TWI504313B - High utilization of light emitting diode components - Google Patents

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Chun Chieh Kuo
Shih Ping Tu
Cheng Po Hsiao
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高利用率之發光二極體元件
本發明係屬於發光二極體元件之技術領域，特別是關於一種高利用率之發光二極體元件，以透過橋式整流結構的設置方式供同時工作於交流電之正負半週期中而提升整體發光效率。
為配合LED燈具針對體積微薄化及高光照強度之需求，具較高整體發光面積之交流驅動發光二極體元件(AC LED)係逐漸成為產業話題，以期解決直流驅動發光二極體元件(DC LED)之散熱問題而達節能效果，又目前，AC LED的線路設計大致分為反向並聯結構與橋式整流結構兩種。如第1、2圖所示，一反向並聯結構AC LED 10可由至少兩LED晶芯組100所反相並聯而成，且各該LED晶芯組100由複數個雙向微晶芯1000所串聯而成，如此，當外部電源為正半週期時只有其中一LED晶芯組100會導通，而另一LED晶芯組100將因電流逆向而截止，使得該反向並聯結構AC LED 10僅能實現50%利用率且瞬時發光面積低。並且，該反向並聯結構AC LED 10藉串接之一限流電阻(Rs )101維持其工作電流(I)之穩定，亦即，使工作電流符合I=(Vin -Vf )/Rs 之公式，其中Vin 為外部電源之交流電壓、Vf 為該LED晶芯組10之組串總電壓，然而，具通常知識者應知LED元件係具有最大工作電流限制之特性，使得使用者於電路實用時需考量此限制而增加突波吸收器、差模電感及安規電容等組件，造成電路成本增加並降低產品品質。
為解決上述問題，產業上即出現有如圖3所示之改良元件，以透過類橋式結構的設置方式組接該等雙向微晶芯1000而形成具78%利用 率之類橋式結構AC LED 11。但，此種設置方式將使截止之各該雙向微晶芯1000承受兩倍之晶芯導通電壓，且利用率越高時需承受越高的逆向電壓，造成晶芯規格需求高而提升元件成本，不利於產品應用及經濟效益。
有感於此，如何提升AC LED之利用率的同時，降低製程成本並免除該限流電阻11的應用而改善實用簡易性，即為本發明所探究之課題。
有鑑於習知技藝之問題，本發明之目的在於提供一種高利用率之發光二極體元件，係採用橋式整流結構為主設置架構而實現於交流電正負半週期皆可工作之功能，以達100%利用率而提升元件實用性及經濟效益。
根據本發明之目的，該高利用率之發光二極體元件為具陽陰二極之二端子元件而供用於一交流電路中，設有一橋式整流單元及一LED晶芯單元，該LED晶芯單元耦接於該橋式整流單元兩端且由複數個LED晶芯串聯而成，其特徵在於：該橋式整流單元至少由為高壓整流二極體晶芯之一第一晶芯、一第二晶芯、一第三晶芯及一第四晶芯所構成，該第一晶芯之陰極耦接該第二晶芯之陰極而形成一第一節點，且該第三晶芯之陽極耦接該第四晶芯之陽極而形成一第二節點；該高利用率之發光二極體元件係設有一限流單元，該限流單元一端串接該LED晶芯單元之陰極端而另一端耦接至該第二節點，以供限定內部之一工作電流維持於一基值下，又該LED晶芯單元之陽極端耦接該第一節點。
其中，該第一晶芯、該第二晶芯、該第三晶芯及該第四晶芯為承受600伏特(V)以上電壓之高壓整流二極體晶芯，且該限流單元為溫度係數材料元件、電晶體元件、兩端子半導體元件或三端子半導體元件。
於一實施例中，該限流單元設有一限流電路及一電壓控制電流源，該限流電路一端串接該LED晶芯單元之陰極端而另一端耦接至該第二節點及該電壓控制電流源一端，且該電壓控制電流源另一端耦接至該第 一節點，又該發光二極體元件可透過一三端雙向可控矽開關元件(Tri-Electrode AC Switch,TRIAC)電性連接一外部電源。或者，該發光二極體元件可透過一差模電感電性連接一外部電源，且該限流單元設有一限流電路、一PWM產生器及一MOS調節器，該限流電路之輸入端串接該LED晶芯單元之陰極端而輸出端耦接至該第二節點及該MOS調節器之源極端，該限流電路之觸發端耦接該PWM產生器一端，又該MOS調節器之閘極端耦接該PWM產生器另一端，該MOS調節器之汲極端耦接至該第一節點。
