一种led与荧光灯镇流器兼容的接口电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及LED与荧光灯电子镇流器兼容的接口电路，该电路在荧光电子灯镇流的起辉电容上并联一个电容C，电容C与电子镇流器的推挽电路进行无功交换，推挽电路对视在功率进行恒功率控制，则无功增大有功必定减小，所以调节电容C的容量便调节了电子镇流器的有功输出，以此原理设计的接口电路具有简单低损耗的特点，为第一种接口电路，此外用整流电路将直流LED串入起辉电容的谐振回路同样能有效降低电子镇流器的输出功率，此为第二种接口电路。
【专利说明】一种LED与荧光灯镇流器兼容的接口电路
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于LED照明领域，特别涉及一种与荧光灯镇流器兼容的接口电路， 具体说是用于荧光灯电子镇流器的单相转换电路及其LED灯。
【背景技术】
[0002] 进入21世纪后，能源与环境显得越发重要，节能环保成为人们的共识。当前，照明 约占世界总能耗的20%左右，若能以耗能低、寿命长、环保安全的LED取代目前低效率、高 耗电的传统照明，无疑将带来一场世界性的照明革命，对我国的可持续发展更具有战略意 义。2004年，我国出现了自上世纪90年代以来最为严重的缺电现象，全国26个省市拉闸 限电，仅华东地区就因拉闸限电造成了超过200亿元人民币的损失。2004年我国发电总量 为2. 187万亿千瓦时，其中又有80%为火力发电，燃烧大量的原煤和石油，产生大量的污染 物，而只要目前1/3的白炽灯被LED代替的话，每年就可以为国家节省用电1000亿千瓦时， 这相当于节省一个三峡工程的年发电量。认识到半导体照明的重要性，各国已纷纷开展半 导体照明计划。
[0003] 发光二极管（LED)作为新型高效固体光源，具有高效、节能、环保、寿命长、安全、 色彩丰富、体积小、响应速度快、耐振动、易维护等显著优点。它的出现被公认为是21世纪 最具发展前景的高【技术领域】之一。照明应用是全球第二大能源消耗，约占所有能源消耗的 19%。若用LED替代传统白炽灯，将节约90%的耗电量。据估计，如果2010年我国有1/3以 上的白炽灯被半导体照明技术所取代，那么一年可节约照明用电1000亿度，节省原煤〇. 5 亿t，减少废气及尘渣排放量约667万t。据日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的 LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯，相当于每年可节约60亿升原油。据美国圣地亚哥国 家实验室的JeffNelson博士预言，全球的白炽灯和日光灯都被白光LED取代的话，将节约 38座核电站的发电量[1]。因此，发展LED产业、推进LED的照明应用进程，将可较大幅度 地降低能源消耗和环境污染，对我国的可持续发展具有重大战略意义。
[0004] 由上所述，用LED取代荧光灯是具有非常大的经济、环境效益的。而考虑到重新布 线的巨大成本，理想的置换方案应该是在不需要拆除原有灯具、也不需要对原设备的电路 进行改装的情况下，有学者提出（N. Chen and H. Chung，"A Universal Driving Technology for Retrofit LED Lamp for Fluorescent Lighting F ixtures，', Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC),2012Twenty-SeventhAnnual IEEE, pp.980-987, Feb. 2012)直接用LED置换灯具将荧光灯管换下。
