專利名稱：用于周期性二極管致動的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不采用實(shí)體開關(guān)而利用電壓波形驅(qū)動二極管實(shí)現(xiàn)二極管在開和關(guān)狀態(tài)之間的周期性開關(guān)，更特別來講，本發(fā)明涉及以20赫茲到300赫茲的頻率實(shí)現(xiàn)LED燈在開和關(guān)狀態(tài)之間的周期性開關(guān)，以提供成本效率和能量效率的照明。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是一種在利用前向偏置電流驅(qū)動時(shí)發(fā)光的半導(dǎo)體二極管。LED 可用作常規(guī)光源，并且與傳統(tǒng)的白熾燈泡或熒光燈相比具有很多優(yōu)點(diǎn)。使用LED提供照明的有效方法是已知的。例如，在由同一發(fā)明人發(fā)明的美國專利公開號US2007/025^05(A1) 中公開了一種有效LED照明方法，該專利在此被弓I入作為參考。如US2007/025^05 (Al)中所公開的，可以利用以下特性實(shí)現(xiàn)有效照明=(I)LED可以在少于1毫秒的幾分之一的時(shí)間內(nèi)打開或關(guān)閉；(2)在停止照明后，人眼保持圖像(亮度)超過20毫秒。公開了一種方法， 在這種方法中，使用實(shí)體開關(guān)以足夠滿足人眼視覺暫留特性的開關(guān)頻率，使直流(DC)供電的LED在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間周期性地開關(guān)。US2007/0252805 (Al)描述了一種驅(qū)動LED (或LED陣列)的方法，其中，使得相對較短的強(qiáng)驅(qū)動間隔(例如，3到6毫秒的持續(xù)時(shí)間)與相對較長的基本無驅(qū)動間隔(例如， 30到50毫秒的持續(xù)時(shí)間)交替。人對通過以這種方式驅(qū)動的LED產(chǎn)生的光強(qiáng)度的感知模型解釋了在所述短驅(qū)動間隔期間的基本完全感知的強(qiáng)度(“飽和”)結(jié)合在所述長的無驅(qū)動間隔期間的感知強(qiáng)度的相對緩慢衰減的快速發(fā)生?；谶@種模型，通過對LED實(shí)際驅(qū)動的相對低占空比周期，感知到強(qiáng)照明。根據(jù)US2007/025^05(A1)中描述的一般方法，可以使用各種類型的電路產(chǎn)生期望的驅(qū)動電壓(或電流)來驅(qū)動LED(或LED陣列)。例如，可以使用電子開關(guān)元件(如晶體管)，或使用機(jī)械元件(例如，繼電器)。在特定應(yīng)用中，根據(jù)商業(yè)或其他考慮，使用這種有源開關(guān)元件可能是適合的。如上簡述，在有些應(yīng)用中，驅(qū)動LED的電路需要具備和LED本身相同量級的使用壽命。在有些例子中，尤其是采用相對高驅(qū)動電流的電路中，發(fā)明人已經(jīng)觀察到，相比于LED 本身的長使用壽命，電路的有源開關(guān)元件的使用壽命相對較短。雖然US2007/025^05(A1)中公開的照明方法提供了效率優(yōu)點(diǎn)，但使用實(shí)體開關(guān)周期性地在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間開關(guān)LED是昂貴的，這是因?yàn)樾枰唛_關(guān)頻率，這導(dǎo)致實(shí)體開關(guān)部件的使用壽命與LED的使用壽命相比相對較短，而且導(dǎo)致與更換損壞的實(shí)體開關(guān)部件相關(guān)聯(lián)的較高更換成本。在包括互聯(lián)網(wǎng)、刊物和報(bào)紙的很多地方，都可以見到描述基于LED的照明優(yōu)越于現(xiàn)有傳統(tǒng)光源的優(yōu)點(diǎn)的文章。鑒于使用LED作為光源的優(yōu)點(diǎn)，如果能從US2007/025^05 (Al) 中描述的傳統(tǒng)直流操作的LED照明中進(jìn)一步降低對LED供電所需的能量，那么會獲得更可觀的經(jīng)濟(jì)利益。需要一種使一個或多個二極管(包括LED)在開和關(guān)狀態(tài)之間周期性交替的方法。這種方法應(yīng)當(dāng)利用二極管的物理特性和人的視覺感知。而且，這種方法還應(yīng)當(dāng)提供具有可與二極管相比的使用壽命的成本效率的器件。

發(fā)明內(nèi)容
