LED管灯的制作方法

本发明描述了一种led管灯；以及包括这种led管灯的照明装置。

背景技术：

鉴于管灯和白炽灯的效率，管灯比白炽灯更为优选。诸如荧光管灯之类的管灯根据镇流器来操作，该镇流器调节通过灯的电流。已经开发出用于在电磁(em)镇流器以及还有高频(hf)镇流器上运行的管灯。用于荧光灯的电子镇流器基本上实现三个功能：它提供灯丝加热，它点亮灯，并且它使灯电流稳定在稳定状态。电子镇流器的性能通常优于磁镇流器的性能，因为电子镇流器基本上可以消除闪烁，并且可以更快地启动灯。

led灯甚至比荧光灯效率更高，并且鉴于led灯的长寿命和低能耗而具有吸引力。已经开发了改装led管灯以用于插入荧光管灯器材的壳体中。为了使用具有传统镇流器的改装led管灯(通常称为“led管”)，技术员的一种选择是在器材中存在hf镇流器的情况下对器材进行重新布线。近年来，标准化机构已经开始制定用于“直接替换”led管(即，非集成或半集成led管灯)的安全标准，镇流器是用于该“直接替换”led管的照明器材的一部分，并且用于该“直接替换”led管的照明器材不需要修改或重新布线。由于镇流器被结合在荧光照明器材中，所以优选地将led管灯设计成根据该镇流器进行操作。出于这一原因，下文将荧光管灯器材的镇流器称为“传统镇流器”。一种广泛使用的hf镇流器设计是半桥lc谐振电路，半桥lc谐振电路的无数变化是可能的。hf兼容led管的开发中的挑战之一是确保与许多不同类型的镇流器拓扑的兼容性。基于不同拓扑的各种概念有效地使得不可能设计出与所有hf镇流器匹配的用于led管的无源匹配电路。

因此，本发明的一个目的是提供一种经济、高效并且与各种不同种类的hf镇流器兼容的改进的led管灯。

技术实现要素：

本发明的目的通过权利要求1的led管灯来实现；并且通过权利要求13的照明装置来实现。

根据本发明，led管灯实现为用于与高频镇流器一起使用，并且包括：led装置；驱动器，实现为驱动led装置；以及第一连接端子对，用于将高频镇流器的第一输出引脚对连接到第一驱动器输入端子，和第二连接端子对，用于将高频镇流器的第二输出引脚对连接到第二驱动器输入端子。本发明的led管灯的特征在于磁耦合电感器对，该磁耦合电感器对中的第一电感器与第一连接端子对中的一个端子串联连接，并且第二电感器与第一连接端子对中的另一个端子串联连接，其中所述第一电感器处于允许电流从高频镇流器进入驱动器中的第一回路中，所述第二电感器处于第二回路中，并且所述耦合电感器对磁耦合，使得第二回路中的电流响应于第一回路中的电流而受到限制。

根据本发明的led管灯的优点在于：它提供了改善与hf镇流器的无源匹配的简单且经济的方式。本发明的led管灯或“led管”有利地减少了镇流器输出电流，并且因此还减少了镇流器功率损失和第二回路上的灯丝电阻器功率损失，从而进一步降低了操作成本。仅有的附加电路元件——超过可比较的现有技术设计——可以限于耦合电感器对，从而允许led管的非常经济的实现。此外，驱动器可以包括简单且便宜的二极管桥整流器，这也贡献于本发明的led管的经济实现。

如上所指示的，从镇流器的角度来看，led管通常包括灯丝模仿电路，以模仿荧光灯的行为。这是通过每个输入端子处的灯丝电阻器实现的。在现有技术中，每个连接端子对的两个灯丝电阻器在公共节点处接合，该公共节点转而连接到两个驱动器输入中的一个驱动器输入。在下文中，为了简化说明，耦合电感器对中的第一电感器将被称为“上耦合电感器”或“上电感器”，并且耦合电感器对中的第二电感器将被称为“下耦合电感器“或”下电感器“。这个约定将保持在整个说明书中。灯丝电阻器可以串联连接在第一连接端子对中的一个端子与上电感器之间，并且另一灯丝电阻器可以串联连接在第一连接端子对中的另一个端子与下电感器之间。换句话说，对于根据本发明的led管，在上电感器、下电感器、和两个驱动器输入中的一个驱动器输入之间的连接处形成公共节点。