[0005] 这个理想方案的问题在于，LED的驱动技术与荧光灯管的驱动技术是不一样的，电 子镇流器不能正常驱动LED发光。因此需要在电子镇流器的输出上连接必要的电路，以达 到对LED的正常驱动，将这部分电路与LED集成制造成LED置换灯具，就可以实现对荧光灯 管的置换了。
[0006] 美国、日本、韩国、中国以及一些欧洲国家等，都在进行不同程度的LED照明计划， 将数以亿计的荧光灯换装为LED。如美国已经在2010年实现55%的荧光灯替换，并将在未 来实现更高的替换率。
[0007] 目前，电子镇流器不能正常驱动LED发光，原因之一在于相等流明亮度下，LED的 能耗不及荧光灯的一半，电子镇流器的设计在于保证荧光灯亮度基本不变，即恒功率输出， 导致替换后不能正常驱动LED ;原因之二在于采用不可控电路进行转换，就难以降低电子 镇流器的输出功率，采用限流或可控电路进行转换，效率又会大大降低，最佳的办法是电子 镇流器自动降低输出功率，但是在既不拆除原有灯具、也不对原设备的电路进行改装的情 况下很难实现。 实用新型内容
[0008] 本实用新型的目的是提供一种在不需要拆除原有灯具、也不需要对原设备的电路 进行改装的情况下的LED与荧光灯镇流器兼容的接口电路。
[0009] 本实用新型的技术方案如下：一种LED与荧光灯镇流器兼容的接口电路，其特征 在于：具有两个灯头1和2,分别对应于电子镇流器灯座的两个端头灯座1和2,灯头1插入 灯座1，并将该灯座1的两个阴极触点A、a引出；同理，灯头2插入灯座2,并将该灯座2的 两个阴极触点B、b引出；二极管D1和D2正向串联作为桥臂，连接点为第一中间节点，桥臂 两端为直流端，第一中间节点与阴极触点A相连，作为三相整流桥的桥臂一；二极管D5和 D6正向串联作为桥臂，连接点为第二中间节点，桥臂两端为直流端，第二中间节点与阴极触 点a相连，作为三相整流桥的桥臂二；二极管D3和D4正向串联作为桥臂，连接点为第三中 间节点，桥臂两端为直流端，将阴极触点B和b短接，第三中间节点与阴极触点B和b相连， 作为三相整流桥的桥臂三；该三相整流桥的直流端并联作为直流侧，并且作为LED的直流 电源。
[0010] 一种在不需要拆除原有灯具、也不需要对原设备的电路进行改装的情况下用于荧 光灯电子镇流器灯座的功率可设定的单相转换电路，其特征在于：具有两个灯头，一个灯 头插入灯座，并将该灯座的阴极触点短接后引出作为一端，同理，另一个灯头插入另一个灯 座，短接阴极触点后引出作为另一端，电容C与交流照明电路并联为一块，该块连接在两端 构成回路。
[0011] 优点是，将荧光灯电子镇流器的四个阴极触点转换为单相两触点，同时改变电容C 的容值能够改变荧光灯电子镇流器提供给单相电路的功率；环形荧光灯电子镇流器也具有 两灯座四个阴极触点，其特点是两个灯座位置很靠近，则对应的单相转换电路的灯头位置 也很靠近，同样适用于环形灯管。
[0012] 将所述单相转换电路的发明具体化，单相转换电路为不可控AC LED提供电源，得 到本实用新型提供的用于电子镇流器灯座的功率可调的LED灯电路，其特征在于，将电子 镇流器一个灯座的两阴极触点短接为一端，将电子镇流器另一灯座的两阴极触点短接为另 一端，电容C与AC LED并联为一块，该块跨接在两端。所述AC LED即交流LED是指，由LED、 二极管或无源滤波电路组成的不可控电路，与直流LED不同，能工作于交流电压的正半周 和负半周，具有双边的伏安特性曲线。
[0013] 优点是，采用不可控AC LED有效降低电路损耗，通过调节电容C来控制AC LED的 功率，达到了可控的效果。
