TWI498040B - Light emitting diode lighting device - Google Patents

Description

發光二極體點燈裝置

本發明係有關LED(發光二極體)點燈裝置。

LED為較環保之光源因而受到矚目，LED照明也被利用來作為住宅或辦公室的一般照明。LED照明當中有燈泡形LED照明，其具備與白熾燈泡相同的金屬座(mouthpiece)，安裝於白熾燈泡用器具來使用，其中也有能對應相位控制方式調光器(以下略記為調光器)之製品，該調光器一直以來作為白熾燈泡之調光手段。

許多調光器是藉由半導體元件之三極交流開關(TRIAC,Triode AC Switch)的開啟、關閉，來使交流電源與負載之間導通、切斷。三極交流開關在開啟(點弧)後，若沒有較規定電流值還大之電流(稱為保持電流)持續流通，便會再次關閉(消弧)。許多調光器係以負載為白熾燈泡作為前提來設計。若負載為白熾燈泡，則從三極交流開關開啟之時間點直到交流電源的零交叉(zero cross)附近之時間點，會流通較保持電流還大之足夠電流，三極交流開關會維持ON狀態。但，若負載改為LED之LED照明，則因電流比白熾燈泡來得小，從三極交流開關開啟之時間點直到交流電源的零交叉附近之時間點，並未流通較保持電流還大之足夠電流，於是在來到交流電源的零交叉附近之前，三極交流開關即關閉之現象便有可能發 生。以下稱該現象為誤消弧。特別是在誤消弧隨機發生之狀況下，或是誤消弧之時間點不均的狀況下，LED點燈裝置的動作會變得不穩定，點燈會產生閃爍。

作為解決上述問題的一種手段，可考量一種LED點燈裝置，其在三極交流開關總是流通保持電流以上之電流，而具備防止誤消弧之功能。作為該種LED點燈裝置，例如有專利文獻1記載之裝置。該裝置中，係將供電給LED之DC-DC轉換器與定電流電路等虛擬負載並聯連接，使電流在該虛擬負載流通，藉此使三極交流開關中流通之電流大於保持電流。此外，像這樣使電流在虛擬負載流通，還具有將調光器的定時器電路重置，使變為OFF之三極交流開關再次開啟之功用。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2010-140824號公報

專利文獻1記載之技術中，藉由設置虛擬負載，而總是流通保持電流以上之電流。如此一來雖能解決上述問題，但保持電流會隨調光器而有不同，有許多調光器是需要30mA以上的電流才能維持三極交流開關的ON狀態。特別是利用電容器輸入方式的電路來構成LED點燈裝置的 情形下，於平滑電容器的放電期間，輸入電流會變成略為零，故較保持電流還大的電流需要全部流至虛擬負載。在此，當施加於虛擬負載之電壓實效值為100V，流經虛擬負載之電流為30mA的情形下，虛擬負載的損失會是3W。已商品化之大多數燈泡形LED照明，其消費電力未滿10W，若考量到這一點，那麼光是虛擬負載便讓它產生3W的損失，從效率觀點來說並不理想。

本發明之目的在於實現一種效率良好的LED點燈裝置，其可使調光器穩定動作而抑制閃爍。

為解決上述問題，可構成一種LED點燈裝置，具備：整流電路，將受到相位控制之交流電源電壓轉換成整流電壓；及電容器，透過二極體連接至前述整流電路的直流輸出，將前述整流電壓平滑以生成直流電壓；及DC-DC轉換電路，轉換前述直流電壓以供電給發光二極體(以下稱LED)負載；及電流設定電路，依據前述整流電壓輸出前述DC-DC轉換電路的電流設定值；該LED點燈裝置，其特徵為：具備：可變電阻電路，連接至前述整流電路的直流輸出；及電阻值設定電路，依據前述整流電壓，使前述可變電阻電路的電阻值可變；前述電阻值設定電路，當前述整流電壓較所需之基準電壓還高時，係使前述可變電阻電路的電阻值增大。

