針對可調光ac led照明的光譜偏移控制的制作方法
【專利說明】針對可調光AC LED照明的光譜偏移控制
[0001 ]優先權申明
[0002]本專利申請要求2013年7月3日提交的美國臨時專利申請序列號61/842,747的優先權的權益并且基于此，該申請以其全部內容通過弓I用結合在此。
技術領域
[0003]各個實施例總體上涉及包括發光二極管(LED)的照明系統。
[0004]背景
[0005]功率因數對于將電功率遞送至消費者的公用事業而言是非常重要的。對于要求實際功率水平相同的兩個負載，具有較好功率因數的負載實際上需要更少的來自公用事業的電流。具有1.0功率因數的負載需要最少量的來自公用事業的電流。公用事業可以用高功率因數負載向消費者提供折合率。
[0006]較差的功率因數可以是由于電壓與電流之間的相位差。功率因數也可以由于電流的失真和諧波成分而被降級。在一些情況中，失真的電流波形傾向于增加諧波能量含量，并且減少基頻處的能量。針對正弦電壓波形，僅在基頻處的能量可以將實際功率傳送至負載。失真電流波形可以由如整流器負載的非線性負載造成。例如，整流器負載可以包括二極管(例如，如LED)。
[0007]LED是廣泛使用的能夠在被供給電流時進行照明的設備。例如，單個的紅色LED可以向設備操作員提供可見的操作狀態指示(例如，開或關)。作為另一個示例，LED可以用于在一些基于電子器件的設備(如，手持計算器)中顯示信息。LED還已經被用于例如照明系統、數據通信和電機控制中。
[0008]通常，LED被形成為具有正極和負極的半導體二極管。理論上，理想二極管將僅在一個方向上傳導電流。當在正極與負極之間施加足夠的正向偏置電壓時，常規電流流過該二極管。流過LED的正向電流可以導致光子與空穴重新組合從而以光的形式釋放能量。
[0009]來自某些LED的發射光在可見波長譜中。通過恰當選擇半導體材料，單獨的LED可以被構造以發射特定的顏色(例如，波長)，例如，如紅色、藍色或綠色。
[0010]通常，LED可以被創造于常規半導體裸片上。單獨的LED可以與在同一裸片上的其他電路相整合，或者被封裝成離散的單個部件。通常，包含LED半導體元件的封裝體將包括透明窗以準許光從封裝體中逃逸出來。
[0011]本申請人的USSN 12/785，498和12/824，215通過提供調節來自與調光電路和設備是可兼容的AC輸入的電流的多個電路解決了這些問題，并且那些披露被完全結合在此。盡管在本領域中這類電路在解決之前的問題時是有效的，仍然期望改進這些電路。具體而言，例如僅在圖23中示出的所提供的電路提供了什么被認為是在過零點處的死區時間。具體而言，當電壓和電流從負象限進入正象限(并且反之亦然)或者甚至波形完全存在于正象限中時，當波形接近X軸或者過零點時，電流根據電壓波形在零點處變平進入和離開過零點。以此方式，在過零點處在電路中呈現零電流或死區時間的周期。
[0012]此死區時間當與各個調光器或調光電路關聯使用時是有問題的。在特定的許多調光器中，如僅用于示例，硅控調光器不保持電荷并因此在此死區時間過程中沒有電流，使得該調光器難以當無功負載被呈現時在過零點處啟動。類似的問題也可以發生在IGBT類型調光器中。由于在某些條件中在啟動過程中的困難，如閃爍和潛在可感知的閃爍的負面效應發生。因此，在本領域中存在需要以使死區時間在過零點處的負面效應最小化從而改進LED發光組件的性能。
[0013]因此，本發明的根本目標是提供調光調節電路以改進與電路接收基于AC的輸入相關聯的電流調節的性能。
[0014]概述