[0014] 将所述用于电子镇流器灯座的功率可调的LED灯电路进一步细化，按ACLED分为 用于电子镇流器灯座的功率可调的纯LED灯、用于电子镇流器灯座的功率可调的纯二极管 灯两种，所述纯LED的AC LED是指，用直流LED按照正反并联后串联的结构或按照整流桥 的结构连接的纯LED电路，以及任何可以想到的整流电路或简单替换；所述用于电子镇流 器灯座的功率可调的纯二极管灯，其特征在于，二极管D1和D2串联成为一个整流桥臂，连 接点为中间节点，桥臂两端为直流端；二极管D3和D4串联成为另一个整流桥臂，两桥臂直 流端并联作为直流侧，无源低通滤波器与直流LED并联为一块，该块连接在直流侧两端；电 容C跨接在两中间节点；一个灯头插入灯座，并将该灯座的阴极触点短接后引出作为一端， 同理，另一个灯头插入另一个灯座，短接后引出作为另一端，两中间节点连接于两端构成回 路。
[0015] 所述纯二极管电路不应以桥式整流电路和电容滤波为限，还应包括带中心抽头的 变压器与二级管组成的半压桥式整流、变压整流，或电感、电容、电阻串并联组成的消谐电 路，或在直流LED两端并联反向的肖特基二极管作为保护电路，或两个肖特基二极管正反 向串联作为保护电路与直流LED并联，以及任何可以想到的类似整流电路或简单替换。
[0016] 优点是：为减小频闪对人眼的损伤，各国对荧光灯工作频率有严格的规定，并联 电容C，虽然能够调节镇流器的输出功率，但是改变了镇流器的工作频率，不控整流将交流 转换为直流脉波，再将直流脉波通过并联电容或串联电感组成的低通滤波器变成纯净的直 流，用此直流驱动直流LED，有效地解决了频闪的问题。
[0017] 此外，本实用新型提供一种在不需要拆除原有灯具、也不需要对原设备的电路进 行改装的情况下用于电子镇流器的三相整流桥作为转换电路的LED灯，其特征在于：两个 二极管串联作为桥臂，连接点为中间节点，桥臂两端为直流端，中间接点作为整流桥臂的一 相；同理，由D1至D6共6个二极管两两组成的三个桥臂，其直流端并联作为直流侧，直流侧 接入无源低通滤波器滤波后作为LED的直流电源，中间接点作为三桥臂整流桥的三相；阴 极A和a分别作为两相，阴极B和b短接后作为另一相，共计三相，与三桥臂整流桥的三相 一对一连接。
[0018] 该电路的优点是在回路中不串联电阻性元件的条件下，将电子镇流器的输出功率 减小约50%。据此整流原理还可以得到变压整流的LED灯，根据采用的变压类型划分有： 自耦变和普通变压器，根据采用变压器的数目划分有：单个变压和双变压器。采用变压整流 的LED灯如下所述。
[0019] 本实用新型的供一种双自耦变的半压桥式整流作为转换电路的LED灯，其特征在 于：二极管D1与D2反向串联作为桥臂，连接点作为直流端的正极，桥臂两端连接在变压器 T1两端，变压器T1中心抽头作为直流端的负极；同理，变压器T2与二极管D5、D6连接；两 个二极管D3、D4串联作为桥臂，连接点为中间节点，桥臂两端为直流端，中间接点作为整流 桥臂的一相与阴极2的两触头B或b连接，触头B和b短接；三个直流端并联作为直流侧， 直流LED与低通滤波器的滤波电容C2并联后接入直流侧。所述双自耦变的半压桥式整流 作为转换电路的LED灯不应以自耦变和半压桥式整流为限，还应包含普通变压器变压后采 用全桥式整流电路整流。
[0020] 特点在于：与三相整流桥作为转换电路的LED灯相比，直流侧输出电压降低一半。
[0021] 本实用新型的供一种单自耦变的半压桥式整流作为转换电路的LED灯，其特征在 于，与双自耦变的半压桥式整流作为转换电路的LED灯相比，不同点是，去掉了变压器T2和 二极管D5、D6,仅使用了一个变压器Tl，T1跨接在阴极1的触点A和a两端。
[0022] 优点是：与双自耦变的半压桥式整流作为转换电路的LED灯相比，减少了一组半 压整流电路。
[0023] 本实用新型提供一种带中心抽头的变压整流桥作为转换电路的LED灯，其特征在 于，与单自耦变的半压桥式整流作为转换电路的LED灯相比，不同点是，自耦变T1上增加了 原边绕组，且自耦变T1不再跨接在阴极1的触点A和a两端，原边绕组和自耦变T1组成新 的变压器，新的变压器的原边跨接在阴极1的触点A和a两端。
