TWI419601B - Light emitting diode output power adjusting device and method thereof - Google Patents

Description

發光二極體輸出功率調整裝置及其方法

本發明係關於一種發光二極體輸出功率調整裝置及其方法，特別是一種利用順向偏壓偵測與計算、評估，以回饋調整控制發光二極體負載輸出功率之裝置及方法。

按，發光二極體(LED，Light Emitting Diode)是一種發光光源元件，在其兩端加上足夠的電流將會產生發光光源，但其內部所形成之順向偏壓(forward voltage)並非定值，易隨溫度或環境影響而產生變動，因此，發光二極體之輸出功率亦非為定功率狀態，也會隨著上述溫度或環境影響而產生變動。

又，習知以複數發光二極體元件組成陣列或燈條方式之發光二極體燈具負載，因上述發光二極體元件的溫度或環境變動因素，在原有的設計下，並無法保證及控制輸出功率變動率，所以必需採用推估的方式來確保輸出功率，通常會利用預燒機的方式，讓發光二極體燈具經一段長時間的使用後，量測輸出功率，來推測實際使用時之輸出功率狀況，但發光二極體的壽命很長，所以習知預燒機方式的相對短暫測試時間還是無法百分之百準確獲得該發光二極體燈具實際輸出功率狀況，因此，依習知預燒機方法及人工計算方式設定輸出電流值而控制輸出功率，其偏差量很大，並無法讓發光二極體燈具之輸出功率可以被準確掌握及控制，使發光二極體燈具並沒有辦法達到真正節能之效果。

此外，習知發光二極體燈具，會因為溫度變化而無法獲得穩定的發光二極體順向偏壓，將造成輸出功率不斷變動，生產時必需作上述預燒機的動作，待發光二極體順向偏壓穩定後，才能設定實際輸出的定電流源及控制輸出的功率，將浪費無謂及寶貴的生產工時與人力，致使發光二極體燈具有生產效率不彰及價格偏 高等問題與缺點，且為了保證該發光二極體燈具功率輸出品質，必需預留比較大的額定輸出功率，以避免日後出廠後因環境問題所造成輸出功率不足之缺憾，讓許多習知發光二極體燈具並非真正符合綠能環保之低耗能需求。

在相關先前專利技術文獻方面，如中華民國專利公報第M350199號「LED照明延長壽命之控制系統」新型專利案，揭示利用兩組LED燈串來交互替換點亮，以解決發光二極體之溫度變動問題，但相同地，亦存在有上述習知發光二極體燈具需以預燒機方式設定兩組燈串輸出功率之問題與缺點，並且，該前案技術必需使用兩組LED燈串，徒增該發光二極體燈具之製造成本，而不具有產業利用價值。

習知之發光二極體燈具負載，因溫度或環境變動因素，致使發光二極體燈具的實際輸出功率無法被精確掌握及控制，並且，在製造上需以預燒機方式加以長時間測試，才能決定發光二極體燈具的出廠額定輸出功率，使該發光二極體燈具生產工時冗長、價格偏高，且無法真正符合綠能環保之低耗能需求。

因此，極需要發展一種低生產成本、免預燒機及縮短生產工時，且能同時提供可靠精準消除輸出功率變動因素及接近定功率消耗的裝置與方法，讓諸如發光二極體燈具負載可以得到良好的輸出功率調整控制，且有效降低因溫度與環境變動因素所產生的額外功率消耗，以達到真正低耗能的綠能環保要求。

緣此，本發明之發光二極體輸出功率調整裝置，係包括一類比/數位轉換偵測電路、一計算控制單元、數位/類比轉換控制電路及一電源電路，其中，該類比/數位轉換偵測電路連結發光二極體負載，以偵測其順向偏壓，並將此順向偏壓轉換成數位訊號輸出，該計算控制單元對該順向偏壓之數位訊號值予以評估及計算，再輸出一對應電流值之數位電流控制訊號，再由該數位/類比轉換控 制電路將該數位電流控制訊號轉換輸出一類比電流控制訊號，並回饋至發光二極體負載中之定電流驅動電路，以調整該發光二極體負載之輸出功率接近於定功率狀態，該電源電路提供上述各類比/數位轉換偵測電路、計算控制單元、數位/類比轉換控制電路所需之工作電源。

