CN1879453A - 具有亮度和颜色控制的谐振电源led控制电路 - Google Patents

具有亮度和颜色控制的谐振电源led控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于对立地同时控制两个LED(41、42)或两个LED群的亮度和颜色或色温的谐振功率LED控制电路，包括本质上由具有控制单元(21)的半桥或全桥DC/AC转换器(2)、谐振电容器和变压器(3)组成的单个谐振转换器。

Description

具有亮度和颜色控制的谐振电源LED控制电路
发光二极管应用在显示装置中是已知的。由于最初的发光二极管的光输出很小，所以它们在很长一段时间内被限制在这个应用范围中。然而，发光二极管最近正变成越来越可用，它具有了充足的光输出并且还满足了光应用的需求。通常，多个发光二极管被安排成一个矩阵。如今，已知具有最大功率的LED被称为″大功率LED″。它们的光输出是白炽灯的很多倍。对LED的控制一般借助于恒定电流源来进行，因此流经二极管的电流被检测并且被控制到一个给定的要求值。在此给出了通过脉宽调制来使发光二极管暗淡的可能性。如果将利用到能展望的LED的功能和尺寸的优点，则同时具有成本效率的LED控制是必需的。控制任务是满足关于亮度和颜色或色温的充实的需光量。
US 2003/0043611A1公开了一种用于实施可能的所述二极管的亮度控制的发光二极管操作的供电和控制的电路布置。连接到DC电压源并具有可变输出频率的DC/AC转换器与至少两个可控电源开关一起使用，以便把由DC电压源传递的电源电压转换成交流电压。负载电路被连接到DC/AC转换器的输出端，该电路包括调谐部件并包含该发光二极管。负载电路的电源开关的转换频率是可变的，以便于控制发光二极管的亮度。LED(有或没有整流器)可以直接连接到由用于亮度控制的调频半桥或全桥提供的谐振电路。
EP 0314324A1公开了一种氧气计量系统，其包括由直接连接到反并联连接的两个LED的全桥变换器组成的LED电源，所述的LED具有不同的发射频率。变换器被调制，以使得每个LED都用不同的、固定设置的频率来操作。
另外的已知系统具有共同点，即两级电压转换器被优选用于控制一个LED或几个串联连接LED的亮度(与上述的两个单级系统对比)。第一AC/DC转换器(例如从电源电压)提供需要的LEDDC电压，而第二AC/DC转换器形成脉宽调制的电流源。几个这类DC/AC转换器是经过混合来自于几个LED的光线来控制颜色所必需的。这取决于颜色的数量而导致了相当大的结构尺寸。而且，我们发现已知的系统由于其结构复杂度而增加了成本。
本发明的目的是弥补这个缺陷。本发明的目的是提供一种用于具有亮度和颜色控制的大功率LED的谐振控制电路，其中，部件数量得到了减少并且结构尺寸也比较小。根据本发明，这个目的借助于包括用于同时独立地控制两个LED或两个LED群的亮度和颜色的谐振转换器的单个谐振大功率LED控制电路而被实现，谐振转换器基本上由通过具有控制单元的半桥或全桥DC/AC转换器、谐振电容器和变压器组成。
本发明提供了一种用于具有亮度和颜色控制的大功率LED的谐振控制电路，其中，部件数量被减少并且其结构尺寸也比较小。基本上由DC/AC转换器、谐振电容器和变压器组成的用于两个LED或两个LED群(提供两个或多个LED群，其中两个群被独立地控制)的单个谐振转换器的使用，以及因此同时被明显减少的部件数量使得成本降低。
在本发明的又一个实施例中，由二极管发射光线发射的光形成控制单元的输入值，使得表示该输入值的输入信号借助于光耦合而被实现。从而，发射光将遵循DC/AC转换器的初级侧的两个参考信号，并且从而将变得与温度或时间无关。
可替换地，可以测量并反馈要与两个将被控制的LED或LED群相关联的次级侧处的电流。
在本发明的一个实施例中，每次都把几个LED一起加入到串联连接的阵列群中。从而，取决于具体的需光量而能够控制多种LED结构。
在本发明的又一个实施例中，LED的电压供应经由变压器的次级侧来进行。因此，后者可以只包括与两个LED(或LED群)反并联连接的单个绕组。从而，两个LED(或LED群)被连续地供应电源，即第一LED(群)由次级变压器电流的第一(正)半波供应，而第二LED(群)由第二(负)半波供应。相应的电流能够通过在初级侧调整DC/AC转换器的工作循环和频率而被独立地控制。在两个LED(或LED群，其可能包括许多不同的串联连接的LED)的正向电压差别很大的情况下，变压器的次级侧也可能由两个可以适用于正向电压的绕组组成。这个绕组的绕组方向被如此选择-还结合连接到LED(或LED群)的方法-以使得连续地向LED(群)供电。例如，通过使用中心抽头连接到两个LED(群)的共阴极(或阳极)并且末端连接到两个LED(群)的阳极(或阴极)的绕组，而形成了这样的一种基本结构。
在本发明的又一个实施例中，又一个LED(或LED群)被安排在导向中心抽头的公共支路中。这个支路中的全电流，即此处安排的LED(群)中的全电流由变压器输出电流的两个半波来供电。在这种情况下，公共支路中的LED(群)起主光源的作用，而另外都只由一个半波供电的两个LED(群)起辅助光源的作用。
在本发明的又一个实施例中，开关二极管被提供来代替其中一个由半波供电的LED(群)。这样产生了一种具有主光源和辅助光源的布置。在此，调整流经两个彼此独立的LED(群)的电流是可能的，因此混合光的总亮度以及-通过使用不同颜色的LED(群)-颜色或色温能够被独立地控制。
有利地，LED被连接到反向阻塞二极管。因此避免了LED的反向击穿。而且，避免了可能的LED阻塞延迟电流。
在又一个优选的实施例中，LED被连接到滤波电容器。因此，LED电流的峰值与均方根值(rms)之比能够被降低。
本发明将在下文中参考附图通过举例的方式来解释，其中：
图1用图解法示出了大功率LED的控制电路；
图2示出了图1的LED控制电路在操作期间的电流和电压梯度(都供电LED)；
图3示出了图1的LED控制电路的电流和电压梯度(LED(Da)被供电，DC/AC转换器的工作系数为35％)；