按照本發明之LED點燈裝置，能夠實現一種效率良好的LED點燈裝置，其可使調光器穩定動作而抑制閃爍。

利用圖面說明本發明之實施形態。

圖1為本發明LED點燈裝置之方塊圖。圖1中，從整流電路102往右側起算為本發明之LED點燈裝置。整流電路102係將藉由調光器101而受到相位控制之交流電源電壓予以整流，生成整流電壓。整流電路102的直流輸出，係透過二極體103而連接至電容器104。電容器104係將整流電壓予以平滑而生成直流電壓。也就是說，本實施例之LED點燈裝置，係為電容器輸入方式之電路。藉此，直流電壓的脈動會變小，對於後段的DC-DC轉換電路105會變得容易抑制流經LED之電流的脈動。DC-DC轉換電路105係轉換直流電壓並供電給LED負載106。關於LED負載106，其LED個數或連接形態不限，此外，亦可含有內藏保護用元件等之LED模組。

在整流電路102的直流輸出上，係連接有可變電阻電路107。電阻值設定電路108係依據整流電壓，輸出電阻值設定訊號以使可變電阻電路107的電阻值可變。可變電阻電路107與電阻值設定電路108，係因應整流電壓而控制調光器101的三極交流開關之ON、OFF狀態，此外， 具有將調光器101的定時器電路重置，使三極交流開關再次開啟之功用。電流設定電路109係依據整流電壓，輸出DC-DC轉換電路105的電流設定值。藉由電流設定電路109，可進行與調光器101操作相應之LED電流控制，也就是調光。

在說明具體之動作前，先說明調光器101。圖2為使用了三極交流開關之相位控制方式的調光器101中，內部電路的概略示意圖。如圖2所示，三極交流開關110係連接於交流電源100與負載115之間。此外，與三極交流開關110並聯，連接有電阻111及可變電阻112及電容器113之串聯體，即定時器電路。可變電阻112與電容器113之連接點，係透過二極交流開關(DIAC,Diode AC Switch)114而連接至三極交流開關110的閘極。

圖3為連接白熾燈泡以作為負載115之情形下，三極交流開關110的ON、OFF狀態與負載電壓、負載電流之波形。在三極交流開關110的ON期間中，負載電壓與交流電源100的電壓幾乎相同。由於白熾燈泡幾乎為純電阻，故負載電流的波形與電壓會成為相似形。在交流電源100的零交叉附近，當負載電流變得較三極交流開關110的保持電流還小，則三極交流開關110會關閉。在三極交流開關110的OFF期間中，從交流電源100至電阻111、可變電阻112、電容器113、負載115之路徑會流通微小電流，電荷蓄積於電容器113。與白熾燈泡相比，調光器101的阻抗大得多，故負載電壓略為零。當電容器113的 電壓上昇，二極交流開關114變為ON，則三極交流開關110會再度開啟。若藉由調光器101之操作而可變電阻112的電阻值增大，則三極交流開關110再開啟所需時間會變長。藉此，負載電力會減少，若是白熾燈泡則光輸出會減少。

本發明中，圖2之負載115係為圖1之LED點燈裝置，與白熾燈泡特性相異。具體而言，與白熾燈泡相比阻抗較高，且未必為如白熾燈泡般之純電阻。是故，動作波形亦未必與圖3相同。

圖4為本發明LED點燈裝置之可變電阻電路107與電阻值設定電路108之構成例。電阻值設定電路108係由電阻116及117、比較器118、直流電壓源119所構成，在整流電壓較所需基準電壓還高的情形下，輸出成為L位準之電阻值設定訊號。

可變電阻電路107係由：電阻120與開關元件亦即MOSFET122之串聯體、以及與該串聯體並聯連接之電阻121所構成，藉由MOSFET122的ON、OFF而使電阻值可變為2倍。MOSFET122的替代品亦可使用雙極電晶體或IGBT等其他種開關元件。

當整流電壓較基準電壓還高，則MOSFET122會變為OFF，電阻120被隔離，可變電阻電路107的電阻值隨之變高。另，可變電阻電路107的電阻值未必要為2種值，亦可構成為藉由整流電壓而連續性變化。除此之外，凡是能實現以下所說明之動作，則可變電阻電路107與電阻值 設定電路108之具體構成不限。

圖5為本發明LED點燈裝置之動作波形，揭示整流電壓、直流電壓、整流電流之波形，以及可變電阻電路107的電阻值。在此，所謂直流電壓，係如上所述為電容器104之電壓。所謂整流電流，係指整流電路102的直流輸出電流，與經整流過後的流經調光器101之電流幾乎為相同波形。

