TWM516129U - 萬用型調光裝置 - Google Patents

Description

萬用型調光裝置

本裝置為一種可以使用在各種電源頻率以及各種電源電壓的萬用型調光裝置(Universal Dimmer)。這個萬用型調光裝置除了可以對原來的白熾燈泡調光之外，更可以對不採用電解電容所設計的LED發光裝置進行調光。這除了可以增加萬用型調光裝置的應用產品種類之外，更重要的是這個萬用型調光裝置可以與現行的許多通訊裝置，例如智慧型手機等等直接連結，這樣才可以讓使用者有更方便的控制方式。

調光裝置(Dimmer)的使用已經有相當長的時間，透過各式各樣的調光裝置進行燈具的發光量調整(Dimming)，可以讓使用者隨時依需求調整。傳統以TRIAC設計的調光裝置除了在低亮度時會有閃爍現象之外，還會讓電路的功率因素(PF：Power Factor)有非常大的變化，例如從1變化至0.1以下。更重要的問題是這類設計，在50/60Hz以及110/220V的不同電源系統不能共用。為了解決這些問題，目前也有萬用型的調光裝置產品在市面上銷售。

傳統的調光裝置主要分為兩大類：第一類為Leading Edge Dimmers，是以TRIAC做為開關元件所設計的產品，其工作原理如第1圖的波形所示。第二類為Trailing Edge Dimmers，是以MOSFET做為開關元件所設計 的產品，其工作原理如第2圖的波形所示。在這兩個波形之中，細線部分(V_AC)為調光裝置輸入端之交流電源電壓波形，粗線部分(V_Dim)則是調光裝置輸出端之電壓波形，而調光裝置的導通角度為θ，不導通角度則是θ’。透過調整調光裝置內部的RC值就可以調整導通角度θ，進而調整輸出端負載上的功率。產生第1圖所示之波形的電路，在RC值增加時，不導通角度θ’就會變大，其中的θ’與θ加總為180°。換句話說，讓導通角度θ就跟著變小，這會使得輸出至負載的總功率下降。反之，在RC值減少時，不導通角度θ’也會跟著變小，也就是說，讓導通角度θ就跟著變大，因而使得輸出至負載的總功率增加。

相反的，產生第2圖所示之波形的電路，是從一開始就在導通狀態，在RC值增加時，導通角度θ就會變大，這會使得輸出至負載的總功率增加。反之，在RC值減少時，導通角度θ也會跟著變小，因而使得輸出至負載的總功率下降。

由於這兩類的設計是透過RC值調整導通角度θ與不導通角度θ’之方式，調整輸出至負載上的功率。而每個特定RC值只適合特定的電源電壓以及電源頻率，當電源電壓不同以及電源頻率不同時，就不能共同地使用同一個產品，所以無法使用這兩類的工作方式設計出萬用型(Universal)的產品。

而且上述的兩種工作模式都會有個相同的問題，那就是功率因素(PF：Power Factor)的問題，他們的PF值變化會非常的大，最大值可以到達1，變化至最小時卻會小於0.1。另外，第一種的電路在導通角度θ非常小的時候，燈具會有閃爍的現象。那是因為TRIAC在第一與第三象限的導 通靈敏度不同所造成的，這兩個問題就算是使用在LED燈具上還一樣會發生。

目前的萬用型(Universal)產品也是以MOSFET開關所設計的，其工作原理如第3圖之波形所示。基本上這種調光裝置是給白熾燈泡使用，所以即使將波形切換成脈波的狀態，只要在導通瞬間以儲能元件提供夠高的電壓與夠大的電流，還是可以讓白熾燈泡維持原有的輸出功率。透過調整導通脈波寬度的方式，就可以調整輸出端的輸出功率，進而擁有可以在各種電源頻率與電源電壓工作的特性。雖然這種設計已經是萬用型，可是對於現行很多不使用電解電容所設計的LED發光裝置來說，這類的控制電路卻是無法使用。因為LED發光裝置一定都會使用定電流電路，才能維持LED顆粒的穩定工作。這對於不使用電解電容所設計的LED發光裝置而言，一旦電路電壓或電流切換成脈波調變(PWM)的形式之後，就會減少LED的導通週期，進而減少LED發光裝置的總發光量，因此無法適用於不使用電解電容所設計的LED發光裝置。

最重要的，是這個產品無法與現行的許多通訊裝置，例如智慧型手機等等直接連結。為了可以適用於廣泛的產品種類，以及為了讓使用者有更方便的控制方式，有必要重新設計一個新的萬用型調光裝置(Universal Dimmer)。