图4示出了图1的LED控制电路的电流和电压梯度(LED(Db)被供电、DC/AC转换器的工作循环为65％)；
图5示出了只有一个绕组的输出端结构；
图6示出了LED的串联布置；
图7示出了如图5中的具有附加的反向阻塞二极管的结构(串联布置)；
图8示出了如图5中的具有附加的反向阻塞二极管的结构(并行布置)；
图9示出了根据图1的具有反向阻塞二极管的控制电路的中心抽头；
图10示出了图9中具有附加的滤波电容器的结构；
图11示出了具有主光源和辅助光源的结构；
图12示出了图11中的具有反向阻塞二极管的结构；
图13示出了图11中的具有第二个辅助光源的结构；和
图14示出了图13中的具有反向阻塞二极管的结构。
图1用图解法示出了根据本发明的大功率LED控制电路的构造。整流滤波器1连接到用交流电压vac操作的供电网络。整流器1输出端的直流电压vdc向变压器3所连接的DC/AC转换器2供电。电容器C串联连接在DC/AC转换器2和变压器3之间。电容器和变压器一起组成谐振电路。变压器3激励LED41、42。
DC/AC转换器2本质上基于与在半桥式电路中安排的两个晶体管22、23连接的控制电路21。可替换地，DC/AC转换器还可以被构造为全桥电路。控制电路21在其输入端被光学连接到LED41、42。可替换地，可测量并反馈在次级侧处与半波相关联的电流。为了把由LED41、42发射的光转换成电信号，控制电路21包括(未示出的)光感受器。LED41、42阴极在次级侧处被直接连接到变压器3的中心抽头33。
可以调整两个输出电压，这两个输出电压是经由在一方面的连接31及32和另一方面的中心抽头33之间的相应电感L2a和L2b而导出的，以便调整LED的特定正向电压并且用其电流的方式来控制其各自的亮度。在优选的情况下，电感L2a、L2b是变压器(渗漏)电感。LED41发第一颜色的光，LED42发第二颜色的光。在这种情况下，优选的颜色是白色(第一半波)以及淡黄色到橙色(大约590到600nm；另一个半波)。替代分别只具有一种颜色的LED群，可以LED群内提供不同颜色的LED(例如，替代在一个群中只有淡黄色的LED，还有红色和绿色LED的混合)。
借助于初级侧的切换比率，相应的输出电流能够彼此独立地被控制。光作为输入信号被发送回半桥控制电路。可替换地，与半波相关联的在次级侧处的电流可以被测量并反馈。这个构造代表一种简单的反馈通路，正如借助于光耦合器在网络隔离的转换器中常见的那样。
工作原理在图2到图4中用电流和电压梯度的形式被示出。如图2所示，DC/AC转换器2借助调谐以给定频率在50％的对称运行周期中运行。LED41、42都被激励。图1中的两个最上面的曲线分别给出了变压器中(图1中未示出)的DC/AC转换器电流iC和磁化电流iM，这是由根据两个在稳态下的切换循环的vS(下曲线)DC/AC转换器操作而引起的。中间的两条曲线分别示出了流经LED41和LED42的相关电流的梯度。在变压器的正输出电流的情况下，即iC和iM之差，这个电流将流经LED41；后续的变压器输出电流的负半波然后将流经LED42。
图3示出了被更改的DC/AC转换器操作。在这里，DC/AC转换器电压Vs的梯度具有降低到35％的工作循环和略微提高的频率。从而，变压器输出电流的正半波(即流经LED41的电流)大约保持不变，而流经LED42的电流基本上消失。
在图4中，DC/AC转换器运行65％工作循环。在此，流经LED42的电流被强烈地宣告，而流经LED41的电流实际上不存在。
图5示出了在只具有一个绕组N2的次级侧处的输出结构。LED41、42被反并联连接。替代LED41或LED42，可替换地提供多个串联连接的LED(比较图6)。如果发光二极管41、42具有接近或甚至低于其正向电压的击穿电压，或者具有不能忽略的阻塞延迟特性，那么使用反向阻塞二极管51、52(优选地为肖特基二极管)是可能的(比较图7和8)。图9和10示出了在具有两个绕组N2a、N2b的次级侧处的结构。还可附加地包括滤波电容器61、62(比较图10)，以用于降低LED电流的峰值与均方根值之比。
图11示出了实现可能的LED布置的结构，其中，由变压器输出电流的两个半波激励的第一LED43被当作主光源，而只由负半波激励的第二LED42被用作辅助光源。优选地，LED群43的颜色是淡黄色/橙色，而LED群42是蓝色/青色。LED群42通过改变工作循环而基本上被激励到更高或更低的程度，使得产生的混合光的颜色或色温被改变，而频率的变化基本上导致了输出亮度中的变化。
附加LED41可以被添加到图11的电路以作为另一个辅助光源(比较图13)，以便覆盖一个更宽的色谱或色温范围。然后，这个附加的LED41只由正半波来激励，与LED42互补。在这个实施例中，用于LED(群)43的优选颜色是红色，而用于LED(群)41和42的优选颜色是青色和绿色。这个布置解决了这个问题，即目前可用的红色LED由于技术原因在它们的操作电流范围(平面电流电压特性)上具有特别高的正向电压上升。然而，此处的相关拓扑是基于理想情况下与负载无关的输出电压，其依次对应于理想的陡峭的二极管特性。如果红色LED(群)连接在只由半波供电的支路中，则在某种情况下将出现受限的可控性，这是因为不能够实现全部负载变化所需的电压范围。这意指LED从来不完全开启或者从来不完全关闭。在上述布置中，LED群处于公共支路中，该公共支路的电压扫描由频率而不是由工作循环的不对称程度给出的。青色和绿色群所需的电压扫描能够被工作循环变化覆盖。
图11和13的电路也可以配备有反向阻塞二极管51、52(比较图12和14)。
附图标记列表
1.整流器
2.DC/AC转换器
3.变压器
4.发光二极管
41.发光二极管
42.发光二极管
43.发光二极管
5.反向阻塞二极管
6.滤波电容器
21.控制电路
22.晶体管
23.晶体管
31.终端
32.终端
33.中心抽头
51.反向阻塞二极管
52.反向阻塞二极管
61.滤波电容器
62.滤波电容器
L2a电感
L2b电感

