发光二极管灯及发光二极管灯组的制作方法

专利名称：发光二极管灯及发光二极管灯组的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管，特别是涉及发光二极管调光技术。
背景技术：
发光二极管(Light Emitting Diode, LED)灯，具有长寿、省电、反应时间短、低工 作温度等优势，在日常生活的使用上已逐渐取代传统钨丝灯的地位。然而，由于发光二极管 灯仅能被直流电源驱动发光，因此无法如传统钨丝灯直接与市电(交流电源)匹配，更无法 与市面上的调光器搭配使用而达到调整亮度的目的。图1为调光器与发光二极管灯的结合示意图。调光器110利用市面常见的双向 闸流管(Triode for Alternating Current, Triac)或硅控整流器(Silicon Controlled Rectifier, SCR)，可藉由改变交流电源(AC)输入的导通角而使发光负载产生明暗变化， 其中调光器110所控制的导通角如图2所示。导通角可如图2A操作于左侧的上升边缘 (Rising edge)或如图2B操作于右侧的下降边缘(Falling edge)。上述发光负载通常采 用钨丝灯，然而，若采用发光二极管灯120作为发光负载，则该调光器110与交流电源连接 的电路常因保持电流不足而不稳定，进而使该发光二极管灯120发生闪烁。图3A、;3B、3C、 3D为图1中该发光二极管灯120输入端所量测的电压波形示意图，其中图3A、3B中调光器 110的导通角调至最大；而图3C、3D中调光器110的导通角调至最小。由图3A-3D可轻易 发现，输入至该发光二极管灯120的电压波形皆不理想，进而造成发光二极管灯120无法被 调光器110顺利地调整亮度。

发明内容
本发明的目的是设计出一种可稳定调整亮度的发光二极管灯或灯具。本发明提供一种发光二极管灯，用以受一调光器的控制而调整亮度，并通过该调 光器接收一外部交流电源，该发光二极管灯包括至少一发光二极管、一整流调制驱动电路 以及一保持电流补偿电路。该整流调制驱动电路，耦接于该发光二极管与该调光器之间，用 以桥式整流及调制来自该调光器具一导通角的一交流电源以驱动该发光二极管。该保持电 流补偿电路，耦接至该整流调制驱动电路，用以当该整流调制驱动电路中的具有该导通角 的该交流电源经一桥式整流后低于一电压时提供一补偿电流。该导通角操作于该交流电源的上升边缘或下降边缘。该保持电流补偿电路包括一比较器，用以比较一参考电压及取样自该整流调制驱动电路的一取样电压，而 输出一控制讯号；以及一控制开关，耦接至该比较器的一输出端及该整流调制驱动电路及一接地端之 间，用以依据该控制讯号而控制该整流调制驱动电路与一接地间的该补偿电流。该比较器包括一第一输入端，用以接收该参考电压；以及
一第二输入端，用以接收该取样电压。其中该第一输入端为正输入端，该第二输入端为负输入端。该保持电流补偿电路还包括一电容，其耦接于该比较器的该负输入端及该输出端 之间，用以防止该比较器的输出在临界点振荡。该保持电流补偿电路还包括一第一电阻及一电源，该比较器的该输出端通过该第 一电阻耦接至该电源。该保持电流补偿电路还包括一参考电压产生器，耦接至该电源，用以产生该参考电压；以及一电压取样器，耦接至该整流调制驱动电路，用以自该整流调制驱动电路取得该 取样电压。该整流调制驱动电路包括一整流器，与该调光器耦接，对具有该导光角的该交流 电源进行桥式整流，以产生一整流电源。该整流器为由多个二极管所组成的电桥。
该取样电压取样自该整流电源。该整流调制驱动电路还包括一第一降压电路，耦接至该整流器，接收该整流电源，产生一降压电源；一输出电流控制器，耦接于该第一降压电路与该发光二极管之间；以及一脉宽调制相位控制器，分别耦接至该第一降压电路该输出电流控制器，用以调 制该降压电源而产生一脉宽调制讯号，其中该输出电流控制器根据该脉宽调制讯号驱动该 发光二极管。该第一降压电路包括一第一晶体管、一齐纳二极管及一第二电阻，该第二电阻的 一端耦接至该整流器的输出及该第一晶体管的一漏极，另一端耦接于该第一晶体管的一栅 极及该齐纳二极管的一负极，而该齐纳二极管将其一正端接地，该第一晶体管的一源极耦 接至该保持电流补偿电路的该控制开关。