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CN104604333A - 通过分支开关根据输入电压电平控制发光二极管的装置和方法 - Google Patents

通过分支开关根据输入电压电平控制发光二极管的装置和方法 Download PDF

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CN104604333A CN201380035177.9A CN201380035177A CN104604333A CN 104604333 A CN104604333 A CN 104604333A CN 201380035177 A CN201380035177 A CN 201380035177A CN 104604333 A CN104604333 A CN 104604333A
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Abstract

本发明涉及一种用于控制发光二极管的装置和方法。由本发明解决的问题是，提供了一种解决方案，借助于其可以实现LED的改善控制，而不损害效率和/或波动成分。为了解决这个问题，在所述方法中：链中的所有段的第二端子可以通过每个端子的一个相应的开关装置(9，10)连接到用于产生恒定电流的装置(8)，从而导致形成数目为n个的级，每一级具有第n段(6)和相关的第n开关装置；当输入交流电压(VDC)的幅值处于零伏时，在所有n级的所有开关装置(9，10)被导通；第n参考电压和在n+1级中的段的第二端子处测量的节点电压被比较，如果第n参考电压小于相关的节点电压，则第n级的开关装置被断开。

Description

通过分支开关根据输入电压电平控制发光二极管的装置和方法
本发明涉及一种用于启动发光二极管的装置，其包含：输入端，AC输入电压可被施加到该输入端；以及，串联连接的LED的阵列，该阵列被连接到装置的输出，用于启动发光二极管，并被划分成至少两个段，并且其中阵列的每个段在一端被至少间接连接至恒流源。
本发明还涉及一种用于启动发光二极管的方法，其中串联连接的发光二极管的阵列被提供，该阵列被划分成段，其中每个段包含多个发光二极管，并具有第一连接点及第二连接点，并且其中阵列操作于整流的AC输入电压(VDC)。
LED(发光二极管)被越来越多地用于照明目的，因为它们有许多优于传统的发光装置(如白炽灯或荧光灯)的优点，特别是低能量的要求和较长的寿命。由于它们的半导体典型的电流-电压特性，这对使用恒定电流来操作LED是有利的。
因此，在来自照明电源的包括LED的发光装置的操作期间，需要采取电路措施以利用来自高AC电压电源的通常每个LED 3...4V的低电压来产生所需的恒定直流电流，该高AC电压电源可以具有例如230VAC的电压值。这些值通常可以适用于所谓的白光LED，并且可以与其它的LED不同。
除了广泛使用的所谓AC-DC转换器，它通常由整流器和开关模式电源组成，一种已知的方法中，串联连接的LED的阵列直接从整流的AC电压通过一个或多个线性电流源启动。
这种装置也称为直接AC LED。为了这个目的，有利的是，LED阵列可以被划分成段，与瞬时AC电压相对应地，所述段被单独通电或串联连接。串联连接的LED的数目以及因此整个LED阵列的正向电压被如此配置，从而使得它对应于电源电压的幅值的一个显著比例，例如其可以是在电源电压的幅值的80-90％的区域中。
因此线性电流源上的电压降保持较低，这导致相对高程度的效率。在相对低的瞬时电压，仅有LED阵列的与LED的排列侧段对应的一部分被利用相关电流源上的相对较低的电压降来同样地启动。结果，电流的角度在半周期内增加，这导致更均匀的光发射。可选地，来自线性电流源或电流源的电流可对应于该瞬时电源电压被调制，以提高功率因数，即，保持电源电流的谐波含量低。