本發明之發光二極體輸出功率調整方法，其步驟係包含：(A)開始；(B)偵測發光二極體順向偏壓，由該類比/數位轉換偵測電路對發光二極體燈具負載進行順向偏壓偵測；(C)將偵測到的順向偏壓值轉換成數位訊號，由該類比/數位轉換偵測電路將步驟B所偵測而得之順向偏壓轉換成數位訊號輸出；(D)評估順向偏壓是否正常？由該計算控制單元對步驟C之類比/數位轉換偵測電路所輸出的順向偏壓數位訊號值予以評估，如果正常進行步驟F，如不正常則進行步驟E；(E)設定輸出電流為最小工作電流，由步驟D之計算控制單元輸出一發光二極體燈具所需之最小工作電流值的數位電流控制訊號，進行步驟G；(F)計算及決定輸出電流，由步驟D之計算控制單元依功率等於順向偏壓乘以電流關係，以定功率方式計算決定該輸出電流值，並輸出一數位電流控制訊號；(G)將電流值轉換成類比電流控制訊號輸出，將步驟E或步驟F之計算控制單元輸出對應電流值之數位電流控制訊號經由該數位/類比轉換控制電路轉換成一類比電流控制訊號輸出；及(H)類比電流控制訊號回饋控制定電流源輸出電流，將步驟G經數位/類比轉換控制電路輸出之類比電流控制訊號回饋至一發光二極體燈具負載之定電流驅動電路，以令該定電流驅動電路輸出步驟E或步驟F之計算控制單元所設定輸出電流值之電流給發光二極體燈具之發光二極體陣列，使該發光二極體燈具之輸出 功率為接近定功率之狀態，重覆步驟B。

本發明發光二極體輸出功率調整裝置及其法之功效，係在於藉由自動偵測如發光二極體燈具負載之順向偏壓值，經過評估該順向偏壓是否正常，並計算決定該發光二極體燈具之電流值，再回饋類比電流控制訊號給發光二極體燈具之定電流驅動電路，使該定電流驅動電路可輸出目標電流值之電流，讓發光二極體燈具的輸出功率得以調整至接近定功率狀態，完全消除習知發光二極體燈具之輸出功率會隨著溫度與環境變動之問題與缺點，並且，在發光二極體燈具製造過程中，不需經由預燒機方式予以預估及設定出廠額定功率，使該發光二極體燈具產品之製造成本、工時可大幅降低，並可達成真正綠能環保的低耗能目的與效果，進而提昇本發明之產業利用價值。

首先請參閱第一圖所示，本發明之發光二極體輸出功率調整裝置100，係包括一類比/數位轉換偵測電路10，連結一發光二極體燈具200負載，以偵測該發光二極體燈具200中之一發光二極體陣列210的順向偏壓VF之值，並將該類比順向偏壓VF之值轉成對應的數位訊號11輸出，該類比/數位轉換偵測電路10所連結之負載並非以發光二極體燈具200為限，舉凡是其他等效之發光二極體陣列或複數發光二極體燈條所組成之負載，當不脫本發明之範疇。

一計算控制單元20，連結該類比/數位轉換偵測電路10，以對上述經類比/數位轉換偵測電路10轉換輸出之數位訊號11所對應之順向偏壓VF之數值進行評估並再計算決定輸出電流值，例如：該順向偏壓VF之數值為正常狀態下，以輸出功率P=順向偏壓VF x電流I關係，將輸出功率P設定為定值，如輸出功率為50瓦特，當順向偏壓VF為33伏特時，該電流I之值約為1.515安培，使該計算控制單元20藉以輸出一對應電流I數值之數位電流控制訊 號21；如該順向偏壓VF之值超出正常值範圍，即順向偏壓VF之值異常，則該計算控制單元20則直接設定該電流I數值為最小工作電流值(I_min )，使輸出之數位電流控制訊號21之值為最小工作電流值，讓輸出功率P接近於預先設定之50瓦特的定功率狀態，該計算控制單元20之型式不限，在本發明中係以一微處理單元為例。