根据本发明，led管照明装置包括：实现用于与荧光管灯一起使用的传统hf镇流器；以及跨hf镇流器的输出连接的本发明的led管灯。

根据本发明的led管照明装置的优点在于：它覆盖更多种传统hf镇流器。这增加了可以利用根据本发明的更经济和更耐用的led管进行改装的较旧荧光器材的范围。

从属权利要求和以下描述公开了本发明的特别有利的实施例和特征。在适当的情况下，可以组合实施例的特征。在一种权利要求类别的上下文中描述的特征可以同样适用于另一权利要求类别。

在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假设led管灯或led管被实现为改装管灯。这种led管可以用于代替现有的荧光管灯，并且这种led管包括布置在灯壳体中的led负载、内部led驱动器、灯丝模仿电路、引脚安全电路等，该灯壳体具有与这种led管将代替的荧光灯的类型相同的尺寸和连接接口。根据本发明的led管灯可以被实现为代替任何常见荧光管灯，例如，led管灯可以被实现为线性四引脚管灯或者被实现为紧凑型荧光灯(cfl)，在该紧凑型荧光灯(cfl)中管被成形为具有多个弯(turn)。在下文中，术语“led管灯”和“led管”可以互换使用。在本发明的一个优选实施例中，led管灯可以实现为改装灯，以代替紧凑型荧光灯或具有在5.0mm至50.0mm范围内的管直径的线性荧光灯。优选地，根据本发明的led管包括基本上管状壳体，以至少容纳led装置、驱动器和耦合电感器对。

根据本发明的led管的驱动器将第一和第二输入端子处的ac电压/电流转换成用于led装置的dc电压/电流。led装置可以包括以串联和/或并联组合布置的任何数量的led(诸如功率led)，以便递送期望的光输出。可以假设内部led驱动器包括半桥电路，该半桥电路以某个占空比周期性地将驱动器输入电流分流到半桥，使得led电流可以被控制到期望水平。led驱动器还可以基于开关模式拓扑、升压、降压或升压-降压等。

典型的传统hf镇流器可以包括自振荡半桥拓扑。这可以与输入上的谷填充电路组合，和/或与用于将灯电流反馈到半桥输入的功率反馈系统组合。如技术人员将会知道的，可以实现功率反馈系统以在负载条件变化时(例如在灯电压波动时)维持稳定的输出功率。如技术人员将会知道的，可以在镇流器中实现功率反馈电路，以便在一定程度上无论灯电压而向灯递送基本上恒定的功率。当使用功率反馈电路时，灯电流和/或灯电压经由电容器从灯的输出端子反馈到镇流器的输入级。以这种方式，如果灯电流增加，则在镇流器的输入处注入更多电流。这导致镇流器的dc母线电压增加，结果是更多的功率将被递送到灯，试图使灯保持在恒定功率模式下操作。这可以是在其他类型的自振荡镇流器之上的改进，对于该其他类型的自振荡镇流器，如果灯电压下降，镇流器输出功率趋于下降。

用于与荧光灯一起使用的高频镇流器通常包括第一端子连接器对和第二端子连接器对。例如，这些连接器对可以实现为管灯器材的相对端处的插座。备选地，端子可以实现在具有4引脚的单个插座中，例如在cfl灯的g24/gx24配件中。通常，hf镇流器将具有连接在自振荡半桥和第一插座的第一端子之间的电感器、以及连接在第一插座的端子和第二插座的端子之间的电容器。电容器跨荧光管灯镇流器输出的目的是要与电感器形成lc谐振电路。在启动阶段期间，由谐振电路生成的高电压点亮灯，并且在稳定状态下，镇流器经由电感器调节灯电流。在本发明的一个优选实施例中，第一端子对的端子中的一个端子和第二端子对的端子中的一个端子跨hf镇流器的输出电容器连接。led管第二端子对中的第二端子通常连接回到半桥。得到的拓扑产生包括hf镇流器的电感器、上电感器、下电感器和hf镇流器输出电容器的谐振电路。