该控制开关包括一第二晶体管，该第二晶体管包括一栅极、一第一源/漏极及一 第二源/漏极，分别耦接该比较器的一输出端、该第一降压电路及该接地。该整流调制驱动电路还包括一功率因子校正电路，耦接于该第一降压电路与该输 出电流控制器之间，可校正该交流电源的功率因子以减少交换功率的损失。该功率因子校正电路包括一第一二极管；一第二二极管；一第三二极管；一第一 电容；以及一第二电容，其中该第一电容耦接该功率因子校正电路的一输入端与该第二二 极管的正端之间；该第二电容耦接于该第二二极管的负端与该接地之间；该第一二极管分 别将其正端及负端耦接至该接地及该第二二极管的正端；该第三二极管分别将其正端及负 端耦接至该第二二极管的负端及该功率因子校正电路的一输出端；该功率因子校正电路的 该输入端耦接至一整流器的一输出端；以及该功率因子校正电路的该输出端耦接至该输出 电流控制器的一输入端。其中该取样电压自该功率因子校正电路的该第一电容与该第一二极管间的一节 点上取得。该取样电压是取样自该整流器与该输出电流控制器之间的任一节点。该发光二极管灯其还包括一第二降压电路，耦接至该整流器的一输出端及该控制开关之间。 本发明还提供一种发光二极管灯组，其包括至少一发光二极管、一调光器、一整流 调制驱动电路以及一保持电流补偿电路。调光器用以接收一外部交流电源，产生具有一导 光角的一交流电源。整流调制驱动电路耦接于该发光二极管及该调光器之间，用以桥式整 流及调制具该导通角的该交流电源以驱动该发光二极管。保持电流补偿电路耦接至该整流 调制驱动电路，用以当该整流调制驱动电路中的具有该导通角的该交流电源经一桥式整流 后低于一电压时提供一补偿电流。


图1为调光器与发光二极管灯的结合示意图2A、2B为调光器所造成的导通角的示意图3A、3B、3C、3D为图1中发光二极管灯输入端所量测的电压波形示意图
图4A及4B分别为调光器的导通角调至最大及最小时的理想波形示意图
图5为依据本发明一较佳实施例的发光二极管灯示意图6A为整流后的电压波形示意图6B为调制后的电压波形示意图；以及
图7为依据本发明另一较佳实施例的发光二极管灯的示意图。
附图符号说明
110 调光器；
120 发光二极管灯；
500 发光二极管灯；
510 调光器；
520 发光二极管；
530 整流调制驱动电路；
532 整流器；
534 脉宽调制相位控制器；
535 降压电路；
536 输出电流控制器；
538 功率因子校正电路；
540 保持电流补偿电路；
542 参考电压产生器；
544 电压取样器；
546 比较器；
548 控制开关；
735 降压电路；
Bl --电桥；
Cl -- C3 电容；
Dl --D3 二极管；
Rl --R9 电阻；
Zl Z2 齐纳二极管。
具体实施例方式下文为介绍本发明的较佳实施例。各实施例用以说明本发明的原理，但非用以限 制本发明。本发明的范围以本发明的权利要求为准。图4A及4B分别为调光器的导通角调至最大及最小时的理想波形示意图。本发明 的目的即在于将现有技术中发光二极管灯与调光器连结时所产生的不良电压波形，经由补 偿电流校正成图4A、4B中的理想电压波形，进而使发光二极管灯的亮度可受调光器的控制 及调整。图5为依据本发明一较佳实施例的发光二极管灯的示意图。该发光二极管灯500 插入附有调光器510的灯座，该发光二极管灯500受调光器510的控制而调整亮度，并通过 该调光器510接收一外部交流电源。该调光器510可为双向间流管或硅控整流器，但不以 此为限。外部交流电源经由该调光器510输出一具有导通角的一交流电源，该调光器510 用以控制该交流电源的该导通角。其中调光器510的原理如先前技术中所述，本文不再赘述。该发光二极管灯500 的外观可作成各种形式的灯管或灯泡，并可与各种形式的灯座、调光器组装或拆卸。发光二极管灯500包括至少一发光二极管520以及一整流调制驱动电路530。其 中该整流调制驱动电路530用以桥式整流及调制来自该调光器510具有导通角的该交流电 源以驱动该发光二极管520，该导通角可操作于该交流电源的上升边缘或下降边缘(分别 如图2A及图2B所示)。在本实施例中，该整流调制驱动电路530包括一整流器532、一脉 宽调制(Pulse WidthModulation, PWM)相位控制器5；34及一输出电流控制器536、一功率 因子校正电路538及一降压电路535。