[0015]多種裝置以及相關聯的方法涉及操作LED光引擎，其中，選定波長的相對光強根據電激勵而偏移。在說明性示例中，電流可以被選擇性地并且自動地從被安排在串聯電路中的多個LED中的至少一個LED中基本上轉移出來，直到該電流或其相關聯的周期性激勵電壓達到預定的閾值水平。在該激勵電流或電壓基本上上升到該預定閾值水平之上時，該轉移電流可以在過渡中被平滑地減少。可以基本上作為該激勵電壓的預定函數改變光輸出的色溫。例如，一些實施例可以通過固態光引擎響應于對該AC電壓激勵進行調光(例如，通過相切割或振幅調制)而基本上增加或減少色溫輸出。
[0016]在各個示例中，在LED串中的選擇性電流轉移可以擴展輸入電流傳導角并由此針對AC LED照明系統基本上改進功率因數和/或減少諧波失真。
[0017]各個實施例可以實現一個或多個優點。例如，一些實施例可以使用例如非常簡單、低成本且低功率的電路基本上減少AC輸入電流波形上的諧波失真。在一些實施例中，用于實現基本上減少的諧波失真的附加電路可以包括單個晶體管，或者可以進一步包括第二晶體管和電流感測元件。在一些示例中，電流傳感器可以是LED電流的一部分流過的電阻元件。在一些實施例中，可以通過將裸片上的諧波改進電路與受諧波改進電路控制的一個或多個LED相整合而實現對顯著尺寸和制造成本的縮減。在某些示例中，可以將諧波改進電路與在共同裸片上的相應受控LED整合，而不用增加單獨制造LED所需要的處理步驟數。在各個實施例中，可以例如使用或者半波整流或者全波整流針對AC驅動的LED負載基本上改進AC輸入電流的諧波失真。一些實現方式可能要求少至兩個晶體管和三個電阻器以提供受控旁路通路來調節輸入電流從而改進AC LED光引擎中的功率品質。一些實現方式可以在輸入激勵的選定范圍之上提供預定的增加、減少或基本上恒定的色溫。
[0018]在以下附圖和說明書中陳述了各個實施例的細節。其他特征和優點將根據說明書和附圖以及權利要求書而變得明顯。
[0019]附圖簡要描述
[0020]圖1描繪了具有被配置成全波整流器的LED和被配置成用于接收來自該整流器的單向電流的LED串的示例AC LED電路的示意性表示。
[0021]圖2至圖5描繪了圖1的ACLED電路的代表性性能曲線和波形。
[0022]圖6至圖9描繪了具有針對改進的功率品質的選擇性電流轉移的全波整流器照明系統的一些示例性實施例。
[0023]圖10至圖11描繪了被配置成用于沒有選擇性電流轉移的半波整流的ACLED串。
[0024]圖12至圖13描繪了具有被配置成用于具有選擇性電流轉移的半波整流的ACLED串的不例電路。
[0025]圖14至圖16披露了使用常規(例如，非LED)整流器的ACLED拓撲。
[0026]圖17至圖19披露了展示應用于圖14的ACLED拓撲上的選擇性電流轉移的示例性實施例。
[0027]圖20示出了用于在照明裝置的實施例中校準或測試功率因數改進的示例性裝置的框圖。
[0028]圖21示出了具有改進的諧波因數和/或功率因數性能的LED光引擎的示例性電路的示意圖。
[0029]圖22示出了針對圖21的光引擎電路作為激勵電壓的函數的歸一化輸入電流的圖表。
[0030]圖23描繪了針對圖21的電路的實施例的電壓波形和電流波形的示波器測量結果。
[0031]圖24描繪了針對圖23的電壓波形和電流波形的功率品質測量結果。
[0032]圖25描繪了針對圖23的電壓波形和電流波形的諧波簡檔。
[0033]圖26示出了具有改進的諧波因數和/或功率因數性能的LED光引擎的示例性電路的示意圖。