涉及一種裝置和方法，用于使一個或多個LED在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間周期性交替，而不使用實(shí)體開關(guān)進(jìn)行這種操作。該裝置包括具有電路內(nèi)二極管的電路，所述電路產(chǎn)生 AC波形，以便使LED以期望的方式在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間周期性交替。該電路被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生AC電壓波形，該AC電壓波形包括被設(shè)置為剛剛低于LED導(dǎo)通閾值的DC偏置。所述AC 電壓波形還包括高于所述偏置的周期性的“紋波”或“脈沖”。從而，該電路迫使所述電路內(nèi)二極管導(dǎo)通電流或者阻斷。由此，所消耗的電力也被導(dǎo)通或者阻斷，或者是升高或降低。所述周期性紋波的頻率在聲音頻率范圍內(nèi)。所述周期性紋波的幅度和波形因素被設(shè)計(jì)為使得流經(jīng)LED的電流被控制為具有期望的最大電流，正確的電流上升和下降時(shí)間，以及期望的高和低電流持續(xù)時(shí)間。因此，可以使LED以期望的方式在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間周期性交替。 該裝置被設(shè)計(jì)為使用電路內(nèi)二極管根據(jù)所提供的AC波形來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，因此，該裝置的使用壽命在本質(zhì)上與二極管的使用壽命相等。本說明說中說明的一種或多種方法的優(yōu)點(diǎn)是提供了一種能量效率的照明裝置。在一些例子中，通過使用以短脈沖形式將電力提供給光源的電路來降低照明裝置的能量消耗。在一些例子中，所述電路的使用壽命與光源的使用壽命相當(dāng)。在其他例子中，所述電路可以不一定實(shí)現(xiàn)這種使用壽命，但可以具有其他優(yōu)點(diǎn)，比如基于商業(yè)考慮的優(yōu)點(diǎn)。更具體地講，提供了一種照明裝置，其中使用具有無源電路部件的電路產(chǎn)生期望的輸出波形，而不需要使用有源開關(guān)電路部件。在此，“有源開關(guān)部件”對應(yīng)于上文描述的實(shí)體開關(guān)，并且被定義為提供有源開關(guān)的那些部件，比如晶體管(電子開關(guān))或繼電器(機(jī)械開關(guān))。同樣，在此，“無源電路部件”被定義為作為非晶體管或非實(shí)體開關(guān)的那些部件，并且術(shù)語“無源電路”指的是只采用無源電路部件的電路。為了獲得期望的輸出波形，在一些例子中，利用了一些無源電路元件的非線性特性，比如二極管、電容、變壓器和電感。在一些例子中，該照明裝置采用一個或多個LED作為光源，利用了 LED的在開和關(guān)狀態(tài)之間改變的極快速能力、以及長使用壽命的特性。在一種實(shí)現(xiàn)方式中，提供了無源電路，該無源電路只包括無源電路部件，并且適于接收交流(AC)電力，并改變所接收的交流電力易產(chǎn)生包括脈沖的輸出波形。在一些實(shí)施方式中，所述脈沖的頻率與AC電力的頻率基本同步，并且持續(xù)時(shí)間在0.2到3. 5毫秒(ms)的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，所述脈沖的頻率與AC電力的頻率基本同步，并且持續(xù)時(shí)間在 0. 2到15. 0毫秒的范圍內(nèi)。所述電路還適于提供具有正DC偏置的輸出波，并且將改變后的波形輸出到輸出連接器，該輸出連接器被配置為接收固態(tài)發(fā)光器件，比如LED。在另一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述照明裝置包括照明燈具，該照明燈具用于支撐一個或多個發(fā)光器件(光源)。上述的無源電路被設(shè)置在燈具外殼內(nèi)，并適于連接至交流電力的外部源。具體來講，所述燈具可以硬布線連接到外部電源，或者替代地，可以包括連接器，用來選擇性地連接到外部電源。此外，無源電路被連接到安裝在燈具外殼上的發(fā)光器件插座。該插座被配置為在外殼上支撐發(fā)光器件，并提供與無源電路的輸出的電連接。當(dāng)無源電路接收到來自AC電源的電力時(shí)，該電路被配置為產(chǎn)生期望的輸出波形。當(dāng)諸如LED等發(fā)光器件設(shè)置在插座內(nèi)時(shí)，所述LED在各個脈沖期間受到驅(qū)動以提供照明，或者處于關(guān)閉(不發(fā)光) 狀態(tài)。在另外一種實(shí)現(xiàn)方式中，提供了用于提供照明的裝置，該裝置使用交流電源信號作為輸入，比如由電力公司提供的交流電源信號，對電力公司提供的交流輸入波形進(jìn)行修整，并輸出修整后的DC偏置信號，在該DC偏置信號上疊加了短持續(xù)時(shí)間脈沖。該裝置被配置為連接到固態(tài)發(fā)光器件，比如LED。發(fā)光器件可以被硬布線連接到所述裝置，或者替代地， 所述裝置可包括連接器，用以選擇性地實(shí)現(xiàn)與發(fā)光器件的連接。該裝置包括無源電路，該無源電路只包括非開關(guān)電路部件，用來改變交流電源信號，由此使用具有與發(fā)光器件的使用壽命相當(dāng)?shù)氖褂脡勖碾娐穪硖峁┢谕妮敵霾ㄐ巍９_了一種提供能量效率照明的方法。該方法包括提供具有驅(qū)動電源的發(fā)光源， 該驅(qū)動電源具有包括脈沖的波形。