TW201948001A - 具自動調光控制之發光二極體照明系統 - Google Patents
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Abstract
發光二極體照明系統包含發光單元和洩流電路。發光單元由一整流交流電壓來驅動。洩流電路包含第一至第三電流源、一電流偵測元件以提供相關於系統電流之第一回授電壓、一電容,以及一控制單元。控制單元用來在系統電流超過預設臨界值時開啟第一電流源和關閉第二電流源以對電容充電,在系統電流並未超過預設臨界值時關閉第一電流源和開啟第二電流源以讓該電容放電,以及依據電容上之第二回授電壓來關閉第三電流源以停止供應洩流電流。
Description
本發明相關於一種發光二極體照明系統,尤指一種具自動調光控制之發光二極體照明系統。
可調光發光二極體照明系統通常採用包含三端觸發交流(TRIAC)元件之調光開關來調節發光二極體(light emitting diode, LED)照明裝置之功率,使其僅會在整流交流電壓(rectified AC voltage)之特定週期發光。不同於雙極性電晶體(bipolar transistor, BJT) 和金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)等開關元件,三端觸發交流元件在被觸發後(當順向電流IF
超過栓鎖電流IL
時)會被鎖定在導通狀態,直到其順向電流IF
小於一最小保持電流IH
為止。因此,為了確保三端觸發交流元件維持在導通狀態,至少需要供應最小保持電流IH
至三端觸發交流元件。在導通後,LED負載會提供相當大的阻抗,使得輸入電流可能不足以將三端觸發交流元件鎖定在導通狀態。當流經三端觸發交流元件的電流低於最小保持電流IH
時,三端觸發交流元件會被重置而過早地關閉。因此,LED發光裝置在其發光週期會過早地被關閉,進而造成閃爍(flicker)或完全故障。
因此,可調光發光二極體照明系統通常會使用洩流(bleeder)電路來提供電壓管理所需的洩流電流,以及避免調光開關過早地關閉。然而,當發光二極體照明系統不需要調光功能時,不必要地供應洩流電流會增加系統功耗。
本發明提供一種發光二極體照明系統,其包含一發光單元和一洩流電路。該發光單元由一整流交流電壓來驅動。該洩流電路包含一第一電流源,用來提供一充電電流;一第二電流源,用來提供一放電電流;一第三電流源,用來提供一洩流電流;一電流偵測元件,用來提供相關於一系統電流之一第一回授電壓;一電容;以及一控制單元。該控制單元用來當依據該第一回授電壓判斷該系統電流超過一預設臨界值時,開啟該第一電流源和關閉該第二電流源以對該電容充電,當依據該第一回授電壓判斷該系統電流並未超過該預設臨界值時,關閉該第一電流源和開啟該第二電流源以讓該電容放電;以及依據該電容上之一第二回授電壓來關閉該第三電流源以停止供應該洩流電流。
第1圖為本發明實施例中一可調光發光二極體照明系統100之功能方塊圖。發光二極體照明系統100包含一電源供應電路110、一調光開關120、一整流電路130、一洩流電路140,以及一發光單元150。
電源供應電路110可提供一具正負週期之交流電壓VS,整流電路130可利用一橋式整流器來轉換交流電壓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系統100,其中整流交流電壓VAC
之值隨著時間而有週期性變化。然而,電源供應電路110和整流電路130之結構並不限定本發明之範疇。