一數位/類比轉換控制電路30，連結該計算控制單元20及上述之發光二極體燈具200中之定電流驅動電路220，以將該計算控制單元20所輸出之數位電流控制訊號21轉換成相對應電流數值之類比電流控制訊號31輸出，該類比電流控制訊號31並回饋至該發光二極體燈具200之一定電流驅動電路220，以使該定電流驅動電路220以上述之計算控制單元20所評估及計算而得之電流驅動發光二極體燈具200中之發光二極體陣列210，達到本發明使發光二極體燈具200負載之輸出功率接近定功率狀態之功效。

一電源電路40，連結該類比/數位轉換偵測電路10、計算控制單元20及數位/類比轉換控制電路30，以提供該類比/數位轉換偵測電路10、計算控制單元20及數位/類比轉換控制電路30所需之直流工作電源，該電源電路40之電源輸入方式不限，在本發明中係列舉連結該發光二極體燈具200之發光二極體陣列210之電源為例，以將該電源轉換成上述各類比/數位轉換偵測電路10、計算控制單元20及數位/類比轉換控制電路30所需之直流工作電源輸出，其他如電源電路40為直流電池組或以交/直流轉換器提供直流電源之電源輸入方式，亦屬本發明之範疇，換言之，本發明之發光二極體輸出功率調整裝置100可以是直接納入該發光二極體燈具200之線路中，或者也可以是為一單獨之電路裝置，另外連結於發光二極體燈具200之外。

請再配合第二圖所示，為本發明之發光二極體輸出功率調整方法之流程圖，其步驟包括： (300)開始；(310)偵測發光二極體順向偏壓，由該類比/數位轉換偵測電路10對發光二極體燈具200負載進行順向偏壓VF偵測；(320)將偵測到的順向偏壓值轉換成數位訊號，由該類比/數位轉換偵測電路10將步驟310所偵測而得之順向偏壓VF之值轉換成數位訊號11輸出；(330)評估順向偏壓是否正常？由該計算控制單元20對步驟320之類比/數位轉換偵測電路10所輸出的順向偏壓VF之數位訊號11值予以評估，如果正常進行步驟350，如不正常則進行步驟340；(340)設定輸出電流為最小工作電流，由步驟330之計算控制單元20輸出發光二極體燈具200所需之最小工作電流值(I_min )的數位電流控制訊號21，進行步驟360；(350)計算及決定輸出電流，由步驟330之計算控制單元20依輸出功率P=順向偏壓VF x電流I關係，以定功率方式計算決定該輸出電流I之值，並輸出數位電流控制訊號21；(360)將電流值轉換成類比電流控制訊號輸出，將步驟340或步驟350之計算控制單元20輸出對應電流值之數位電流控制訊號21經由該數位/類比轉換控制電路30轉換成一類比電流控制訊號31輸出；及(370)類比電流控制訊號回饋控制定電流源輸出電流，將步驟360經數位/類比轉換控制電路30輸出之類比電流控制訊號31回饋至發光二極體燈具200負載之定電流驅動電路220，以令該定電流驅動電路220輸出步驟340或步驟350之計算控制單元20所設定輸出電流值之電流給發光二極體燈具200之發光二極體陣列210，使該發光二極體燈具200之輸出功率P為接近定功率之狀態，重覆步驟310。