Claims (14)

1.一种谐振大功率LED控制电路，包括用于同时独立地控制两个LED(41、42)或两个LED群的亮度和颜色的单个谐振转换器，该转换器基本上由具有控制单元(21)的半桥或全桥DC/AC转换器(2)、谐振电容器和变压器(3)组成。
2.权利要求1中要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：二极管(41、42)发射的光形成控制单元(21)的输入值。
3.权利要求2中要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：借助光耦合来实现代表输入值的输入信号，通过这样的耦合，将二极管(41、42)发射的光的被测量的输出电流反馈到DC/AC转换器(2)。
4.前述任何一个权利要求中要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：每次都把几个LED一起加入到串联连接的阵列群中。
5.前述任何一个权利要求中要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：LED(41、42)的电压供应经由变压器(3)的次级侧来进行。
6.权利要求1到5中任何一个要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：变压器(3)具有LED(41、42)反并联连接的二次绕组。
7.权利要求1到5中任何一个的要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：变压器(3)具有LED(41、42)如此连接以使得它们被连续地供给电流的两个二次绕组，。
8.权利要求7中要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：变压器(3)在次级侧处具有中心抽头(33)，LED(41、42)的共阳极或共阴极被连接到中心抽头(33)。
9.权利要求8中要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：另一个LED(43)作为主光源被连接在中心抽头(33)和起辅助光源作用的LED(41、42)的共阴极或共阳极之间。
10.权利要求9中要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：开关二极管被用来代替其中一个辅助光源LED(41、42)。
11.权利要求6到8中任何一个要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：LED(41)的颜色是白色，而LED(42)的颜色是淡黄色/橙色。
12.权利要求9中要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：辅助光源LED(41)的辅助光源的颜色是绿色，辅助光源LED(42)的颜色是蓝色/青色，而主光源(43)的颜色是红色。
13.权利要求10中要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：辅助光源LED(41、42)的颜色是青色/蓝色，而主光源LED(43)的颜色是淡黄色/橙色。
14.前述任何一个权利要求中要求的谐振大功率LED控制电路，其特征在于：LED(41、42)连接到滤波电容器(61、62)。
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