發光單元150包含複數個發光裝置和一驅動器。每一發光裝置可包含一個發光二極體,或是複數個串接之發光二極體。每一發光二極體可為單介面發光二極體(single-junction LED)、多介面高壓發光二極體(multi-junction high-voltage LED),或其它具類似功能之元件。然而,發光裝置之種類和組態並不限定本發明之範疇。
第2圖為本發明實施例可調光發光二極體照明系統100中調光開關120之示意圖。第3圖為本發明實施例可調光發光二極體照明系統100中調光開關120運作時之示意圖。調光開關120可相位調變電源供應電路110以調整整流交流電壓VAC
之責任週期,進而調整流經發光二極體照明系統100的系統電流ISYS
之責任週期,因此能控制發光單元150所提供之光輸出量(光強度)。當未啟動調光開關120之功能時,供給至整流電路130之電壓VDIM
其值和電源供應電路110提供之交流電壓VS相同;當啟動調光開關120之功能時,供給至整流電路130之電壓VDIM
是透過依據調光輸入訊號SDIMMER
相位調變整流交流電壓VAC
來提供。
在第2圖所示之實施例中,調光開關120為一相切(phase-cut)調光器,其包含一TRIAC元件22、一雙端觸發交流(DIAC)元件24、一可變電阻26,以及一電容28。TRIAC元件22和DIAC元件24為雙向切換元件,當開啟(被觸發)時能雙向導通電流。可變電阻26和電容28用來提供一觸發電壓VG
,其相對於交流電壓VS具有一電阻-電容(RC)延遲時間。如第3圖所示,在週期內的關閉時段TOFF
內,觸發電壓VG
之值尚不足以開啟TRIAC元件22,因此交流電壓VS並不會供應至整流電路130(VDIM
=0);在週期內的開啟時段TON
內,當觸發電壓VG
之值超過TRIAC元件22之臨界電壓時,TRIAC元件22會被開啟而傳導系統電流ISYS
。只要系統電流ISYS
之值維持在高於TRIAC元件22之最小保持電流之值,交流電壓VS即可被供應至整流電路130(電壓VDIM
之波形隨著整流交流電壓VAC
之波形而變化)。
在可調光發光二極體照明系統100中,調光開關120會依據接收到之調光輸入訊號SDIMMER
來決定針對電源供應電路110之交流電壓VS的調整量。在一些實施例中,調光輸入訊號SDIMMER
為類比訊號,可透過轉動開關、滑動開關,或任何能依據調整設定來提供一調整訊號之電性或機械式裝置來產生。在其它實施例中,調光輸入訊號SDIMMER
可為數位訊號。然而,調光輸入訊號SDIMMER
之實施方式並不限定本發明之範疇。
在第2圖所示之實施例中,可變電阻26之值可依據調光輸入訊號SDIMMER
來加以調整,以改變觸發電壓VG
相對於交流電壓VS之電阻-電容延遲時間,進而調整電壓VDIM
之週期內開啟時段TON
和關閉時段TOFF
的長短。由於發光單元150之光輸出強度實質上正比於整流交流電壓VAC
,而整流交流電壓VAC
之值相關於電壓VDIM
,因此流經發光單元150之系統電流ISYS
能以調變方式被控制,使得發光單元150在反應調光輸入訊號SDIMMER
時能提供平穩變化的光輸出強度,而不會造成可感受到的閃爍。
第4圖為本發明實施例可調光發光二極體照明系統100中洩流電路140之示意圖。洩流電路140包含3個電流源I0-I2、一電流偵測元件RCS
、一電容CPD
,以及一控制單元40。在啟動後,可調光發光二極體照明系統100可依據電流偵測元件RCS
上的一回授電壓VFB1
來監控系統電流ISYS
之準位。在一實施例中,電流偵測元件RCS
可為一電阻。然而,電流偵測元件RCS
之實施方式並不限定本發明之範疇。
當整流交流電壓VAC
之值尚不足以導通發光單元150時,流經發光單元150之電流ILED
其值實質上為0。在這種狀況下,控制單元40會開啟電流源I0以供應洩流電流IBL
,以使得系統電流ISYS