當三極交流開關110開啟，整流電壓會上昇至與交流電源100幾乎相同之電壓位準。此外，整流電壓變得較基準電壓還高，可變電阻電路107的電阻值會增大。此外，從交流電源100透過調光器101、整流電路102、二極體103會開始流通對電容器104充電之電流，故整流電流亦會急遽增大。對電容器104充電之電流，會隨著電容器104被充電，直流電壓上昇而減少，整流電流亦會逐漸減少。

當直流電壓成為最大值，對電容器104充電完畢之時間點附近(以下略稱為充電完畢時)，整流電流與流經可變電阻電路107之電流會幾乎一致。在此時間點，預先設定可變電阻電路107的電阻值，以使整流電流變得較所需基準電流還小。又，若預先將基準電流設定成較三極交流開關110的保持電流還小，則三極交流開關110會關閉。保持電流會隨調光器而有不同，但最小也有5mA。是故，若將基準電流設定成未滿5mA，則針對幾乎所有的調光器，於充電完畢時皆能使三極交流開關確實地關閉。

此時的可變電阻電路107之電阻值，係依據上述基準電流、以及設想之整流電壓最大值而設定。舉例來說，若考量在交流電源電壓100Vac下使用之情形，那麼充電完畢時之整流電壓，最大為略141V。是故，當整流電壓為141V時，係將電阻值設定成較28.2kΩ(=141V÷5mA)還大，以使整流電流較基準電流的5mA還小。

當然，如果在圖4的可變電阻電路107中不連接電阻121，當整流電壓較基準電壓還高時，使可變電阻電路107成為斷路狀態，則針對幾乎所有的調光器，於充電完畢時皆能使三極交流開關確實地關閉。但，嚴謹地說，圖4中電阻值設定電路108要素中的電阻116與117，也可認為是可變電阻電路107的一部分，基於該等理由，要使可變電阻電路107成為完全斷路狀態有困難。是故，即使在不連接電阻121的情形下，仍必須依上述要領來設定電阻116與117之電阻值。

三極交流開關110關閉後，整流電壓會如圖5般降低。在整流電壓變得較基準電壓還低之時間點，可變電阻電路107的電阻值會減少。從交流電源100透過調光器101的定時器電路、整流電路102而使電流流至可變電阻電路107，將定時器電路重置，使三極交流開關110再次開啟。另，即使在三極交流開關110為OFF之期間，藉由蓄積於電容器104之能量，DC-DC轉換電路105仍會穩定動作。

至今的LED點燈裝置之課題為，在交流電源的各周 期，三極交流開關誤消弧之情形以及不會誤消弧之情形係隨機發生，或是誤消弧的時間點不均，調光器的動作變得不穩定。像這樣，若調光器的動作變得不穩定，則LED負載會發生閃爍。

至今的對策為，將虛擬負載連接至整流電路的直流輸出，防止三極交流開關的誤消弧，藉此使調光器穩定動作之方式。該方式中，如果使流經虛擬負載之電流愈大，則可望適合於更多種類的調光器。但，考量虛擬負載的損失增大所導致之效率降低，便顯得不實際。

相對於此，本發明中係在電容器104充電完畢時，亦即總是在相同時間點，刻意使三極交流開關110關閉。這樣的方式，同樣可使調光器101與DC-DC轉換電路105穩定動作，能防止閃爍。此外，相較於藉由虛擬負載來使較保持電流還大的電流流通之方式，本發明之方式效率較佳。

圖6為可變電阻電路107與電阻值設定電路108的另一例。圖6電路中，係由電阻123、齊納二極體(Zener Diode)124、MOSFET125來構成調節器電路126。MOSFET125的替代品亦可使用雙極電晶體等其他種半導體元件。該調節器電路126係為圖4中可變電阻電路107與電阻值設定電路108兩者之構成要素。因此，並未如圖4般以虛線來區分可變電阻電路107及電阻值設定電路108。

調節器電路126如圖7所示，係以所需電壓值來箝制 整流電壓。箝制電壓可以齊納二極體124的齊納電壓(Zener Voltage)來設定。比較器127係將調節器電路126的輸出電壓與所需臨界值加以比較，藉此間接地判定整流電壓是否較基準電壓還高。該臨界值可藉由直流電壓源128的電壓值來設定。此外，比較器127係當整流電壓較基準電壓還高時，輸出成為L位準之電阻值設定訊號。藉由調節器電路126預先降低整流電壓的位準，則即使在基準電壓為數V~十數V這種較低的情形下，仍不會損及比較器127的比較精度。