請再參閱第三圖所示，為本發明之發光二極體輸出功率調整 裝置及其方法之順向偏壓VF實際實驗數據圖，其中，顯示發光二極體燈具200之發光二極體陣列210的順向偏壓VF隨運轉時間變化之函數曲線圖，從該順向偏壓VF之值會隨著溫度或環境變動，該縱向軸為電壓V，該橫向軸為時間T，也就是上述類比/數位轉換偵測電路10實際偵測而得之順向偏壓VF之函數曲線。

請再配合第四圖所示，為未加設本發明之發光二極體輸出功率調整裝置100的發光二極體燈具200與加設本發明之發光二極體輸出功率調整裝置100的發光二極體燈具200的對照組的電流函數曲線，其中，第一電流曲線I1代表未加設本發明之發光二極體輸出功率調整裝置100的電流函數曲線，第二電流曲線I2代表加設本發明之發光二極體輸出功率調整裝置100的電流函數曲線，該縱向軸為電流I，該橫向軸為時間T，由該第一電流曲線I1及第二電流曲線I2之比較得知，該第一電流曲線I1之值穩定時間較長，且第一電流曲線I1的值也較偏高，其平均值約在1.6~1.65安培左右，這是因為習知發光二極體燈具200必需要預燒機至少二個小時以上才能獲得與實際工作時的狀況近似的結果，但本發明之輸出功率調整裝置100在極短時間內即可自動調整至如第二電流曲線I2所示穩定的定值，且第二電流曲線I2之值遠較第一電流曲線I1之值低，其平均值約在1.55安培左右。

請再參閱第五圖所示，為未加設本發明之發光二極體輸出功率調整裝置100的發光二極體燈具200與加設本發明之發光二極體輸出功率調整裝置100的發光二極體燈具200的對照組的輸出功率函數曲線，其中，第一功率曲線P1代表未加設本發明之發光二極體輸出功率調整裝置100的輸出功率函數曲線，第二功率曲線P2代表加設本發明之發光二極體輸出功率調整裝置100的輸出功率函數曲線，第三功率曲線P3表示預設輸出功率曲線，如設定該輸出功率為50瓦特之定功率，該縱向軸為輸出功率P，該橫向軸為時間T，由該第一功率曲線P1及第二功率曲線P2之比較得 知，該第一功率曲線P1之值穩定時間較長，且第一功率曲線P1的值也較偏高，其平均值高過52.5瓦特，也就是必需花費長時間讓習知發光二極體燈具200預燒機才能獲得與實際工作時的狀況近似的輸出功率結果，但本發明之輸出功率調整裝置100在極短時間內即可自動讓如發光二極體燈具200負載調整至第二功率曲線P2所示穩定且接近第三功率曲線P3之定功率狀態，且第二功率曲線P2之值遠較第一功率曲線P1之值低，其平均值約在接近50.5瓦特左右。

根據上述第三圖、第四圖及第五圖所示之順向偏壓VF、第一電流曲線I1、第二電流曲線I2、第一功率曲線P1、第二功率曲線P2及第三功率曲線P3間之比對得知，經由本發明中之類比/數位轉換偵測電路10、計算控制單元20及數位/類比轉換控制電路30各電路動態閉迴路計算，並精確直接掌握控制發光二極體燈具200之輸出電流值，也可以動態保持輸出功率維持在接近如第三功率曲線P3所示理想定功率狀態，不會因為溫度、環境或其它因素造成變動，不需如習知以長時間預燒機測試方式調整與測試，可以大幅提升生產速度，另外由於輸出功率接近定功率狀態下，亦不需因為擔心輸出功率不足，而預留多餘的輸出功率容量，可以避免不必要的輸出功率浪費，在能源節省利用效率上也可以有所提升，所以從生產方面將可提高效率及降低生產成本，並可充分利用於各種發光二極體類型負載使用，進一步提昇本發明之產業利用價值。

