TWI448200B - AC-driven light-emitting diode devices - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種交流驅動的發光二極體裝置，特別是指一種即使串接多個燈串也不會降低使用壽命的交流驅動的發光二極體裝置。
目前常見的交流轉直流(AC to DC)或直流轉直流(DC to DC)驅動的發光二極體裝置常配置有大電感或大電容，不但造成整體的尺寸及重量增加，且電感或電容往往是決定發光二極體裝置的使用壽命的關鍵元件；因此，若發光二極體裝置不使用電感或電容，並可直接被交流電源驅動，將可降低整體的尺寸及重量，並可增加使用壽命。
已知無電感/電容的交流驅動的發光二極體裝置有兩種，一種是如圖1的交流驅動裝置91，包括兩組LED燈串911、912，各LED燈串911、912的數個LED元件以陰陽極連接的方式串接，然後將兩組LED燈串911、912的頭尾的LED元件的陰陽極並聯，並將兩組LED燈串911、912之頭部串接適當電阻；另一種是如圖2的交流驅動裝置92，包括一橋式整流器921及一LED燈串922，LED燈串922的數個LED元件以陰陽極連接的方式串接，並於LED燈串922的尾部配合適當電阻後接地，由橋式整流器921將交流電源全波整流為倍頻於交流週期T，也就是全波整流後的週期為交流週期T的半週期T/2，讓全週期都有正弦波電流驅動LED燈串922。
參閱圖3，以交流驅動裝置92為例，在相同的輸入電壓及平均輸入電流(I1
=I2
)的情況下，LED燈串922的LED元件數量多，其流經的電流峰值越高，而越高的峰值電流(如峰值電流i1
大於峰值電流i2
)流經各個LED元件，使各個LED元件的峰值振幅增加，因此導致越高的峰值因素(Crest factor；簡稱峰值因素，又稱峰均比)，也就是是指峰值振幅與平均振幅之比，如此一來，交流驅動裝置92隨著LED燈串922的LED元件數量增多，將產生越高的熱能，易降低整體的使用壽命。此外，由圖3可知電流i1
與電流i2
相比，其總諧波失真(THD)較高且功率因素(PF)較低。
因此，本發明之目的，在於提供一種與先前電路使用相同數量的LED元件相比可降低峰均比，並且降低總諧波失真與提高功率因素，在串接多組LED燈串時可避免降低使用壽命的交流驅動的發光二極體裝置。
於是，本發明的交流驅動的發光二極體裝置包括一控制模組、一開關模組、一第一LED燈串組、一第二LED燈串組、數個導接部及一可控電流源。
該控制模組接受一具有一交流週期的交流電源並產生脈波驅動訊號。
該開關模組具有預定數量的開關元件，各該開關元件具有一接受該脈波驅動訊號驅使導通或關閉的受控端、一驅動端及一輸出端。
該第一LED燈串組具有數個預定數量的以頭尾為陰極-陽極同向串接的第一LED燈串，該等第一LED燈串具有一第一頭端LED燈串、至少一第一中間燈串及一第一尾端LED燈串；該第二LED燈串組具有數個預定數量的頭尾為陽極-陰極同向串接的第二LED燈串，該等第二LED燈串具有一第二頭端LED燈串、至少一第二中間燈串及一第二尾端LED燈串，該第一頭端LED燈串的陰極與該第二頭端LED燈串的陰極彼此導接，該第一尾端LED燈串的陰極與該第二尾端LED燈串的陰極彼此導接，其餘各該第一中間LED燈串兩兩之間及各該第二中間LED燈串兩兩之間。
該等導接部分別位於各該第一LED燈串及各該第二LED燈串兩兩之間導接處，且連接各該開關元件的驅動端；該可控電流源電性連接該控制模組及該開關元件的各該輸出端，用以配合各該開關元件在該交流週期內的不同的操作模式下的調控流經該第一LED燈串組或該第二LED燈串組之輸入電流。
較佳的，該交流週期區分為兩個半週期，各該半週期界定有兩個對稱的一第一區間及一第二區間，該輸入電流於該第一區間是驅動該第二LED燈串組點亮及該第二區間是驅動該第一LED燈串組點亮。