在一些實(shí)施方式中，所述脈沖的頻率與AC電力的頻率基本同步，并且持續(xù)時(shí)間在0.2到3. 5毫秒(ms)的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，所述脈沖的頻率與AC電力的頻率基本同步，并且持續(xù)時(shí)間在0. 2到15. 0毫秒的范圍內(nèi)。通過采用這種照明方法，可以發(fā)出周期性脈沖化的光，視覺上感覺為穩(wěn)定而連續(xù)的照明，并且和傳統(tǒng)的照明技術(shù)相比，用于提供照明的能量消耗被大大降低了。該方法還包括提供具有正DC偏置的波形，用來加強(qiáng)發(fā)光源的開-關(guān)改變速度。特別是，本裝置和方法提供了脈沖模式的環(huán)境照明，其中通過在50到60赫茲輸入信號的每個周期內(nèi)，在極短時(shí)間(大約3毫秒或者更短)內(nèi)為LED提供電力。這種方案提供的環(huán)境照明被人類感覺為穩(wěn)定和連續(xù)的，并且還提供了相當(dāng)大的能量節(jié)省，因?yàn)橹辉陔娏χ芷诘囊徊糠謨?nèi)使用電力。下文將通過參考在附圖中示出的本發(fā)明的實(shí)施方式來說明用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方式。上面提及的目的、其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)可通過下文結(jié)合附圖提供的實(shí)施方式具體說明而變得更為清楚明白。


圖1是照明裝置的示意圖。
圖2是脈沖發(fā)生器電路的框圖。
圖3示出單個LED。
圖北示出串聯(lián)連接的多個LED。
圖3c示出并聯(lián)連接的多個LED。
圖3d示出同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)連接的多個LED。
圖4示出照明裝置的實(shí)施方式。
圖5示出照明裝置的第一替代實(shí)施方式。
圖6示出照明裝置的第二替代實(shí)施方式。
圖7示出照明裝置的第三替代實(shí)施方式。
圖8示出照明裝置的第四替代實(shí)施方式。
圖9示出照明裝置的第五替代實(shí)施方式。
圖10示出對于單個脈沖輸入，作為時(shí)間函數(shù)，在電路輸出端子36、37兩側(cè)測量至I
的輸出電壓(左邊的縱坐標(biāo))Vo (t)和輸出電流Io (t)。
圖11是對于大約為60赫茲的輸入信號頻率，作為幾個輸入周期的時(shí)間函數(shù)繪制， 比較輸入交流電力信號Vi⑴、橋式整流兩側(cè)的輸出電壓v(ratifiCT) (t)、電容兩側(cè)的輸出電壓V(。ap) (t)、和LED負(fù)載兩側(cè)的V(1。ad) (t)的圖表。圖12是脈沖發(fā)生器電路的替換實(shí)施方式，其中，所述電路的脈沖產(chǎn)生部分和偏置電路是分開的，這兩個電路連接起來以形成期望的波形。
具體實(shí)施例方式將參考附圖描述本發(fā)明的選擇實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處只描述了被認(rèn)為是闡明本發(fā)明所必需的結(jié)構(gòu)。該設(shè)備和方法的其他常規(guī)結(jié)構(gòu)及輔助和附屬部件的結(jié)構(gòu)被假定是本領(lǐng)域中技術(shù)人員所已知和理解的。在一些例子中，用于驅(qū)動LED的電路由無源部件(例如，電阻、電容、二極管)構(gòu)成，使得該電路不使用任何有源開關(guān)部件(例如，晶體管、繼電器)形成。例如，由無源部件構(gòu)成的電路用于將交流電源(流入，50到60赫茲的公共供電)轉(zhuǎn)換為脈沖化且受到偏置的電力信號，該電力信號隨后被傳送到LED。更具體來講，通過所提供的電壓波形，無源部件 (例如，二極管)的相應(yīng)函數(shù)用于迫使負(fù)載在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間交替。所述波形包括AC 電壓波形，該AC電壓波形包括被選擇為剛剛低于LED的導(dǎo)通閥值的DC偏置，還包括在所述偏置之上的周期性“紋波”。在一些例子中，這種無源電路獲得的使用壽命與LED的使用壽命處于相同的持續(xù)時(shí)間數(shù)量級。在其他例子中，這種電路并不一定獲得這種可比的使用壽命，但卻帶來了其他優(yōu)點(diǎn)，如基于商業(yè)考慮的優(yōu)點(diǎn)。圖1中示意性地示出了用于提供照明的照明裝置10的例子。概括地講，所述裝置包括電路，該電路接收具有交流波形的電力作為輸入，改變該波形，并將改變后的波形輸出到固態(tài)發(fā)光器件。照明裝置10使用來自電源5的交流電力信號作為輸入，比如由電力公司提供的交流電力信號，并對輸入的交流波形進(jìn)行修整。裝置10包括脈沖發(fā)生器電路30，該脈沖發(fā)生器電路30輸出整流后的DC偏置的信號，在該信號上還疊加了短持續(xù)時(shí)間脈沖。