基於自適應可變電路的led節能燈及其電路控制方法
2023-12-09 15:51:56 1
基於自適應可變電路的led節能燈及其電路控制方法
【專利摘要】本發明公開一種基於自適應可變電路的LED節能燈及其電路控制方法，包括電源單元；還包括自適應控制單元和LED晶片組電路；其中，所述電源單元用於將交流電轉換為直流電並供給所述LED晶片組電路，以使LED晶片組發光；所述自適應控制單元用於檢測交流電的電壓狀態，根據所述電壓狀態控制供電給所述LED晶片組的數量。採用本發明，能夠使LED晶片組的電路結構自動適應外部輸入電壓的變化，達到自適應的目的，既便於節能，又便於保證電路的可靠性。
【專利說明】基於自適應可變電路的LED節能燈及其電路控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及照明燈具節能技術，尤其涉及一種基於自適應可變電路的LED節能燈 及其電路控制方法。
【背景技術】
[0002] 照明燈具是現代社會應用非常廣泛的重要電氣設備，與之相關的節能技術一直以 來都是研究的熱門對象。目前，採用發光二極體（LED)進行照明，已成為照明燈具節能的一 個重要發展方向。
[0003] 從總體上看，由於LED節能燈可以比傳統的白熾燈、日光燈和其他節能燈都具有 更好的節能效果，因此，LED節能燈必將成為可預見的將來一種主要照明燈具。但對於不同 的LED節能燈，本身也存在著節能效果優劣的問題，這個問題也就成為LED節能燈研發廠家 高度重視的一個技術性問題。由於LED節能燈的節能效果既與LED晶片的光效有關，也與 LED燈的驅動電源有關，因此，LED節能燈的節能措施就需要從這兩個方面去考慮。
[0004] 一般，LED晶片的光效問題由LED晶片生產廠家來研究解決，而LED驅動電源的節 能問題，則是LED節能燈設計部門或生產廠家必須要重視的問題。目前，絕大部分LED節能 燈都採用開關電源來實現恆壓驅動或恆流驅動，這種驅動方法可使得節能燈的亮度比較穩 定，LED晶片的壽命和可靠性能夠得以保證。但它也會因開關電路本身的功耗而影響整個 節能燈的節電效果。
[0005] 目前還有少量電路採用直接整流濾波法實現對LED晶片的驅動，這種方法不但電 路簡單，成本低廉，更主要的是節電效果明顯要好於採用恆壓或恆流驅動的LED節能燈。但 它存在一個明顯的缺點：只能適用於交流供電電壓比較穩定的場所，而當交流電壓波動較 大時，則會嚴重降低LED節能燈的壽命，甚至會損壞LED燈。其原因是，LED晶片的正常工 作電壓是由一定範圍的，當電壓高於上限電壓時，其電流將顯著增大；由於直接整流濾波電 路沒有恆壓和恆流措施，使得LED晶片上流過的電流與外部供電電壓直接相關，當外部電 壓上升時，LED晶片上的電流將顯著上升，一旦上升到超出其工作範圍時，就會造成晶片損 壞燈故障。
【發明內容】
[0006] 有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種基於自適應可變電路的LED節能燈及 其電路控制方法，使其能夠在保證LED節能燈高效節能的前提下，又能使其在一個較寬的 供電電源範圍下安全工作。
[0007] 為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的： 一種基於自適應可變電路的LED節能燈，包括電源單元；其特徵在於，還包括自適應控 制單元和LED晶片組電路；其中，所述電源單元用於將交流電轉換為直流電並供給所述LED 晶片組電路，以使LED晶片組發光；所述自適應控制單元用於檢測交流電的電壓狀態，根據 所述電壓狀態控制供電給所述LED晶片組的數量。
[0008] 其中，所述LED晶片組電路包括與LED主晶片組電路並聯的LED輔助晶片組電路。