本發明交流驅動的發光二極體裝置之功效在於：藉由第一LED燈串組及第二LED燈串組的連接方式，配合開關元件及可控電流源在交流週期內的不同的操作模式下調控流經第一LED燈串組/第二LED燈串組之輸入電流，經驗證與先前電路使用相同數量的LED元件確實可降低峰均比與
總諧波失真且提高功率因素值。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖4，本發明之較佳實施例中，交流驅動的發光二極體裝置100包含一控制模組10、一發光二極體模組11、一開關模組12及一可控電流源(Constant Current Source；簡稱CCS)13，其中，控制模組10及發光二極體模組11接收一具有一交流週期的交流電源v i
及一輸入電流i i
，控制模組10並產生脈波驅動訊號M1
至MN
予開關模組12。
開關模組12電性連接控制模組10、發光二極體模組11及可控電流源13，接收控制模組10輸出的脈波驅動訊號M1
至MN
，並向可控電流源13輸出一電流i c
；控制模組10以脈波驅動訊號M1
至MN
間接控制電流i c
，及接收可控電流源13的一回授電壓v Re
以輸出一控制電壓vb
給可控電流源13，就此對於可控電流源13進行回授控制。
參閱圖4及圖5，控制模組10的輸出信號是控制發光二極體模組11的脈波驅動訊號M1
至MN
及控制可控電流源13的控制電壓vb
，控制模組10的輸入信號是回授電壓vRe
，回授電壓vRe
用以調控控制電壓vb
，原理說明如下。
控制模組10具有一可程式邏輯閘陣列(field-programmable gate arrays；簡稱FPGA)101、一整流器102、一類比隔離放大器(analog isolation amplifier)103、一
位階偵測器(level detector)104、運算放大器OP1
至OP6
、電阻Rr1
至RrN+1
及比較器COMP1
至COMPN
。
脈波驅動訊號M1
至MN
的產生方式，是將輸入電壓vi
經由電阻R1
及R2
分壓產生電壓，電壓通過類比隔離放大器103及整流器102之後，送至運算放大器OP1
當作緩衝器，運算放大器OP2
配合電阻R5
,R6
及R7
當作定標器(scaler)，接著，運算放大器OP2
的電壓輸出至各比較器COMP1
至COMPN
的正端，同時，經電阻Rr1
至RrN+1
自電壓Vrc
的分壓的電壓Vr1
至VrN
被送至對應的各比較器COMP1
至COMPN
的負端；另一方面，電阻R3
及R4
的分壓產生的輸入電壓送至位階偵測器104以通知可程式邏輯閘陣列101，藉此，可程式邏輯閘陣列101協同位階偵測器104及比較器COMP1
至COMPN
的輸出結果決定脈波驅動訊號M1
至MN
。
控制電壓vb
的產生方式，是經過當作緩衝器的運算放大器OP3
之後連接具有一增益之運算放大器OP4
，並在當作減法器用之運算放大器OP5
加上直流偏壓Vbias
，減去運算放大器OP6
的回授電壓vRe
，然後產生控制電壓vb
。其中所使用的電阻R8
,R9
,R10
,R11
,R12
,R13
,R14
,R15
,R16
,R17
及R18
是用來決定各自運算放大器之增益用。
參閱圖6，發光二極體模組11具有一第一LED燈串組(LED leg)111及一第二LED燈串組112、數個導接部201~20N，說明如下。
第一LED燈串組111具有數個預定數量N的以頭尾為
陰極-陽極同向串接的第一LED燈串LSN
’~LS1
’，分別為一第一頭端LED燈串LSN
’、第一中間燈串LS2
’…LSN-1
’及一第一尾端LED燈串LS1
’。
第二LED燈串組112具有數個預定數量N的頭尾為陽極-陰極同向串接的第二LED燈串LS1
~LSN
，該等第二LED燈串LS1
~LSN
具有一第二頭端LED燈串LS1
、第二中間燈串LS2
…LSN-1
及一第二尾端LED燈串LSN
，第一頭端LED燈串LSN
’的陰極與第二頭端LED燈串LS1
的陰極彼此導接，第一尾端LED燈串LS1