綜上所述，本發明係利用元件內置之該限流單元取代習知限流電阻之作動而維持該工作電流的穩定性，同時藉該限流單元確保該工作電流小於該基值而實現保護LED晶芯之效果，使提升元件品質及壽命，且方便使用者無需考量繁複的限制條件而於電路中直接應用該高利用率之發光二極體元件。
 習知技術
10‧‧‧反向並聯結構AC LED
100‧‧‧LED晶芯組
1000‧‧‧雙向微晶芯
101‧‧‧限流電阻
11‧‧‧類橋式結構AC LED
本發明
2‧‧‧發光二極體元件
20‧‧‧橋式整流單元
200‧‧‧第一晶芯
201‧‧‧第二晶芯
202‧‧‧第三晶芯
203‧‧‧第四晶芯
21‧‧‧LED晶芯單元
22‧‧‧限流單元
220‧‧‧限流電路
221‧‧‧電壓控制電流源
222‧‧‧PWM產生器
223‧‧‧MOS調節器
3‧‧‧差模電感
第1圖 係為習知反向並聯結構AC LED之電路圖。
第2圖 係為習知反向並聯結構AC LED之波形圖。
第3圖 係為習知類橋式整流結構AC LED之波形圖。
第4圖 係為本發明一較佳實施例之一實施態樣之電路圖。
第5圖 係為本發明一較佳實施例之二實施態樣之電路圖。
第6圖 係為本發明二較佳實施例之電路圖。
第7圖 係為本發明二較佳實施例之波形圖。
第8圖 係為本發明三較佳實施例之電路圖。
第9圖 係為本發明三較佳實施例之波形圖。
為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明 搭配圖式，敬請參閱。
請參閱第4圖，其係為本發明一較佳實施例之一實施態樣之電路圖。如圖所示，高利用率之該發光二極體元件2為具陽陰二極之二端子元件而承接一外部電源(Vin )之交流電後於該外部電源之正負半週期皆可驅動發光，以實現100%利用率之功能而供適用為LED球泡燈、LED燈管及商用LED照明設備等所需之光源，使燈具於一光照強度規範下得減少內置之LED光源數量而降低成本並提升銷售競爭力。該發光二極體元件2係於一基板上佈設有一橋式整流單元20、一LED晶芯單元21及一限流單元22，該橋式整流單元20至少由一第一晶芯200、一第二晶芯201、一第三晶芯202及一第四晶芯203所構成，且該第一晶芯200、該第二晶芯201、該第三晶芯202及該第四晶芯203為可承受600伏特以上電壓之高壓整流二極體晶芯而具有低成本、低順向偏壓及高逆向偏壓等特性，又該LED晶芯單元21由複數個LED晶芯串聯而成並耦接於該橋式整流單元20兩端。該第一晶芯200之陽極耦接該外部電源，且其陰極耦接該第二晶芯201之陰極而形成一第一節點。該第三晶芯202之陰極耦接該外部電源，且其陽極耦接該第四晶芯203之陽極而形成一第二節點。
該限流單元22可為兩端子半導體元件而一端串接該LED晶芯單元21之陰極端及另一端耦接至該第二節點，供限定內部之一工作電流維持於一基值下，以取代習知外接之限流電阻而確保該工作電流的穩定性並提升元件品質，且該基值可設定為元件最大峰值電流而保護該等LED晶芯，又該LED晶芯單元21之陽極端耦接該第一節點。值得注意的是，該限流單元22亦可為溫度係數材料元件、電晶體元件或MOSFET，或如圖5所示之三端子半導體元件而使其觸發端耦接至該第一節點。
於本實施例中，該限流單元22可如圖6所示為微型晶片而設有一限流電路220及一電壓控制電流源221，該限流電路22一端串接該LED晶芯單元21之陰極端而另一端耦接至該第二節點及該電壓控制電流源221一端，且該電壓控制電流源221另一端耦接至該第一節點。由於，當該第一晶芯200或該第二晶芯201導通，但該外部電源之輸入電壓低於該LED 晶芯單元21所需之順向偏壓時，該LED晶芯單元21不會有該工作電流(Id )產生，如此將造成該外部電源的電流諧波增加而影響電源品質如此。因此，該限流單元22可透過該電壓控制電流源221的設置，使該發光二極體元件2如圖7所示，於該LED晶芯單元21未導通前仍具有隨該外部電源輸入弦波變動之一微電流(Is )，以於實現100%利用率的同時，達有效降低電流諧波並大幅提升整體元件功率因數之功效。順帶一提的是，該電壓控制電流源221於該LED晶芯單元21導通時，可限定該微電流恆定為該限流單元22所需之最小晶片工作電流值，以避免不必要的功率損耗。又，該電壓控制電流源221可設定該微電流恆大於一TRIAC(圖未示)所需之保持電流(Holding Current)，以允許該發光二極體元件2透過該TRIAC電性連接該外部電源後承接該交流電流，如此，即提升該發光二極體元件2之元件品質及可利用性。