[0024] 特点是直流侧输出电压可根据原副边绕组比例改变。
[0025] 上述各种LED与荧光灯电子镇流器的兼容接口电路的优点是，简单有效地降低甚 至调节电子镇流器的输出功率，同时效能基本不变（在不需要拆除原有灯具、也不需要对 原设备的电路进行改装的情况下）。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是本实用新型提供的一种用于荧光灯电子镇流器灯座的功率可设定的单相 转换电路图。
[0027] 图2是本实用新型提供的一种用于电子镇流器灯座的功率可调的LED灯电路图。
[0028] 图3是本实用新型提供的用于电子镇流器的功率可调的纯LED灯电路图。
[0029] 图41是30个LED的螺旋拓扑AC LED并联不同容值电容时电流特性曲线图。
[0030] 图42是30个LED的螺旋拓扑AC LED并联不同容值电容时电压特性曲线图。
[0031] 图51是C = 10nF两串LED并联时单串LED电流波形图。
[0032] 图52是C = 10nF两串LED并联时单串LED电压波形图。
[0033] 图6是本实用新型提供的一种用于电子镇流器的纯二极管灯电路图。
[0034] 图7是本实用新型提供的一种用于电子镇流器的三相整流桥作为转换电路的LED 灯电路图。
[0035] 图8是本实用新型提供的一种用于电子镇流器的双自耦变的半压桥式整流作为 转换电路的LED灯电路图。
[0036] 图9是本实用新型提供的一种用于电子镇流器的单自耦变的半压桥式整流作为 转换电路的LED灯电路图。
[0037] 图10是本实用新型提供的一种用于电子镇流器的带中心抽头的变压整流桥作为 转换电路的LED灯电路图。
【具体实施方式】
[0038] 本实用新型提供一种LED与荧光灯镇流器兼容的接口，该接口是一类很简单的电 路，在不需要拆除原有灯具、也不需要对原设备的电路进行改装的情况下有效降低甚至调 节电子镇流器的输出功率以适应LED的低功耗，且效能基本不变。
[0039] 实施例1功率可设定的单相转换电路
[0040] 图1是本实用新型提供的用于荧光灯电子镇流器灯座的功率可设定的单相转换 电路图
[0041] 图1中，电容C1是镇流器起辉电容，虚线框内是电子镇流器的推挽电路，输出电压 是es，输出电流是is ;荧光灯架两端分别有两个灯座，每个灯座内有阴极，包含两个触头， 设一个灯座为阴极1，其两个触头是A和a，另一个灯座上为阴极2,其两个触头是B和b ;点 划线内是单相转换电路，其特征在于：具有两个灯头，一个灯头插入灯座，并将该灯座的阴 极触点短接后引出作为一端，同理，另一个灯头插入另一个灯座，短接后引出作为另一端， 电容C与交流照明电路并联为一块，该块连接在两端构成回路。
[0042] 其优点是将荧光灯电子镇流器的四个阴极触点转换为单相两触点，同时改变电容 C的容值能够改变荧光灯电子镇流器提供给单相电路的功率；环形荧光灯电子镇流器也具 有两灯座四个阴极触点，其特点是两个灯座位置很靠近，则对应的单相转换电路的灯头位 置也很靠近，同样适用于环形灯管。
[0043] 实施例2单相转换电路具体化-采用AC LED即交流LED
[0044] 图2是本实用新型提供的用于电子镇流器灯座的功率可调的LED灯电路图，图2 中，电容C1是镇流器起辉电容，虚线框内是电子镇流器的推挽电路，输出电压是es，输出电 流是is ;荧光灯架两端分别有两个灯座，每个灯座内有阴极，包含两个触头，一个灯座上的 阴极1的两个触头是A和a，另一个灯座上的阴极2的两个触头是B和b。本实用新型提供 的用于电子镇流器灯座的功率可设定的纯LED灯，其特征在于：将电子镇流器阴极1的触头 A和a短接为一端，将电子镇流器阴极2的触头B和b短接为另一端，电容C与AC LED并联 为一块，该块跨接在两端。