裝置10被配置為連接到固態(tài)發(fā)光器件20，比如LED，由此來驅(qū)動LED，以便按照和輸入電力信號的頻率相關(guān)的頻率(例如，與輸入電力信號的頻率相同，或者是輸入電力信號的頻率的諧波頻率之一)，產(chǎn)生相對短間隔的照明。在一些實(shí)施方式中，LED被驅(qū)動以產(chǎn)生間隔大約為3到6毫秒的照明，以便獲得感覺為恒定的照明，同時(shí)使電力損耗消耗最小化。在其他實(shí)施方式中，LED被驅(qū)動以產(chǎn)生間隔大約為8到11毫秒的照明，以便獲得感覺為恒定且感覺具有與相似的DC驅(qū)動裝置等效的亮度的照明。脈沖發(fā)生器電路30是無源電路，該無源電路只使用無源(非開關(guān))電路部件，并利用了一些無源電路比如二極管的非線性特性的優(yōu)點(diǎn)。參看圖2，示出了脈沖發(fā)生器電路 30的一種具體實(shí)施方式
。脈沖發(fā)生器電路30被配置為產(chǎn)生具有整流后的DC偏置的信號， 在該信號上還疊加了短持續(xù)時(shí)間脈沖。脈沖發(fā)生器電路30包括整流器31，該整流器31包括四個二極管Dl，D2，D3，D4，所述四個二極管以常規(guī)橋布局布置，在該橋布局中，交流電流被施加到橋的端子32-33，并且在端子34-35上產(chǎn)生整流信號。一對電路輸入端子32、33跨過橋電路的第一側(cè)，可連接到輸入電源。這種連接可以是硬布線的，也可以配置為允許在電路輸入端子32、33和輸入電源之間選擇性的互連。 交流電源5連接到一對電路輸入端子32、33，以便向電路30提供交流輸入。在所示的實(shí)施方式中，輸入電源5包括頻率為50到60赫茲的公共供電。交流電源5配置為對公共供電進(jìn)行修整，例如借助于變壓器電路(沒有圖示)，以便提供所期望的輸入電壓。但是，實(shí)現(xiàn)方式不限于在輸入電源5內(nèi)變換公共供電的電壓這種方式，還可以包括直接將公共供電提供到電路30，并且在所述電路內(nèi)提供變壓器以將輸入電壓修整到期望值。而且，實(shí)現(xiàn)方式不限于使用公共供電作為電源，而只要電流的極性交替，并且在20到300赫茲的范圍內(nèi)提供頻率即可。一對橋輸出端子34、35跨過橋電路的另一側(cè)，連接到輸出負(fù)載上。在這種實(shí)施方式中，輸出負(fù)載固態(tài)發(fā)光器件20。這種固態(tài)發(fā)光器件例如是通過至少一個二極管或LED實(shí)現(xiàn)的。在電路的橋部分中，第一二極管Dl和第三二極管D3串聯(lián)布置，以便能夠以前向?qū)ǚ绞綄?dǎo)通(例如，在其中輸入電流為正極性的輸入電力周期部分期間)，而第二二極管D2 和第四二極管D4串聯(lián)布置，以便能夠以反向?qū)ǚ绞綄?dǎo)通(例如，在其中輸入電流為負(fù)極性的輸入電力周期部分期間)。也就是說，整流器31產(chǎn)生全波整流電壓信號，例如具有正的正弦脈沖。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)通過帶有負(fù)載的電路的非線性而受到進(jìn)一步修整之后，結(jié)果得到的電壓看上去可能與正的正弦脈沖非常不同。脈沖發(fā)生器電路30還包括進(jìn)一步的部件，這些部件用于改變整流器31的整流輸出，以產(chǎn)生用來驅(qū)動LED的期望脈沖信號。電容C被布置為，通常通過二極管D5并利用來自整流器的電流充電，并且通過二極管D6放電到LED負(fù)載。在一些實(shí)施方式中，在二極管D6和LED負(fù)載之間提供電阻R。電阻R提供的阻尼系數(shù)使得LED可以產(chǎn)生穩(wěn)定的(例如，無閃爍的)照明。通過測量該已知電阻R兩側(cè)的電壓，還可以使用該電阻R確定通過LED負(fù)載的電流量。也可以在測量電阻兩側(cè)電壓的同時(shí)， 使用示波器測量整個負(fù)載兩側(cè)的電壓，包括或不包括電阻，以便作為時(shí)間函數(shù)確定通過負(fù)載的電流量。通過作為時(shí)間函數(shù)測量電流和電壓，可以計(jì)算每個周期由負(fù)載消耗的電力。在一些實(shí)施方式中，裝置10包括脈沖發(fā)生器電路30，并且進(jìn)一步包括發(fā)光器件 20 (圖4-6)。在這種實(shí)施方式中，固態(tài)發(fā)光器件20可以被硬布線連接到脈沖發(fā)生器電路30 的電路輸出端子36、37。在一些實(shí)施方式中，裝置10包括脈沖發(fā)生器電路30，但是不包括發(fā)光器件20作為該設(shè)備的一部分(圖7-9)。而是，裝置10用作照明燈具，并實(shí)現(xiàn)與發(fā)光器件20的選擇性連接。在這種實(shí)施方式中，裝置10被形成為包括至少一個發(fā)光器件接收插座42，該發(fā)光器件接收插座42形成在燈具外殼40內(nèi)。在這種實(shí)施方式中，插座42是由所述外殼支撐的，并且電連接到脈沖發(fā)生器電路30。插座42被配置為在其中接收和保持發(fā)光器件20，并使得該發(fā)光器件能夠連接到脈沖發(fā)生器電路30并接收該脈沖發(fā)生器電路30的輸出。在一些實(shí)施方式中，單個發(fā)光器件20可以被替換為一組多個發(fā)光器件。