能維持在高於調光開關120中TRIAC元件22(未顯示於第4圖)的最小保持電流。當整流交流電壓VAC
之值足以導通發光單元150時,發光單元150開始導通,而電流ILED
之值會隨著整流交流電壓VAC
來變化。一旦流經發光單元150之電流ILED
達到系統電流ISYS
之值時,電流ILED
會由發光單元150之驅動器(由第4圖中的標號55來代表)來調節以維持在一固定值。一旦流經發光單元150之電流ILED
超過調光開關120中TRIAC元件22的最小保持電流,電流ILED
就足以維持調光開關120的穩定運作,此時控制單元40會關閉電流源I0以停止供應洩流電流IBL
。在其它實施例中,電流源I0可依據流經發光單元150之電流ILED
來調整洩流電流IBL
,以使得洩流電流IBL
和電流ILED
之加總能夠維持調光開關的穩定運作。
同時,當回授電壓VFB1
反應出系統電流ISYS
之值已經達到一預設門檻值ITH
時,控制單元40會開啟電流源I1並關閉電流源I2以對電容CPD
充電。當回授電壓VFB1
反應出系統電流ISYS
之值並未超過預設門檻值ITH
時,控制單元40會關閉電流源I1並開啟電流源I2以使電容CPD
能放電。
第5圖至第7圖為本發明實施例中可調光發光二極體照明系統100在未啟動調光開關120功能下運作時之電流-電壓特性圖。第5圖顯示了整流交流電壓VAC
、系統電流ISYS
和回授電壓VFB2
在整流交流電壓VAC
之複數個週期內的波形圖。第6圖顯示了整流交流電壓VAC
、系統電流ISYS
、充電電流IPD1
,和放電電流IPD2
在整流交流電壓VAC
之前n個週期T1-Tn(n為正整數)中其中一週期內的放大波形圖。第7圖顯示了整流交流電壓VAC
、系統電流ISYS
、充電電流IPD1
,和放電電流IPD2
在整流交流電壓VAC
中週期Tn之後的放大波形圖。
當發光二極體照明系統100未啟動調光開關120功能時,系統電流ISYS
之責任週期D1(也就是ISYS
>ITH
的期間)通常大於95%,如第6圖和第7圖所示。在第5圖中,電容CPD
上的回授電壓VFB2
在整流交流電壓VAC
之週期T1-Tn中呈現鋸齒狀波形,其中其波形上升區段代表電容CPD
之充電週期,而其波形下降區段代表電容CPD
之放電週期。當透過調整電流源I1和I2之值以使電容CPD
之充電量IPD1
*D1大於電容CPD
之放電量IPD2
*(1-D1)時,電容CPD
上的回授電壓VFB2
會逐漸增加,如第5圖所示。當回授電壓VFB2
在整流交流電壓VAC
之週期Tn時達到一上限臨界電壓VH
時,控制單元40會將回授電壓VFB2
箝制在大於上限臨界電壓VH
之一上限電壓VMAX
,並關閉電流源I0以在週期Tn之後停止供應洩流電流IBL
,如第5圖所示。因此,本發明在不需要調光功能時可降低系統電流ISYS
,進而減少發光二極體照明系統100之功耗。
第8圖和第9圖為本發明實施例中可調光發光二極體照明系統100在未啟動調光開關120功能且電容CPD
之值小於一臨界值下運作時之電流-電壓特性圖。當電容CPD
之值不小於臨界值時,回授電壓VFB2
可能需要經過好幾個整流交流電壓VAC
之週期才會升至上限電壓VMAX
而造成停止供應洩流電流IBL
,如第5圖中當n>1時所示。當電容CPD
之值小於臨界值時,回授電壓VFB2
在一個整流交流電壓VAC
之週期內就能上升至上限臨界電壓VH
。第8圖顯示了當電容CPD
為一第一值時整流交流電壓VAC
、系統電流ISYS
和回授電壓VFB2
在整流交流電壓VAC
之每一週期內的放大波形圖,其中第一值小於臨界值。第9圖顯示了當電容CPD
為一第二值時整流交流電壓VAC
、系統電流ISYS
和回授電壓VFB2
在整流交流電壓VAC