[0009] 當交流電壓不大於預設的額定電壓時，所述LED晶片組電路中的LED輔助晶片組 兩端短路；當交流電壓大於預設的額定電壓時，根據電壓狀態開啟與輸入電壓相適應的一 定數量的LED輔助晶片組工作。
[0010] 所述電源單元進一步包括整流電路和濾波電路。
[0011] 所述自適應控制單元包括電壓檢測電路、控制電路、切換電路以及輔助電源電路。
[0012] 當LED輔助晶片組電路工作時，對控制電路採取延時措施使其在設定的時間間隔 內保持連接狀態，以避免電路頻繁切換狀態。
[0013] 所述LED主晶片組電路或LED輔助晶片組電路均為相串聯的若干個LED晶片。
[0014] 一種基於自適應可變電路的LED節能燈的電路控制方法，該方法包括： A. 將交流電轉換為直流電源供給由LED主晶片組電路和LED輔助晶片組電路組成的 LED晶片組電路進行工作； B. 利用自適應控制單元對交流電的電壓狀態進行檢測，並根據電壓狀態控制供電給所 述LED輔助晶片組的數量。
[0015] 其中，步驟B所述根據電壓狀態控制供電給所述LED輔助晶片組的數量的過程 為： B1.當交流電壓不大於預設的額定電壓時，所述LED晶片組電路中的LED輔助晶片組兩 端短路； B2.當交流電壓大於預設的額定電壓時，根據電壓狀態開啟與輸入電壓相適應的一定 數量的LED輔助晶片組工作。
[0016] 步驟B進一步包括：C.當LED輔助晶片組電路工作時，對控制電路採取延時措施 使其在設定的時間間隔內保持連接狀態，以避免電路頻繁切換狀態。
[0017] 本發明所提供的基於自適應可變電路的LED節能燈及其電路控制方法，具有以下 優點： 1)採用直接整流和濾波方法給LED晶片組供電，可以大大降低電源單元的功耗，從而 提高節能燈的總體效率。
[0018] 2)採用LED主晶片組加 LED輔助晶片組這種電路結構方式，可以既保證電路在正 常電壓時的亮度，又可以在高電壓時用更多的晶片來分擔額外的電源電壓，從而使每個LED 晶片工作在額定電壓範圍內，以保證所有LED晶片的工作可靠性，並且將幾乎所有的電能 都用在LED發光上。
[0019] 3)用電源電壓檢測電路3、控制電路4和切換電路5來構成控制電路，可以使LED 晶片組的電路結構自動適應外部輸入電壓的變化，達到自適應的目的，既便於節能，又便於 保證電路的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明基於自適應可變電路的LED節能燈的功能框圖； 圖2為圖1中電源單元的實施例的電路原理圖； 圖3為圖1中輔助電源電路的實施例的電路原理圖； 圖4為圖1中電源電壓檢測電路的實施例的電路原理圖； 圖5(a)和圖5(b)為圖1中控制電路的實施例的原理圖； 圖6(a)和圖6(b)為圖1中切換電路的實施例的電路原理圖； 圖7為圖1中LED王晶片組電路的實施例的原理不意圖； 圖8為圖1中LED輔助晶片組電路的實施例的原理不意圖； 圖9為本發明的LED節能燈工作過程示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖及本發明的實施例對本發明基於自適應可變電路的LED節能燈及 其電路控制方法作進一步詳細的說明。
[0022] 圖1為本發明基於自適應可變電路的LED節能燈的功能框圖。本發明將從節能燈 的電源驅動電路和LED晶片連接結構兩個方面來考慮節能與電壓適應性問題。
[0023] 如圖1所示，該節能燈主要由整流電路1、濾波電路2、電源電壓檢測電路3、控制電 路4、切換電路5、輔助電源電路6、LED主晶片組7和LED輔助晶片組8組成。其中，切換電 路5和LED輔助晶片組8分別由多個結構相同的子電路組成。
