根据相邻的半导体发光元件的跨接状态操控半导体发光元件的制作方法

根据相邻的半导体发光元件的跨接状态操控半导体发光元件的制作方法
【专利摘要】一种用于操控半导体发光元件(712，713)的电路，其中电路由经过整流的电网电压(U703)供给并且具有至少两个串联连接的区段(781-784)，所述区段分别具有一个或多个串联连接的半导体发光元件(712，713)，其中半导体发光元件在至少两个区段中是不同的，由此得出区段的不同的正向电压，所述电路还具有各一个驱动器以用于操控区段，其中驱动器具有至少一个电子开关(SW3，717，820，727)，借助所述电子开关能够跨接区段，其中每个驱动器设计成，根据经过整流的电网电压(U703)的瞬时值以及根据相邻的区段的跨接状态来决定，跨接与其关联的区段。
【专利说明】根据相邻的半导体发光元件的跨接状态操控半导体发光元 件

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于操控半导体发光元件的电路以及具有这种电路的一种灯、一 种灯具或一种发光系统

【背景技术】
[0002] 已知的是，包括多个发光二极管的LED模块借助于一级的或多级的在LED模块上 游接入的开关电源运行。如果LED模块具有大于25W的功率范围，那么附加地需要功率因 数校正（PFC)。在电功率小的情况下，通常使用线性调节器。
[0003] 在例如应运行一个模块或多个LED模块中的多个LED的特定的光或功率等级之 上，已知电路装置，其中多个LED芯片串联连接。所述串联电路的正向电压在此能够位于电 网电压的数量级中。
[0004] 在一个简单的实施方式中，串联连接的LED直接在交流电压电网上运行。这引起 强的光调制、即所谓的"闪烁"和对LED的能效不高的使用。对于较高的功率等级，这种方 式还引起在关于功率因数和谐波规范标准方面的问题。
[0005] 此外，已知的是，在LED组成的串联电路上游接入整流器。在此，也出现上述问题。
[0006] 此外，已知的是，LED串联电路的互联时间同步地随电网电压调制改变。
[0007] 因此，DE 10 2010 040 266 A1示出具有集成电路、整流器和一列串联连接的LED 的LED灯具，所述LED经由经过整流的AC信号运行。集成电路具有功率开关，所述功率开 关能够将LED系列中的不同组的LED中的相应的组单独地并且有针对性地短路，在所述相 应的组上施加经过整流的AC信号。当列上的电压增大时，集成电路控制功率开关以便增多 有电流流过的LED的数量，而如果序列上的电压减小，那么集成电路控制功率开关，以便减 少有电流流过的LED的数量。
[0008] 文献WO 2012/034102A1描述一种用于直接由经过整流的电网电压借助于开关来 操控LED的系统，所述开关根据瞬时电网电压跨接LED组。


【发明内容】

[0009] 本发明的目的在于，改进已知的解决方案并且提出用于操控半导体发光元件的有 效的可能性。
[0010] 所述目的根据独立权利要求的特征来实现。本发明的改进方案在从属权利要求中 得出。
[0011] 为了解决所述目的，提出一种用于操控半导体发光元件的电路，其中电路由经过 整流的电网电压供给，具有至少两个串联连接的区段，所述区段分别具有一个或多个串联 连接的半导体发光元件，其中半导体发光元件在至少两个区段中是不同的，由此得出区段 的不同的正向电压，具有各一个用于操控区段的驱动器，其中驱动器具有至少一个电子开 关，借助所述电子开关能够跨接区段，其中电路装置或每个驱动器设计成，根据经过整流的 电网电压的瞬时值以及根据相邻的区段的跨接状态决定，跨接与其关联的区段。该措施确 保对半导体发光元件的优化的操控，其中为了操控甚至不必明确地测量经过整流的电网电 压。跨接关联的区段的决定仅从其余的区段的开关状态和参考电压中得出。
[0012] 一个改进方案是，具有较小的正向电压的区段设置在接近电路的参考点的串联电 路之内。这具有下述优点：最优的操控方法由于电网电压的持续增大或减小的瞬时值完全 由其自身得出。
