TW201701723A - 低頻閃發光二極體照明裝置 - Google Patents

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Abstract

發光二極體照明裝置包含一發光裝置、一電荷儲存單元，以及一電流控制器，由一整流交流電壓來驅動。當整流交流電壓之值不足以導通發光裝置時，該電荷儲存單元將發光裝置維持在導通狀態。無論整流交流電壓之變化，電流控制器可使發光二極體照明裝置維持固定亮度，進而改善頻閃現象。

Description

低頻閃發光二極體照明裝置
本發明相關於一種發光二極體照明裝置，尤指一種低頻閃發光二極體照明裝置。
在整流交流(rectified alternative-current, AC)電壓直接驅動的照明應用中，由於發光二極體(light emitting diode, LED)係為一電流驅動元件，其發光亮度與驅動電流之大小成正比，為了達到高亮度和亮度均勻的要求，往往需要使用許多串接之發光二極體來提供足夠光源。發光二極體照明裝置在運作時會調變光通量(luminous flux)和光強度。頻閃（flicker）是一種光源強度隨著時間有明暗變化的現象，無論人眼是否能夠辨識，頻閃會對人體造成不同程度的影響，例如頭痛、眼花、眼睛疲勞、心神不安、或引發癲癇等反應。因此，需要一種能夠改善頻閃現象之發光二極體照明裝置。
本發明提供一種發光二極體照明裝置，其包含一第一發光裝置、一第一電荷儲存單元，以及一電流控制器。該第一發光裝置由一整流交流電壓來驅動，用來依據一第一電流來提供光源。該第一電荷儲存單元用來在當該整流交流電壓之值小於一第一電壓時提供該第一電流，以使該第一發光裝置維持導通。該電流控制器包含一第一電流控制單元，串聯於該第一發光裝置，用來調節該第一電流以使該第一電流之值不超過一第一限流值﹔一第二電流控制單元，串聯於該第一電流控制單元且串聯於該第一電荷儲存單元，用來調節該第二電流以使該第二電流之值不超過一第二限流值，其中該第二電流為流經該發光二極體照明裝置之一總電流。
第1圖至第8圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置101〜108之示意圖。發光二極體照明裝置101〜108各包含一電源供應電路110、一第一發光裝置12、一電流控制器20，以及一第一電荷儲存單元C1。發光二極體照明裝置103和107各另包含一第二發光裝置14。發光二極體照明裝置104和108各另包含一第二電荷儲存單元C2、一感測電阻RS ，以及一路徑控制器D1。發光二極體照明裝置105〜108各另包含一電壓箝制單元ZV 。
電源供應電路110可接收一具正負週期之交流電壓VS，並利用一橋式整流器112來轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓，因此可提供一整流交流電壓VAC 以驅動發光二極體照明裝置101〜108，其中整流交流電壓VAC 之值隨著時間而有週期性變化。電源供應電路110之正輸出端由N1來表示，而電源供應電路110之負輸出端由N2來表示。在其它實施例中，電源供應電路110可接收任何交流電壓VS，利用一交流-交流電壓轉換器來進行電壓轉換，並利用橋式整流器112來對轉換後之交流電壓VS進行整流，因此可提供整流交流電壓VAC 以驅動發光二極體照明裝置101〜108，其中整流交流電壓VAC 之值隨著時間而有週期性變化。值得注意的是，電源供應電路110之結構並不限定本發明之範疇。
在發光二極體照明裝置101〜108中，發光裝置12和14可各包含一個發光二極體，或是複數個串接、並聯或組成陣列之發光二極體。第1圖至第8圖顯示了採用複數個串接發光二極體之架構，其可包含複數個單介面發光二極體(single-junction LED)、複數個多介面高壓發光二極體(multi-junction high-voltage LED)，或不同類型發光二極體之任意組合。然而，發光裝置12和14所採用的發光二極體種類或組態並不限定本發明之範疇。
在發光二極體照明裝置101〜108中，電荷儲存單元C1和C2可各包含一個電容，或是包含一個或多個具備類似功能之元件。然而，電荷儲存單元C1和C2之種類或組態並不限定本發明之範疇。