[0024] 如圖1所示的節能燈電路，主要由三大部分組成：一是電源單元A，包括整流電路 1和濾波電路2 ;二是自適應控制單元B，包括電源電壓檢測電路3、控制電路4、切換電路5 和輔助電源電路6 ;三是LED晶片組C，即發光電路或電-光轉換電路，包括LED主晶片組7 和LED輔助晶片組8。
[0025] 其中，第一部分和第三部分為所述LED節能燈的主體部分，而第二部分即自適應 控制單元B雖然是節能燈的輔助部分，但卻是本發明的主要內容，也是實現自適應改變電 路結構的主要部分。
[0026] 其主要工作原理如下： 1)從外部進來的照明電220V左右的外接交流電源，經過整流電路1後，成為單方向的 交流電源，然後經過濾波電路2後，就成為高壓直流電源(約280V左右)，此直流電源直接給 LED主晶片組7和LED輔助晶片組8供電，使LED晶片組發光，實現照明的目的。
[0027] 2)LED主晶片組7和LED輔助晶片組8均由多個LED晶片串聯而得到。一般，LED 主晶片組7的串聯晶片個數應該與交流電壓正好為~220V時經整流和濾波後的直流電壓相 適應，而LED輔助晶片組的組數及每組的LED晶片個數則需要根據控制精度要求、允許的控 制電路複雜程度和成本要求來具體確定，比如可選擇輔助組數為2組、每組的電壓對應交 流為16. 5V (即220*7. 5%)，這樣就可以保證輸入電壓在220V* (1+15%)是，每個LED晶片 的工作電壓都是在額定工作電壓以內。
[0028] 3)工作過程是：當外接交流電源電壓在220V以內時，電源電壓檢測電路3將此電 壓狀態送到控制電路4,然後控制電路4控制切換電路5,後者將所有LED輔助晶片組的兩 端直接短路。這樣，只有LED主晶片組接入到供電電路中，也只有他們能夠發光，而所有LED 輔助晶片組均不發光。當外接交流電源電壓超出220V時，電源電壓檢測電路3將所測得的 電壓狀態送到控制電路4,然後控制電路4控制切換電路5,使其將一定數量的LED輔助芯 片組接入到供電電路中，從而增加了 LED晶片數量，使LED晶片的數量自動與輸入電源電壓 相適應。這樣，電源電壓越高，串接進來的LED晶片數量也越多，每個LED晶片兩端的電壓 還是保持在額定電壓範圍內。由於晶片數量的增加，因此在輸入電壓增高時，整個LED節能 燈的亮度將會增加。通過這種方式，可以講輸入電源的絕大部分電能都轉化為光能，提高了 整體的光效。
[0029] 4)較佳地，當電壓在波動時，一旦電路切換到LED晶片數量較多的狀態，控制電路 將採取一定的延時控制措施，以保證在一定的時間間隔內保持這種連接狀態，避免電路出 現頻繁切換狀態的問題。
[0030] 5)輔助電源電路6是為電源電壓檢測電路3、控制電路4以及切換電路5提供電 源的。由於這些控制電路所需的功率非常小，因此，雖然電路的複雜程度有些增加，但從節 能角度看，本電路將大部分電能都用在了 LED晶片的發光上，因此總體節能效果很好。
[0031] 圖2為圖1中電源單元的實施例的電路原理圖。如圖2所示，該電源單元主要包 括包括(參考圖1)整流電路1和濾波電路2。
[0032] 如圖2所示，電容C1為輸入電容，對後續電路能夠起到一定的穩壓作用。VB1是 橋式整流電路，將輸入得交流電壓進行全波整流，然後經濾波電容C2濾波後，成為直流電 壓。電阻R1可對濾波效果和維修安全等起到一定的輔助作用。當空載時，直流電壓V+約為 220*1. 414=311V，但當有負載電流時，V+的大小與負載電流有關，它將隨著負載電流的增加 而有所下降。
[0033] 圖3為圖1中輔助電源電路的實施例的電路原理圖。該輔助電源電路是為了給後 續的控制電路和切換電路提供電源的。