多個發(fā)光器件可以通過多種不同結(jié)構(gòu)連接到脈沖發(fā)生器電路30。圖3示出了可行的結(jié)構(gòu)例子，但是應(yīng)理解的是，本發(fā)明不局限于所示出的結(jié)構(gòu)。圖3a示出單個LED，圖北示出串聯(lián)連接的多個LED 24，圖3c示出并聯(lián)連接的示多個LED 26，而圖3d示出同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)連接的多個 LED 28ο在一些實(shí)施方式中，裝置10使用交流電源5作為輸入，比如由電力公司提供的，裝置10可選地包括連接裝置44，例如插座(沒有圖示)或插頭(圖4，7)，以連接到外部電源。當(dāng)然，提供包括內(nèi)部交流電源46(圖6，9)的裝置10也屬于本發(fā)明的范圍?，F(xiàn) 在將描述包括脈沖發(fā)生器電路30的裝置10的操作結(jié)果(圖2)。在裝置10中， 脈沖發(fā)生器電路用于驅(qū)動由10個LED串聯(lián)連接的陣列24(圖3b)。所使用LED為0. 2W的白色LED。然而應(yīng)理解的是，本發(fā)明不局限于具有此額定值或顏色的LED，其他固態(tài)發(fā)光器件可以取代這種LED。另外，該電路包括的電阻R的阻值大約為13. 2歐姆，而電容C的電容大約為0.1微法。二極管(Dl到D6)是市場上就可以買到的二極管。在該例子中，使用的二極管的編號為1N4148。然而應(yīng)理解的是，本發(fā)明并不局限于這種特定二極管。另外，應(yīng)理解的是，二極管Dl到D6可以用LED來代替，例如在LED陣列24中使用的相同類型的LED。 通過這樣做，裝置10發(fā)光的亮度會隨之增加。在該例子中，使用變壓器將公共供電的電壓降低到較低的電壓。更具體來講，使用變壓器將110 (或220)伏AC變換為24伏AC。圖10示出對于單個脈沖輸出，作為時(shí)間函數(shù)在電路輸出端子36、37兩側(cè)測量的輸出電壓Vo (左邊的縱軸)和輸出電流Io (右邊的縱軸)?？梢钥闯觯妷呵€Vo(t)的上升時(shí)間不同于其下降時(shí)間，電流曲線Io(t)也是如此。而且，電壓曲線Vo(t)的上升和下降時(shí)間不同于電流曲線Io(t)的各自對應(yīng)部分。這一信息表明，在電壓曲線Vo⑴和電流曲線 Io (t)之間有相位延遲。要注意的是，LED的閥值電壓V(thresh。ld)取決于所使用的LED的類型。在包括LED 陣列的設(shè)備中，閥值電壓V(thresh。ld)取決于LED的類型以及LED的布局。圖10中的用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)的單個LED具有剛剛超過2. 3伏的閥值。因此，由串聯(lián)布置的十個這種LED構(gòu)成的陣列24(圖3b)具有剛剛超過23伏的閥值電壓V(ttoesh。ld)。在具有低于V(thresh。ld)的驅(qū)動電壓的波形部分期間，LED陣列24未被充分驅(qū)動。因此，盡管電容C兩側(cè)的電容電壓V(。ap)低于閥值，但是LED陣列24未被驅(qū)動，并且電容C沒有通過二極管D6充分放電。而且，當(dāng)整流器31的輸出低于電容電壓V(。ap)時(shí)，電容C并沒有通過二極管D5充電。通過選擇整流器 31的輸出Vtetifiw)的峰值電壓，使得在一段相當(dāng)短的時(shí)期內(nèi)，整流器電壓Vtetifiw)相當(dāng)大地超過LED陣列24的閥值電壓V(thresh。ld)，電容C能夠在周期的大部分時(shí)間內(nèi)保持稍微低于陣列24的閥值電壓，同時(shí)保持在LED陣列上的偏置電壓。驅(qū)動電路30提供了在偏置電壓上疊加的附加脈沖，其具有超過閥值電壓V(thresh。ld)的短持續(xù)時(shí)間電壓，由此簡短地驅(qū)動LED 陣列24。因此，通過選擇整流器31的輸出V(re。tifiCT)的峰值電壓，使的整流器電壓
在相對較短的時(shí)期內(nèi)超過LED陣列24的閥值電壓V(ttoesh。ld)，電容C可以保持為剛剛低于閥值電壓V(th_h。ld)，并且可以在短時(shí)期內(nèi)點(diǎn)亮陣列24。結(jié)果是，在與整流器輸出電壓相當(dāng)大地超過LED閥值電壓V(thresh。ld)的時(shí)期對應(yīng)的相對較短時(shí)期內(nèi)，基本上點(diǎn)亮了 LED陣列24。LED中的電場分布規(guī)定了電流從相同陽極焊墊開始流動，并且朝著不同光子產(chǎn)生區(qū)域移動，然后沿著不同路徑流向LED中的相同陰極焊墊。不同的路徑可具有相關(guān)聯(lián)的不同寄生電阻和電容。這種現(xiàn)象可能會導(dǎo)致LED的不同區(qū)域達(dá)到其照明閥值(也就是產(chǎn)生光子，并隨后達(dá)到以穩(wěn)定光通量(穩(wěn)定亮度)產(chǎn)生光子的狀態(tài))所需的短時(shí)期存在差異。當(dāng) LED已經(jīng)在每一區(qū)域都達(dá)到穩(wěn)定亮度狀態(tài)時(shí)，電流也達(dá)到了“飽和”狀態(tài)。