之每一週期內的放大波形圖,其中第二值遠小於第一值。如第8圖和第9圖所示,當電容CPD
之值小於臨界值時,偵測用來判斷何時停止供應洩流電流IBL
之回授電壓VFB2
是在整流交流電壓VAC
之每一週期內執行。停止供應洩流電流IBL
之時間點會發生在至少整流交流電壓VAC
之波形下降邊緣,進而改善運作效率。
第10圖和第11圖為本發明實施例中可調光發光二極體照明系統100在啟動調光開關120功能下運作時之示意圖。第10圖顯示了發光二極體照明系統100在整流交流電壓VAC
之複數個週期內之電流-電壓特性圖。第11圖顯示了整流交流電壓VAC
、系統電流ISYS
、充電電流IPD1
和放電電流IPD2
在整流交流電壓VAC
之一週期內的放大波形圖。
當可調光發光二極體照明系統100啟動調光開關120功能時,系統電流ISYS
之責任週期D2(也就是ISYS
>ITH
的期間)通常小於90%,如第11圖所示。在第10圖中,電容CPD
上的回授電壓VFB2
呈現鋸齒狀波形,其中其波形上升區段代表電容CPD
之充電週期,而其波形下降區段代表電容CPD
之放電週期。當透過調整電流源I1和I2之值以使電容CPD
之充電量IPD1
*D2小於或等於電容CPD
之放電量IPD2
*(1-D2)時,電容CPD
上的回授電壓VFB2
會維持在低於上限臨界電壓VH
之準位,如第10圖所示。在此種情況下,控制單元40會控制電流源I0以持續供應洩流電流IBL
。因此,本發明在需要調光功能時能確保系統電流ISYS
之值維持在高於TRIAC裝置22的最小保持電流,進而確保發光二極體照明系統100之調光開關120能正常運作。
第12圖和第13圖為本發明實施例中可調光發光二極體照明系統100在啟動調光開關120功能下運作時之電流-電壓特性圖。第12圖顯示了當調光開關120以一第一調光相位運作時之實施例,而第13圖顯示了當調光開關120以一第二調光相位運作時之實施例,其中第二調光相位小於第一調光相位。當調光開關120以較大調光相位運作時,洩流電流IBL
會出現在整流交流電壓VAC
之波形上升邊緣,如第12圖所示。當調光開關120以較小調光相位運作時,洩流電流IBL
會出現在整流交流電壓VAC
之波形下降邊緣,且會在當回授電壓VFB2
升至上限臨界電壓VH
時停止供應洩流電流IBL
以改善運作效率,如第13圖所示。
如前所述,電容CPD
之總充電時間和總放電時間是由系統電流ISYS
之責任週期來決定。由於啟動或關閉調光開關120功能會影響系統電流ISYS
之責任週期,可調光發光二極體照明系統100可監控電容CPD
上的回授電壓VFB2
來判斷是否需要提供調光功能所需之洩流電流IBL
。因此,本發明在需要調光功能時能確保調光功能之正常運作,並在不需要調光功能時可減少發光二極體照明系統之功耗。 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。
22‧‧‧三端觸發交流元件
24‧‧‧雙端觸發交流元件
26‧‧‧可變電阻
28‧‧‧電容
40‧‧‧控制單元
55‧‧‧驅動器
100‧‧‧發光二極體照明系統
110‧‧‧電源供應電路
120‧‧‧調光開關
130‧‧‧整流電路
140‧‧‧洩流電路
150‧‧‧發光單元
I0-I2‧‧‧電流源
RCS‧‧‧電流偵測元件
CPD‧‧‧電容
VS‧‧‧交流電壓
VAC‧‧‧整流交流電壓
VG‧‧‧觸發電壓
VFB1、VFB2‧‧‧回授電壓
VDIM‧‧‧電壓
VMAX‧‧‧上限電壓
VH‧‧‧上限臨界電壓
ILED‧‧‧電流
IPD1‧‧‧充電電流
IPD2‧‧‧放電電流
ISYS‧‧‧系統電流
SDIMMER‧‧‧調光輸入訊號
TON‧‧‧開啟時段
TOFF‧‧‧關閉時段
D1、D2‧‧‧責任週期
T1-Tn+1‧‧‧週期