[0013] 优选地，每个驱动器具有峰值探测器，所述峰值探测器存储有区段的当前的正向 电压。由此，得出用于相应的驱动器的简化的决定识别。如果每个驱动器具有基点，所述基 点的电势取决于区段的正向电压的在峰值探测器中存储的值，那么能够以尤其简单的方式 实现跨接决定。替选地，正向电压也能够通过作为比较值的参考电压维持或例如存储在微 控制器的数值表中。
[0014] 优选地，驱动器在此包括比较元件，由此每个驱动器总是在基点和输入到驱动器 中的阈值电压之间的电势差改变其符号时才切换与其关联的区段。这种简单的比较运算足 以最优地运行半导体发光元件。
[0015] 一个改进方案是，每个驱动器配设有个体的阈值电压。因此，半导体发光元件的运 行方式能够进行为，使得全部半导体发光元件关于时间平均地以相同的电功率运行。
[0016] 在另一个设计方案中，全部区段的子集的正向电压的全部可能的组合的总和和各 个区段的正向电压总是得出不同的值。这有助于优化地操控半导体发光元件。
[0017] 在所述设计方案的一个改进方案中，串联连接的区段的导通电压基于关于参考点 具有最小电势的区段分别加倍。所述布置能够通过根据本发明的操控而对于操控所有半导 体光源是尤其有利的，并且实现可组合实现的正向电压的等距的间距。
[0018] 在另一个实施方式中，切换相对于参考点具有较大的电势差的区段引起对相对于 参考点具有较小的电势差的至少一个区段的切换。所述设计方案能够实现二进制计数器类 型的开关方案，所述开关方案与半导体发光元件的链长度的二进制的设置共同作用能够实 现尤其最优的运行方式。尤其地，跨接相对于参考点具有较大的电势差的区段引起对相对 于参考点具有较小的电势差的相邻的区段的隔离，并且反之亦然。
[0019] 在另一个设计方案中，区段与电流调节器串联连接。由此，在跨接各个链时的电压 突变能够得到良好补偿，并且不存在最终会对发光元件的使用寿命产生损害的电流突变。 尤其地，电流调节器具有电阻性元件或线性调节器。
[0020] 另一个设计方案是，相对于参考点具有最大的电势差的驱动器的电子开关以相应 于双倍的电网频率的开关频繁性激活，并且其中其余级的电子开关以为双倍的电网频率多 倍的开关频繁性激活。这有助于半导体发光元件的平均发光持续时间的尽可能小的变化。
[0021] 另一个设计方案是，缓冲电容器与至少一个区段的半导体发光元件并联连接，其 中退耦二极管与至少一个区段串联设置，并且电子开关与由区段和退耦二极管组成的串联 电路并联设置，使得退耦二极管防止缓冲电容器经由电子开关放电。缓冲电容器引起所连 接的由半导体发光元件组成的链的较长的发光持续时间，由此出现具有小的闪烁份额的更 好的光质量。替选地，驱动器中的至少一个能够具有由电容器和二极管构成的串联电路，其 中所述串联电路与区段的半导体发光元件并联设置，驱动器操控所述区段。所述电容器通 过其存储有串联连接的链的当前的导通电压的方式而作用为峰值探测器。
[0022] 在另一个设计方案中，驱动器包括电子短路开关，借助所述电子短路开关能够使 与驱动器关联的区段短路，其中短路开关的基极端子经由第一限流元件与电子比较开关的 集电极端子连接，其中比较开关的发射极端子与同驱动器关联的区段的端子连接，其中比 较开关的基极端子与经过整流的电网交流电压的极连接。通过所述措施能够构建尤其简单 并且低成本的电路，所述电路尽管如此仍最优地运行所连接的半导体发光元件。
[0023] 驱动器能够为可用于操控区段的电路装置。
[0024] 因此，驱动器由呈脉冲的直流电压的形式的经过整流的电网电压运行。在此，有利 的是，对电网交流电压的整流不必设有存储器，例如电容器。尤其地，不必设有平滑电解电 容器，所述平滑电解电容器针对电网电压的总大小来设计。这减小故障易发性并且能够实 现电路的紧凑的结构方式。
[0025] 借助于电子开关能够以电子的方式操控开关函数。电子开关能够包括晶体管、金 属氧化物半导体场效应管、运算放大器、比较器或可加载有开关函数的构件。
[0026] 半导体发光元件例如为LED、LED芯片或LED模块。半导体发光元件也能够包括至 少一个0LED (有机发光二极管）或具有至少一个0LED的模块。