’的陰極與該第二尾端LED燈串LSN
的陰極彼此導接，其餘第一中間LED燈串LSN-1
’~LS2
’兩兩之間及第二中間LED燈串LS2
…LSN-1
兩兩之間相互導接。
開關模組12具有預定數量N的開關元件S1
至SN
，各開關元件S1
至SN
具有一接受脈波驅動訊號M1
至MN
驅使導通或關閉的受控端、一驅動端及一輸出端，本較佳實施例中，各開關元件S1
至SN
是一金屬氧化層場效電晶體(MOSFET)，其受控端為閘極，其驅動端為源極，其輸出端為汲極。
該等導接部201~20N分別位於各第一LED燈串LS1
’~LSN
’及各第二LED燈串LS1
~LSN
兩兩之間導接處，且連接各開關元件S1
至SN
的驅動端；可控電流源13電性連接控制模組10(如圖5)及開關元件的各輸出端，用以配合各開關元件S1
至SN
在不同操作模式調控流經第一LED燈串組111或第二LED燈串組112之輸入電流ii
。
參閱圖7，並配合圖4、圖5及圖6，可控電流源13具有一電晶體Q、一輸入電阻Rb
、一第一二極體D1
、一第二二極體D2
和一穩定電阻Re
，輸入電阻Rb
的一端電性連接該電晶體Q的基極且另一端電性連接控制模組10，穩定電阻Re
的一端電性連接電晶體Q的射極且另一端電性連接第一二極體D1
之陽極及第二二極體D2
之陽極，第一二極體D1
之陰極電性連接交流電源v i
，第二二極體D2
之陰極電性連接第一LED燈串組111的第二頭端LED燈串LS1
’的陽極，電晶體Q的集極之輸入電流ic
主要受電晶體Q的基極之輸入電流ib
控制，電晶體Q的基極和射極之間的電壓vbe
，在控制模組10及電晶體Q的射極之間的電壓vce
，電阻Re之跨壓為回授電壓vRe
。
參閱圖8，交流電源v i
的交流週期區分為兩個半週期，半週期內界定有兩個對稱的一第一區間(t0
~t4
)及一第二區間(t4
~t8
)，輸入電流於第一區間是驅動第二LED燈串組112點亮及第二區間是驅動第一LED燈串組111點亮。
參閱圖9，為方便說明起見，以六個LED燈串LS1
’~LS3
’及LS1
~LS3
為例說明，六個LED燈串LS1
’~LS3
’及LS1
~LS3
分別以三個為一組，區分為上下兩個燈串組，並配合三個開關元件S1
至S3
，本電路符合下述條件；(i)各LED燈串LS1
,LS2
及LS3
的跨壓為V1
,V2
及V3
；(ii)開關元件S1
,S2
及S3
、二極體D1
及D2
在導通時其電壓為0；及(iii)可控電流源13的電壓vcs
等於電壓vce
加上vRe
(如圖7)。
配合參閱圖8，本實施例中，在時間點t0
至時間點t8
的半週期內有八個操作模式，由於自時間點t4
區分的1/4週期的操作模式與下一1/4週期的操作模式為對稱，僅討論1/4週期的四個操作模式，其他週期的操作模式則可類推，不再重複贅述。
1)第一模式(t0
~t1
)：參閱圖9，輸入電壓vi
小於V1
加上Vcs
，開關元件S1
,S2
及S3
開啟而無電流產生。
2)第二模式(t1
~t2
)：參閱圖10，當輸入電壓vi
大於V1
加上Vcs
，但小於電壓V1
加上電壓V2
及電壓Vcs
，開關元件S1
開啟但開關元件S2
及S3
關閉，在此模式下，可控電流源13從輸入端引入電流至LED燈串LS1
。
3)第三模式(t2
~t3
)：參閱圖11，輸入電壓vi
大於電壓V1
加上電壓V2
及電壓Vcs
，但小於電壓V1
加上V2
,V3
及Vcs
，此時的開關元件S1
及S3
關閉但開關元件S2
開啟，在此模式下，可控電流源13從輸入端引入電流至LED燈串LS1
及LS2
。
4)第四模式(t3
~t4
)：參閱圖12，輸入電壓vi
大於電壓V1
加上V2
,V3
及Vcs
，開關元件S1
及S2
關閉但開關元件S3
開啟，在此模式下，可控電流源13從輸入端引入電流至LED燈串LS1
,LS2
及LS3
。
參閱圖13至圖16，以下的實驗是採用二十個LED燈串，且在設計參數方面，(i)輸入電壓vi