當(dāng)穩(wěn)定亮度的持續(xù)時(shí)間超過0. 2毫秒時(shí)，人眼感覺到恒定亮度狀態(tài)，而不會眼睛疲勞。當(dāng)對應(yīng)于整流器的輸出電壓相當(dāng)大地超過LED電壓閥值V(thresh。ld)的持續(xù)時(shí)間被保持為低于3. 5毫秒時(shí)，通過使用被改變?yōu)樘峁┟}沖光源的AC電源，與使用DC電源驅(qū)動的相同LED排列相比，能夠節(jié)約相當(dāng)多的能量。參考電流曲線Io(t)，為了獲得達(dá)到“飽和”狀態(tài)的期望短脈沖持續(xù)時(shí)間并獲得相當(dāng)多的能量節(jié)約，在圖10中使用了大約為23伏的正DC偏置。DC偏置的電壓并不局限于這個數(shù)值，一般是保持為低于所使用的LED的閥值。這種在脈沖發(fā)生器電路30的輸出中提供正DC偏置的方式補(bǔ)償了 LED的寄生效應(yīng)，并且能夠減少LED照明所需的時(shí)間。圖11示出對于幾個輸入周期，作為時(shí)間函數(shù)繪制的輸入交流電力信號Vi (t)，橋整流器兩側(cè)的輸出電壓(t)，電容兩側(cè)的輸出電壓V(。ap) (t)，和LED負(fù)載(陣列24)兩側(cè)的Va。ad)(t)?？梢钥吹?，裝置10產(chǎn)生了具有DC偏置的脈沖輸出波形。在此，DC偏置大約為23伏，脈沖持續(xù)時(shí)間大約為3毫秒。還可以看到，脈沖的頻率與輸入信號的頻率同步。 在此例子中，所使用的輸入信號大約為60赫茲，而脈沖頻率大約為其兩倍，S卩120赫茲。上文描述的脈沖發(fā)生器電路30被配置為生成輸出波形，該輸出波形包括按照對應(yīng)于輸入頻率的頻率發(fā)生的極短持續(xù)時(shí)間脈沖，還包括正DC偏置。但是，采用多個互連電路實(shí)現(xiàn)所期望的輸出波形也完全屬于本發(fā)明的范圍。例如，圖12是替代裝置10’的示意性視圖，該替代裝置10’具有第一脈沖發(fā)生電路30’，該第一脈沖發(fā)生電路30’與提供正DC偏置的第二電路分離開。在此替代裝置中，上述的兩個電路被連接起來以形成所期望的波形。上文描述的本發(fā)明可以用于提供能量效率的照明。該方法包括利用驅(qū)動電源提供發(fā)光源，所述驅(qū)動電源的波形包括頻率與AC電力的頻率基本同步、并且持續(xù)時(shí)間在0. 2到 15. 0毫秒范圍內(nèi)的脈沖。通過使用這種照明方法，可以發(fā)出周期性脈沖光，視覺上感覺為穩(wěn)定和連續(xù)的，并且和傳統(tǒng)的照明技術(shù)相比，用于提供照明的能量消耗顯著降低。特別是，這種方法包括通過使用交流電源供電的無源電路來產(chǎn)生所期望的脈沖波形。這種無源電路是通過在上述的脈沖發(fā)生器電路30實(shí)現(xiàn)的，但并不限于此。在本發(fā)明的方法中，脈沖發(fā)生器電路30被配置為接收交流電力，并連接到固態(tài)發(fā)光器件20。如上所述，脈沖發(fā)生器電路30改變交流電力以產(chǎn)生輸出波形，該輸出波形包括頻率和交流電力頻率基本同步、且持續(xù)時(shí)間為0.2到15.毫秒的脈沖，并且還具有正DC偏置。脈沖發(fā)生器電路30將改變后的波形輸出至發(fā)光器件20，由此發(fā)出周期性的脈沖光，并在視覺上感覺為穩(wěn)定和連續(xù)的。盡管上文已經(jīng)描述了本發(fā)明的一種可實(shí)行范例，但本發(fā)明不局限于上文描述的所述可實(shí)行范例，也可以實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)替代方案，而不會脫離權(quán)利要求書中所述的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種照明裝置，包括 固態(tài)發(fā)光器件；以及與所述固態(tài)發(fā)光器件連接的電路，所述電路被配置為接收交流電力， 其中，所述電路包括非開關(guān)電路部件，所述非開關(guān)電路部件被配置為改變所述交流電力以產(chǎn)生輸出波形，所述輸出波形具有頻率與所述交流電力的頻率基本同步、并且持續(xù)時(shí)間在0. 2到15毫秒范圍內(nèi)的脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中所述電路被配置為提供具有正DC偏置的輸出波形。
3.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，包括另外的電路，所述另外的電路進(jìn)一步改變所述輸出波形，以使所述輸出波形具有正DC偏置。
4.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中所述輸入電源提供頻率在20赫茲到300赫茲范圍內(nèi)的交流電。
5.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中所述固態(tài)發(fā)光器件包括至少一個LED。