[0027] 缓冲电容器的优点在于，缓冲电容器相应地能够针对比（经过整流的）电网电压 小的电压设计。因此，缓冲电容器具有较小的结构形式并且经受较小的负荷。例如，缓冲电 容器能够针对降在区段上的电压的大小来设计，所述大小由于区段的串联连接明显小于降 在所有区段上的电压或电网电压。
[0028] 尤其地，缓冲电容器也能够仅与区段的半导体发光元件的一部分并联设置。
[0029] -个实施方式在于，缓冲电容器设置在下述驱动器中或与下述驱动器共同设置， 所述驱动器操控具有最大的正向电压的区段。
[0030] 也能够在多个驱动器中设置有各一个这种缓冲电容器，其中其优选为操控多个区 段中的其半导体发光元件具有最大的正向电压的区段的驱动器。
[0031] 下一个设计方案为，缓冲电容器经由可松开的连接构成为是可更换的。
[0032] 尤其地，所述缓冲电容器能够经由可松开的连接设置在不同于电路的其他位置 上。因此，缓冲电容器能够经由可松开的连接简单地更换。另一个设计方案是，退耦二极管 设置在各两个区段之间，其中电子开关与由区段和退耦二极管组成的串联电路并联设置。 退耦二极管因此防止缓冲电容器经由电子开关放电。
[0033] -个设计方案也为，驱动器中的至少一个具有由电容器和二极管组成的串联电 路，其中所述串联电路与由驱动器操控的区段的半导体发光元件并联设置。
[0034] 由电容器和二极管组成的串联电路为用于相应的区段的峰值探测器。
[0035] 一个改进方案在于，驱动器经由至少一个电压源与经过整流的电网电压耦合。
[0036] 一个附加的设计方案为，每个驱动器经由单独的电压源与经过整流的电网电压耦 合。
[0037] -个改进方案为，至少一个电压源能够借助于
[0038] -分压器；
[0039] -辅助电压源；
[0040] -齐纳二极管实现。
[0041] 一个可行性也为，能够根据经过整流的电网电压的平均值来操控电压源。
[0042] 因此，能够根据（可控的）电压源建立与平均电网电压的关系。借助用于多个驱 动器的电压源，可行的是，控制、例如平衡用于区段的半导体发光元件的电流。
[0043] 例如，能够关于电网电压的多个电网周期或经由一个电网周期进行长期平均。（长 期）平均能够根据峰值、平均值等来进行。在此，电网电压能够是已经经过整流的或能够为 电网交流电压。
[0044] 另一个改进方案为，驱动器能够由经过整流的电网电压供给。
[0045] 一个改进方案为，至少两个区段具有半导体发光元件，所述半导体发光元件至少 部分地在其正向电压、其颜色、其大小、其结构方式和/或其数量方面是不同的。优选地，所 有区段的正向电压是不同的。
[0046] 另一个改进方案是，驱动器包括比较元件。
[0047] 比较元件例如能够是比较器或包括比较器。比较元件能够构成为（至少一个）运 算放大器或至少一个晶体管。
[0048] 比较元件将第一参考电势、例如经过整流的电网电压的一侧与第二参考电势、例 如在相应的区段中或端部上的电势进行比较。
[0049] 借助电流调节器，能够预设区段中的电流。预设的电压，例如没有降在串联连接的 半导体发光元件上的电压能够降在电流调节器上。
[0050] 电流调节器本身能够设定电流或所述电流调节器能够用于设定电流。
[0051] 一个改进方案也是，电流调节器能够借助于调光来控制。
[0052] -个选项在于，控制电流调节器进而能够实现发光二极管元件的亮度调整（调 光）。操控能够以不同的类型进行，例如经由电位器、DALI系统、微控制器或1-10V接口进 行。
[0053] 在附加的改进方案的范围中，具有最大的正向电压的区段具有至少为具有最小的 正向电压的区段两倍大的正向电压。
[0054] 例如，具有最大正向电压的区段能够具有比具有第二大的正向电压的区段大至少 60%的正向电压。
[0055] 下一个改进方案在于，具有下述开关频率或开关频繁性的驱动器的电子开关是激 活的，所述开关频率或开关频繁性至少具有两倍的电网频率或多倍的电网频率。