这种已知方法相对于使用AC-DC变换器的优点是，较小的结构形式和驱动电子器件的成本降低，以及提高的装置的EMC(电磁兼容性)，因为没有快速开关边沿发生。
该原理的缺点在于，光发射的高度波动两倍于电源频率，这令敏感的人感到烦恼。即使当存在LED的恒定通电时，当比被布置在LED阵列中更少的段被激活时，发光降低。
如果在其LED阵列被启动的瞬时电压下降到低于阵列的第一段的正向电压，则电流变为零，也就是说，在每个周期中存在两个间隙，其中LED没有通电。与白炽灯的灯丝相比，该白炽灯的灯丝具有相当大的热惯性，因此阻尼电源供给的波动，LED的光发射实际跟随电流，没有任何延迟。特别是，这些通电间隙可导致令人不悦的照明闪烁的印象。
在关于启动的电路方面的另一个缺点在于，各个段的切换阈值需要匹配每个段的LED的数量与实际的正向电压。
因此，本发明的目的在于，指定用于启动发光二极管的装置和方法，从而实现LED的改进的启动，同时效率和/或谐波含量没有降低。
此外，旨在实现LED阵列之间的切换阈值与LED阵列的段的正向电压的自动匹配。
包含权利要求1和2的特征部分的电路装置提供一种优点，即，阵列中的LED的更均匀的通电和提高的效率。
关于该方法的该目的是通过如权利要求6和7的特征部分来实现的。
凭借从属权利要求中列出的措施，在独立权利要求中指定的本发明的有利发展和改进是可能的。
下面将参照示例性实施例对本发明作更详细的说明。在相关的附图中：
图1示出了根据现有技术的一种变型为“直接型AC LED驱动器”的启动发光二极管的装置的一种可能的实施例；
图2示出了根据现有技术的一种变型为“直接型AC LED驱动器”的启动发光二极管的装置的另一种可能的实施例；
图3示出了根据本发明的用于启动发光二极管的一种电路装置，包括电流路径与LED段的正向电压的自动匹配；
图4示出了根据本发明的用于启动发光二极管的另外的电路装置，包括与分级栅极电压的可替代的自动匹配；
图5示出了半周期上的整流的电源电压和段电压的电压分布的图示；以及
图6示出了用于“泄漏电流”的自动控制的电路装置。
图1和2示出了根据现有技术的用于启动发光二极管5的装置1的两种可能的实施方式。图示了所谓的直接型AC LED驱动器，每一个都具有四个LED段6，这由LED-S1至LED-S 4来表示。阵列4从整流的电源电压VDC 2进行供给，其中接地侧电流源8ILED产生恒定的电流。
在图1所示的示例中，段6通过开关元件SW1至SW3被短路，这些开关元件例如可以被实施为MOSFET，对应于在阵列4上呈现的瞬时电压。
在图2所示的结构中，段抽头7通过开关元件SW1至SW3连接到公共电流源8ILED，对应于阵列4上的瞬时电压。控制单元CRL服务于在数个段6之间适当地为瞬时电压分配电流的目的。电流源8ILED可选地被调制，对应于瞬时电源电压VDC。
根据本发明的开关阈值与段的正向电压之间的自动匹配将在下面进行说明。
图3示出了原理，在使用的实例中，LED阵列4有三个段6 LED-S1至LED-S3，各个段6中包括任何期望数目的LED 5。如所希望的，段6的数目可以增加，这在图中由段6-LED-S3的连接点7处的虚线所示。同样地，每个段6的LED 5的数量可以自由选择。
段LED-S1 6的“上部”LED 5的阳极被连接到电源电压VDC 2，即整流的电源电压。阵列4的每个段6具有第一和第二连接点7。在图3中，第一段6的第一连接点被连接到电压VDC。第一段6的第二连接点7被连接到阵列4的下一个段6的第一连接点。此外，该第二连接点7被连接到开关装置9，10，...。
整个LED阵列6经由可被导通或断开的这些开关装置9，10从公共接地侧电流源8 ILED馈电。在电流源8上，对每个电流路径n，有所谓的例如由MOSFET、双极晶体管或IGBT形成的共源共栅元件TC1和TC29，10作为开关装置。被称为共源共栅的是这样的情况，即两个晶体管的串联电路，其中，“下部”晶体管(在n沟道或NPN晶体管的情况下)执行控制的功能，而“上部”晶体管用于增加绝缘强度和/或输出阻抗。