在本发明的一个特别优选的实施例中，led管灯被实现为在电路路径中呈现大的阻抗，该电路路径(即第二环路)包括第一连接端子对和hf镇流器的输出电容器。为此，led管灯优选地包括具有电感器和电容器的匹配电路或匹配网络，电感器连接在耦合电感器对的公共节点和驱动器的第一输入之间，电容器连接在耦合电感器对的公共节点和驱动器的第二输入之间。

优选地，耦合电感器对的上电感器和下电感器被连接以在阻抗路径中具有等同极性，该阻抗路径包括第一连接端子对的上灯丝电阻器、耦合电感器对、第一连接端子对的下灯丝电阻器、镇流器输出电容器和第二连接端子对的上灯丝电阻器。该实现导致hf镇流器电感器、第一连接端子对和hf镇流器输出电容器上的谐振电路路径上的高阻抗。为了获得期望的大阻抗，耦合电感器对中的电感器优选地具有基本相等的值。例如，当使用基本相等的电感值时，电感可以增加为四倍。产生的高阻抗有效地将hf镇流器输出电容器与谐振电路或“谐振箱”(在一定程度上)隔离，该谐振电路或“谐振箱”由镇流器电感器、上耦合电感器和匹配电路形成，并且产生的高阻抗减少了led电流。通过hf镇流器电容器的电流减少，鉴于它大部分被耦合电感器对从谐振箱中排除。因此，镇流器电容器不太是主导性的，并且匹配电路可以被设计为对镇流器电容器的依赖较少。hf镇流器输出电容器中的减少的电流导致镇流器以及灯丝电阻器中的功率损失的减少。

电感器值的选择将影响包含耦合电感器对的谐振电路的阻抗。用于上电感器/下电感器的合适值优选地具有10.0μη至1.0mh的范围。在本发明的一个优选实施例中，通过电感器值的合适选择，并且通过以等同极性耦合电感器，可以实现至少0.75、更优选地至少0.85、最优选地至少0.95的耦合电感器对的耦合系数k。

在本发明的另一优选实施例中，匹配电路的电感器可以用于在电路路径中获得期望的高阻抗，该电路路径包括第一连接端子对和hf镇流器的输出电容器。为此，从阻抗路径的角度看，耦合电感器对中的电感器连接成具有相反的极性，该阻抗路径包括耦合电感器对的上电感器、匹配电路电感器和驱动器，并且匹配电路电感器以等同的极性与耦合电感器对耦合，由此匹配电路电感器减小第一回路中的电流，并且转而减小第二回路中的电流。优选地，在这样的实现中，上耦合电感器与hf镇流器电感器串联连接，并且上耦合电感器和匹配电路电感器在上文限定的阻抗路径中具有相同的极性。“耦合方向”优选地使得从输入看来，即从镇流器的角度来看，这些电感器的“定向”是相同的。这将在图的帮助下变得清楚。在该备选的实施例中，由于下耦合电感器和上耦合电感器耦合的方式，下耦合电感器的电感被上耦合电感器的电感抵消。因此，led管的灯丝阻抗主要由第一连接端子对处的灯丝电阻器确定。镇流电容器在该电路配置中不被隔离，而相反地是谐振箱的一部分。通过将上耦合电感器与匹配电路电感器耦合，避免了不希望的高电流。由于该耦合，附加电感被有效地插入，与镇流器输出和匹配电路电容器串联。该电感增加了灯的阻抗，并且使包括匹配电路的电感器和电容器的谐振箱失谐，从而降低了灯功率。在这种情况下，电感值的选择将影响包含耦合电感器对和第三电感器的谐振电路的阻抗。用于匹配电路电感器的合适值可以是100.0μη至5.0mh。此处同样地，由于降低的电流，镇流器和灯丝电阻器中的功率损失将降低。此外，如上所述，由于减少的电流，hf镇流器输出电容器将不太是主导性的，并且匹配电路可以被设计为较少考虑hf镇流器输出电容器的电容值。