在調節器電路126的輸出，係並聯連接有：電阻129與開關元件亦即MOSFET131之串聯體、以及電阻130。MOSFET131的替代品亦可使用雙極電晶體或IGBT等其他種開關元件。當整流電壓變得較基準電壓還高，則電阻值設定訊號會成為L位準，MOSFET131變為OFF。電阻130被隔離，可變電阻電路107的電阻值隨之變高。

如圖7所示，當整流電壓較齊納二極體124的齊納電壓還高時，調節器電路126的輸出電壓會成為與齊納電壓幾乎相等。又，當MOSFET131為OFF時，流過可變電阻電路107之電流，係為由齊納電壓與電阻130所決定之值。在此，於電容器104充電完畢時，欲使整流電流較基準電流還小，只要決定齊納電壓與電阻130的電阻值，以使由齊納電壓與電阻130所決定之電流值變得較基準電流還小即可。設基準電流為5mA、齊納電壓為10V的情形下，只要將電阻130的電阻值設定為較2kΩ(=10V÷5mA) 還大即可。

圖8具體揭示圖1所示之LED點燈裝置中，整流電路102及DC-DC轉換電路105之構成。圖8中，二極體電橋(Diode Bridge)133所構成之全波整流電路，係相當於圖1之整流電路102。此外，由二極體134、開關元件亦即MOSFET135、抗流線圈(choke coil)136、電容器137、電流檢測用之電阻138、控制電路139、以及控制電路用電源電路140所構成之降壓截波器電路，係相當於圖1之DC-DC轉換電路105。另，還追加了湧入電流(inrush current)防止用之電阻132，其為圖1中所沒有之零件。除此之外，還可追加保險絲或濾波用電容器等。依LED負載106的電壓不同，可不使用降壓截波器(Chopper)而使用昇降壓截波器或昇壓截波器；此外，若需絕緣亦可使用返馳式轉換器(Flyback Converter)。MOSFET135的替代品亦可使用雙極電晶體或IGBT等其他種開關元件。

圖8中，控制電路139依照電流設定值來控制DC-DC轉換電路105輸出至LED負載106的電流。具體而言，可以考慮以下控制：在流經MOSFET135的電流到達電流設定值之前使MOSFET135為ON。藉由控制流經MOSFET135的電流，能夠間接地控制流經LED負載106的電流。這樣的控制電路139，可利用市販之LED用控制IC而簡單地構成。當然，亦可不使用控制IC，而將比較器等分立零件(discrete components)組合來構成，也可 利用微電腦或數位訊號處理器以軟體來構成。

控制電路用電源電路140係連接至二極體103的陰極，轉換電容器104的直流電壓，生成控制電路139的電源電壓。具體而言，係生成控制電路139中的控制IC、比較器、運算放大器等之動作電壓。此外，圖8中雖省略配線(連接)，但控制電路用電源電路140亦視需要而生成電阻值設定電路108或電流設定電路109等之電源電壓。

控制電路用電源電路140的具體構成，如圖9所示，可考慮使用了電阻141、齊納二極體142、MOSFET143之調節器電路。MOSFET143的替代品亦可使用雙極電晶體等其他種元件。除圖9之外，亦可構成3端子調節器等其他方式的調節器電路。

在此，亦可考慮以下構成：控制電路用電源電路140係連接至二極體103的陽極，轉換被電容器104平滑之前的整流電壓，以生成控制電路的電源電壓。舉例來說，欲構成圖6的可變電阻電路107與電阻值設定電路108的情形下，將調節器電路126的輸出電壓平滑，即可生成控制電路的電源電壓。但在該情形下，於電容器104充電完畢時，會使整流電流增加流經控制電路用電源電路140之電流量，這會違反使整流電流較基準電流還小之意圖。換言之，等同於使可變電阻電路107的電阻值減少，其減少量為控制電路用電源電路140的電阻值。是故，本發明之LED點燈裝置中，並不適合這樣的構成。

另一方面，若如圖8所示連接控制電路用電源電路 140，則從電容器104充電完畢時到再次對電容器104充電為止之期間，亦即在電容器104的放電期間，控制電路用電源電路140會變為從交流電源100隔離之狀態。也就是說，於電容器104充電完畢時，流經控制電路用電源電路140之電流不會使整流電流增大。是故，可說是使整流電流較基準電流還小的一種有效連接方法。