再者，該發光二極體元件2可如圖8、9所示透過一差模電感3電性連接該外部電源，以供承接該交流電流後儲能形成驅動該LED晶芯單元21發光之該輸入電流(Iin )，又該限流單元22亦為微型晶片而設有該限流電路220、一PWM產生器222及一MOS調節器223。該限流電路220之輸入端串接該LED晶芯單元21之陰極端而輸出端耦接至該第二節點及該MOS調節器223之源極端，該限流電路220之觸發端耦接該PWM產生器222一端，且該MOS調節器223之閘極端耦接該PWM產生器222另一端，該MOS調節器223之汲極端耦接至該第一節點。如此，當該外部電源之輸入電壓低於該LED晶芯單元21所需之順向偏壓而使該LED晶芯單元21截止不作動時，該限流單元22係透過該PWM產生器222輸出之脈波訊號(VPWM )調節該MOS調節器223之作動狀態而調節其內部流動之該微電流大小，以於實現100%利用率的同時，達有效降低電流諧波並大幅提升整體元件功率因數之功效。亦即，於該LED晶芯單元21截止時，該差模電感3與該第一晶芯200、晶片內建之該MOS調節器223連結形成升壓(Boost)電路，以升壓轉換該外部電源輸入之低電壓形成供予該LED晶芯單元21之該微電流，使該發光二極體元件2得以完全遞承應用該外部電源 所輸出之全域交流能量，即該工作電流為該輸入電流而呈高效率特性。又，當該外部電源之輸入電壓大於該LED晶芯單元21所需之順向偏壓而使該LED晶芯單元21導通發光時，該差模電感3即扮演濾波之用，且此時，該工作電流即為該輸入電流。
以上所述僅為舉例性之較佳實施例，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
2‧‧‧發光二極體元件
20‧‧‧橋式整流單元
200‧‧‧第一晶芯
201‧‧‧第二晶芯
202‧‧‧第三晶芯
203‧‧‧第四晶芯
21‧‧‧LED晶芯單元
22‧‧‧限流單元

Claims (7)

  1. 一種高利用率之發光二極體元件，係為具陽陰二極之二端子元件而供用於一交流電路中，設有一橋式整流單元及一LED晶芯單元，該LED晶芯單元耦接於該橋式整流單元兩端且由複數個LED晶芯串聯而成，其特徵在於：該橋式整流單元至少由為高壓整流二極體晶芯之一第一晶芯、一第二晶芯、一第三晶芯及一第四晶芯所構成，該第一晶芯之陰極耦接該第二晶芯之陰極而形成一第一節點，且該第三晶芯之陽極耦接該第四晶芯之陽極而形成一第二節點；該高利用率之發光二極體元件係設有一限流單元，該限流單元一端串接該LED晶芯單元之陰極端而另一端耦接至該第二節點，以供限定內部之一工作電流維持於一基值下，又該LED晶芯單元之陽極端耦接該第一節點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高利用率之發光二極體元件，其中該第一晶芯、該第二晶芯、該第三晶芯及該第四晶芯係為承受600伏特以上電壓之高壓整流二極體晶芯。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之高利用率之發光二極體元件，其中該限流單元係為溫度係數材料元件、電晶體元件、兩端子半導體元件或三端子半導體元件。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之高利用率之發光二極體元件，其中該限流單元係設有一限流電路及一電壓控制電流源，該限流電路一端串接該LED晶芯單元之陰極端而另一端耦接至該第二節點及該電壓控制電流源一端，且該電壓控制電流源另一端耦接至該第一節點。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之高利用率之發光二極體元件，其中該發光二極體元件係透過一三端雙向可控矽開關元件電性連接一外部電源。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之高利用率之發光二極體元件，其中該發光二極體元件係透過一差模電感電性連接一外部電源。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之高利用率之發光二極體元件，其中該限流 單元係設有一限流電路、一PWM產生器及一MOS(金屬氧化半導體)調節器，該限流電路之輸入端串接該LED晶芯單元之陰極端而輸出端耦接至該第二節點及該MOS(金屬氧化半導體)調節器之源極端，且該限流電路之觸發端耦接該PWM產生器一端，又該MOS(金屬氧化半導體)調節器之閘極端耦接該PWM產生器另一端，該MOS(金屬氧化半導體)調節器之汲極端耦接至該第一節點。
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