100‧‧‧發光二極體輸出功率調整裝置

10‧‧‧類比/數位轉換偵測電路

11‧‧‧數位訊號

20‧‧‧計算控制單元

21‧‧‧數位電流控制訊號

30‧‧‧數位/類比轉換控制電路

31‧‧‧類比電流控制訊號

40‧‧‧電源電路

200‧‧‧發光二極體燈具

210‧‧‧發光二極體陣列

220‧‧‧定電流驅動電路

VF‧‧‧順向偏壓

I1‧‧‧第一電流曲線

I2‧‧‧第二電流曲線

P1‧‧‧第一功率曲線

P2‧‧‧第二功率曲線

P3‧‧‧第三功率曲線

300‧‧‧開始

310‧‧‧偵測發光二極體順向偏壓

320‧‧‧將偵測到的順向偏壓值轉換成數位訊號

330‧‧‧評估順向偏壓是否正常

340‧‧‧設定輸出電流為最小工作電流

350‧‧‧計算及決定輸出電流

360‧‧‧將電流值轉換成類比電流控制訊號輸出

370‧‧‧類比電流控制訊號回饋控制定電流源輸出電流

第一圖係本發明之發光二極體輸出功率調整裝置之電路方塊圖。

第二圖係本發明之發光二極體輸出功率調整方法之流程圖。

第三圖係本發明所應用之發光二極體燈具負載之順向偏壓曲線圖。

第四圖係使用與未使用本發明之發光二極體輸出功率調整裝置之發光二極體燈具負載實際試驗之電流曲線圖。

第五圖係使用與未使用本發明之發光二極體輸出功率調整裝置之發光二極體燈具負載實際試驗之輸出功率曲線圖。

100‧‧‧發光二極體輸出功率調整裝置

10‧‧‧類比/數位轉換偵測電路

11‧‧‧數位訊號

20‧‧‧計算控制單元

21‧‧‧數位電流控制訊號

30‧‧‧數位/類比轉換控制電路

31‧‧‧類比電流控制訊號

40‧‧‧電源電路

200‧‧‧發光二極體燈具

210‧‧‧發光二極體陣列

220‧‧‧定電流驅動電路

VF‧‧‧順向偏壓

Claims (4)

1. 一種發光二極體輸出功率調整方法，其步驟係包含：(a)開始；(b)偵測發光二極體順向偏壓，由一類比/數位轉換偵測電路對一發光二極體燈具負載進行順向偏壓偵測；(c)將偵測到的順向偏壓值轉換成數位訊號，由該類比/數位轉換偵測電路將步驟b所偵測而得之順向偏壓之值轉換成一數位訊號輸出；(d)評估順向偏壓是否正常？由該計算控制單元對步驟c之類比/數位轉換偵測電路所輸出的順向偏壓之數位訊號值予以評估，如果正常進行步驟f，如不正常則進行步驟e；(e)設定輸出電流為最小工作電流，由步驟d之計算控制單元輸出一發光二極體燈具所需之最小工作電流值的數位電流控制訊號，進行步驟g；(f)計算及決定輸出電流，由步驟d之計算控制單元依輸出功率與順向偏壓及電流間之關係，以定功率方式計算決定該輸出電流之值，並輸出一數位電流控制訊號；(g)將電流值轉換成類比電流控制訊號輸出，將步驟e或步驟f之計算控制單元輸出對應電流值之數位電流控制訊號經由該數位/類比轉換控制電路轉換成一類比電流控制訊號輸出；及(h)類比電流控制訊號回饋控制定電流源輸出電流，將步驟g經數位/類比轉換控制電路輸出之類比電流控制訊號回饋至發光二極體燈具負載中之定電流驅動電路，以令該定電流驅動電路輸出步驟e或步驟f之計算控制單元所設定輸出電流值之電流給該發光二極體燈具中之發光二極體陣列，重覆步驟b。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體輸出功率調整方法，其中，步驟d之計算控制單元為一微處理單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體輸出功率調整方法，其中，步驟f之計算控制單元依據之輸出功率與順向偏壓及電流間關係為輸出功率等於順向偏壓乘於電流。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體輸出功率調整方法，其中，步驟g之發光二極體燈具之輸出功率為接近定功率狀態。