[0034] 如圖3所示，輔助電源電路中，輸入的照明電220V電壓經電容C3和C4分壓後，在 電容C4兩端得到約9V交流電壓，然後送到橋式整流電路VB2進行全波整流，再經過點解 電容C5濾波後，得到直流電壓，其電壓大小與負載電流大小相關，一般為9V~12V左右。然 後此直流電壓經電阻R2後送到穩壓二極體VZ1，得到所需的穩定直流電壓VCC。VCC的電 壓值與穩壓管VZ1的選擇有關，而VZ1的選擇又要取決於後續的檢測與控制電路器件的選 擇。根據綜合設計結果，VZ1的穩壓值取5V左右即可，其功率取0. 5W~1W即可，這樣可以提 供100mA以上的電流，一般能夠滿足後續各種電路的供電需要。
[0035] 圖4為圖1中電源電壓檢測電路的實施例的電路原理圖。該電源電壓檢測電路的 作用是檢測輸入的~220V交流電源的電壓狀態的，根據整個LED節能燈的控制精度的要求 不同，電源電壓檢測電路的組成和結構會有所區別，相應後續的控制電路和切換電路自然 也要有所不同。
[0036] 從LED晶片本身的可靠工作電壓範圍來分析，一般在主晶片組以外增加2組輔助 晶片就可以很好地達到既保證LED節能燈的工作壽命又提高其對外部電源電壓範圍適應 性的目的，因此，本設計示例就設計了 2組輔助晶片。由此所需要的電源電壓檢測電路如圖 4所示。
[0037] 如圖4所示，輸入的交流電壓經過橋式整流電路VB3全波整流和電容C6濾波後， 得到直流電壓。由於此直流電壓的後續負載非常小，因此其電壓值等於輸入交流電壓值乘 以 1. 414。
[0038] 設計所述電源電壓檢測電路最關鍵的是電阻R3、R4、R5的阻值選取。這些電阻的 阻值選取既與要控制的電壓切換點相關，也與後續控制電路的電壓基準相關。由於後續控 制電路的電壓基準選擇為2. 5V，因此按照圖4參數所得到的電壓切換點分別為： (1)當VT1=2. 5V時，VT1對應交流電壓切換點為： 輸入電壓=(1000+0. 62+7. 5)八0· 62+7. 5)*2. 5/1. 414=219. 51V (2)當VT2=2. 5V時，VT2對應交流電壓切換點為： 輸入電壓=(1000+0. 62+7. 5) /7. 5*2. 5/1. 414=237. 65V 此電壓約等於220* (1+7. 5%) =236. 5V。由於每組輔助晶片以220V*7. 5%為主要參考 進行配置，因此經過第2組切換後，就可以使輸入電源電壓達到15%的上浮幅度。
[0039] 電路中的電阻R3、R4、R5需用精度為0. 1%的精密電阻。
[0040] 圖5 (a)和圖5 (b)為圖1中控制電路的實施例的原理圖。如圖5 (a)和圖5 (b)所 示，控制電路主要由比較器D1A和DIB (LM393)、精密電壓基準VZ2 (LM385-2. 5)和上拉電阻 R7、R8組成。其中，電壓VCC經電阻R6在精密電壓基準VZ2的第2端產生2. 5V電壓，此電 壓穩定性非常好，精度可到mV量級；此2. 5V送到兩個電壓比較器D1A和DIB的正輸入端。 然後從電源電壓檢測電路送來的兩路信號VT1和VT2分別送到電壓比較器的負輸入端。
[0041] 根據輸入電源電壓狀態的不同，控制電路輸出狀態也不同： (1)當輸入電壓低於219. 51V時，VT1和VT2均低於2. 5V，因此0UT1和0UT2均為高電 平。
[0042] (2)當輸入電壓高於219. 51而低於237. 65V時，VT1高於2. 5V，VT2低於2. 5V，因 此0UT1為低電平，0UT2為高電平。
[0043] (3)當輸入電壓高於237. 65V時，VT1和VT2均高於2. 5V，因此0UT1和0UT2均為 低電平。
[0044] 圖6 (a)和圖6 (b)為圖1中切換電路的實施例的電路原理圖。如圖6 (a)和圖6 (b) 所示，該切換電路主要由小功率三極體VI和V2組成。
[0045] 其中，三極體VI切換第1和第2組LED輔助晶片：當由控制電路送來的0UT1信號 為高電平時，三極體VI導通，將VZ2端與地短路，從而使第1和第2組LED輔助晶片不亮， 只有LED主晶片亮。