该整流器532可为由多个二极管所组成的电桥B 1， 用以接受来自该调光器510的具有导通角的交流电源，并对该交流电源进行桥式整流，而 产生一整流电源。若调光器510设定的导通角大约为90度，则经桥式整流后的电压波形将 如图6A所示。该脉宽调制相位控制器534分别耦接至该整流器532及该输出电流控制器 536，可根据该整流电源而产生各种工作周期(duty cycle)的脉宽调制讯号，如图6B所示。 该输出电流控制器536耦接至该发光二极管520及该整流器532之间，可根据该脉宽调制 讯号驱动该发光二极管520。在本实施例中，该降压电路535如图5所示由晶体管Ql、齐纳二极管Zl及电阻Rl 所组成，该降压电路535耦接至该整流器532、脉宽调制相位控制器534及输出电流控制器 之间，用以降低输入至该脉宽调制相位控制器534的电压，接收该整流电源，产生一降压电 源。在本实施例中，该降压电路535如图5所示由晶体管Q1、齐纳二极管Zl及电阻Rl所 组成，其中该电阻Rl的一端耦接至该整流器532的输出及该晶体管Ql的一漏极，其另一端 耦接于晶体管Ql的一栅极及该齐纳二极管Zl的一负极，而该齐纳二极管Zl将其一正端接 地，晶体管Ql的一源极耦接至该保持电流补偿电路540的该控制开关M8。该功率因子校正(Power Factor Correction, PFC)电路538耦接于该降压电路 535与该输出电流控制器536之间，可校正该交流电源的功率因子以减少交换功率的损失。 在本实施例中，该功率因子校正电路538如图5所示由二极管D1、D2、D3以及电容Cl及C2 组成，并且包括一输入端、一输出端及一接地端，其中电容Cl耦接输入端与二极管D2的正端之间；电容C2耦接于二极管D2的负端与该接地端之间；二极管Dl分别将其正端及负端 耦接至接地端及二极管D2的正端；而二极管D3则分别将其正端及负端耦接至二极管D2的 负端及输出端，此外，该功率因子校正电路538的该输入端耦接至整流器532的输出端，而 该功率因子校正电路538的该输出端耦接至该输出电流控制器536的输入端。值得注意的 是，在其它实施例中，该功率因子校正电路538及该降压电路535可能具有其它形式，本发 明不必以此为限。此外，也可不设置该功率因子校正(Power Factor Correction, PFC)电路，此时， 该电压取样器544取得的取样电压取样自该整流器532与该输出电流控制器536之间的任 一节点。除了上述该发光二极管520及该整流调制驱动电路530外，本发明的特征在于发 光二极管灯500还具有一保持电流补偿电路540，用以当该整流调制驱动电路530中的具有 导光角的交流电源经桥式整流后(亦即该整流电源)低于一电压时提供一补偿电流。该保 持电流补偿电路540包括一参考电压产生器M2、一电压取样器M4、一比较器546及一控 制开关M8，其中各组件的详细功用请见下述。在本实施例中，比较器M6包括一正输入端(标示为“ + ”)，耦接至参考电压产生器 M2，用以接收参考电压，以及一负输入端(标示为“_” )，耦接至该电压取样器M4，用以接 收取样电压。然而，在其它实施例中，比较器546亦可改成由正输入端接收取样电压，负输 入端接收参考电压(但必须将图5中所示的控制开关548改成反向电路，例如将N型金属 氧化物半导体场效晶体管改为P型金属氧化物半导体场效晶体管，以达到相同的目的)。比 较器546的输出端耦接至该控制开关548外，还通过一电阻R9耦接至一电源VCC。在此实 施例中，馈入该正输入端的参考电压是由该参考电压产生器542所产生。在本实施例中，该 参考电压产生器542是由齐纳二极管Z2及电阻R2、R3、R4所组成，本领域的技术人员可使 用各种电路产生该参考电压，本发明不必以此为限。馈入该负输入端的取样电压是由该电 压取样器M4自该整流调制驱动电路530所取得。在一较佳实施例中，如图5所示，该取样 电压可自整流调制驱动电路530中该功率因子校正电路538的电容Cl与二极管Dl间的节 点上取得。值得注意的是，取得该取样电压的目的是为了检知该整流调制驱动电路530中 电源电压，因此，在其它实施例中，该取样电压可自该功率因子校正电路538上任意节点取 得(例如二极管D3的两个端点)。