[0034]圖27示出了針對圖26的光引擎電路作為激勵電壓的函數的歸一化輸入電流的圖表。
[0035]圖28描繪了針對圖26的電路的實施例的電壓波形和電流波形的示波器測量結果。
[0036]圖29描繪了針對圖28的電壓波形和電流波形的功率品質測量結果。
[0037]圖30描繪了針對圖26的電路的另一個實施例的電壓波形和電流波形的示波器測量結果。
[0038]圖31描繪了針對圖30的電壓波形和電流波形的功率品質測量結果。
[0039]圖32示出了針對如參照圖27至圖29所描述的圖26的電路的實施例的電壓波形和電流波形的示波器測量結果。
[0040]圖33描繪了針對圖32的電壓波形和電流波形的功率品質測量結果。
[0041 ]圖34描繪了圖32的波形的諧波成分。
[0042]圖35描繪了針對圖32的電壓波形和電流波形的諧波簡檔。
[0043]圖36和圖37示出了如參照圖27所描述的光引擎的光輸出的實驗測量結果的曲線圖和數據。
[0044]圖38示出了利用調光調節電路的LED光引擎的示例性電路的示意圖。
[0045]圖39描繪了針對圖38的電路的實施例的電壓波形和電流波形的示波器測量結果。
[0046]圖40示出了利用調光調節電路的LED光引擎的示例性電路的示意圖。
[0047]圖41描繪了針對圖40的電路的實施例的電壓波形和電流波形的示波器測量結果。
[0048]圖42示出了利用調光調節電路的LED光引擎的示例性電路的示意圖。
[0049]圖43描繪了針對圖42的電路的實施例的電壓波形和電流波形的示波器測量結果。
[0050]圖44示出了利用調光調節電路的LED光引擎的示例性電路的示意圖。
[0051]圖45描繪了針對圖42的電路的實施例的電壓波形和電流波形的示波器測量結果。
[0052]圖46至圖48示出了調光調節電路的多個示意圖。
[0053]各附圖中的相似參考符號指示相似的元件。
[0054]說明性實施方案的詳細描述
[0055]為了幫助理解，此文件總體上組織如下。首先，為了幫助介紹討論各實施例，參照圖1至圖5介紹使用LED具有全波整流器拓撲的照明系統。其次，這個介紹引導參照圖6至圖9對具有針對改進的功率因數能力的選擇性電流轉移的全波整流器照明系統的一些示例性實施例進行描述。第三，參照圖10至圖13，選擇性電流轉移在被配置成用于半波整流的示例性LED串的應用中被描述。第四，參照圖14至圖19，討論轉向展示使用常規(例如，非LED)整流器應用于LED串上的選擇性電流轉移的示例性實施例。第五，并且參照圖20，此文件描述了在照明裝置的實施例中對校準或測試功率因數改進有用的多種示例性裝置和方法。第六，本披露轉向查看實驗數據并討論兩個AC LED光引擎拓撲。參照圖21至圖25查看一個拓撲。參照圖26至圖37查看在三個不同實施例(例如，三個不同的部件選擇)中的第二拓撲。第七，本文件參照圖38至圖43介紹了針對結合了選擇性電流轉移以調節輸入電流波形的ACLED光引擎的多個不同拓撲。
[0056]第八，本批露參照其余附圖如在此所描述的各個實施例中解釋了多個示例從而展示AC LED光引擎如何可以被配置成具有選擇性電流轉移以響應輸入激勵的改變(例如，調光)而提供色溫中的期望偏移。最后，本文件針對AC LED照明應用討論涉及改進的功率品質的進一步實施例、示例性應用及方面。