除了如圖8所示設置控制電路用電源電路140之外，亦可利用在DC-DC轉換電路105產生之電壓，來生成控制電路的電源電壓。舉例來說，可考慮於抗流線圈136設置輔助線圈之方法。此方法亦是轉換電容器104的直流電壓以生成控制電路的電源電壓，這點與圖8之方法相同，能夠實現同樣效果。

100‧‧‧交流電源

101‧‧‧調光器

102‧‧‧整流電路

103、134‧‧‧二極體

104、113、137‧‧‧電容器

105‧‧‧DC-DC轉換電路

106‧‧‧LED負載

107‧‧‧可變電阻電路

108‧‧‧電阻值設定電路

109‧‧‧電流設定電路

110‧‧‧三極交流開關

111、116、117、120、121、123、129、130、132、138、141‧‧‧電阻

112‧‧‧可變電阻

114‧‧‧二極交流開關

115‧‧‧負載

118、127‧‧‧比較器

119、128‧‧‧直流電壓源

122、125、131、135、143‧‧‧MOSFET

124、142‧‧‧齊納二極體

126‧‧‧調節器電路

133‧‧‧二極體電橋

136‧‧‧抗流線圈

139‧‧‧控制電路

140‧‧‧控制電路用電源電路

[圖1]本發明LED點燈裝置之方塊圖。

[圖2]相位控制方式調光器之內部電路圖。

[圖3]將白熾燈泡連接至相位控制方式調光器時之動作波形。

[圖4]本發明LED點燈裝置之可變電阻電路與電阻值設定電路之構成例。

[圖5]本發明LED點燈裝置之動作波形例。

[圖6]本發明LED點燈裝置之可變電阻電路與電阻值設定電路之構成例。

[圖7]調節器電路之輸出電壓波形。

[圖8]本發明LED點燈裝置之具體電路構成例。

[圖9]本發明LED點燈裝置之控制電路用電源電路。

100‧‧‧交流電源

101‧‧‧調光器

102‧‧‧整流電路

103‧‧‧二極體

104‧‧‧電容器

105‧‧‧DC-DC轉換電路

106‧‧‧LED負載

107‧‧‧可變電阻電路

108‧‧‧電阻值設定電路

109‧‧‧電流設定電路

Claims (7)

1. 一種LED(發光二極體)點燈裝置，具備：整流電路，將受到相位控制之交流電源電壓轉換成整流電壓；及電容器，透過二極體連接至前述整流電路的直流輸出，將前述整流電壓平滑以生成直流電壓；及DC-DC轉換電路，轉換前述直流電壓以供電給LED負載；及電流設定電路，依據前述整流電壓輸出前述DC-DC轉換電路的電流設定值；該LED點燈裝置，其特徵為：具備：可變電阻電路，連接至前述整流電路的直流輸出；及電阻值設定電路，依據前述整流電壓，使前述可變電阻電路的電阻值可變；前述電阻值設定電路，當前述整流電壓較所需之基準電壓還高時，係使前述可變電阻電路的電阻值增大。
2. 如申請專利範圍第1項之LED點燈裝置，其中，於前述電容器充電完畢之時間點附近，前述整流電路的直流輸出電流係變成較所需之基準電流還小。
3. 如申請專利範圍第1或2項之LED點燈裝置，其中，前述可變電阻電路具備電阻和開關元件之串聯體，前述電阻值設定電路，當前述整流電壓較前述基準電壓還高時，係使前述開關元件關閉。
4. 如申請專利範圍第3項之LED點燈裝置，其中，前述串聯體係連接至前述整流電路的直流輸出。
5. 如申請專利範圍第3項之LED點燈裝置，其中， 前述電阻值設定電路具備：調節器電路，以所需之電壓值箝制整流電壓；及比較器，藉由比較該調節器電路的輸出電壓與所需之臨界值，以間接地判定前述整流電壓是否較前述基準電壓還高；前述串聯體係連接至前述調節器電路的輸出。
6. 如申請專利範圍第5項之LED點燈裝置，其中，前述調節器電路係具備電阻及半導體元件及齊納二極體(Zener Diode)，以前述齊納二極體的齊納電壓來箝制前述整流電壓。
7. 如申請專利範圍第1或2項之LED點燈裝置，其中，前述DC-DC轉換電路具備：控制電路，依照前述電流設定值來控制輸出至前述LED負載之電流；及控制電路用電源電路，轉換前述直流電壓，生成前述控制電路與前述電阻值設定電路與前述電流設定電路的電源電壓。