TWM496315U - 發光二極體交流驅動裝置 - Google Patents

Description

發光二極體交流驅動裝置

本裝置為一種使用交流電源直接驅動的發光二極體驅動裝置，以定電流電路對電容器充電，用以提升驅動電路之功率因素與降低驅動電路之總諧波失真，同時更可以增加發光二極體燈串的導通週期。

目前已經有非常多種可以用交流電源直接驅動的線性發光二極體驅動電路被開發出來，其中最簡單的線性驅動電路如第1圖所示。透過橋式整流器將輸入的交流電壓轉換成脈動的直流電壓(V )，然後再將發光二極體燈串與定電流電路串接之後，與橋式整流器的正負(+/-)兩個輸出端連接。這種接法除了發光二極體燈串的工作週期很低之外，還有另一個嚴重的問題：總發光量還很容易受交流電源電壓的變化影響，如第2圖所示。

第2圖之中的波形是由第1圖所示之電路所產生，其中的I _LED 為定電流電路驅動發光二極體的電流波形，V 為交流電源電壓經過橋式整流器之後的脈動直流電壓波形，V _LED 則為發光二極體燈串的總導通電壓。在經過橋式整流器之後的脈動直流電壓低 於V _LED 時，因為沒有足夠的電壓讓發光二極體燈串導通，所以定電流電路不會有電流。因此，在此區域的V _LED 為0V。

在這類的設計之中，為了能夠吸收大部分的電壓，都會需要串接相當多的發光二極體。因此，這個發光二極體燈串需要相當高的電壓才能讓發光二極體導通。換句話說，這就會讓發光二極體燈串的工作週期變低，而且其總發光量還很容易受交流電源電壓的變化影響。

在交流電源電壓上升或下降時，電壓波形V 的峰值也會跟著上升或下降，但是V _LED 的值卻不會改變。第2圖之中的電壓波形V 之左邊、中間與右邊這三個半週，分別表示交流電源電壓在最高、中等與最低的半週波形。這三個半週波形之峰值比例雖然差異不大，但是他們之間的導通週期差異卻有著非常大的差異，因此會導致裝置的總發光量也會有非常大的差異產生。也就是說，在交流電源電壓變動時，該發光二極體發光裝置會讓人眼看到閃爍的現象。

為了提升發光二極體燈串的工作週期到100%，並且穩定發光二極體燈串的發光量不受交流電源電壓變動影響，最簡單的做法如第3圖所示，只要在橋式整流器的的正負(+/-)兩個輸出端並接一個大容量的電容器(通常是比較低成本的電解電容)即可。以電容器作為穩壓元件之後，交流電源電壓經過橋式整流器之後的脈動直流電壓波形，其電壓變化的現象就會小很多，如第4圖所示的電容器充放電電壓波形V _C 。甚至可以將整個電壓穩定 在發光二極體燈串的總導通電壓V _LED 之上，換句話說，發光二極體燈串的工作週期就可以被增加到100%。

雖然並接上這一個電容器之後，就可以獲得上述的優點，但卻也帶來相當大的缺點。由於市電電源系統的內阻相當地低，所以市電電源在對電容器充電的一開始時，就會產生一個很大的電流突波，如第4圖所示的電容器充電電流波形I _C 。這個電流突波不僅僅會讓整個驅動裝置的功率因素(PF)值大幅地下降，更會讓整個驅動裝置的總諧波失真(THD)大幅地上升，這兩個現象都會讓整個驅動裝置的使用受到許許多多的限制。除此之外，這個很大的電流突波對於電容器的壽命，也會有很大的影響。

因此，如能提出一種交流電源直接驅動的發光二極體驅動裝置，在橋式整流器之後並接一個電容器時，除了可以將經過橋式整流器後之脈動直流的變動變得非常地小，如第4圖所示的電容器充放電電壓波形V _C ，藉以擴充發光二極體燈串的工作週期之外，還可以不用讓整個驅動裝置的功率因素(PF)值大幅地下降，也不會讓整個驅動裝置的總諧波失真(THD)大幅地上升。就可以在提升發光二極體燈串使用率時，不會讓驅動裝置的特性變差，這就可以讓交流電源直接驅動之發光二極體驅動裝置更適合於使用在照明的應用上。

本案之主要目的在於提供一種可以直接使用交流電源電壓驅動的發光二極體燈串驅動裝置，以定電流電路對電容器 充電，增加發光二極體燈串的導通週期。

為此，本創作的主要目的，是提供一種以定電流電路對電容器充電的方式，避免電容器在充電時產生太大的突波電流，除了用以提升發光二極體燈串的導通週期之外，同時還可以提升驅動電路之功率因素(PF)值與降低驅動電路之總諧波失真(THD)。

