裝置的電流控制電路1 4和開 關S1 -Sn之另一配置組態。電流控制電路1 4電性耦接於發 光二極體Dn的陰極和地之間。每一開關SI -Sn的一端電性 耦接至相應發光二極體Dl-Dn的陽極，每一開關S卜Sn的 另一端則電性耦接至一共同節點C，其位於電流控制電路 14與發光二極體Dn之間。根據本配置組態，對於第一B圖 所示之電源金屬氧化物半導體裝置，其源/沒極之一搞接 至共同節點C，另一源/汲極則耦接至相應發光二極體的 陽極，且閘極受控於控制器12。 [0018] 第一 F圖顯示交流發光二極體裝置的電流控制電路14和開 關S卜Sn之又一配置組態。電流控制電路14電性耦接於發 光二極體D0的陰極和地之間。每一開關Sl-Sn的一端電性 耦接至相應發光二極體M-Dn的陰極，每一開關Sl-Sn的 另一端則電性耦接至整流電壓Vr。根據本配置組態，對 於第一B圖所示之電源金屬氧化物半導體裝置，其源/汲 極之一耦接至整流電壓Vr，另一源/汲極則耦接至相應發 光二極體的陰極，且閘極受控於控制器12。 [0019] 第一 G圖顯示交流發光二極體裝置的電流控制電路14和開 關Sl-Sn之再一配置組態。電流控制電路14電性耦接於整 流電壓Vr和發光二極體Dn的陽極之間。每一開關Sl-Sn 的一端電性耦接至相應發光二極體Dl-Dn的陰極，每一開 關S卜Sn的另一端則電性耦接至一共同節點D，其位於電 流控制電路14與發光二極體Dn之間。根據本配置組態， 對於第一B圖所示之電源金屬氧化物半導體裝置，其源/ 100100206 表單編號A0101 第8頁/共34頁 1002000351-0 201141313 汲極之一耦接至共同節點D，另一源/汲極則耦接至相應 發光二極體的陰極，且閘極受控於控制器12。 [0020] ❹ 交流發光二極體裝置還可包含熱感測器16，用以偵測發 光二極體D〇-Dn的（周邊）溫度。偵測到的溫度可饋至控 制器12。在一例子中，當偵測到的溫度顯示發光二極體 溫度超過一預設臨界值時，發光二極體的順向電壓會因 溫度效應而降低，此時，控制器12可增加導通發光二極 體的數目以補償降低之順向電壓。在另一例子中，當偵 測到的溫度顯示發光二極體溫度超過一預設臨界值時， 此時，控制器12可控制電流控制電路14以降低發光二極 體電流，用以防止發光二極體的損害。上述控制器12、 電流控制電路14、發光二極體D0-Dn、開關S卜Sn及熱感 測器16的一部份或全部可包裝於同一封裝結構内。 [0021] 〇 第二A圖顯示本發明另一實施例的高電源效率之交流發光 二極體裝置。本實施例之交流發光二極體裝置類似於第 一A圖之交流發光二極體裝置，不同的地方在於，本實施 例的每一開關對應至一或多個發光二極體（或者發光二 極體群組18)。如第二A圖所示，每一開關對應至三個發 光二極體所組成的群組。每一個發光二極體群組18的發 光二極體數目不一定要相同。第二B圖顯示第二A圖的另 一種替代實施例，其中，一些發光二極體群組各包含有 三個發光二極體，然而其他發光二極體則個別獨立對應 有相應開關。第一C圖之發光二極體也可類似第二A圖或 第二B圖以形成群組。電流控制電路14及開關的其他配置 組態可使用第一C圖、第一E圖、第一F圖或第一G圖所示 100100206 表單編號A0101 第9頁/共34頁 1002000351-0 201141313 配置。在-實施例中’依導通點亮順序，發光二極體群 組内的發光二極體個數等於二為底數且指數依序漸增， 亦即21、22、·，·2η。該些發光二極體群組可由圓心:外 排列為同心圓’當依序導通點亮時，可呈現集中式的點 光源。上述發光二極體群組也可根據各種應用場合，特 定設計發光二極體群組内的發光二極體個數及其排列方 式。 [0022] 第三Α圖顯示本發明又一實施例的高電源效率之交流發光 一極體裝置。本實施例之交流發光二極體裝置類似於第 一A圖之交流發光二極體裝置，不同的地方在於本實施 例之橋式整流器10後接一平滑電容“，其耦接於整流電 壓Vr和地之間，藉此，使得跨於平滑電容Cs的整流電壓 Vr具有平滑的鏈波。詳而言之，平滑電容Cs使得整流電 壓Vr的振幅平滑地下降，直到電源交流電壓大於整流電 壓Vr。藉此，整流電壓vr不會低於一預設值。鑑於此， 本實施例的一些開端發光二極體19寸一直導通，因此不 需相應開關。位於開端發光二極體19之後的發光二極體 可如第一 A圖所示的配置組態，個別獨立對應一開關。第 二B圖顯示第三a圖的另一種替代實施例，位於開端發光 二極體19之後的發光二極體係組成群組，並對應至相應 開關。第三C圖顯示第三A圖、第三B圖的又一種替代實施 例’位於開端發光二極體丨9之後的發光二極體，有些組 成群組，其他發光二極體則個別獨立對應有相應開關。 第一C圖之交流發光二極體裝置也可包含平滑電容cs，且 第一C圖之發光二極體也可類似第三a圖、第三B圖或第三 100100206 表單編號A0101 第10頁/共34頁 1002000351-0 201141313 C圖以形成群組。電流控制電路14及開關的其他配置組態 可使用第一C圖、第一E圖、第一F圖或第一G圖所示配置 〇 [0023] 第四A圖例示具平滑鏈波之整流電壓V r的波形及其電流I r 。於每一半週期的時間tl_t2期間，電流Ir並非平均地從 交流電源沒取，因此其功率因子（power factor)不大 。鑑於此，可控制流經發光二極體的發光二極體電流