该装置中的n级以这样一种方式形成，每一级包括第n个LED段6和至少一个第n开关装置9或10。第一级包括阵列4的第一段6和第一开关装置9。此外，启动第一开关装置9的另一元件也可包括在内。在图3所示的例子中，这是第一比较器或放大器11 AMP1。
共源共栅元件9，10限制横跨电流源8的电压VQ，并占据瞬时VDC和LED阵列4的激活段6的正向电压之间的差的一部分。施加到共源共栅元件9，10的栅极或基极电压VGC确定最大电压VC。有利的是，自动阈值调整保持这个电压较低。
如果电压VDC 2从小于段LED-S1 6的正向电压的值开始增大，当达到正向电压时，首先段LED-S1 6将开始传导电流。如果受电流源8限制的电流已经达到，并且VQ已达到受共源共栅元件9，10限制的值，基于VDC 2进一步增加，段电压VS1增加，而VQ保持大致恒定。
首先没有电流流过段LED-S2 6，段电压VS2约相当于电压VQ。如果VDC达到LED-S1 6和LED-S2 6的正向电压之和，LED-S26也开始导通，并且电流在TC1 9和TC2 10之间划分。和电流还通过公共电流源8 ILED确定。基于VDC 2进一步增加，电压VS2现在与VQ比较增加。该增加指示LED-S2 6被导通，经由TC1 9的电流路径可被断开。例如，断开可通过放大器或比较器11 AMP发生，其比较值是电压VQ以上的可设置幅值。为了避免切换点附近的振荡，提供具有滞后的比较器11是有利的。这尤其适用于其中具有相对高电阻的MOSFET被用作共源共栅元件9，10的情况。当使用双极晶体管时，所述双极晶体管的基极电流需要被限制。
渐进断开，例如通过具有渐进放大的简单逆变器或放大器代替比较器，对于避免由于切换操作的可能的噪声发射是有利的。
如图4所示，凭借控制电压VG2＞VG1被施加，未经TC1 9的开关，电流通过TC2 10的接收同样是可能的。当段LED-S2 6变成导通时，TC2 10增加电压VQ，TC19自动导通。VG2 14和VG1 13之间的电压差需要足够高，便于TC1 9安全断开，但是，当集成和使用具有相对高的电阻的MOSFET时，这是特别重要的。
在LED段为相对大数目的“n”的情况下，这可能会导致栅极电压VG1至VGn的控制的显著“分散”。因此，分级启动电压与进行的电流路径的切断的组合是有利的。
如果LED阵列4包括两个以上的段6，所描述的过程被重复，VDC 2进一步增加，用于随后的阶段或电流路径n+1，n+2...等。对于阵列4的“最后”段6，共源共栅元件9，10不是绝对必要的，但是就用于限制电压VQ的电路而言，是有利的。这最后的共源共栅元件9，10不需要进行切换。图3通过示例的方式示出两个共源共栅元件9和10。
一旦VDC 2已超过它的幅值，并且电压再次降低，利用相同电路，对应于瞬时电压，共源共栅元件9，10以相反的顺序再次被激活。
图5示出半个周期的电压分布，其使用LED阵列4包括具有相同数量的LED 5的四个段6的实例。在该图中，没有LED 5在电网侧AC电压2的过零点周围的区域被操作，并且没有LED电流流过。在正半周的时间的进一步过程中，电压VDC 2增加，直到在段VLED-S1 6中的LED 5的正向电压达到，电流流经该段VLED-S1 6，该段6因此照亮。在正半周期的进一步过程中，电压VDC 2继续增加，直到在段VLEDS1 6和VLED S2 6中的LED 5的正向电压达到。此时间之后，电流也流过段VLED-S26，其现在同样照亮。
此过程被进一步发展，直到所有的段6 VLED-S 1至VLED-S4中有电流流过它们并且照亮。一旦电压VDC 2的最大已达到，该电压正弦地减小，这导致段VLED-S46的正向电压不再到达。这导致电流在段VLED-S4 6的中断，因此其断开。然后，段VLED-S3 6、VLED-S2 6和VLED-S1 6依次断开，作为其结果，不再有电流流过阵列4。
