针对可调光ac led照明的光谱偏移控制的制作方法
【专利说明】针对可调光AC LED照明的光谱偏移控制
[0001 ]优先权申明
[0002]本专利申请要求2013年7月3日提交的美国临时专利申请序列号61/842,747的优先权的权益并且基于此，该申请以其全部内容通过弓I用结合在此。
技术领域
[0003]各个实施例总体上涉及包括发光二极管(LED)的照明系统。
[0004]背景
[0005]功率因数对于将电功率递送至消费者的公用事业而言是非常重要的。对于要求实际功率水平相同的两个负载，具有较好功率因数的负载实际上需要更少的来自公用事业的电流。具有1.0功率因数的负载需要最少量的来自公用事业的电流。公用事业可以用高功率因数负载向消费者提供折合率。
[0006]较差的功率因数可以是由于电压与电流之间的相位差。功率因数也可以由于电流的失真和谐波成分而被降级。在一些情况中，失真的电流波形倾向于增加谐波能量含量，并且减少基频处的能量。针对正弦电压波形，仅在基频处的能量可以将实际功率传送至负载。失真电流波形可以由如整流器负载的非线性负载造成。例如，整流器负载可以包括二极管(例如，如LED)。
[0007]LED是广泛使用的能够在被供给电流时进行照明的设备。例如，单个的红色LED可以向设备操作员提供可见的操作状态指示(例如，开或关)。作为另一个示例，LED可以用于在一些基于电子器件的设备(如，手持计算器)中显示信息。LED还已经被用于例如照明系统、数据通信和电机控制中。
[0008]通常，LED被形成为具有正极和负极的半导体二极管。理论上，理想二极管将仅在一个方向上传导电流。当在正极与负极之间施加足够的正向偏置电压时，常规电流流过该二极管。流过LED的正向电流可以导致光子与空穴重新组合从而以光的形式释放能量。
[0009]来自某些LED的发射光在可见波长谱中。通过恰当选择半导体材料，单独的LED可以被构造以发射特定的颜色(例如，波长)，例如，如红色、蓝色或绿色。
[0010]通常，LED可以被创造于常规半导体裸片上。单独的LED可以与在同一裸片上的其他电路相整合，或者被封装成离散的单个部件。通常，包含LED半导体元件的封装体将包括透明窗以准许光从封装体中逃逸出来。
[0011]本申请人的USSN 12/785，498和12/824，215通过提供调节来自与调光电路和设备是可兼容的AC输入的电流的多个电路解决了这些问题，并且那些披露被完全结合在此。尽管在本领域中这类电路在解决之前的问题时是有效的，仍然期望改进这些电路。具体而言，例如仅在图23中示出的所提供的电路提供了什么被认为是在过零点处的死区时间。具体而言，当电压和电流从负象限进入正象限(并且反之亦然)或者甚至波形完全存在于正象限中时，当波形接近X轴或者过零点时，电流根据电压波形在零点处变平进入和离开过零点。以此方式，在过零点处在电路中呈现零电流或死区时间的周期。
[0012]此死区时间当与各个调光器或调光电路关联使用时是有问题的。在特定的许多调光器中，如仅用于示例，硅控调光器不保持电荷并因此在此死区时间过程中没有电流，使得该调光器难以当无功负载被呈现时在过零点处启动。类似的问题也可以发生在IGBT类型调光器中。由于在某些条件中在启动过程中的困难，如闪烁和潜在可感知的闪烁的负面效应发生。因此，在本领域中存在需要以使死区时间在过零点处的负面效应最小化从而改进LED发光组件的性能。
[0013]因此，本发明的根本目标是提供调光调节电路以改进与电路接收基于AC的输入相关联的电流调节的性能。
[0014]概述
[0015]多种装置以及相关联的方法涉及操作LED光引擎，其中，选定波长的相对光强根据电激励而偏移。在说明性示例中，电流可以被选择性地并且自动地从被安排在串联电路中的多个LED中的至少一个LED中基本上转移出来，直到该电流或其相关联的周期性激励电压达到预定的阈值水平。在该激励电流或电压基本上上升到该预定阈值水平之上时，该转移电流可以在过渡中被平滑地减少。可以基本上作为该激励电压的预定函数改变光输出的色温。例如，一些实施例可以通过固态光引擎响应于对该AC电压激励进行调光(例如，通过相切割或振幅调制)而基本上增加或减少色温输出。
[0016]在各个示例中，在LED串中的选择性电流转移可以扩展输入电流传导角并由此针对AC LED照明系统基本上改进功率因数和/或减少谐波失真。