LED

G ，使其電流分配大約相反於電流I r的分配，如第四A圖所 示。因此，經重新分配的發光二極體電流Ιτυη會於每一半

LED 週期的時間tl-t2期間之外，自交流電源進行汲取。藉此 ，電源重新分配機制可減輕電源傳輸系統的峰值電源負 擔，因而得以增進交流電源的功率因子及使用效率。上 述的電源重新分配機制也可使用於發光二極體以外的一 般負載。第四B圖例示不具平滑鏈波之整流電壓Vr的波形 及流經發光二極體的發光二極體電流IIE<n。發光二極體電

LED ❹ [0024] 流\ΕΙ)經重新分配後，可減輕電源傳輸系統的峰值電源負 擔，因而得以增進交流電源的功率因子及使用效率。 根據本發明的特徵之一，交流發光二極體裝置可自行調 適無效的發光二極體。如第五Α圖所示，齊納（Zener) 二極體DZ電性併聯耦接於一發光二極體，其電流方向互 為相反。當發光二極體損害無效時，發光二極體電流會 反向流經齊納二極體DZ，因而繞過無效之發光二極體。 第五B圖顯示部分的交流發光二極體裝置，用以偵測無效 發光二極體。差分單元50耦接至一串發光二極體的兩端 ，以得到跨於該串發光二極體的電壓差。該電壓差輸出 100100206 表單編號A0101 第11頁/共34頁 1002000351-0 [0025] 201141313 並饋至控制器12。根據該電壓差，控制器12可偵測出異 常電壓差，顯示存在一或多個無效發光二極體。 [0026] 根據本發明另一特徵，交流發光二極體裝置可自行校正 亮度。第六圖顯示部分的交流發光二極體裝置，其使用 光偵測裝置60，例如光阻器（例如硫化鎘（CdS))以偵 測亮度。雖然本實施例使用光阻器，然而，也可使用其 他形式的光偵測裝置60，例如光電晶體、光二極體或其 他可偵測光線的裝置。當控制器12根據光偵測裝置60的 輸出而得知亮度的不足時，控制器12可增加導通發光二 極體的數目或藉電流控制電路14以增加發光二極體電流 ，因而補回所需亮度。在另一例子中，可使用多個光偵 測裝置以分別偵測及校正不同顏色發光二極體的亮度， 因而得以校正交流發光二極體裝置的色溫，可用以補償 老舊交流發光二極體裝置所產生的色溫降低現象。 [0027] 根據本發明又一特徵，交流發光二極體裝置可進行交流 發光二極體裝置的調光。第七A圖顯示部分的交流發光二 極體裝置，第七B圖例示電流控制電路14所控制的一些發 光二極體電流波形。根據一接收命令，例如來自無線遙 控器或有線控制介面，控制器12可控制電流控制電路14 ，其可根據脈波寬度調變（PWM)波形（如第七B圖所示 )以控制發光二極體的導通時間，其中該脈波寬度調變 的主動寬度介於全導通與全關閉之間。 [0028] 以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定 本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精 神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請 100100206 表單編號A0101 第12頁/共34頁 100200035卜0 201141313 專利範圍内。 【圖式簡單說明】 [0029] ❹ ο 100100206 第一 Α圖顯示本發明實施例的高電源效率之交流發光二極 體裝置。 第一B圖顯示作為開關的電源金屬氧化物半導體裝置及相 應之發光二極體。 第一C圖顯示第一A圖的另一種替代實施例，其具有不同 的開關配置。 第一D圖顯示根據第一C圖之作為開關的電源金屬氧化物 半導體裝置及相應之發光二極體。 第一E圖至第一G圖顯示交流發光二極體裝置的電流控制 電路和開關之各種配置組態.. 第二A圖顯示本發明另一實施例的高電源效率之交流發光 二極體裝置。 第二B圖顯示第二A圖的另一種替代實施例。 第三A圖顯示本發明又一實施例的高電源效率之交流發光 二極體裝置。 第三B圖顯示第三A圖的另一種替代實施例。 第四A圖例示具平滑鏈波之整流電壓Vr的波形、相應電流 Ir及重新分配之發光二極體電流。 第四B圖例示不具平滑鏈波之整流電壓Vr的波形及重新分 配之發光二極體電流。 第五A圖顯示齊納（Zener)二極體電性併聯耦接於發光 二極體。 第五B圖顯示部分的交流發光二極體裝置，用以偵測無效 發光二極體。 表單編號A0101 第13頁/共34頁 1002000351-0 201141313 第六圖顯示部分的交流發光二極體裝置，其使用光偵測 裝置以偵測亮度。 第七A圖顯示部分的交流發光二極體裝置。 第七B圖例示電流控制電路所控制的一些發光二極體電流 波形。 100100206 【主要元件符I虎說明】 [0030] 10 整流器 12 控制器 14 電流控制電路 16 熱感測器 18 發光二極體群組 19 開端發光二極體 50 差分單元 60 光偵測裝置 DO-Dn 發光二極體 Sl-Sn 開關 Vr 整流電壓 C 共同節點 D 共同節點 Cs 平滑電容 Ir 整流電流 】LED 發光二極體電流 DZ 齊納二極體 表單編號A0101 第14頁/共34頁 1002000351-0