本案之主要目的在於提供一種可以使用在各種電源頻率以及各種電源電壓的萬用型調光裝置(Universal Dimmer)。這個萬用型調光裝置除了可以對原來的白熾燈泡調光之外，更可以對不採用電解 電容所設計的LED發光裝置進行調光。這除了可以增加調光器的應用產品之外，更重要的是這個萬用型調光裝置可以與現行的許多通訊裝置，例如智慧型手機等等直接連結，這樣才可以讓使用者有更方便的控制方式。

為此，本創作的主要目的，是提供一種能根據交流電源頻率自行設定相對應的調整導通角度θ與不導通角度θ’，以便在不同的電源頻率的條件下，導通角度都可以完整地從最小角度調整至最大角度。而且這個調整方式可以與電源電壓的變化無關，這樣更可以適用於所有的電源電壓與電源頻率系統。更重要的是這個萬用型調光裝置可以與現行的許多通訊裝置，例如智慧型手機等等直接連結，這樣才可以讓使用者有更方便的控制方式，而且更可以增加調光裝置的應用產品種類。

因為電路可以自動偵測電源的頻率，因此運用這種技術所設計的萬用型調光裝置，在50Hz或者60Hz的電源頻率條件下，都可以正常動作。

要達到上述之功能，本萬用型調光裝置包含有下列的零件：

一、橋式整流器，其目的是為了將具有正負的交流電整流成脈動的直流，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。

二、電源頻率偵測與導通角度調整電路，在電路啟動時根據偵測所得之電源頻率設定參數，再根據接收之調整導通角度訊號調整開關電路，用以控制導通角度θ。

三、開關電路，係根據接收至電源頻率偵測與導通角度調整電路 的控制訊號，控制負載的導通與不導通狀態。

四、調整訊號接收電路，係用以接受外來的控制訊號並轉換成電源頻率偵測與導通角度調整電路可以接受之訊號型式，讓電源頻率偵測與導通角度調整電路產生相對應之開關電路的控制訊號。

五、電源電路，係用以提供調整訊號接收電路以及電源頻率偵測與導通角度調整電路所需之電源。

100‧‧‧萬用型調光裝置

101‧‧‧橋式整流器

102‧‧‧電源電路

103‧‧‧電源頻率偵測與導通角度調整電路

104‧‧‧開關電路

105‧‧‧負載插座

106‧‧‧可變電阻

107‧‧‧調整訊號接收電路

第1圖、係以TRIAC做為開關元件所設計的Leading Edge Dimmers在負載所產生的電壓波形。

第2圖、係以MOSFET做為開關元件所設計的Trailing Edge Dimmers在負載所產生的電壓波形。

第3圖、係目前以MOSFET做為開關元件所設計的Universal Dimmers在負載所產生的PWM電壓波形。

第4圖、係本創作之第一實施例。

第5圖、係本創作之第一實施例在導通角度較大時於負載所產生的電壓波形。

第6圖、係本創作之第一實施例在導通角度較小時於負載所產生的電壓波形。

第7圖、係本創作之第二實施例。

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4圖所示之電路為本創作的第一實施例，本實施例的萬用型調光裝置100包含有一個橋式整流器101、一個電源電路102、一個電源頻率偵測與導通角度調整電路103、一個開關電路104、一個負載插座105以及一個可變電阻106。橋式整流器51的正端與負端輸出之間並聯著三組電路，第一組為電源電路102，第二組是電源頻率偵測與導通角度調整電路103，電源頻率偵測與導通角度調整電路103併聯著一個可變電阻106，第三組由上而下為負載插座105以及開關電路104串接。電源電路102透過第一組與第二組之間的連線，提供電源頻率偵測與導通角度調整電路103所需的電源。電源頻率偵測與導通角度調整電路103與開關電路104之間，則是連接著一條用來控制開關電路104導通或不導通的控制線。

在這個萬用型調光裝置100啟動之後，交流的電源電壓就會先經過橋式整流器101而轉換成脈動直流。接著電源電路102會將經由橋式整流器101轉換所得的脈動直流電壓轉換成穩定的直流電壓，並提供給電源頻率偵測與導通角度調整電路103。接著電源頻率偵測與導通角度調整電路103就會先判斷出電源的頻率，然後再根據所得的頻率在電源頻率偵測與導通角度調整電路103內部進行參數設定，讓這個萬用型調光裝置100的導通角度θ可以完整地從最小角度調整至最大角度，而且調整的導通角度θ不受電源電壓的不同而改變。