在發光二極體照明裝置101〜108中，路徑控制器D1和D2可包含一個二極體、一二極體形式(diode-connected)之場效電晶體(field effect transistor, FET) 、一二極體形式之雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor, BJT)，或是一個或多個具備類似功能之元件。然而，路徑控制器D1和D2之種類或組態並不限定本發明之範疇。當一路徑控制器之跨壓大於其導通電壓時，此特定路徑控制器為順向偏壓(forward-biased)且會像短路元件般運作﹔當一路徑控制器之跨壓不大於其導通電壓時，此特定路徑控制器為反向偏壓(reverse-biased)且會像開路元件般運作。
為了清楚地說明本發明，說明書全文和圖示中使用下列符號來表示發光二極體照明裝置101〜108中相關電流和電壓。VC1 〜VC2 分別代表相對應電荷儲存單元C1和C2之跨壓。IC1 〜IC2 分別代表流經相對應電荷儲存單元C1和C2之電流。VLED 代表發光裝置12之跨壓。ILED 代表流經發光裝置12之電流。ITOT 代表流經發光二極體照明裝置101〜108之總電流。
在第1圖所示之發光二極體照明裝置101和在第2圖所示之發光二極體照明裝置102中，電流控制器20包含兩個彼此串聯的電流控制單元CC1和CC2。電流控制單元CC1可提供一第一限流值ISET1 ，其串聯於發光裝置12，其中電荷儲存單元C1並聯於彼此串聯的電流控制單元CC1和發光裝置12。電流控制單元CC2可提供一第二限流值ISET2 ，其串聯於電荷儲存單元C1。在發光二極體照明裝置101中，電流控制單元CC2耦接於電流控制單元CC1和電源供應電路110之負輸出端N2之間。在發光二極體照明裝置102中，電流控制單元CC2耦接於電源供應電路110之正輸出端N1和電流控制單元CC1之間。
在第3圖所示之發光二極體照明裝置103中，電流控制器20包含兩個彼此串聯的電流控制單元CC1和CC2。電流控制單元CC1可提供一第一限流值ISET1 ，其串聯於發光裝置12，其中電荷儲存單元C1並聯於彼此串聯的電流控制單元CC1和發光裝置12。電流控制單元CC2可提供一第二限流值ISET2 ，其串聯於電荷儲存單元C1。發光裝置14之第一端耦接於電源供應電路110之正輸出端N1，而發光裝置14之第二端耦接於發光裝置12和電荷儲存單元C1。
在整流交流電壓VAC 之上升週期或下降週期當電流控制單元CC1之跨壓VCC1 不超過電流控制單元CC1之切入電壓(cut-in voltage)或當電流控制單元CC2之跨壓VCC2 不超過電流控制單元CC2之切入電壓時，此時電流控制單元CC1或CC2維持在截止模式，亦即就像是開路元件一樣運作。
在整流交流電壓VAC 之上升週期或下降週期當電流控制單元CC1之跨壓VCC1 超過電流控制單元CC1之切入電壓但不超過電流控制單元CC1之壓差電壓(drop-out voltage)時，或當電流控制單元CC2之跨壓VCC2 超過電流控制單元CC2之切入電壓但不超過電流控制單元CC2之壓差電壓時，此時電流控制單元CC1或CC2尚未完全導通，因此會像壓控元件一樣在一線性模式下運作，使得電流ILED 或ITOT 會隨著電壓VAC 呈特定變化。舉例來說，若電流控制單元CC1或CC2以N型金氧半導體(N-type metal-oxide-semiconductor, NMOS)電晶體來製作，電流ILED 和電壓VCC1 之間的關係或電流ITOT 和電壓VCC2 之間的關係會相關於NMOS電晶體中汲極電流和汲極­-源極電壓之間的關係。
在整流交流電壓VAC 之上升週期或下降週期當電流控制單元CC1之跨壓VCC1 超過電流控制單元CC1之壓差電壓時，或當電流控制單元CC2之跨壓VCC2 超過電流控制單元CC2之壓差電壓時，電流ILED 升至電流控制單元CC1之限流值ISET1 或電流ITOT 升至電流控制單元CC2之限流值ISET2 。此時電流控制單元CC1或CC2會切換至一定電流模式並像限流器一樣運作，使得電流ILED 會被箝制在固定值ISET1 而非隨著VCC1 而改變，或使得電流ITOT 會被箝制在固定值ISET2 而非隨著VCC2 而改變。
第9圖顯示了本發明實施例中發光二極體照明裝置運作時之電流-電壓特性圖。由於發光裝置12之跨壓VLED 相關於整流交流電壓VAC ，而整流交流電壓VAC 之值隨著時間而有週期性變化，因此以包含時間點t0 ～t6 之兩個週期來做說明，其中時間點t0 ～t1 和t3 ～t4 之間包含在整流交流電壓VAC 之上升週期，而時間點t2 ～t3 和t5 ～t6 之間包含在整流交流電壓VAC 之下降週期。