6.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中所述電路包括整流器、電容、電阻、第一二極管、第二二極管、一對被配置為連接到交流電力的輸入端子、和一對被配置為連接到所述固態(tài)發(fā)光器件的輸出端子，所述整流器包括無源部件的， 其中，所述電容被布置為與所述輸出端子并聯(lián)，所述電阻被布置為與所述輸出端子串聯(lián)，并且被設(shè)置在所述電容的負(fù)載側(cè)，并且所述第一二極管和第二二極管被布置為與所述輸出端子串聯(lián)，使得所述第一二極管被設(shè)置在所述電容的輸入側(cè)，而所述第二二極管被設(shè)置在所述電容的負(fù)載側(cè)。
7.如權(quán)利要求6所述的照明裝置，其中所述整流器包括第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管，其中，以單個橋電路形式連接所述第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管，并且在所述橋的不同臂上設(shè)置所述第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管中的一個，跨過所述橋電路的第一側(cè)而連接所述一對輸入端子，跨過所述橋電路的第二側(cè)而連接所述一對輸出端子，使得串聯(lián)布置的所述第三二極管和第五二極管能夠以前向?qū)ǚ绞綄?dǎo)通，而串聯(lián)布置的所述第四二極管和第六二極管能夠以反向?qū)ǚ绞綄?dǎo)通。
8.一種照明燈具，所述照明燈具包括 配置為支撐光源的插座，所述插座包括 配置為接收交流電力的第一連接器；和配置為接收固態(tài)發(fā)光器件的第二連接器，以及設(shè)置于所述插座內(nèi)的電路，所述電路與所述第一連接器連接，并且被配置為從所述第一連接器接收交流電力，所述電路還與所述第二連接器連接，并且被配置為將輸出波形提供到所述第二連接器，其中，所述電路包括非開關(guān)電路部件，所述非開關(guān)電路部件被配置為改變所述交流電力以產(chǎn)生輸出波形，所述輸出波形包括頻率與所述交流電力的頻率基本同步、并且持續(xù)時(shí)間在0. 2到15毫秒范圍內(nèi)的脈沖。
9.如權(quán)利要求8所述的照明燈具，其中所述第二連接器被配置為接收至少一個LED。
10.如權(quán)利要求8所述的照明燈具，其中所述輸出波形還包括DC偏置。
11.如權(quán)利要求8所述的照明燈具，包括另外的電路，所述另外的電路進(jìn)一步改變所述輸出波形，以使所述輸出波形具有正DC偏置。
12.如權(quán)利要求8所述的照明燈具，其中所述電路包括整流器、第一二極管、第二二極管、電容和電阻，所述整流器包括無源部件，其中，所述電容被布置為與所述第二連接器并聯(lián)，所述電阻被布置為與所述第二連接器串聯(lián)，并且被設(shè)置在所述電容的負(fù)載側(cè)，所述第一二極管和第二二極管被布置為與所述第二連接器串聯(lián)，使得所述第一二極管被設(shè)置在所述電容的輸入側(cè)，而所述第二二極管被設(shè)置在所述電容的負(fù)載側(cè)。
13.如權(quán)利要求12所述的照明燈具，其中所述整流器包括第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管、與所述第一連接器連接的一對輸入端子、與所述第二連接器連接的一對輸出端子，其中以單個橋電路形式連接所述第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管，并且在所述橋的不同臂上設(shè)置所述第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管中的一個，跨過所述橋電路的第一側(cè)而連接所述一對輸入端子，跨過所述橋電路的第二側(cè)而連接所述一對輸出端子，使得串聯(lián)布置的所述第三二極管和第五二極管能夠以前向?qū)ǚ绞綄?dǎo)通，而串聯(lián)布置的所述第四二極管和第六二極管能夠以反向?qū)ǚ绞綄?dǎo)通。
14.一種提供照明的方法，所述方法包括提供電路，所述電路包括配置為接收交流電力的輸入連接器；和配置為接收固態(tài)發(fā)光器件的輸出連接器，其中，所述電路包括非開關(guān)電路部件，以及當(dāng)所述電路連接到所述第一連接器并通過所述第一連接器接收交流電力時(shí)，所述電路改變所述交流電力以產(chǎn)生輸出波形，所述輸出波形包括頻率與所述交流電力的頻率基本同步、并且具有在0. 2到15毫秒范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間的脈沖，并且將改變后的波形輸出到所述輸出連接器。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述輸出波形還包括正DC偏置。