[0056] 将开关频率或开关频繁性在下文中理解成开关的接通和关断的平均频率。在此， 接通和随后的关断在此得出全波。在此，接通持续时间和关断持续时间能够是不同长的，开 关频繁性从接通和关断开关的平均频率中得出。
[0057] 尤其地，操控具有最大的正向电压的区段的驱动器的开关以至少100Hz的开关频 率运行。
[0058] 另一个设计方案也为，设有用于混合由多个区段提供的光的装置。
[0059] 例如，能够设有光学元件，借助所述光学元件混合多个半导体发光元件所发射的 光。
[0060] 例如，短路开关为pnp晶体管并且比较开关为npn晶体管。相应地，在对此的双重 实施方式中在相应的电势调整的情况下也能够互换pnp和npn晶体管。作为开关也能够设 有其他电子开关，例如IGBT、金属氧化物半导体场效应管等。
[0061] 在比较开关的基极-发射极路段上将相应的区段（例如LED链之内的比较点）上 的电势与当前的经过整流的电网半波进行比较。相应地，对相应的区段的操控能够通过驱 动器根据经过整流的电网交流电压的大小来进行。
[0062] 可选地，比较开关的基极端子能够与电压源的极连接，所述电压源代表相对于经 过整流的电网电压的电势的偏移电压。
[0063] 上述目的也通过具有如在此描述的电路的灯、灯具或发光系统来实现。
[0064] 灯、灯具或发光系统能够为LED光源。

【专利附图】

【附图说明】
[0065] 本发明的上述特性、特征和优点以及实现这些特性、特征和优点的类型和方式结 合在下文中对实施例的示意描述变得更清楚并且更易于理解，所述实施例结合附图详细阐 述。在此，为了概览性，相同的或起相同作用的元件设有相同的附图标记。
[0066] 附图示出：
[0067] 图1为了阐述【技术领域】示出用于操控三个LED区段的示意的电路装置，其中各个 LED区段具有不同数量的LED并且LED区段能够分别借助于并联设置的电子开关跨接或短 路；
[0068] 图2示出用于操控三个LED区段的示意的电路，其中LED区段具有不同多的LED， 其中在各个LED之间部分地设置有退耦二极管并且与所选择的LED区段并联地设置有电容 器；
[0069] 图3示出用于借助于比较器操控多个电子开关的示意的电路装置；
[0070] 图4基于图3的视图示出用于平衡各个LED区段之间的电流的多个电压源；
[0071] 图5为了阐述从属权利要求中的特征示出用于借助于分立的器件操控多个电子 开关的替选的示意的电路装置；
[0072] 图6示出在图5中示出的模块522a至522d的细节图；
[0073] 图7示出图5的一个替选的电路装置；
[0074] 图8示出一个替选的电路装置，所述电路装置基本上基于根据图7的电路并且设 有多个电压源，所述电压源能够用于操控或平衡各个LED区段；
[0075] 图9a示出各个电压分布曲线，分别为每个LED区段示出两个电压分布曲线，其中 关于时间示出经过整流的电网电压；
[0076] 图9b为LED区段关于时间示出电流分布曲线；
[0077] 图10a示出对图7的一个替选的电路装置，其中具有用于图9a中的电压和图9b 中的电流的相量以及为每个阶段具有不同的电流分布曲线；
[0078] 图10b示出在阶段0中的图10a中的电路的电流分布曲线；
[0079] 图10c示出在阶段一中的图10a中的电路的电流分布曲线；
[0080] 图10d示出在阶段二中的图10a中的电路的电流分布曲线；
[0081] 图l〇e示出在阶段三中的图10a中的电路的电流分布曲线；
[0082] 图10f示出在阶段四中的图10a中的电路的电流分布曲线；
[0083] 图10g示出在阶段五中的图10a中的电路的电流分布曲线；
[0084] 图10h示出在阶段六中的图10a中的电路的电流分布曲线；
[0085] 图10i示出在阶段七中的图10a中的电路的电流分布曲线。

【具体实施方式】
[0086] 以电网电压运行LED链
[0087] LED链包括多个区段（LED区段），所述区段彼此串联连接。在LED区段之间必要 时能够设置有其他构件。每个LED区段能够具有多个LED，所述LED彼此串联连接。