在本实施例中，该电压取样器544是通过电阻R5及R6 取得适当的分压。本领域的技术人员可依本发明的精神自行设计，不必以本实施例为限。另外，本发明的比较器546可在负输入端到输出端间加入一电容C3以供磁滞操 作，进而防止比较器546的输出在临界点振荡。在实际情况中，该电容的存在可用以分开该 发光二极管的调光范围中一向上调整点及一向下调整点。比较器M6的作用在于比较该参考电压及该取样电压而产生一控制讯号，而该控 制开关548又依据该控制讯号而控制该整流调制驱动电路530与接地GND间的补偿电流。 举例而言，当操作于小的导通角时(参照图2)，由于输入该发光二极管灯500的电压会随时 间呈线性的变化，故比较器546的负输入端上的电压亦会由OV开始随时间呈线性增加。此 时，比较器546的输出电压将由大变小(和图2电压波形相反)，使得控制开关548的补偿 电流亦呈线性变化。当比较器M6的负输入端上电压大于正输入端电压时，控制开关548 具有最小的补偿电流。简言之，当该交流电源经过一桥式整流后低于一电压时，该补偿电流是做为保持电流补偿之用。更详细地说，该发光二极管灯500与调光器510间保持电流不 足为造成电压波形不良的主因，而本发明的作法即在改善该电压波形。上述保持电流补偿 电路540将该整流调制驱动电路530上取样的取样电压与一预设的参考电压进行比较后， 若发现保持电流低至不可接受的程度时，则本发明的保持电流补偿电路540会自动地与该 整流调制驱动电路530形成一回路，使得该整流调制驱动电路530通过接地GND与交流电 源连结而使交流电源获得调节，进而校正输出至该发光二极管灯500的电压波形，达到稳 定发光二极管灯500亮度的目的。在本实施例中，该控制开关548包括一晶体管Q2，该晶体管包括一栅极G、一漏极D 及一源极S，分别耦接该比较器M6的输出端、该整流调制驱动电路530中的一电源节点及 一接地GND。在本较佳实施例中，该电源节点可以是降压电路535的输出端(即晶体管Ql 的源极)，晶体管Q2的漏极耦接该降压电路535的目的是为了获得一较低的工作电压，进而 缩减其尺寸并降低制造成本。在其它实施例中，该晶体管Q2的漏极亦可通过如图7所示的 另一降压电路735而耦接至其它电源节点(例如晶体管Ql的漏极，亦即，整流器532的输 出端)，其中该降压电路735又可由至少一齐纳二极管所构成。在其它实施例中，本领域的 技术人员可依本发明的精神自行设计或变更。除了上述的发光二极管灯外，本发明还提供一发光二极管灯组。参照图5，本发明 的发光二极管灯组除了同前述的发光二极管520、整流调制驱动电路530、保持电流补偿电 路540 (包括参考电压产生器M2、电压取样器M4、比较器546及控制开关M8)之外，还将 该调光器510包括在内。由于本发明的发光二极管灯组具有与前述实施例相同的特征，故 本文将不再赘述。本发明虽以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域的技 术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可做若干的更动与润饰，因此本发明的保 护范围以本发明的权利要求为准。
权利要求
1.一种发光二极管灯，用以受一调光器的控制而调整亮度，并通过该调光器接收一外 部交流电源，该发光二极管灯包括至少一发光二极管；一整流调制驱动电路，耦接于该发光二极管及该调光器之间，用以桥式整流及调制来 自该调光器具有一导通角的一交流电源以驱动该发光二极管；以及一保持电流补偿电路，耦接至该整流调制驱动电路，用以当该整流调制驱动电路中的 具有该导通角的该交流电源经一桥式整流后低于一电压时提供一补偿电流。
2.如权利要求1所述的发光二极管灯，其中该导通角操作于该交流电源的上升边缘或 下降边缘。
3.如权利要求1所述的发光二极管灯，其中该保持电流补偿电路，包括一比较器，用以比较一参考电压及取样自该整流调制驱动电路的一取样电压，而输出 一控制讯号；以及一控制开关，耦接至该比较器的一输出端及该整流调制驱动电路及一接地端之间，用 以依据该控制讯号而控制该整流调制驱动电路与一接地间的该补偿电流。