頻率為60Hz的110Vrms
，及(ii)輸入電流ii
為350mArms
，也就是，對應的電流峰值為495mA，接近500mA。
參閱圖13，顯示所提的交流驅動電路以軟體模擬之輸
入電流及電壓波形，其總諧波失真(THD)為4.676%，功率因素(PF)為0.999，其中的峰值因素(CF)為1.487。
參閱圖14及15是實驗量測傳統的交流驅動電路(圖1)，如圖14量測傳統的交流驅動電路(圖1)是每個燈串組(LED leg)的LED元件數量為40個，其總諧波失真為70.02%，功率因素為0.82、峰值因素為2.258，和轉換效率為96.3%的輸入電流及電壓波形；如圖15是實驗量測傳統的交流驅動電路(圖1)是每個燈串組(LED leg)的LED元件數量為30個，以軟體模擬條件為總諧波失真為41.81%，功率因素為0.92、峰值因素為1.801，和轉換效率為75.28%的輸入電流及電壓波形。
因而，依據圖14及圖15可驗證如圖14的LED燈串數量較多(40顆)的峰值電流大於如圖15的LED燈串數量較少(30顆)所產生的峰值電流，比較圖14及圖15兩者架構，圖15除了效率之外，有較佳的表現，但皆無法達到總諧波失真IEC 61000-3-2的C類別的法規要求。
參閱圖16，是將如圖6的發光二極體模組11設計為每個燈串組111、112各有4個LED燈串，LED燈串具有的LED元件的數量為40顆的模擬結果，本實施例實驗之結果其總諧波失真為13.4%、功率因素為0.974%、峰值因素為1.485，和轉換效率為85.4%的輸入電流及電壓波形。
參閱圖17，其中顯示了IEC 61000-3-2的C類別的法規要求、傳統架構(圖1)40顆LED燈串、傳統架構(圖1)30顆LED燈串，及本發明採用40顆LED燈串的前述四種電路的
總諧波失真的曲線，圖17中的階數的意義可參考網址http：//www.teseq.com/com/en/service_support/technical_info rmation/05_AN_IEC61000-3-25.pdf的文件內容。從圖17的實驗結果看來，本發明能有效改善總諧波失真並符合IEC 61000-3-2的C類別的法規要求。
另外，參閱表1的實驗結果，可知當每個LED燈串有越多數量的LED燈串，轉換效能越高，但總諧波失真較高及功率因素較低；本發明的轉換效能介於兩者之間，但總諧波失真及功率因素較其他二者為佳。
綜上所述，本發明交流驅動的發光二極體裝置100之功效在於：藉由第一LED燈串組111及第二LED燈串組112
的彼此連接方式，配合開關元件S1
至SN
及可控電流源13在交流週期內的不同的操作模式下調控流經第一LED燈串組111/第二LED燈串組112之輸入電流，經驗證後，與先前電路使用相同數量的LED燈串確實可降低峰均比、較低的總諧波失真及較高的功率因素，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
〔習知〕
91、92‧‧‧交流驅動裝置
911、912、921、922‧‧‧LED燈串
〔本創作〕
10‧‧‧控制模組
100‧‧‧發光二極體裝置
101‧‧‧可程式邏輯閘陣列
102‧‧‧整流器
103‧‧‧類比隔離放大器
104‧‧‧位階偵測器
11‧‧‧發光二極體模組
111‧‧‧第一LED燈串組
112‧‧‧第二LED燈串組
12‧‧‧開關模組
13‧‧‧可控電流源
201~20N‧‧‧導接部
圖1是一電路圖，說明無電感/電容的交流驅動的發光二極體裝置的範例一；圖2是一電路圖，說明無電感/電容的交流驅動的發光二極體裝置的範例二；圖3是一波形圖，說明每一LED燈串的LED元件數量多，其流經的電流峰值越高、總諧波失真越高與功率因素越低；圖4是一系統方塊圖，說明本發明的交流驅動的發光二極體裝置之較佳實施例；圖5是一電路圖，說明本較佳實施例中的控制模組的組成元件；圖6是一電路圖，說明本較佳實施例中的二極體發光模組及開關模組的組成元件；