通过结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将变得明显。然而，要理解，附图被设计为仅用于说明的目的，而不是作为对本发明的限制的定义。

wo2012163287a1公开了一种用于给非dc灯配件中的dc灯供电的驱动器电路。在图3a中，它公开了一种拓扑，在该拓扑中电感器在灯系统50的输入端子对处连接到镇流器电路。电感器用于模仿灯丝，电感器不是彼此磁耦合，并且电感器不用于响应于另一个电感器中的电流来限制一个电感器中的电流。

附图说明

图1示出了根据本发明的管灯装置的第一实施例的框图；

图2示出了根据本发明的管灯装置的第二实施例的框图；

图3示出了与图2的本发明的led管的操作有关的波形；

图4示出了根据本发明的管灯装置的第三实施例的框图。

图5示出了现有技术的led管；

图6示出了与图5的现有技术led管的操作有关的波形。

在附图中，相同的附图标记始终指代相同的对象。图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的led管1的第一实施例的框图。led管1连接到hf镇流器2，该hf镇流器2又连接到市电电源(未示出)。传统hf镇流器2被设计成经由第一输出连接器对21、22和第二输出连接器对23、24向荧光灯提供电流。在该示例性实施例中，镇流器是自振荡镇流器2，该自振荡镇流器2包括开关晶体管q21、q22、电感器l2和输出电容器c2，输出电容器c2跨镇流器2的输出22、23连接。开关晶体管q21、q22是双极晶体管或mosfet，并且它们的控制输入由自振荡电路提供，该自振荡电路由环芯变压器组成，为了简单起见未在图中示出该环芯变压器，因为技术人员将知道任何这样的细节。

led管1包括：led装置100，该led装置100跨led驱动器10的输出连接；第一端子对11、12和第二端子对13、14，用于连接到包含hf镇流器2的器材。灯丝电阻器r11、r12、r13、r14连接在端子11、12、13、14处，以用于模仿荧光灯的行为。led管1包括匹配电路l1、c1，以提供与hf镇流器2的兼容性。本发明的led管1包括耦合电感器对l11，l12，该耦合电感器对l11，l12包括与第一端子对的“上”灯丝电阻器r11串联的第一“上”电感器l11，和与第一端子对的“下”灯丝电阻器r12串联的第二“下电感器”l12。从图中可以看出，“上”电感器l11和“下电感器”l12是耦合的。点的放置指示耦合对的电感器l11、l12遵循点规定以等同的极性连接。

耦合对l11、l12对主功率/电路路径(也称为第一环路)中的阻抗没有大的影响，该主功率/电路路径包括hf镇流器电感器l2、上灯丝电阻器r11、上电感器l11和匹配电路电感器l1。尽管上耦合电感器l11在镇流器电感器l2与匹配电路电感器l1之间插入附加电感，但与镇流器电感器l2和匹配电路电感器l1的组合相比较，上耦合电感器l11是小的，因此上耦合电感器l11的影响也相应地小。因此，耦合对l11、l12对主功率转换级10的影响是最小的。其主要功能是将镇流器电容器c2与谐振电路隔离，该谐振电路还包括hf镇流器电感器l2、匹配电路电容器c1和匹配电路电感器l1。

在该实施例中，上电感器l11和下电感器l12具有基本上相等的值。如由镇流器看到的，这导致电路中的阻抗增加四倍，该电路(也称为第二环路)包括hf镇流器电感器l2、上电感器l11、下电感器l12和hf镇流器输出电容器c2。高阻抗在一定程度上将输出电容器c2与谐振电路隔离，并且减小led电流iled。由于通过输出电容器c2的电流减小，所以输出电容器c2不太是主导性的，并且可以将匹配电路l1、c1设计成对输出电容器c2依赖较小。输出电容器c2中的减小的电流还导致灯丝电阻器r11、r12、r13、r14中的功率损失的有利减少。