因為定電流電路對電容器充電的週期，是經由橋式整流器之後所輸出之脈動直流電壓與發光二極體燈串的總導通電壓V _LED 之間的相對應關係所決定的，所以與工作頻率無關。因此運用這種技術所設計的發光二極體交流驅動裝置，不論是在50Hz、60Hz或者由電子安定器等等所產生更高頻的電源條件下，均可以正常動作。

要達到上述之功能，本發光二極體交流驅動裝置包含有下列的零件：

一、提供照明用發光二極體。

二、橋式整流器，其目的是為了將具有正負極性的交流電壓整流成脈動的直流，才能在正負半週都通過相同的發光二極體串，讓發光二極體燈串的使用效率提昇。

三、定電流電路，其目的為在發光二極體燈串導通時，提供給發光二極體穩定的驅動電流。另一個功能則是對電容器充電，用以增加發光二極體燈串的導通週期。

四、開關電路，其目的在於決定電容器的充放電組態。

五、電壓偵測電路，監測交流電源的瞬間電壓值，在瞬間電壓值滿足設定的電壓值條件時，調整所有開關電路的『導通』與『不導通』狀態，用以調整電容器的充放電週期。

10‧‧‧發光二極體交流驅動裝置

11‧‧‧橋式整流器

12‧‧‧發光二極體燈串

13‧‧‧定電流電路

14‧‧‧電容器

15‧‧‧電壓偵測電路

16‧‧‧開關電路

CC₁ ‧‧‧第一定電流電路

CC₂ ‧‧‧第二定電流電路

SW₁ ‧‧‧第一定開關電路

SW₂ ‧‧‧第二定開關電路

LEDs‧‧‧發光二極體燈串

第1圖係將發光二極體燈串與定電流電路串聯後，直接與橋式整流器整流輸出之正負兩端連接的設計。

第2圖係第1圖所示之電路，在輸入交流電源電壓不穩定時，經由橋式整流器整流輸出之電壓波形V 與採用定電流電路所產生之發光二極體驅動電流波形I _LED 。

第3圖係將發光二極體燈串以及定電流電路串聯之後再與穩壓電容器並聯，然後直接與橋式整流器整流輸出之正負兩端連接的設計。

第4圖係在橋式整流器整流輸出之正負兩端並聯一個電容器時的電壓與電流波形。

第5圖係本創作之實施例。

第6圖係本創作之實施例的電壓與電流波形。

實現本案特徵與優點的一些典型實施例，將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種不同的變化，皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作本案的說明之用，而非用以限制本案。

第5圖所示之電路為本創作的實施例，本實施例的發光二極體交流驅動裝置10包含有一個橋式整流器11、一組發光二極體燈串12、兩個定電流電路13、一個電容器14、一個電壓偵測電路15以及兩個開關電路16。

橋式整流器11的正端與負端輸出之間並聯著三組電路，第一組為電壓偵測電路15。第二組由上往下是由第二定電流電路13、第一開關電路16與電容器14所串接而成。第三組電路上方為發光二極體燈串12，下方則是為第一定電流電路13所串接而構成。在電容器14的上方與發光二極體燈串12的上方之間，則是以第二開關電路16連接。至於電壓偵測電路15與兩個開關電路16之間，分別有不同的控制線連接。

在這個以交流電源直接驅動的發光二極體交流驅動裝置10啟動之後，不論交流電源電壓如何變化，電壓偵測電路15會隨時偵測交流電源電壓經由橋式整流器11整流後的脈動直流電壓。

在脈動的直流電壓低於發光二極體燈串12之總導通電壓V _LED 時，電壓偵測電路15會對第一開關電路16送出不導通的控制訊號，同時也對第二開關電路16送出導通的控制訊號。此時電容器14會透過第二開關電路16對發光二極體燈串12放電，就可以讓發光二極體燈串12在交流電源電壓經由橋式整流器11整流後的脈動直流電壓在低於發光二極體燈串12之總導通電壓V _LED 時還可以導通。

在脈動的直流電壓高於發光二極體燈串12之總導通電壓V _LED 時，電壓偵測電路15會對第一開關電路16送出導通的控制訊號，同時也對第二開關電路16送出不導通的控制訊號。第二定電流電路13就會透過第一開關電路16對電容器14充電，但是由於第二開關電路16是不導通的狀態，所以電容器14不會透過第二開關電路16對發光二極體燈串12放電。此時的脈動的直流電壓高於發光二極體燈串12之總導通電壓V _LED ，所以發光二極體燈串12的導通電流是由交流電源直接提供。