[0057]圖1描繪了具有被配置成全波整流器的LED和被配置成用于接收來自該整流器的單向電流的LED串的示例AC LED電路的示意性表示。所描繪的AC LED是自整流LED電路的一個示例。如箭頭所指示的，這些整流器LED(在四個側上所描繪的)僅在四個AC象限(Q1、Q2、Q3、Q4)中的兩個象限中傳導電流。負載LED(在整流器中對角地描繪的)在所有四個象限中傳導電流。例如，在Q1和Q2中當電壓為正并且分別上升或下降時，電流被傳導通過整流器LED(+D1至+Dn)以及通過負載LED(+/-D1至+/-Dn)。在Q3和Q4中當電壓為負并且分別下降或上升時，電流被傳導通過整流器LED(-D1至-Dn)以及通過負載LED(+/_D1至+/_Dn)。在任一種情況(例如，Q1-Q2或Q3-Q4)中，輸入電壓可能必須達到預定的傳導角電壓以便LED開始傳導有效電流。
[0058]圖2描繪了具有一個周期的跨四個象限的激勵的正弦電壓。Q1跨0度至90度(電的)、Q2跨90度至180度(電的)、Q3跨180度至270度(電的)以及Q4跨270度至360度(或0度)(電的)。
[0059]圖3描繪了LED的示例性特性曲線。在此圖中，電流被描繪成在約2.8伏特的閾值電壓以下基本上可忽略不計。盡管是代表性的，此具體特性是針對一個LED的并且針對其他合適的LED可以不同，并因此此特定附圖不旨在為限制性的。此特性可以根據溫度而變化。
[0060]圖4描繪了施加于圖1的電路的圖2正弦電壓的說明性電流波形。如所示的，針對正半周期，傳導角在約30度處開始并且擴展至約150電角度。針對負半周期，傳導角從約210度(電的)擴展至約330度(電的)。每個半周期被描繪成針對約僅120度傳導電流。
[0061]圖5描繪了例如在不同電路配置中電流波形的代表性變化。例如，可以通過減少串聯LED的數量獲得增加的傳導角(如由曲線“a”所指示的)，這可以導致過度的峰值電流。在所描繪的示例中，可以通過引入額外的串聯電阻嘗試諧波減少(如由曲線“b”所指示的)，這可以增加功耗和/或減少光輸出。
[0062]在此，接下來描述的方法和裝置包括選擇性電流轉移電路，其可以有利地增加ACLED的傳導角和/或改進功率因數。一些實現方式可以進一步被有利地安排以基本上改進負載LED中的電流負載的平衡。
[0063]圖6描繪了具有針對改進的功率因數能力的選擇性電流轉移的全波整流器照明系統的第一示例性實施例。在此示例中，存在跨在節點A與節點B之間串聯連接的一組負載LED添加的附加旁路電路。該旁路電路包括開關SW1和感測電路SCI。在操作中，當SW1閉合時該旁路電路被激活以繞這些負載LED中的至少一些LED轉移電流。開關SW1受感測電路SCI控制，該感測電路選擇何時激活該旁路電路。
[0064]在一些實施例中，SCI通過感測輸入電壓進行操作。例如，當所感測的輸入電壓低于閾值時，旁路電路可以被激活以在Q1或Q3中推進電流的傳導，并且然后在Q2或Q4保持電流傳導。
[0065]在一些實施例中，SCI可以通過感測電流進行操作。例如，當所感測的LED電流低于閾值時，旁路電路被激活以在Q1或Q3中推進電流的傳導，并且然后在Q2或Q4保持電流傳導。
[0066]在一些實施例中，SCI通過感測來源于整流電壓的電壓進行操作。例如，可以使用電阻分壓器來執行電壓感測。在一些實施例中，閾值電壓可以由耦合的高值電阻器確定以驅動電流通過控制SW1的狀態的光電耦合器的LED。在一些實施例中，可以基于相對于電壓波形中的特定點(例如，過零點或電壓峰值)的預定時間延遲來控制SW1 ο在這類情況中，定時可以被確定以使從AC電源到照明裝置供應的電流波形的諧波失真最小化。
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