在另一种解释方式中，在正半周期中，电流流入上电感器l11并在有点的端子处流出，因此下电感器l12处的感应电压在没有点的端子处为正并且在有点的端子处为负。该感应电压将抵消由镇流器2提供的跨下电感器l12和电阻器r12、电容器c2和电阻器r13的电压降的一部分。即，通过电感器l11、l12的电流应在相反方向上变化：电感器l11中的电流越大，电感器l12中的电流越小。

电感器l11、l12在10.0μη至1.0mh的范围内可以具有基本上相等的值。耦合电感器对l11、l12的所得的耦合系数k可以有利地高。电感器l11、l12的值应该足够大，以确保通过电阻器r12的电流被抑制。尽管可以选择电感器l1以具有与耦合电感器l11、l12中的每一个相同的值，但这绝对不是必要的。电感器l11、l12的值优选地不太高，以确保上电感器l11不会不利地影响匹配网络，以及因此还有led电流和led管/镇流器兼容性。通常，上电感器l11优选比匹配电路电感器l1更小(在其电感值上)。

图2示出了根据本发明的led管灯1的第二实施例。图示出了在端子11、12、13、14处连接的相同灯丝模仿电阻器r11、r12、r13、r14，以用于模仿荧光灯的行为。此处同样地，led驱动器10可以是开关模式驱动器、升压驱动器、降压驱动器或升压-降压驱动器等，或者简单地是二极管整流器桥。在该实施例中，匹配电路电感器l1还耦合到耦合电感器对l11、l12。从图中可以看出，遵循点规定，耦合电感器对l11、l12的上电感器l11和下电感器l12以相反的极性耦合。与图1中的实施例相反，通过电感器l11、l12的电流应当在相同的方向上变化：当通过l11的电流减小时，通过l12的电流也减小。此外，匹配电路电感器l1具有与耦合对的上电感器l11相同的极性。与图1中描述的电路相比，该电路以不同的方式起作用。在该示例性实施例中，由于耦合效应，下电感器l12的电感被上电感器l11的电感抵消。因此，led管的灯丝阻抗主要由第一端子对11、12处的灯丝模仿电阻器r11、r12确定。镇流器电容器c2在该电路配置中未被隔离，而相反地是谐振箱的一部分。为了避免不利的高电流，上电感器l11与匹配电路电感器l1耦合。由于该耦合，电感器l1将感应出从电感器l1的左侧到右侧的正电压，并且附加电感被有效地插入，与镇流器输出和匹配电路电容器c1串联。该电感增加了灯的阻抗，并且使包括镇流器电感器l2和镇流器电容器c2的谐振箱失谐。因此，第一回路中的功率电流受到限制，并且转而，第二回路中的电流也受到限制。结果是灯的功耗显著降低。

如上所指示的，在这种情况下，电感值的选择将影响谐振电路的阻抗，该谐振电路包含耦合电感器对l11、l12和匹配电路电感器l1。用于匹配电路电感器l1的合适值可以是100.0μη至5.0mh。此处同样地，镇流器和灯丝模仿电阻器r11、r12、r13、r14中的功率损失将由于较低的电流而降低。

图3示出了与根据本发明的led管灯1的操作有关的波形。所示的波形是：镇流器电感器电流il2(即通过hf镇流器电感器l2的电流[ma])；电感器电流ili(即通过图2所示实施例的匹配电路电感器l1的电流[ma])；镇流器的输出电压，该输出电压约等于匹配电容器电压uc1(即跨匹配电容器c1的电压[v])；和led功率p100(即由led装置100消耗的功率[w])。x轴在每种情况下都相同，示出了时间[ms]。耦合电感器的效果是获得：仅350ma峰值的有利地低的镇流器输出电流il2；仅75v峰值的有利地低的匹配电容器电压uc1；以及仅17w的非常有利地低led平均功耗。这些值对应于没有功率反馈的镇流器，这使得本发明的led管兼容两种类型的镇流器。