在整流交流電壓VAC 之上升週期或下降週期當電壓VAC 大於發光裝置12和電流控制單元CC1～CC2之切入電壓加總時(亦即當VAC ＞(VC1 +VCC2 )，電壓VLED 足以導通發光裝置12，而電流控制單元CC1～CC2皆在運作中。更精確地說，時間點t1 ～t2 和t4 ～t5 之間，發光裝置12由整流交流電壓VAC 來維持在導通ON狀態。電流控制單元CC1可將電流ILED 之值箝制在ISET1 ，而電流控制單元CC2可將電流ITOT 之值箝制在ISET2 。在時間點t1 ～t2 和t4 ～t5 之間，整流交流電壓VAC 亦會提供相關於(ISET2 -ISET1 )之能量以對電荷儲存單元C1進行充電，因此使得電壓VC1 逐漸增加。
在整流交流電壓VAC 之上升週期或下降週期當電壓VAC 小於發光裝置12和電流控制單元CC1～CC2之切入電壓加總時(亦即當VAC ＜(VC1 +VCC2 )，電壓VLED (此時亦另由電荷儲存單元C1來提供)不足以導通發光裝置12。在此種情況下，電流控制單元CC1在運作中，而電流控制單元CC2並未運作。更精確地說，時間點t0 ～t1 、t2 ～t4 和t5 ～t6 之間，電流ILED 由電荷儲存單元C1放電之能量來提供，進而將發光裝置12維持在導通ON狀態。電流控制單元CC1可將電流ILED 之值箝制在ISET1 ，而電流控制單元CC2並未調節電流(ITOT =0)。在時間點t0 ～t1 、t2 ～t4 和t5 ～t6 之間，電荷儲存單元C1透過發光裝置12來放電，因此使得電壓VC1 逐漸降低。
如第9圖所示，電荷儲存單元C1可加長發光裝置12之導通時間，或是使得於發光裝置12一直維持在導通狀態。無論整流交流電壓VAC 之變化，本發明電流控制單元CC1～CC2能使發光二極體照明裝置維持固定亮度，進而改善頻閃現象。
在第4圖所示之發光二極體照明裝置104中，電流控制器20包含三個電流控制單元CC1～CC3。電流控制單元CC1串聯於發光裝置12，可依據一第一限流值ISET1 來調節電流ILED 。電流控制單元CC2串聯於電流控制單元CC1且串聯於電荷儲存單元C2，可依據一第二限流值ISET2 調節電流ITOT 。電流控制單元CC3並聯於電荷儲存單元C1且串聯於電荷儲存單元C2，可依據一第三限流值ISET3 來調節流經電荷儲存單元C2之電流IC2 。電荷儲存單元C1～C2串聯於感測電阻RS ，且並聯於電流控制單元CC1和發光裝置12。感測電阻RS 是用來調整電流控制單元CC3之導通時間長短，但在本發明其它實施例中可省略。路徑控制單元D1設置成耦接於電流控制單元CC3、電荷儲存單元C1和發光裝置12，以避免電荷儲存單元C1放電至電流控制單元CC3。在本發明中，第二限流值ISET2 之值大於第一限流值ISET1 之值，且第三限流值ISET3 之值小於(ISET2 -ISET1 )。
發光二極體照明裝置104之運作亦可由第9圖所顯示之電流-電壓特性圖來做說明。在整流交流電壓VAC 之上升週期或下降週期當VAC ＞(VC1 +VC2 +VCC2 )，電壓VLED 足以導通發光裝置12，路徑控制器D1為正向偏壓，電流控制單元CC1～CC2在運作中，而電流控制單元CC3並未運作。更精確地說，時間點t1 ～t2 和t4 ～t5 之間，發光裝置12由整流交流電壓VAC 來維持在導通ON狀態。電流控制器CC1可將電流ILED 之值箝制在ISET1 ，而電流控制器CC2可將電流ITOT 之值箝制在ISET2 。在時間點t1 ～t2 和t4 ～t5 之間，整流交流電壓VAC 亦會提供相關於(ISET2 -ISET1 )之能量以對電荷儲存單元C1～C2進行充電，因此使得電壓VC1 和VC2 逐漸增加。
在整流交流電壓VAC 之上升週期或下降週期當(VC2 +VCC2 ) ＜VAC ＜(VC1 +VC2 +VCC2 )時，路徑控制器D1為反向偏壓，電流控制單元CC1和CC3在運作中，而電流控制單元CC2並未運作。更精確地說，時間點t0 ～t1 、t2 ～t4 和t5 ～t6 之間，電流ILED 由電荷儲存單元C1和C2放電之能量來提供，而電流控制器CC1可將電流ILED 之值箝制在ISET1 。電流控制器CC3提供電流使得對電荷儲存單元C2充電之電流IC2 能被箝制在ISET3 。在電荷儲存單元C1和C2放電至發光裝置12的期間，由於只有電荷儲存單元C2會被電流IC2 來充電，因此電壓(VC1 +VC2 )會逐漸降低。