Claims (1)

1. 201141313 七、申請專利範圍： 1 . 一種交流發光二極體裝置，包含： 一整流器，其整流一電源交流電壓以產生一整流電 壓； 一控制器，用以監視該整流電壓； 複數串聯發光二極體，其電性耦接於該整流電壓與 地之間；及 複數開關，分別對應至該複數發光二極體的至少一 部份，其中每一該開關的一端電性耦接至相應該發光二極 ξ% 體的一電極； 其中，該控制器根據該整流電壓以控制該開關。 2 .如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，其中 上述之整流器為一橋式整流器，其通過該電源交流電壓的 正半週期，並將該電源交流電壓的負半週期反相，因而形 成一全波整流電壓。 3 .如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，其中 上述開關的另一端電性耦接至地、該整流電壓、一共同節 〇 點或相應該發光二極體的另一電極。 4 .如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，其中 上述之開關為一電源金屬氧化物半導體（M0S)裝置。 5 .如申請專利範圍第4項所述之交流發光二極體裝置，其中 上述電源金屬氧化物半導體裝置的源/汲極之一耦接至相 應該發光二極體的一陽極，且其閘極受控於該控制器。 6.如申請專利範圍第4項所述之交流發光二極體裝置，其中 上述電源金屬氧化物半導體裝置的源/汲極之一耦接至相 100100206 表單編號A0101 第15頁/共34頁 1002000351-0 201141313 應忒發光二極體的一陽極，其另一源/汲極耦接至相應該 發光二極體的一陰極，且其閘極受控於該控制器。 7 .如申清專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，其中 上述之開關受控於該控制器’使得導通的該發光二極體數 目與該整流電壓的大小成比例。 8 .如申清專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，其中 上述之開關受控於該控制器，使得導通之該發光二極體的 串聯順向電壓大約等於該整流電壓。 9 .如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，當偵 測到一雜訊時，該控制器忽略該雜訊且不改變該開關的狀 態。 10 .如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，更包 含一電流控制電路，其電性串聯耦接於該發光二極體，用 以偵測流經該發光二極體的發光二極體電流，且將偵測之 該發光二極體電流饋至該控制器。 11 ·如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置更包 含一熱感測器，用以偵測該發光立接體的溫度，且將偵測 之該溫度饋至該控制器。 1 2，如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，其令 至少一該開關對應至一發光二極體群組。 13 .如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，更包 含一平滑電容’耦接於該整流電壓與地之間，用以形成一 平滑鏈波於該整流電壓當中。 14 .如申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，其中 上述之控制器控制流經該發光二極體之一發光二極體電流 ’其中’流經該發光二極體的電流分配大約相反於汲取自 100100206 表單編號A0101 第16頁/共34頁 1002000351-0 201141313 ％ /ac叼电流分配。 15 . =請專利範«丨销述之交流發光二極體裝置，更包 >納（Zener)二極體’其電性併聯輕接於相應之該 發光二極體’其中該齊納二極體的電流方向相反於該相應 發光二極體的電流方向。 16 . 2申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，更包 3差刀單几’其輕接至一串該發光二極體的兩端，以得 到跨於該串發光二極體的電壓差，其中該電壓差被饋至該 控制器。

   如申明專利範圍第1項所述之交流發光二極體裝置，更包 3至V'光摘測裝置，用以摘測該發光二極體之亮度，且 將偵測之該亮度饋至該控制器。 18 ·如申請專利範圍第17項所述之交流發光二極體裝置，其中 上述之光偵測裝置為光阻器、光電晶體或光二極體。 19 .如申請專利範圍第17項所述之交流發光二極體裝置，其中 複數該光偵測裝置分別偵測不同顏色之該發光二極體的亮 度。 20 ·如申請專利範圍第1〇項所述之交流發光二極體裝置，其中 上述之控制器接收一命令，並藉由該電流控制電路以控制 該發光二極體》 100100206 表單編號A0101 第Π頁/共34頁 1002000351-0