[0017]各个实施例可以实现一个或多个优点。例如，一些实施例可以使用例如非常简单、低成本且低功率的电路基本上减少AC输入电流波形上的谐波失真。在一些实施例中，用于实现基本上减少的谐波失真的附加电路可以包括单个晶体管，或者可以进一步包括第二晶体管和电流感测元件。在一些示例中，电流传感器可以是LED电流的一部分流过的电阻元件。在一些实施例中，可以通过将裸片上的谐波改进电路与受谐波改进电路控制的一个或多个LED相整合而实现对显著尺寸和制造成本的缩减。在某些示例中，可以将谐波改进电路与在共同裸片上的相应受控LED整合，而不用增加单独制造LED所需要的处理步骤数。在各个实施例中，可以例如使用或者半波整流或者全波整流针对AC驱动的LED负载基本上改进AC输入电流的谐波失真。一些实现方式可能要求少至两个晶体管和三个电阻器以提供受控旁路通路来调节输入电流从而改进AC LED光引擎中的功率品质。一些实现方式可以在输入激励的选定范围之上提供预定的增加、减少或基本上恒定的色温。
[0018]在以下附图和说明书中陈述了各个实施例的细节。其他特征和优点将根据说明书和附图以及权利要求书而变得明显。
[0019]附图简要描述
[0020]图1描绘了具有被配置成全波整流器的LED和被配置成用于接收来自该整流器的单向电流的LED串的示例AC LED电路的示意性表示。
[0021]图2至图5描绘了图1的ACLED电路的代表性性能曲线和波形。
[0022]图6至图9描绘了具有针对改进的功率品质的选择性电流转移的全波整流器照明系统的一些示例性实施例。
[0023]图10至图11描绘了被配置成用于没有选择性电流转移的半波整流的ACLED串。
[0024]图12至图13描绘了具有被配置成用于具有选择性电流转移的半波整流的ACLED串的不例电路。
[0025]图14至图16披露了使用常规(例如，非LED)整流器的ACLED拓扑。
[0026]图17至图19披露了展示应用于图14的ACLED拓扑上的选择性电流转移的示例性实施例。
[0027]图20示出了用于在照明装置的实施例中校准或测试功率因数改进的示例性装置的框图。
[0028]图21示出了具有改进的谐波因数和/或功率因数性能的LED光引擎的示例性电路的示意图。
[0029]图22示出了针对图21的光引擎电路作为激励电压的函数的归一化输入电流的图表。
[0030]图23描绘了针对图21的电路的实施例的电压波形和电流波形的示波器测量结果。
[0031]图24描绘了针对图23的电压波形和电流波形的功率品质测量结果。
[0032]图25描绘了针对图23的电压波形和电流波形的谐波简档。
[0033]图26示出了具有改进的谐波因数和/或功率因数性能的LED光引擎的示例性电路的示意图。
[0034]图27示出了针对图26的光引擎电路作为激励电压的函数的归一化输入电流的图表。
[0035]图28描绘了针对图26的电路的实施例的电压波形和电流波形的示波器测量结果。
[0036]图29描绘了针对图28的电压波形和电流波形的功率品质测量结果。
[0037]图30描绘了针对图26的电路的另一个实施例的电压波形和电流波形的示波器测量结果。
[0038]图31描绘了针对图30的电压波形和电流波形的功率品质测量结果。
[0039]图32示出了针对如参照图27至图29所描述的图26的电路的实施例的电压波形和电流波形的示波器测量结果。
[0040]图33描绘了针对图32的电压波形和电流波形的功率品质测量结果。
[0041 ]图34描绘了图32的波形的谐波成分。
[0042]图35描绘了针对图32的电压波形和电流波形的谐波简档。
[0043]图36和图37示出了如参照图27所描述的光引擎的光输出的实验测量结果的曲线图和数据。
[0044]图38示出了利用调光调节电路的LED光引擎的示例性电路的示意图。
[0045]图39描绘了针对图38的电路的实施例的电压波形和电流波形的示波器测量结果。
[0046]图40示出了利用调光调节电路的LED光引擎的示例性电路的示意图。
[0047]图41描绘了针对图40的电路的实施例的电压波形和电流波形的示波器测量结果。
[0048]图42示出了利用调光调节电路的LED光引擎的示例性电路的示意图。
[0049]图43描绘了针对图42的电路的实施例的电压波形和电流波形的示波器测量结果。
[0050]图44示出了利用调光调节电路的LED光引擎的示例性电路的示意图。
[0051]图45描绘了针对图42的电路的实施例的电压波形和电流波形的示波器测量结果。
[0052]图46至图48示出了调光调节电路的多个示意图。
[0053]各附图中的相似参考符号指示相似的元件。
[0054]说明性实施方案的详细描述