傳統調光裝置的電路之中並不會先讓輸入的交流電源經過一個橋式整流器101，而是直接對交流電壓進行導通角度θ的調整，因此輸出的電壓波形還是有正負極性的交流電壓波形。本創作的萬用型調光裝置100與傳統的各類型調光裝置並不相同，交流電源電壓在進入這個萬用型調光裝置100時，在輸入端就會先經過一個橋式整流器101，因此這個萬用型調光裝置100的輸出的電壓形式就會是導通角度θ經過調整的脈動直流。由於不使用電解電容所設計的LED發光裝置，在輸入端也會先接一個橋式整流器101，因此以脈動直流作為輸出電壓的形式，一樣會讓這類不使用電解電容所設計的LED發光裝置正常動作。至於傳統的白熾燈泡，本身的發光體就是一個電阻，因此以脈動直流作為輸出電壓的形式，白熾燈泡還是可以正常的動作。換句話說，以脈動直流作為輸出電壓的形式，並不會影響這個萬用型調光裝置100的適用範圍。

在電源頻率偵測與導通角度調整電路103內部參數設定完成之後，電源頻率偵測與導通角度調整電路103就會在偵測可變電阻106的電阻值以及每個半週的電壓變化，然後再根據這個電阻值決定出相對應的導通角度θ，就可以讓負載產生相對應的發光量。由於電源頻率偵測與導通角度調整電路103從此就會一直偵測可變電阻106的電阻值，因此只要可變電阻106的電阻值一被改變，負載產生的相對應發光量就會馬上被改變。

第5圖與第6圖所示為本創作的第一實施例的兩種典型波形，其中V_DC為輸入之交流電壓經由橋式整流器101轉換而成的脈 動直流，V_Dim是萬用型調光裝置100輸出端之電壓波形，θ是為負載的導通角度，位於每一個半週的中間，θ₁’與θ₂’都是不導通角度，分別位於每一個半週的前端與後端，θ、θ₁’與θ₂’三個角度的總和為180°。這兩個波形的相同點在於每一個半週前端與後端電壓較低的部分都不會導通，只有中間較高電壓的角度會導通。這種作法很明顯的與傳統的調光方式不同，特別是Leading Edge Dimmers與Trailing Edge Dimmers這兩種調光方式。Leading Edge Dimmers的導通角度與截止角度分別在每個半週的後端與前端，Trailing Edge Dimmers則是相反，導通角度與截止角度分別在每個半週的前端與後端。問題就在於這兩種導通模式在導通角度θ很小時，電路的功率因素(PF：Power Factor)都會非常地低，甚至低於0.1。

本創作的第一實施例在可變電阻106的電阻值調整在比較大的導通角度時，負載上的電壓波形就會有比較大的導通角度θ，如同第5圖所示。在可變電阻106的電阻值調整在比較小的導通角度時，負載上的電壓波形就會有比較小的導通角度θ，如同第6圖所示。這種調光的模式即使將導通角度θ調整到非常小時，其PF值會遠大於0.1，這樣的工作模式就可以不讓整個電路的PF值有太大的變化。

第7圖所示之電路為本創作的第二實施例，本實施例的萬用型調光裝置100包含有一個橋式整流器101、一個電源電路102、一個電源頻率偵測與導通角度調整電路103、一個開關電路104、一個負載插座105以及一個調整訊號接收電路107。與第一實施例相同的，橋式整流器51的正端與負端輸出之間並聯著三組電 路。第一組為電源電路102，第二組是電源頻率偵測與導通角度調整電路103，不同的地方是在第一實施例之中與電源頻率偵測與導通角度調整電路103併聯的可變電阻106改成一個調整訊號接收電路107，第三組由上而下為負載插座105以及開關電路104串接。電源電路102透過第一組與第二組之間的連線，提供電源頻率偵測與導通角度調整電路103以調整訊號接收電路107所需的電源。電源頻率偵測與導通角度調整電路103與開關電路104之間，則是連接著一條用來控制開關電路104導通或截止的控制線。

與第一實施例相同的，在這個萬用型調光裝置100啟動之後，交流的電源電壓就會先經過橋式整流器101而轉換成脈動直流。接著電源電路102會將經由橋式整流器101轉換而成的脈動直流轉換成並提供給電源頻率偵測與導通角度調整電路103以及調整訊號接收電路107所需的穩定的直流電壓。接著電源頻率偵測與導通角度調整電路103就會先判斷出電源的頻率，再根據所得的頻率在電源頻率偵測與導通角度調整電路103內部進行參數設定，讓這個萬用型調光裝置100的導通角度可以完整地從最小角度調整至最大角度，而且調整的導通角度θ不受電源電壓的不同而改變。