在整流交流電壓VAC 之上升週期或下降週期當VAC ＜(VC2 +VCC2 )時，電壓VLED 足以導通發光裝置12，但電流控制單元CC2～CC3並未運作。更精確地說，時間點t0 ～t1 、t2 ～t4 和t5 ～t6 之間，電流ILED 由電荷儲存單元C1和C2放電之能量來提供，進而將發光裝置12維持在導通ON狀態。電流控制單元CC1可將電流ILED 之值箝制在ISET1 ，而電流控制單元CC2～CC3並未調節電流。在時間點t0 ～t1 、t2 ～t4 和t5 ～t6 之間，電荷儲存單元C1和C2透過發光裝置12來放電，因此使得電壓VC1 和VC2 都會逐漸降低。
如第9圖所示，電荷儲存單元C1～C2可加長發光裝置12之導通時間，或是使得於發光裝置12一直維持在導通狀態。無論整流交流電壓VAC 之變化，本發明電流控制單元CC1～CC3能使發光二極體照明裝置104維持固定亮度，進而改善頻閃現象。
第5～8圖所示之發光二極體照明裝置105～108和第1～4圖所示之發光二極體照明裝置101～104結構類似，不同之處在於發光二極體照明裝置105～108各另包含並聯於電流控制單元CC1的電壓箝制單元Zv。電壓箝制單元Zv可限制電流控制單元CC1的壓降和相對應電壓VC1 之值。發光二極體照明裝置105～108之運作亦可由第9圖所顯示之電流-電壓特性圖來做說明。在本發明中，電壓箝制單元Zv可採用一個或多個發光二極體，齊納(Zener)二極體，或其他提供類似功能的元件。然而，電壓箝制單元Zv的種類並不限定本發明的範疇。
如相關領域具備通常知識者皆知，頻閃現象具有週期性變化，可由其波形中振幅、平均準位、週期頻率、形狀及/或工作週期(duty cycle)的變化量來定義。一般會使用頻閃比率(Percent Flicker)和頻閃索引(Flicker Index)來量化頻閃，如下列公式(1)和公式(2)所示。   Percent Flicker=x…   (1) Flicker Index =…   (2)
在公式(1)中，MAX代表發光二極體照明裝置101〜108之最大光強度/光通量，而MIN代表發光二極體照明裝置101〜108之最小光強度/光通量。在公式(2)中，AREA1代表當發光二極體照明裝置101〜108之光強度/光通量高於平均值時在一段期間內的光強度/光通量累積值，而AREA2代表當發光二極體照明裝置101〜108之光強度/光通量低於平均值時在一段期間內的光強度/光通量累積值。
如第9圖所示，本發明之電荷儲存單元C1～C2可使公式(1)中的(MAX-MIN)和公式(2)中的AREA2/AREA2變成0，進而降低發光二極體照明裝置101〜108之頻閃比率和頻閃索引。
透過上述電荷儲存單元，本發明可使發光二極體照明裝置的光強度/光通量變化實質上降為0。因此，本發明可改善發光二極體照明裝置之頻閃現象。   以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
101〜108‧‧‧發光二極體照明裝置
110‧‧‧電源供應電路
112‧‧‧橋式整流器
VS‧‧‧交流電壓
12、14‧‧‧發光裝置
20‧‧‧電流控制器
RS‧‧‧感測電阻
C1、C2‧‧‧電荷儲存單元
CC1、CC2、CC3‧‧‧電流控制單元
D1‧‧‧路徑控制器
ZV‧‧‧電壓箝制單元
N1‧‧‧正輸出端
N2‧‧‧負輸出端
第1圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。 第2圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。 第3圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。 第4圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。 第5圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。 第6圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。 第7圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。 第8圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。 第9圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置運作時之電流-電壓特性圖。