當然，在這個發光二極體交流驅動裝置10剛開始啟動時，因為電容器14還沒有充滿電，所以發光二極體燈串12只會在交流電源電壓經由橋式整流器11整流後的脈動直流高於發光二極體燈串12之總導通電壓V _LED 之後才導通。在本裝置啟動一小段時間讓電容器14充滿高於發光二極體燈串12之總導通電壓V _LED 之後，整個裝置才會進入上述之工作模式，進而提升發光二極體燈串12之工作週期。

本創作實施例之各種波形如第6圖所示，其中的V 為交流電源電壓經由橋式整流器11整流後的脈動直流電壓波形，V _C 為電容器14在充滿電之後的電壓變化波形，V _LED 為發光二極體燈串12之總導通電壓，I _C 為第二定電流電路13對電容器充電的電流波形，I _LED 為發光二極體燈串12之電流，I _{LED_C} 為電容器14放電週期在發光二極體燈串12上之電流，I _{LED_V} 為交流電源電壓經由橋式整流器11整流後的脈動直流電壓在發光二極體燈串12上之電流，其中 的I _{LED_C} 與I _{LED_V} 的總和即為發光二極體燈串12之電流I _LED 。

就如同第6圖所示，當第一定電流電路13與第二定電流電路13的電流值比例適當時，甚至還可以讓發光二極體燈串12的導通週期被擴充至100%。除了第5圖所示之作法，還可以採用其他的組合方式，以滿足設計之需求。

綜上所述，本案提供一種直接交流驅動之發光二極體驅動電路，由於其係無須設置變壓器，故具有可減少生產成本之功效。此外，藉由電容器14的使用可以增加發光二極體燈串12的導通週期，最多可以高達100%。由於是以定電流電路13對電容器14充電，電容器14充電時不會有如第4圖所示的很大突波電流產生，因此這個發光二極體交流驅動裝置10的功率因素(PF)值就會被提升，而且其總諧波失真(THD)也會被大幅地降低。是以，本案之發光二極體驅動電路極具產業之價值，爰依法提出申請。

本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

10‧‧‧發光二極體交流驅動裝置

11‧‧‧橋式整流器

12‧‧‧發光二極體燈串

13‧‧‧定電流電路

14‧‧‧電容器

15‧‧‧電壓偵測電路

16‧‧‧開關電路

CC₁ ‧‧‧第一定電流電路

CC₂ ‧‧‧第二定電流電路

SW₁ ‧‧‧第一定開關電路

SW₂ ‧‧‧第二定開關電路

LEDs‧‧‧發光二極體燈串

Claims (7)

1. 一種發光二極體交流驅動裝置，係用以驅動複數組具有最少由一發光二極體所構成之發光二極體燈串，其係包含：一整流電路，係接收一交流電壓，且將該交流電壓轉換成一脈動直流電壓；一電壓偵測電路，係與整流電路以及與所有的開關電路連接，在特定的電壓狀態下，設定電容器的充電與放電週期；一個電容器，係用以儲存電能進而增加發光二極體燈串的導通週期。複數個開關電路，係分別用於對電容器充電之定電流電路與電容器之間，以及用於電容器與發光二極體燈串上方之間，其動作為受電壓偵測電路之控制，決定電容器為充電或放電放電；以及複數個定電流電路，係用以對電容器充電，以及在發光二極體燈串導通時提供穩定的電流；其中，電壓偵測電路根據整流電路所得之脈動直流電壓值瞬間電壓所在之電壓範圍，送出控制所有開關電路之導通與不導通的訊號，設定電容器的充電與放電週期，進而提升發光二極體的工作週期。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體交流驅動裝置，其中該整流電路係為一橋式整流器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體交流驅動裝置，其中電壓偵測電路係在瞬間脈動直流電壓值在較高電壓範圍時，送出讓發光二極體燈串導通以及讓電容器充電的組態設定，藉以用較高電壓的週期直接驅動發光二極體燈串，同時對電容器充電，將具有較高電壓之電能儲存在電容器之中。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體交流驅動裝置，其中電壓偵測電路係在瞬間脈動直流電壓值在較低電壓範圍時，送出讓電容器放電的組態設定，在脈動直流電壓值不足以讓發光二極體燈串導通時提供足夠的電壓，藉以持續讓發光二極體燈串導通，用以提升發光二極體燈串的工作週期。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體交流驅動裝置，其中開關電路係由雙接面電晶體、場效電晶體、光耦合器電路、固態繼電器以及固態單向導電元件所構成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體交流驅動裝置，其中電壓偵測電路係由雙接面電晶體、場效電晶體與運算放大器結合電阻、二極體與電容器建立之比較器電路所構成，或以微處理器與監控程式所構成。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體交流驅動裝置，其中定電流電路係由雙接面電晶體、場效電晶體、二極體以及運算放大器結合電阻與電容器建立之電路所構成。