[0046] 三極體V2切換第2組LED輔助晶片：當由控制電路送來的0UT2信號為高電平時， 三極體V2導通，將VZ3端與地短路，從而使第2組LED輔助晶片不亮，只有LED主晶片和輔 助1組晶片殼。
[0047] 圖7為圖1中LED主晶片組電路的實施例的原理示意圖。如圖7所示，該主晶片 組由83個LED晶片串聯而得到。所述主晶片組的LED晶片的個數與LED晶片本身的性能 參數以及主供電電路參數相關。在本發明的實施例中，LED晶片採用的是3. 2V、0. 2W的LED 晶片，其電流約為60mA。在此電流下，前述電源單元輸出直流電壓與交流電壓的比例關係約 為1. 2倍，因此，LED主晶片組的個數為220*1. 2/3. 2=82. 5,取整數為83。
[0048] 圖8為圖1中LED輔助晶片組電路的實施例的原理示意圖。如圖8所示，該LED 輔助晶片組電路，包含兩組輔助晶片組：第1組由VD84?VD89組成，第2組由VD90?VD95 組成。每組輔助晶片組包括6個LED晶片，對應交流電壓約為：6*3. 2/1. 2=16V，對應於 220V*7. 3%。
[0049] 在設計印刷線路板製版時，我們將圖2?圖8中的所有LED晶片集成在一塊線路 板上，而其他電路則可集成在另一塊電路板上。當然，也可以根據該LED節能燈的外殼設計 的不同而分設在若干個線路板。
[0050] 圖9為本發明的LED節能燈工作過程示意圖。並請參考圖1?圖8,所述的LED節 能燈的工作過程如下： 步驟1 :由VB1和C2等組成的電源單元將輸入的交流電壓轉換為直流電壓，然後給 LED晶片組供電，使LED晶片發光。LED晶片組包括由VD1~VD83所組成的主晶片組、由 VD84?VD89所組成的輔助晶片組1和由VD90?VD95所組成的輔助晶片組2,共3個晶片組。
[0051] 步驟2 :由C3、C4、VB2、C5和VZ1等組成的輔助電源電路將輸入交流電壓轉換為直 流低電壓VCC，供給後續的控制電路和切換電路使用。
[0052] 步驟3 :由VB3、C6、R3~R5等組成的電源電壓檢測電路將輸入的交流電源電壓轉換 為相應的電壓檢測信號(直流電壓VT1和VT2)，送到後續的控制電路，使後者輸出一定的控 制信號。
[0053] 步驟4 :主要由電壓比較器D1 (包括D1A和DIB)和精密電壓基準VZ2組成的控制 電路根據輸入的電壓檢測信號VT1和VT2的值，輸出控制信號0UT1和0UT2。
[0054] 步驟5 :由三極體VI和V2組成的切換電路根據0UT1和0UT2的電平狀態，控制LED 輔助晶片組1和輔助晶片組2的工作狀態。
[0055] 步驟6 :當輸入電壓低於219. 51V時，電源電壓檢測電路輸出的VT1和VT2均低於 2. 5V，因此控制電路輸出的0UT1和0UT2均為高電平，使切換電路的VI和V2均導通，使輔 助晶片組中的VZ2和VZ3兩點的電壓均鉗位於接近0V，從而將輔助晶片組1和輔助晶片組 2強制退出工作狀態，使只有LED主晶片組工作。這樣，由於LED晶片數量較少，每個LED芯 片上得到的電壓為正常的3. 2V左右，LED燈可以發光效果較好。
[0056] 步驟7 :當輸入電壓高於219. 51而低於237. 65V時，VT1高於2. 5V，VT2低於2. 5V， 因此0UT1為低電平，0UT2為高電平。此時，三極體VI截止，V2導通，因此，輔助晶片組1的 所有LED晶片加入到工作狀態，但輔助晶片組2的LED晶片則還是處於非工作狀態。這時， 雖然外部電源電壓提高了，但LED晶片的數量由上一種狀態的83個提高的89個，每個晶片 的電壓還可以保持在正常的3. 2V左右，因此可以確保LED晶片的工作壽命和較好的發光效 果。