圖7是一電路圖，說明本較佳實施例中的可控電流源；圖8是一波形圖，說明本較佳實施例中的半週期內有八個操作模式；圖9是一電路圖，說明本較佳實施例中的第一模式；圖10是一電路圖，說明本較佳實施例中的第二模式；圖11是一電路圖，說明本較佳實施例中的第三模式；圖12是一電路圖，說明本較佳實施例中的第四模式；圖13是一波形圖，說明將如圖6的發光二極體模組設計為每個燈串組有4個LED燈串，LED燈串具有的LED元件的數量為40顆的模擬結果；圖14是一波形圖，說明量測傳統的交流驅動電路是每個燈串組具有40個LED元件的模擬結果；圖15是一波形圖，說明量測傳統的如圖1的交流驅動電路是每個燈串組具有30個LED元件的模擬結果；圖16是是將如圖6的發光二極體模組設計為每個燈串組有4個LED燈串，LED燈串具有的LED元件的數量為40顆的實驗結果；及圖17是一曲線圖，說明四種電路架構的總諧波失真。
11．．．發光二極體模組
111．．．第一LED燈串組
112．．．第二LED燈串組
12．．．開關模組
13．．．可控電流源
201~20N．．．導接部
Claims (2)
- 一種交流驅動的發光二極體裝置，包括：一控制模組，接受一具有一交流週期的交流電源並產生脈波驅動訊號；一開關模組，具有預定數量的開關元件，各該開關元件具有一接受該脈波驅動訊號驅使導通或關閉的受控端、一驅動端及一輸出端；一第一LED燈串組，具有數個預定數量的以頭尾為陰極-陽極同向串接的第一LED燈串，該等第一LED燈串具有一第一頭端LED燈串、至少一第一中間燈串及一第一尾端LED燈串；一第二LED燈串組，具有數個預定數量的頭尾為陽極-陰極同向串接的第二LED燈串，該等第二LED燈串具有一第二頭端LED燈串、至少一第二中間燈串及一第二尾端LED燈串，該第一頭端LED燈串的陰極與該第二頭端LED燈串的陰極彼此導接，該第一尾端LED燈串的陰極與該第二尾端LED燈串的陰極彼此導接，其餘各該第一中間LED燈串兩兩之間及各該第二中間LED燈串兩兩之間相互導接；數個導接部，位於各該第一LED燈串及各該第二LED燈串兩兩之間導接處，且連接各該開關元件的驅動端；及一可控電流源，電性連接該控制模組及該開關元件的各該輸出端，該可控電流源具有一電晶體、一輸入電阻、一第一二極體、一第二二極體及一穩定電阻，該輸入電阻 的一端電性連接該電晶體的基極且另一端電性連接該控制模組，該電晶體的集極之輸入電流受該電晶體的基極之輸入電流控制，該穩定電阻的一端電性連接該電晶體的射極且另一端電性連接該第一二極體之陽極及該第二二極體之陽極，該第一二極體之陰極電性連接該交流電源，該第二二極體之陰極電性連接該第一LED燈串組的第二頭端LED燈串的陽極，用以配合各該開關元件在該交流週期內的不同操作模式下調控流經該第一LED燈串組或該第二LED燈串組之輸入電流。
- 依據申請專利範圍第1項所述之交流驅動的發光二極體裝置，其中，該交流週期區分為兩個半週期，各該半週期界定有兩個對稱的一第一區間及一第二區間，該輸入電流於該第一區間是驅動該第二LED燈串組點亮及該第二區間是驅動該第一LED燈串組點亮。
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201313066A TW201313066A (zh) | 2013-03-16 |
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ID=48482738
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| TW100132098A TWI448200B (zh) | 2011-09-06 | 2011-09-06 | AC-driven light-emitting diode devices |
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