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括提供與所述輸出連接器連接的固態(tài)發(fā)光器件；以及利用從所述電路輸出的改變后的波形產(chǎn)生光，由此發(fā)出周期性脈沖化的光，并且視覺上感覺為穩(wěn)定和連續(xù)的照明。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述固態(tài)發(fā)光器件包括至少一個發(fā)光二極管。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述電路包括第一二極管、第二二極管、電容、電阻和整流器，所述整流器包括無源部件，并且其中所述電容被布置為與所述第二連接器并聯(lián)，所述電阻被布置為與所述第二連接器串聯(lián)，并且被設(shè)置在所述電容的負(fù)載側(cè)，所述第一二極管和第二二極管被布置為與所述第二連接器串聯(lián)，使得所述第一二極管被設(shè)置在所述電容的輸入側(cè)，而所述第二二極管被設(shè)置在所述電容的負(fù)載側(cè)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述整流器包括第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管，其中以單個橋電路形式連接所述第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管，并且在所述橋的不同臂上設(shè)置所述第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管中的一個，所述第一連接器包括跨過所述橋電路的第一側(cè)而連接的一對輸入端子，和跨過所述橋電路的第二側(cè)而連接的一對輸出端子，使得串聯(lián)布置的所述第三二極管和第五二極管能夠以前向?qū)ǚ绞綄?dǎo)通，而串聯(lián)布置的所述第四二極管和第六二極管能夠以反向?qū)ǚ绞綄?dǎo)通。
20.用于處理交流電力的電路，其中所述電路包括非開關(guān)電路部件，所述非開關(guān)電路部件包括被配置為接收固態(tài)發(fā)光器件的輸出連接器，并且適于接收交流電力；以及改變所接收的交流電力以產(chǎn)生輸出波形，所述輸出波形包括頻率與所述交流電力的頻率基本同步、并且持續(xù)時(shí)間在0. 2到15毫秒的范圍內(nèi)的脈沖；以及將改變后的波形輸出到所述輸出連接器。
21.如權(quán)利要求17所述的電路，其中所述輸出波形還包括正DC偏置。
22.如權(quán)利要求17所述的電路，其中所述輸出連接器被配置為支持并且提供與LED的電連接。
23.如權(quán)利要求17所述的電路，所述電路包括第一二極管、第二二極管、電容、電阻、配置為允許與交流電力連接的一對輸入端子、與所述輸出連接器連接的一對輸出端子、和包括無源部件的整流器，其中，所述電容被布置為與所述輸出端子并聯(lián)，所述電阻被布置為與所述輸出端子串聯(lián)，并且被設(shè)置在所述電容的負(fù)載側(cè)，所述第一二極管和第二二極管被布置為與所述輸出端子串聯(lián)，使得所述第一二極管被設(shè)置在所述電容的輸入側(cè)，而所述第二二極管被設(shè)置在所述電容的負(fù)載側(cè)。
24.如權(quán)利要求23所述的電路，所述整流器包括以單個橋電路形式連接的第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管，在所述橋的不同臂上設(shè)置所述第三二極管、第四二極管、第五二極管、和第六二極管中的一個，跨過所述橋電路的第一側(cè)而連接所述一對輸入端子，跨過所述橋電路的第二側(cè)而連接所述一對輸出端子，使得串聯(lián)布置的所述第三二極管和第五二極管能夠以前向?qū)ǚ绞綄?dǎo)通，而串聯(lián)布置的所述第四二極管和第六二極管能夠以反向?qū)ǚ绞綄?dǎo)通。
全文摘要
提供了一種能量效率的照明裝置，在所述照明裝置中，通過使用脈沖發(fā)生電路降低能量消耗，所述脈沖發(fā)生電路以短脈沖方式向LED提供電力，并且所述電路的使用壽命與LED的使用壽命相當(dāng)。所述照明裝置包括僅使用無源電路部件實(shí)現(xiàn)的脈沖發(fā)生電路，用于產(chǎn)生被期望脈沖化的、且?guī)в姓鼶C偏置的輸出波形。所述脈沖發(fā)生電路在頻率為50到60赫茲輸入信號的每一周期內(nèi)，接收交流電力作為輸入，改變電力波形，并且在極短時(shí)間(0.2到15毫秒)內(nèi)將該電力提供到LED。這種脈沖發(fā)光的方案不但提供了被人類感覺為穩(wěn)定和連續(xù)的環(huán)境照明，并且由于只在電力周期中的一部分中使用電力，因而還實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)多的能量節(jié)約。
文檔編號H05B37/02GK102308672SQ200980156133
公開日2012年1月4日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者周美玲, 杰弗里·文泰·徐 申請人:Armi產(chǎn)品公司