[0088] 电网电压表示例如由供电网提供的交流电压。电网电压能够经由整流器转换成经 过整流的电网电压半波（也称作为"半波"或"脉动的电网电压"）。整流器能够构成为半 波整流器或全波整流器。
[0089] 为了操控串联连接的LED区段，使用利用相应于LED区段的正向电压的组合的可 能性。根据在区段中串联连接的LED的数量得出正向电压。通过串联连接的LED的不同的 数量，得出用于不同的LED区段的不同的正向电压。LED区段的数量在下文中用Μ表示。
[0090] 在此要注意的是，相同类型的或不同类型的不同LED(例如，不同的LED模块和/ 或具有不同颜色的LED)能够串联连接。也可行的是，各个LED包括至少一个半导体发光元 件的并联电路。
[0091] 并联于至少一个LED区段，尤其是并联于多个LED区段，能够设有电子开关，所 述电子开关将各个或多个LED区段短路。通过操控电子开关能够实现，LED区段上的电压 ULED(t)跟随（或跟踪）经过整流的电网电压Uin(t)(这就是说，所谓的半波）：
[0092] ULED(t) = ULED(ti，I) = Ui(I),
[0093] 其中％ (I)是在电流I的情况下在开关状态i没有跨接的LED的总电压。
[0094] 在此，优选地，LED区段构成为是不同的，这就是说，具有至少部分彼此不同的正向 电压。尤其地，LED区段中的至少两个具有不同数量和/或不同类型的LED。换言之，并非 全部LED区段以相同布线装配有相同类型的相同数量的LED。因此，各个LED区段在不同的 时间点（在经过整流的电源电压的分布曲线中）并且必要时也在每电网周期中以不同的频 率激活或禁用，这就是说，以不同的频率运行。
[0095] 也能够将频率用于操控开关（用于跨接LED区段），所述频率高于电网频率。由 此，得出多个可组合的开关状态，以便操控不同的开关。可能的开关状态的数量N因此明显 大于（2M) LED区段的数量M。
[0096] 下面的表格式的列举示例性地示出在具有三个LED区段的布置中的组合可能性， 其中
[0097] i表示开关状态，
[0098] SWm表示开关，其中m = 1至3
[0099] 0表示打开的开关，
[0100] 1表示闭合的开关，
[0101] Ufl(I)至Uf3(I)表示在用于LED区段1至3的电流I的情况下的没有跨接的LED 的正向电压。
[0102]

【权利要求】
1. 一种用于操控半导体发光元件的电路， -其中所述电路由经过整流的电网电压（u7CI3)供给， -所述电路具有至少两个串联连接的区段（101，102,103)，所述区段分别具有一个或 多个串联连接的半导体发光元件， -其中所述半导体发光元件在所述区段中的至少两个区段中是不同的，由此得出所述 区段的不同的正向电压， -所述电路具有各一个用于操控区段的驱动器，其中所述驱动器具有至少一个电子开 关（SW3, 717,820, 727)，借助所述电子开关能够跨接所述区段， 其中电路装置设计成，使得根据经过整流的所述电网电压（U7CI3)的瞬时值以及根据相 邻的所述区段的跨接状态决定：跨接与其关联的区段。
2. 根据权利要求1所述的电路，其中具有较小的所述正向电压的区段设置在接近所述 电路的参考点（302, 503, 704,805)的串联电路之内。
3. 根据权利要求1或2所述的电路，其中每个驱动器都具有峰值探测器，所述峰值探测 器存储有所述区段的当前的正向电压。
4. 根据权利要求3所述的电路，其中每个驱动器都具有基点，所述基点的电势取决于 所述区段的正向电压的在所述峰值探测器中存储的值。
5. 根据权利要求4所述的电路，其中所述驱动器包括比较元件（303,308,313,749， 849)，由此每个驱动器总是在基点和输入到所述驱动器中的阈值电压（509,754)之间的电 势差改变其符号时才切换与其关联的区段。
6. 根据权利要求4或5所述的电路，其中每个驱动器配设有个体的阈值电压（401， 402,403,852,853,854,855)〇