在本发明的led管的有利廉价实现中，驱动器10仅是二极管桥整流器。led电流不被调节，并且led电流由镇流器类型决定。对于这样的电路，匹配网络l1、c1有助于通过各种不同的镇流器来保持相对恒定的led电流。在没有匹配电路l1、c1的情况下，不同种类的hf镇流器之间，led电流的变化可能会更大。图4以不使用匹配网络的简化版本示出了根据本发明的led管1的第三实施例。该更简单的电路实现可适用于在灯中使用，该灯对各种类型的hf镇流器之间的led电流变化没有任何严格要求。

以与上文描述的相同的方式，led管1连接到例如自振荡镇流器2的hf镇流器2。该实施例在结构上基本上与图1的实施例相同，但没有任何lc匹配电路。在第一端子11、12处的耦合电感器对l11、l12的作用是增加镇流器看到的灯阻抗，并且增加包括c2的电路路径的阻抗。这可以通过对耦合电感器对l11、l12的电感器值的适当选择来实现。例如，当电感器l11、l12具有基本相等的值时，结果是镇流器看到的电路中的阻抗增加四倍，该电路包括hf镇流器电感器l2、上电感器l11、下电感器l12和hf镇流器输出电容器c2。此处同样地，电感器l11、l12在10.0μη至1.0mh的范围内可以具有基本相等的值。

图5示出了照明装置5，该照明装置5具有连接到hf镇流器2的现有技术改装led管50，该hf镇流器2转而连接到市电电源3。这里同样地，镇流器是自振荡镇流器2，该自振荡镇流器2包括开关晶体管q21、q22、电感器l2以及输出电容器c2，输出电容器c2跨镇流器2的输出22、23连接。对于hf镇流器，通常使用基本的自振荡半桥拓扑，有时该基本的自振荡半桥拓扑与输入上的谷填充电路组合或与功率反馈组合，其中灯电流反馈到半桥的输入。基于不同组合拓扑的各种概念使得基本上不可能设计出具有匹配所有可用的传统hf镇流器的无源匹配电路的led管。led管50必须正确模仿管灯灯丝，以确保镇流器2的安全和可靠的操作。另一方面，led管50在镇流器中和灯丝模仿电路中应尽可能少地消耗功率，以避免不必要的能耗。在传统hf镇流器2中，输出电容器c2的目的是为荧光灯提供点火电压。当现有技术的led管50被改装至该传统镇流器2时，通过该电容器c2的电流将取决于ac/dc转换器输入电压。通过电容器c2的电流将导致通过电阻器r12、r13的功率损失。

图6示出了与现有技术led管50的操作有关的波形。所示的波形是：镇流器输出电流il2(即，通过hf镇流器电感器l2的电流[ma])；匹配电感器电流il50(即，通过匹配电路电感器l50的电流[ma])；匹配电容器电压uc50(即，跨匹配电容器c50的电压[v])，该匹配电容器电压uc50约等于镇流器的输出电压；和led功率p100(即由led装置100消耗的功率[w])。在每种情况下，x轴和y轴对应于图3的x轴和y轴。显然，这种现有技术led管50的性能不如根据本发明的led管1那样好：由于增加的反馈电流，通过l50的电流将被升高，导致通过led100的过多的功耗。hf镇流器输出电流il2接近1a峰值，匹配电容器电压uc50为300v峰值，并且通过led100消耗的平均功率p100为28w。显然，这些观察到的波形说明了关于功耗的现有技术led管的不太有利的性能。

虽然已经以优选实施例及其变化的形式公开了本发明，但是将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变化。

为了清楚起见，要理解，贯穿本申请使用的“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元素。

附图标记列表：

1tled

10驱动器

11、12、13、14端子

100led装置

2高端镇流器

21、22、23、24端子

3tled照明装置

5现有技术的照明装置

50现有技术tled

r11、r12、r13、r14灯丝模仿电阻器

l11，l12耦合电感器

l1匹配电路电感器

c1匹配电路电容器

l2hf镇流器电感器

c2hf镇流器电容器

q21、q22mosfet

ili匹配电路电感器电流

il2镇流器输出电流

uc1匹配电路电容器电压

p100led功率

il50现有技术的匹配电路电感器电流

uc50现有技术的匹配电路电容器电压