第1圖為本發明實施例中一可調光發光二極體照明系統之功能方塊圖。 第2圖為本發明實施例可調光發光二極體照明系統中一調光開關之示意圖。 第3圖為本發明實施例可調光發光二極體照明系統中一調光開關運作時之示意圖。 第4圖為本發明實施例可調光發光二極體照明系統中一洩流電路之示意圖。 第5圖至第7圖為本發明實施例中可調光發光二極體照明系統在未啟動調光開關功能下運作時之電流-電壓特性圖。 第8圖和第9圖為本發明實施例中可調光發光二極體照明系統在未啟動調光開關功能且電容之值小於一臨界值下運作時之電流-電壓特性圖。 第10圖和第11圖為本發明實施例中可調光發光二極體照明系統在啟動調光開關功能下運作時之電流-電壓特性圖。 第12圖為本發明實施例中可調光發光二極體照明系統在啟動一第一調光相位之調光開關功能下運作時之電流-電壓特性圖。 第13圖為本發明實施例中可調光發光二極體照明系統在啟動一第二調光相位之調光開關功能下運作時之電流-電壓特性圖。
Claims (9)
- 一種發光二極體照明系統,其包含: 一發光單元,由一整流交流電壓來驅動;以及 一洩流電路,其包含: 一第一電流源,用來提供一充電電流; 一第二電流源,用來提供一放電電流; 一第三電流源,用來提供一洩流電流; 一電流偵測元件,用來提供相關於一系統電流之一第一回授電壓; 一電容;以及 一控制單元,用來: 當依據該第一回授電壓判斷該系統電流超過一預設臨界值時,開啟該第一電流源和關閉該第二電流源以對該電容充電; 當依據該第一回授電壓判斷該系統電流並未超過該預設臨界值時,關閉該第一電流源和開啟該第二電流源以讓該電容放電;以及 依據該電容上之一第二回授電壓來關閉該第三電流源以停止供應該洩流電流。
- 如請求項1所述之發光二極體照明系統,其中當該第二回授電壓超過一上限臨界電壓時,該控制單元另用來: 關閉該第三電流源以停止供應該洩流電流;且 將該第二回授電壓箝制在大於該上限臨界電壓之一上限電壓。
- 如請求項1所述之發光二極體照明系統,其另包含一調光開關,用來透過調整該系統電流之責任週期來控制該發光單元之光輸出量,其中該調光開關之運作是由該洩流電流來維持。
- 如請求項3所述之發光二極體照明系統,其中當該系統電流低於一調光開關之一最小保持電流時,該控制單元另用來開啟該第三電流源以供應該洩流電流。
- 如請求項3所述之發光二極體照明系統,其中: 當一調光開關之功能未被啟動時,該系統電流之責任週期為一第一值D1; 當該調光開關之功能被啟動時,該調光開關用來依據一調光輸入訊號來將該系統電流之責任週期由該第一值D1調為一第二值D2;且 該第二值D2小於該第一值D1。
- 如請求項5所述之發光二極體照明系統,其中: 該充電電流之值為一第三值IPD1 ; 該放電電流之值為一第四值IPD2 ; 當該調光開關之功能未被啟動時,(IPD1 *D1)>IPD2 *(1-D1);且 當該調光開關之功能被啟動時,(IPD1 *D2)<IPD2 *(1-D2)。
- 如請求項3所述之發光二極體照明系統,其中該調光開關包含一三端觸發交流(TRIAC)元件,用相位調變該整流交流電壓,進而調整該系統電流之責任週期。
- 如請求項3所述之發光二極體照明系統,其中當該電容之值小於一臨界值時,該控制單元另用來在該整流交流電壓之每一週期內偵測該電流偵測元件所提供之該第一回授電壓。
- 如請求項8所述之發光二極體照明系統,其中: 當該調光開關以一第一調光相位運作時,該洩流電流出現在該整流交流電壓之一波形上升邊緣; 當該調光開關以一第二調光相位運作時,該洩流電流出現在該整流交流電壓之一波形下降邊緣;且 該第一調光相位大於該第二調光相位。
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