[0055]为了帮助理解，此文件总体上组织如下。首先，为了帮助介绍讨论各实施例，参照图1至图5介绍使用LED具有全波整流器拓扑的照明系统。其次，这个介绍引导参照图6至图9对具有针对改进的功率因数能力的选择性电流转移的全波整流器照明系统的一些示例性实施例进行描述。第三，参照图10至图13，选择性电流转移在被配置成用于半波整流的示例性LED串的应用中被描述。第四，参照图14至图19，讨论转向展示使用常规(例如，非LED)整流器应用于LED串上的选择性电流转移的示例性实施例。第五，并且参照图20，此文件描述了在照明装置的实施例中对校准或测试功率因数改进有用的多种示例性装置和方法。第六，本披露转向查看实验数据并讨论两个AC LED光引擎拓扑。参照图21至图25查看一个拓扑。参照图26至图37查看在三个不同实施例(例如，三个不同的部件选择)中的第二拓扑。第七，本文件参照图38至图43介绍了针对结合了选择性电流转移以调节输入电流波形的ACLED光引擎的多个不同拓扑。
[0056]第八，本批露参照其余附图如在此所描述的各个实施例中解释了多个示例从而展示AC LED光引擎如何可以被配置成具有选择性电流转移以响应输入激励的改变(例如，调光)而提供色温中的期望偏移。最后，本文件针对AC LED照明应用讨论涉及改进的功率品质的进一步实施例、示例性应用及方面。
[0057]图1描绘了具有被配置成全波整流器的LED和被配置成用于接收来自该整流器的单向电流的LED串的示例AC LED电路的示意性表示。所描绘的AC LED是自整流LED电路的一个示例。如箭头所指示的，这些整流器LED(在四个侧上所描绘的)仅在四个AC象限(Q1、Q2、Q3、Q4)中的两个象限中传导电流。负载LED(在整流器中对角地描绘的)在所有四个象限中传导电流。例如，在Q1和Q2中当电压为正并且分别上升或下降时，电流被传导通过整流器LED(+D1至+Dn)以及通过负载LED(+/-D1至+/-Dn)。在Q3和Q4中当电压为负并且分别下降或上升时，电流被传导通过整流器LED(-D1至-Dn)以及通过负载LED(+/_D1至+/_Dn)。在任一种情况(例如，Q1-Q2或Q3-Q4)中，输入电压可能必须达到预定的传导角电压以便LED开始传导有效电流。
[0058]图2描绘了具有一个周期的跨四个象限的激励的正弦电压。Q1跨0度至90度(电的)、Q2跨90度至180度(电的)、Q3跨180度至270度(电的)以及Q4跨270度至360度(或0度)(电的)。
[0059]图3描绘了LED的示例性特性曲线。在此图中，电流被描绘成在约2.8伏特的阈值电压以下基本上可忽略不计。尽管是代表性的，此具体特性是针对一个LED的并且针对其他合适的LED可以不同，并因此此特定附图不旨在为限制性的。此特性可以根据温度而变化。
[0060]图4描绘了施加于图1的电路的图2正弦电压的说明性电流波形。如所示的，针对正半周期，传导角在约30度处开始并且扩展至约150电角度。针对负半周期，传导角从约210度(电的)扩展至约330度(电的)。每个半周期被描绘成针对约仅120度传导电流。
[0061]图5描绘了例如在不同电路配置中电流波形的代表性变化。例如，可以通过减少串联LED的数量获得增加的传导角(如由曲线“a”所指示的)，这可以导致过度的峰值电流。在所描绘的示例中，可以通过引入额外的串联电阻尝试谐波减少(如由曲线“b”所指示的)，这可以增加功耗和/或减少光输出。
[0062]在此，接下来描述的方法和装置包括选择性电流转移电路，其可以有利地增加ACLED的传导角和/或改进功率因数。一些实现方式可以进一步被有利地安排以基本上改进负载LED中的电流负载的平衡。
[0063]图6描绘了具有针对改进的功率因数能力的选择性电流转移的全波整流器照明系统的第一示例性实施例。在此示例中，存在跨在节点A与节点B之间串联连接的一组负载LED添加的附加旁路电路。该旁路电路包括开关SW1和感测电路SCI。在操作中，当SW1闭合时该旁路电路被激活以绕这些负载LED中的至少一些LED转移电流。开关SW1受感测电路SCI控制，该感测电路选择何时激活该旁路电路。
[0064]在一些实施例中，SCI通过感测输入电压进行操作。例如，当所感测的输入电压低于阈值时，旁路电路可以被激活以在Q1或Q3中推进电流的传导，并且然后在Q2或Q4保持电流传导。
[0065]在一些实施例中，SCI可以通过感测电流进行操作。例如，当所感测的LED电流低于阈值时，旁路电路被激活以在Q1或Q3中推进电流的传导，并且然后在Q2或Q4保持电流传导。
[0066]在一些实施例中，SCI通过感测来源于整流电压的电压进行操作。例如，可以使用电阻分压器来执行电压感测。在一些实施例中，阈值电压可以由耦合的高值电阻器确定以驱动电流通过控制SW1的状态的光电耦合器的LED。在一些实施例中，可以基于相对于电压波形中的特定点(例如，过零点或电压峰值)的预定时间延迟来控制SW1 ο在这类情况中，定时可以被确定以使从AC电源到照明装置供应的电流波形的谐波失真最小化。
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