具有相同段6的实施例对于应用的提供是有利的，但不是该方法的功能的先决条件。为了更好地理解，横跨电流源8上的电压降VQ未被包括在示意图中。
图3、4和6示出的恒流源8具有控制输入端，经由该控制输入端，恒定电流可被控制。因此，通过输入电压VDC 2，该恒定电流源的电流分布可选地匹配整流的脉动输入电压VDC的例如正弦电流分布。由于破坏性谐波的降低，这种匹配导致所谓的功率因数的提高。
对于使用调光器的LED灯具的操作，其以相位选通法(可控硅)或相斩波法(MOSFET或IGBT)的方式操作，电流路径需要被提供用于电容器的充电，这确定电源电压的半周期内的电流角度。
仅当第一LED段6的正向电压已经达到时，前述电路1才传导电流，然后时间确定的电容器才可以被充电。因此，没有进一步的措施，能够利用调光器实现的最大电流角度被减小。为了避免这种缩减，设计一个附加的电流路径是有利的，当电源电压VDC仍然低于第一段6例如LED-S1的正向电压时，该附加的电流路径已经被激活。
该电流被称为“泄漏电流”，因为它不用于启动LED 5本身。在图6中，在图4所示的电路已经按照相同的原则通过共源共栅或开关元件TCBL 16以及比较器或放大器15 AMPBL被扩展。泄漏电流流过，直到VDC已超过段LED-S1 6的正向电压。在这种情况下，电压VS1增大，比较器15 AMPBL停用泄放路径。而TCBL 16是激活的，电流源ILED 8提供泄漏电流。
所描述的拓扑的极性可以是相反的，即，电流源8然后被连接到正电源电压(VDC)2，“最低的”LED 5的阴极被连接到负电源(GND)。同样非常可能的是，高侧电流源被接地侧或浮置(floating)电位电流传感器控制。
附图标记列表
1   LED启动装置
2   输入端
3   输出
4   LED阵列
5   LED
6   段
7   连接/结束
8   恒流源
9   第一电子开关
10  第二电子开关
11  第一控制单元
12  第二控制单元
13  第一参考电压
14  第二参考电压
15  用于“泄漏电流”的比较器/放大器
16  开关元件TCBL

Claims (9)

1.一种用于启动发光二极管(5)的装置(1)，所述装置包括：输入端(2)，AC输入电压能够被施加到所述输入端(2)；以及串联连接的LED(5)的阵列(4)，所述阵列被连接到所述装置(1)的输出端(3)，以用于启动发光二极管，并且，所述阵列被划分成至少两个段(6)，并且其中，所述阵列(4)的每个段(6)在一端(7)被至少间接地连接到恒流源(8)，
其特征在于：所述输入端的第一连接点(2，VDC)被连接到第一段(6)的第一连接点；所述第一段(6)的第二连接点(7)被连接到同一阵列(4)的第二段(6)的第一连接点，以及连接到具有控制输入端的第一电子开关(9)的第一连接点；所述开关(9)的第二连接点被连接到所述恒流源(8)的第一连接点，所述恒流源(8)的第二连接点被连接到地电位和所述输入端的第二连接点(2，GND)；所述第二段(6)的第二连接点(7)被连接到第三段(6)的第一连接点、具有控制输入端的第二电子开关(10)的第一连接点、以及第一控制单元(11)的第一输入端；所述开关(10)的第二连接点被连接到所述恒流源(8)的所述第一连接点；所述第一控制单元(11)的第二输入端被连接到第一参考电压(13)；所述第一控制单元(11)的输出端被连接到所述第一电子开关(9)的所述控制输入端；第二控制单元(12)的第一输入端被连接到所述第三段(6)的第二连接点(7)；所述第二控制单元(12)的第二输入端被连接到第二参考电压(14)，并且所述第二控制单元(12)的输出端被连接到所述第二电子开关(10)的所述控制输入端。