[0057] 步驟8 :當輸入電壓高於237. 65V時，VT1和VT2均高於2. 5V，因此0UT1和0UT2 均為低電平。此時，三極體VI和V2均截止，因此，輔助晶片組1和2的所有LED晶片加入 到工作狀態。這時，雖然外部電源電壓更高了，但LED晶片的數量進一步提高到95個，每個 晶片的電壓還可以保持在正常的3. 2V左右，因此也可以確保LED晶片的工作壽命和較好的 發光效果。
[0058] 步驟9 :當輸入電源電壓下降到不同工作狀態時，三極體VI和V2又會回到上述狀 態，使LED晶片組處於對應的工作狀態。由於三極體的切換速度很快，而且沒有切換次數的 限制，因此，本電路可以長時間高效、高速工作。
[0059] 通過上述不同電壓下LED數量的自動切換，就可以保證在不同輸入電源電壓下 LED節能燈的良好發光效果和工作壽命。
[0060] 以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。
【權利要求】
1. 一種基於自適應可變電路的LED節能燈，包括電源單元；其特徵在於，還包括自適應 控制單元和LED晶片組電路；其中，所述電源單元用於將交流電轉換為直流電並供給所述 LED晶片組電路，以使LED晶片組發光；所述自適應控制單元用於檢測交流電的電壓狀態， 根據所述電壓狀態控制供電給所述LED晶片組的數量。
2. 如權利要求1所述基於自適應可變電路的LED節能燈，其特徵在於，所述LED晶片組 電路包括與LED主晶片組電路並聯的LED輔助晶片組電路。
3. 如權利要求1或2所述基於自適應可變電路的LED節能燈，其特徵在於，當交流電壓 不大於預設的額定電壓時，所述LED晶片組電路中的LED輔助晶片組兩端短路；當交流電壓 大於預設的額定電壓時，根據電壓狀態開啟與輸入電壓相適應的一定數量的LED輔助晶片 組工作。
4. 如權利要求1所述基於自適應可變電路的LED節能燈，其特徵在於，所述電源單元進 一步包括整流電路和濾波電路。
5. 如權利要求1所述基於自適應可變電路的LED節能燈，其特徵在於，所述自適應控制 單元包括電壓檢測電路、控制電路、切換電路以及輔助電源電路。
6. 如權利要求2或5所述基於自適應可變電路的LED節能燈，其特徵在於，當LED輔助 晶片組電路工作時，對控制電路採取延時措施使其在設定的時間間隔內保持連接狀態，以 避免電路頻繁切換狀態。
7. 如權利要求2所述基於自適應可變電路的LED節能燈，其特徵在於，所述LED主晶片 組電路或LED輔助晶片組電路均為相串聯的若干個LED晶片。
8. -種基於自適應可變電路的LED節能燈的電路控制方法，其特徵在於，該方法包括： A. 將交流電轉換為直流電源供給由LED主晶片組電路和LED輔助晶片組電路組成的 LED晶片組電路進行工作； B. 利用自適應控制單元對交流電的電壓狀態進行檢測，並根據電壓狀態控制供電給所 述LED輔助晶片組的數量。
9. 如權利要求8所述基於自適應可變電路的LED節能燈的電路控制方法，其特徵在於， 步驟B所述根據電壓狀態控制供電給所述LED輔助晶片組的數量的過程為： B1.當交流電壓不大於預設的額定電壓時，所述LED晶片組電路中的LED輔助晶片組兩 端短路； B2.當交流電壓大於預設的額定電壓時，根據電壓狀態開啟與輸入電壓相適應的一定 數量的LED輔助晶片組工作。
10. 如權利要求8所述基於自適應可變電路的LED節能燈的電路控制方法，其特徵在 於，步驟B進一步包括： C. 當LED輔助晶片組電路工作時，對控制電路採取延時措施使其在設定的時間間隔內 保持連接狀態，以避免電路頻繁切換狀態。
【文檔編號】H05B37/02GK104159373SQ201410401620
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】張晨, 史鴻嬌, 王金鳳 申請人:北京博尚信科技有限公司