7. 根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中所述区段中的至少两个区段具有半导 体发光元件，所述半导体发光元件至少部分地在其正向电压、其颜色、其大小、其结构形式 和/或其数量方面是不同的。
8. 根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中全部区段的正向电压是不同的。
9. 根据权利要求8所述的电路，其中所有区段的子集的正向电压的全部可行组合的总 和和各个区段的正向电压始终得出不同的值。
10. 根据权利要求8或9所述的电路，其中串联连接的所述区段（781，782,783,784)的 导通电压（Ufl，U f2，Uf3)基于关于所述参考点（704)具有最小电势的区段（781)分别加倍。
11. 根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中切换相对于所述参考点具有较大的 电势差的区段引起对相对于所述参考点具有较小的电势差的至少一个区段的切换。
12. 根据权利要求11所述的电路，其中跨接相对于所述参考点具有较大的电势差的区 段引起对相对于所述参考点具有较小的电势差的相邻的区段的隔离，并且反之亦然。
13. 根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中所述区段与电流调节器（104)串联 连接。
14. 根据权利要求13所述的电路，其中所述电流调节器（104)具有电阻性元件或线性 调节器（508, 752,811)。
15. 根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中相对于所述参考点（704)具有最大 的电势差的驱动器的电子开关以对应于双倍的电网频率的开关频繁性激活，并且其中其他 级的电子开关以为双倍的电网频率的多倍的开关频繁性激活。
16. 根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中与至少一个区段的半导体发光元件 (101，712-707-713,817-818)并联连接有缓冲电容器（C3,714,819,724)，其中与至少一 个所述区段（101，102)串联设置有退耦二极管（Dl，D3, 715, 725,825)，并且所述电子开关 (SW3,717,820,727)与由区段和退耦二极管组成的串联电路并联设置，使得所述退耦二极 管防止所述缓冲电容器经由所述电子开关放电。
17. 根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中所述驱动器中的至少一个具有由电 容器（734, 744)和二极管（735, 745)组成的串联电路，其中所述串联电路与所述区段的所 述半导体发光元件（722-708-723, 732-709-733, 742-710-743)并联设置，所述驱动器控制 所述区段。
18. 根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中所述缓冲电容器经由能松开的连接 构成为是能更换的。
19. 根据上述权利要求中任一项所述的电路， -其中所述驱动器包括电子的短路开关（717)，借助所述短路开关能够将与所述驱动 器关联的区段短路， -其中所述短路开关（717)的基极端子经由第一限流元件（718)与电子的比较开关 (719)的集电极端子连接， -其中所述比较开关（719)的发射极端子与同所述驱动器关联的区段的端子连接， -其中所述比较开关（719)的基极端子与经过整流的电网交流电压（701)的极连接。
【文档编号】H05B33/08GK104303596SQ201380023612
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年5月2日 优先权日:2012年5月4日
【发明者】阿努尔夫·鲁普 申请人:欧司朗股份有限公司