[0045] 该电路的特点是，通过改变电容C的容量，能够设定或调节推挽电路输入到ACLED 电路的功率。
[0046] 所述AC LED即交流LED是由LED、二极管或无源滤波电路组成的不可控电路，与直 流LED不同，能工作于交流电压的正半周和负半周，具有双边的伏安特性曲线。
[0047] 图3是本实用新型提供的用于电子镇流器的功率可调的纯LED灯电路图。图3是 图2所示电路的进一步具体化，与图2的不同在于：采用螺旋拓扑作为AC LED电路结构（申 请人：刘晓博，发明名称：螺旋拓扑及其矩阵整流结构，申请号：201210522576. 5)。
[0048] 图41和图42是采用图3所示电路在电容C为不同容值时AC LED的电流和电压 特性曲线。图41和图42中，横轴X为电容C的容值，单位是纳法，纵轴是AC LED的电流或 电压值，单位是毫安或伏特；实施中，采用由30个LED组成的螺旋拓作为AC LED，推挽电路 为驱动额定38W荧光灯的电子镇流器，C1为3300pF。当电容C容值在0?10nf的时候， AC LED电流和电压随容值增大而增大，电流最大达到约350mA，电压最大约为95V ;容值在 10?45nf的时候，AC LED电流和电压随电容增大而减小。
[0049] 所以本实用新型提供的用于电子镇流器灯座的功率可调的纯LED灯，仅通过改变 电容C的容量，便能够设定或调节电子镇流器电路输入到AC LED电路的功率；若电容C是 可调电容，便能在运行时调节LED灯的功率，若电容C是定值电容，则可以通过选择合适的 电容值使得LED在设定的功率下运行；此外该灯结构简单，且由于无限流电阻，效率较高。
[0050] 图51是C = 10nF两串LED并联时单串LED电流波形图，图52是C = 10nF两串 LED并联时单串LED电压波形图。实施中，C=10nf时电流最大值超过300mA。所以，由30 个LED按螺旋拓扑组成单串，单串额定电流160mA，采用两个单串并联的结构。图51中，电 流的幅值以l〇ms为周期在160mA附近波动，这是由于推挽电路的直流侧电压并非恒定的直 流300V，而是具有一定纹波的直流电压，其纹波的频率恰好为2倍的工频。所以图41和图 42中画出了最大有效值和最小有效值两条曲线，分别对应纹波波峰和波谷时刻。
[0051] 图6是本实用新型提供的纯二极管灯电路图。为减小频闪对人眼的损伤，各国对 荧光灯工作频率有严格的规定。并联电容C，虽然能够调节镇流器的输出功率，但是改变了 镇流器的工作频率；所以本实用新型提供了采用了整流滤波电路驱动直流LED的AC LED作 为光源，其特征在于：二极管D1和D2串联成为一个整流桥臂，连接点为中间节点，桥臂两端 为直流端；二极管D3和D4串联成为另一个整流桥臂，两桥臂直流端并联作为直流侧，电容 C2作为低通滤波器与直流LED并联为一块，该块连接在直流侧两端；电容C跨接在两中间 节点；一个灯头插入灯座，并将该灯座的阴极触点短接后引出作为一端，同理，另一个灯头 插入另一个灯座，短接后引出作为另一端，两中间节点连接于两端构成回路。
[0052] 图6与图3的不同是AC LED采用了整流滤波电路驱动直流LED的结构，如此做法 通过不控整流将交流转换为直流脉波，再将直流脉波通过并联电容或串联电感组成的低通 滤波器变成纯净的直流，用此直流驱动直流LED，有效地解决了频闪的问题。
[0053] 所述整流滤波电路不应以图6中桥式整流和电容滤波为限，还应包括带中心抽头 的变压器与二级管组成的半压整流、变压整流，或电感、电容、电阻串并联组成的消谐电路， 或在直流LED两端并联反向的肖特基二极管作为保护电路，或两个肖特基二极管正反向串 联作为保护电路与直流LED并联，以及任何可以想到的类似电路或简单替换。
[0054] 实施例3功率不可调的单相转换电路