101‧‧‧發光二極體照明裝置
110‧‧‧電源供應電路
112‧‧‧橋式整流器
VS‧‧‧交流電壓
12‧‧‧發光裝置
20‧‧‧電流控制器
C1‧‧‧電荷儲存單元
CC1、CC2‧‧‧電流控制單元
N1‧‧‧正輸出端
N2‧‧‧負輸出端

Claims (14)

  1. 一種發光二極體照明裝置，其包含： 一第一發光裝置，由一整流交流電壓來驅動，用來依據一第一電流來提供光源； 一第一電荷儲存單元，用來在當該整流交流電壓之值小於一第一電壓時提供該第一電流，以使該第一發光裝置維持導通﹔以及 一電流控制器，其包含﹕ 一第一電流控制單元，串聯於該第一發光裝置，用來調節該第一電流以使該第一電流之值不超過一第一限流值﹔ 一第二電流控制單元，串聯於該第一電流控制單元且串聯於該第一電荷儲存單元，用來調節該第二電流以使該第二電流之值不超過一第二限流值，其中該第二電流為流經該發光二極體照明裝置之一總電流。
  2. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中當該整流交流電壓之值大於該第一電壓時，該第一電荷儲存單元停止提供該第一電流並開始被該整流交流電壓充電。
  3. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含一電源供應電路以提供該整流交流電壓，其中該第二電流控制單元耦接於該第一電流控制單元和該電源供應電路之一負輸出端之間。
  4. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含一電源供應電路以提供該整流交流電壓，其中該第二電流控制單元耦接於該電源供應電路之一正輸出端和該第一電流控制單元之間。
  5. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含﹕ 一第二發光裝置，串聯於該第一發光裝置且串聯於該第一電荷儲存單元，用來依據該第二電流來提供光源。
  6. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含﹕ 一電壓箝制電路，並聯於該第一電流控制單元，用來箝制該第一電流控制單元之一跨壓。
  7. 如請求項6所述之發光二極體照明裝置，其中該電壓箝制電路包含一發光二極體或一齊納二極體。
  8. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含﹕ 一第二電荷儲存單元，用來在當該整流交流電壓之值小於該第一電壓和一第二電壓之加總時提供該第一電流，以使該第一發光裝置維持導通，其中該第二電壓為該第一電荷儲存單元和該第二電荷儲存單元上之一跨壓﹔ 一第三電流控制單元，並聯於該第一電荷儲存單元﹔ 一路徑控制器，用來阻止該第一電荷儲存單元放電至該第三電流控制單元，其中﹕ 該第二電荷儲存單元串聯於該第三電流控制單元且串聯於該第一電荷儲存單元﹔以及 該第一電荷儲存單元和該第二電荷儲存單元並聯於該第一發光裝置和該第一電流控制單元。
  9. 如請求項8所述之發光二極體照明裝置，其另包含﹕ 一感測電阻，其第一端耦接於該第三電流控制單元，且其第二端耦接於該第二電荷儲存單元。
  10. 如請求項8所述之發光二極體照明裝置，其中當該整流交流電壓之值大於該第一電壓和該第二電壓之加總時，該第一電荷儲存單元和該第二電荷儲存單元停止提供該第一電流並開始被該整流交流電壓充電。
  11. 如請求項8所述之發光二極體照明裝置，其中： 當該整流交流電壓之值大於該第一電壓和該第二電壓之加總時，該第三電流控制單元呈關閉； 當該整流交流電壓之值不大於該第一電壓和該第二電壓之加總時，該第三電流控制單元呈開啟，進而調節流經該第二電荷儲存單元之一第三電流以使該第三電流之值不超過一第三限流值。
  12. 如請求項11所述之發光二極體照明裝置，其中： 該第二限流值大於該第一限流值﹔且 該第三限流值不大於該第二限流值和該第一限流值之間的一差值。
  13. 如請求項8所述之發光二極體照明裝置，其另包含﹕ 一第二發光裝置，串聯於該第一發光裝置且串聯於該第一電荷儲存單元，用來依據該第二電流來提供光源。
  14. 如請求項8所述之發光二極體照明裝置，其另包含﹕ 一電壓箝制電路，並聯於該第一電流控制單元，用來箝制該第一電流控制單元之一跨壓。
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