2.一种用于启动发光二极管(5)的装置(1)，所述装置包括：输入端(2)，AC输入电压能够被施加到所述输入端(2)；以及串联连接的LED(5)的阵列(4)，所述阵列被连接到所述装置(1)的输出端(3)，以用于启动发光二极管，并且，所述阵列被划分成至少两个段(6)，并且其中，所述阵列(4)的每个段(6)在一端(7)被至少间接地连接到恒流源(8)，其特征在于：所述输入端的第一连接点(2，VDC)被连接到第一段(6)的第一连接点；所述第一段(6)的第二连接点(7)被连接到同一阵列(4)的第二段(6)的第一连接点，以及连接到具有控制输入端的第一电子开关(9)的第一连接点；所述开关(9)的第二连接点被连接到所述恒流源(8)的第一连接点，所述恒流源(8)的第二连接点被连接到地电位和所述输入端的第二连接点(2，GND)；所述第二段(6)的第二连接点(7)被连接到具有控制输入端的第二电子开关(10)的第一连接点，所述第二电子开关(10)的第二连接点被连接到所述恒流源(8)的第一连接点；所述第一电子开关(9)的所述控制输入端被连接到第一参考电压(13)，并且所述第二电子开关(10)的所述控制输入端被连接到第二参考电压(14)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述输入端的所述第一连接点(2，VDC)被连接到所述恒流源(8)的控制输入端。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，其特征在于，所述第一控制单元和/或第二控制单元(11，12)是放大器或比较器。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的装置，其特征在于，所述第一电子开关和/或第二电子开关(9，10)是MOSFET、双极晶体管或IGBT。
6.一种用于启动发光二极管的方法，其中，提供串联连接的发光二极管(5)的阵列(4)，所述阵列被划分成段(6)，其中，每个段(6)能够包含多个发光二极管，并具有第一连接点和第二连接点(7)，并且其中所述阵列操作于经整流的AC输入电压(VDC)，其特征在于，所述AC输入电压(VDC)能够被施加到所述阵列(4)的第一段(6)的第一连接点；在每种情况下，所述阵列(4)的所有段(6)的所述第二连接点(7)能通过一个开关装置(9，10)连接到用于产生恒定电流的装置(8)，这导致数目为n的级，其中每一级包括第n段(6)和相关的第n开关装置(9，10)；在所述AC输入电压(VDC)的幅值为零伏的情况中，所有n级的所述开关装置(9，10)全部导通；第n参考电压(13，14)与节点电压之间的比较发生，该节点电压在第n+1级的段(6)的所述第二连接点处是能够测量的；以及，对于其中所述第n参考电压比相关的节点电压低的情况中，第n级的所述开关装置被断开。
7.一种用于启动发光二极管的方法，其中，提供串联连接的发光二极管(5)的阵列(4)，所述阵列被划分成段(6)，其中，每个段(6)包含多个发光二极管，并具有第一连接点和第二连接点(7)，并且其中所述阵列操作于经整流的AC输入电压(VDC)，其特征在于，所述AC输入电压(VDC)能够被施加到所述阵列(4)的第一段(6)的第一连接点；在每种情况下，所述阵列(4)的所有段(6)的所述第二连接点(7)能通过一个开关装置(9，10)连接到用于产生恒定电流的装置(8)，这导致数目为n的级，其中每一级包括第n段(6)和相关的第n开关装置(9，10)；在所述AC输入电压(VDC)的幅值为零伏的情况中，所有n级的所述开关装置(9，10)全部导通；在n+1级的段(6)的所述第二连接点处能够测量的第n节点电压的幅值大于每一级预先设置的阈值的情况中，第n-1级的所述开关装置(9，10)被断开。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述用于产生恒定电流的装置(8)能够被所述AC输入电压(VDC)的所述幅值控制。
9.根据权利要求6至8中的一项所述的方法，其特征在于，提供电流路径，其中，对于没有电流流过所述阵列(4)的所述段(6)的情况，产生可设置的最小电流。
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