[0055] 图7是三相整流桥作为转换电路的LED灯电路图，图7中，电容C1是镇流器起辉 电容，虚线框内是电子镇流器的推挽电路，输出电压是es，输出电流是is ;荧光灯架两端分 别有两个灯座，每个灯座内有阴极，包含两个触头，一个灯座上的阴极1的两个触头是A和 a，另一个灯座上的阴极2的两个触头是B和b ;本实用新型提供的一种用于电子镇流器的 三相整流桥作为转换电路的LED灯电路，其特征在于：
[0056] 两个二极管串联作为桥臂，连接点为中间节点，桥臂两端为直流端，中间接点作为 整流桥臂的一相。同理，由D1至D6共6个二极管两两组成的三个桥臂，其直流端并联作为 直流侧，直流侧通过低通滤波后作为LED的直流电源，中间接点作为三桥臂整流桥的三相； 阴极A和a分别作为两相，阴极B和b短接后作为另一相，共计三相，与三桥臂整流桥的三 相一对一连接。
[0057] 该电路的特点是在回路中不串联电阻性元件的条件下，将推挽电路的输出功率减 小约50%，适用于LED的低功耗。
[0058] 图8是双自耦变的半压桥式整流作为转换电路的LED灯电路图-
[0059] 图8中，二极管D1与D2反向串联作为桥臂，连接点为作为直流端的正极，桥臂两 端连接在变压器T1两端，变压器T1中心抽头作为直流端的负极；同理，变压器T2与二极管 D5、D6连接；两个二极管D3、D4串联作为桥臂，连接点为中间节点，桥臂两端为直流端，中间 接点作为整流桥臂的一相与阴极2的两触头B或b连接，触头B和b短接；三个直流端并联 作为直流侧，直流LED与低通滤波器的滤波电容C2并联后接入直流侧。与图7所示电路的 不同是，直流侧输出电压降低一半。
[0060] 图9是单自耦变的半压桥式整流作为转换电路的LED灯电路图。图9中，与图8 所示电路的不同是，去掉了变压器T2和二极管D5、D6,仅使用了一个变压器Tl，T1跨接在 阴极1的触点A和a两端，从而减少了一组半压整流电路。
[0061] 图10是带中心抽头的变压整流桥作为转换电路的LED灯电路图。图10中，与图9 所示电路的不同是，原自耦变T1上增加原边绕组，原自耦变T1成为副边绕组，且不再跨接 在阴极1的触点A和a两端，原边和副边组成新的变压器，新变压器的原边跨接在阴极1的 触点A和a两端。特点是，直流侧输出电压可根据原副边绕组比例改变。
[〇〇62] 以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到 的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该 以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1. 一种LED与荧光灯镇流器兼容的接口电路，其特征在于：具有两个灯头1和2,分别 对应于电子镇流器灯座的两个端头灯座1和2,灯头1插入灯座1，并将该灯座1的两个阴 极触点A、a引出；同理，灯头2插入灯座2,并将该灯座2的两个阴极触点B、b引出；二极 管D1和D2正向串联作为桥臂，连接点为第一中间节点，桥臂两端为直流端，第一中间节点 与阴极触点A相连，作为三相整流桥的桥臂一；二极管D5和D6正向串联作为桥臂，连接点 为第二中间节点，桥臂两端为直流端，第二中间节点与阴极触点a相连，作为三相整流桥的 桥臂二；二极管D3和D4正向串联作为桥臂，连接点为第三中间节点，桥臂两端为直流端，将 阴极触点B和b短接，第三中间节点与阴极触点B和b相连，作为三相整流桥的桥臂三；该 三相整流桥的直流端并联作为直流侧，并且作为LED的直流电源。
【文档编号】H05B37/00GK203872381SQ201320613209
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】刘晓博, 张研, 邱胜顺 申请人:刘晓博