4.如权利要求3所述的发光二极管灯，其中该比较器，包括一第一输入端，用以接收该参考电压；以及一第二输入端，用以接收该取样电压。
5.如权利要求4所述的发光二极管灯，其中该第一输入端为正输入端，该第二输入端 为负输入端。
6.如权利要求5所述的发光二极管灯，其中该保持电流补偿电路还包括一电容，其耦 接于该比较器的该负输入端及该输出端之间，用以防止该比较器的输出在临界点振荡。
7.如权利要求6所述的发光二极管灯，其中该保持电流补偿电路还包括一第一电阻及 一电源，该比较器的该输出端通过该第一电阻耦接至该电源。
8.如权利要求7所述的发光二极管灯，其中该保持电流补偿电路，还包括一参考电压产生器，耦接至该电源，用以产生该参考电压；以及一电压取样器，耦接至该整流调制驱动电路，用以自该整流调制驱动电路取得该取样 电压。
9.权利要求3所述的发光二极管灯，其中该整流调制驱动电路包括一整流器，与该调 光器耦接，对具该导光角的该交流电源进行桥式整流，以产生一整流电源。
10.权利要求9所述的发光二极管灯，其中该整流器为由多个二极管所组成的电桥。
11.如权利要求9所述的发光二极管灯，其中该取样电压是取样自该整流电源。
12.如权利要求9所述的发光二极管灯，其中该整流调制驱动电路还包括一第一降压电路，耦接至该整流器，接收该整流电源，产生一降压电源；一输出电流控制器，耦接于该第一降压电路与该发光二极管之间；以及一脉宽调制相位控制器，分别耦接至该第一降压电路该输出电流控制器，用以调制该 降压电源而产生一脉宽调制讯号，其中该输出电流控制器根据该脉宽调制讯号驱动该发光 二极管。
13.如权利要求12所述的发光二极管灯，其中该第一降压电路包括一第一晶体管、一 齐纳二极管及一第二电阻，该第二电阻的一端耦接至该整流器的输出及该第一晶体管的一漏极，另一端耦接于该第一晶体管的一栅极及该齐纳二极管的一负极，而该齐纳二极管将 其一正端接地，该第一晶体管的一源极耦接至该保持电流补偿电路的该控制开关。
14.如权利要求12所述的发光二极管灯，其中该控制开关包括一第二晶体管，该第二 晶体管包括一栅极、一第一源/漏极及一第二源/漏极，分别耦接该比较器的一输出端、该 第一降压电路及该接地。
15.如权利要求12所述的发光二极管灯，其中该整流调制驱动电路还包括一功率因子 校正电路，耦接于该第一降压电路与该输出电流控制器之间，可校正该交流电源的功率因 子以减少交换功率的损失。
16.如权利要求15所述的发光二极管灯，其中该功率因子校正电路包括一第一二极 管；一第二二极管；一第三二极管；一第一电容；以及一第二电容，其中该第一电容耦接该 功率因子校正电路的一输入端与该第二二极管的正端之间；该第二电容耦接于该第二二极 管的负端与该接地之间；该第一二极管分别将其正端及负端耦接至该接地及该第二二极管 的正端；该第三二极管分别将其正端及负端耦接至该第二二极管的负端及该功率因子校正 电路的一输出端；该功率因子校正电路的该输入端耦接至一整流器的一输出端；以及该功 率因子校正电路的该输出端耦接至该输出电流控制器的一输入端。
17.如权利要求16所述的发光二极管灯，其中该取样电压自该功率因子校正电路的该 第一电容与该第一二极管间的一节点上取得。
18.权利要求12所述的发光二极管灯，其中该取样电压是取样自该整流器与该输出电 流控制器之间的一节点。
19.如权利要求9所述的发光二极管灯，其还包括一第二降压电路，耦接至该整流器的 一输出端及该控制开关之间。
全文摘要
本发明涉及发光二极管灯及发光二极管灯组。该发光二极管灯，用以受一调光器的控制而调整亮度，并通过该调光器接收一外部交流电源，该发光二极管灯包括至少一发光二极管、一整流调制驱动电路以及一保持电流补偿电路。该整流调制驱动电路，耦接于该发光二极管与该调光器之间，用以桥式整流及调制来自该调光器具有一导通角的一交流电源以驱动该发光二极管。该保持电流补偿电路，耦接至该整流调制驱动电路，用以当该整流调制驱动电路中的具有该导通角的该交流电源经一桥式整流后低于一电压时提供一补偿电流。
文档编号F21Y101/02GK102062376SQ20091022203
公开日2011年5月18日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者刘国瑞, 方嘉隆, 赵永祥 申请人:台达电子工业股份有限公司