在電源頻率偵測與導通角度調整電路103內部參數設定完成之後，調整訊號接收電路107就會根據從有線傳輸或無線傳輸所接收到的控制訊號，轉換成電源頻率偵測與導通角度調整電路103可以接受的數位訊號或者連續變化的類比訊號，再傳送給電源頻率偵測與導通角度調整電路103。電源頻率偵測與導通角度 調整電路103在接受到調整訊號接收電路107傳送過來的訊號並偵測出每個半週的角度變化，然後再根據接收到的訊號決定出相對應的導通週期角度，就可以讓負載產生相對應的發光量。由於調整訊號接收電路107會一直接受控制訊號，並將其轉換成電源頻率偵測與導通角度調整電路103可以接受的訊號。而且電源頻率偵測與導通角度調整電路103也會一直偵測調整訊號接收電路107傳送過來的訊號，因此只要調整訊號接收電路107傳送過來的訊號一被改變，負載產生的相對應發光量就會馬上被改變。

綜上所述，本案提供一種萬用型調光裝置100，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，電源頻率偵測與導通角度調整電路103根據輸入之控制訊號整定負載的導通角度，進而調整負載的發光量。最重要的，是這個萬用型調光裝置100在調光的過程之中，整體電路的PF值變化量不會太大，而且在導通角度很小的時候，也不會有閃爍的現象。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。

100‧‧‧萬用型調光裝置

101‧‧‧橋式整流器

102‧‧‧電源電路

103‧‧‧電源頻率偵測與導通角度調整電路

104‧‧‧開關電路

105‧‧‧負載插座

107‧‧‧調整訊號接收電路

Claims (14)

1. 一種萬用型調光裝置，係用以調整照明燈具之發光量的電路，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；一電源頻率偵測與導通角度調整電路，係用以偵測電源之頻率，並根據接收到的控制訊號以及經由整流電路轉換之脈動直流的電壓波形相位，調整負載的導通角度，進而調整發光裝置的發光量；一個調整訊號接收電路，係用以接收調整亮度之控制訊號，並將其轉換成電源頻率偵測與導通角度調整電路可以接收的訊號；一個電源電路，係用以將整流電路轉換所得之脈動直流轉換成穩定的電壓，提供給電源頻率偵測與導通角度調整電路以及調整訊號接收電路；一個開關電路，係根據電源頻率偵測與導通角度調整電路送出之控制訊號，控制負載的導通與截止；其中，調整訊號接收電路將接收的訊號轉換成電源頻率偵測與導通角度調整電路可以接收的訊號，再由電源頻率偵測與導通角度調整電路偵測所得之脈動直流的電壓波形相位，調整負載的導通角度，進而調整發光裝置的發光量。
2. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，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項所述的萬用型調光裝置，其中該電源頻率偵測與導通角度調整電路所輸出之訊號型式為脈動的直流。
4. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，其中的電源頻率偵測與導通角度調整電路可以自動偵測電源頻率，並將電路設定於適用於電源頻率之特性。
5. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，其中電源頻率偵測與導通角度調整電路輸出之導通角度控制訊號，導通角度位於每個半週中間電壓較高部分的角度，前端與後端電壓較低部分的角度則是不導通的部分，導通角度在增加時，每個半週前端與後端較低電壓的不導通部分會同時變小，讓最大的導通角度變成每個半週的全部角度，導通角度在減少時，每個半週前端與後端較低電壓的不導通部分會同時變大，讓最小的導通角度位在每個半週的中間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，其中電源頻率偵測與導通角度調整電路在接收到調整訊號接收電路轉換的訊號並加上偵測脈動直流的電壓波形相位之後，調整負載的導通角度，進而調整發光裝置的發光量。
7. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，其中調整訊號接收電路在電源頻率偵測與導通角度調整電路可以接受的訊號形式為邏輯訊號型態時，會送出複數組的邏輯訊號，讓電源頻率偵測與導通角度調整電路送出複數種的控制訊號，調整複 數種的發光量。
8. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，其中調整訊號接收電路在電源頻率偵測與導通角度調整電路可以接受的訊號形式為類比訊號型態時，會送出連續變化之類比訊號，讓電源頻率偵測與導通角度調整電路送出連續變化的控制訊號，連續變化的方式調整發光量。
9. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，其中該調整訊號接收電路所接收的調整訊號之邏輯訊號型態為高電位/低電位以及高阻抗/低阻抗的型態。
10. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，其中該調整訊號接收電路所接收的調整訊號之類比訊號型態為電壓、電流以及阻抗的型態。
11. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，其中調整訊號接收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。
12. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，其中電源頻率偵測與導通角度調整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。
13. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，其中定電源電路係由雙接面電晶體、場效電晶體、二極體、穩壓元件以及運 算放大器結合電阻與電容建立之電路所構成。
14. 如申請專利範圍第1項所述的萬用型調光裝置，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。