发光二极管照明模块与其应用的照明装置 【技术领域】
本发明是有关于一种发光二极管(LED)照明模块与其应用的照明装置，特别是有关于一种不需定电压或定电流电路的发光二极管照明模块与其应用的照明装置。
背景技术
照明装置已普遍地应用于人类的生活中，举凡各种建筑物、交通工具或是装饰用品，皆可见到其应用。对于人类而言照明装置已不单纯为一种提供照明的工具而已，照明装置对于人类的生活具有广大的影响力。
目前常见的照明装置包含有白炽灯、荧光灯和发光二极管(LED)灯等等。传统的白炽灯是将钨丝通电，以产生高热发光来进行照明。然而此种发光方式非常耗电，使得白炽灯渐渐被荧光灯所取代。
荧光灯是利用施加高电压于电极上来发射电子，使得电子撞击水银蒸气的原子，产生电离和激发现象。当水银蒸气原子从激发状态回到原始状态时，会发出波长为253.7nm的电磁波，此波长属于人眼不可见光的范围。因此，再利用各种不同的荧光物质来吸收此电磁波并将其转换为可见光，即可使荧光灯发出各种不同的颜色。
虽然荧光灯具有比白炽灯更好的发光效率，但由于内含汞蒸气，在提倡环保节能的现代社会中，人们仍极思开发新的省电及符合环保需求的发光装置来取代荧光灯，也因此，发光二极管照明模块被开发出来，并被人们寄予厚望。发光二极管在一适当的顺向偏压下，电子、空穴会被分别注入N、P两端，接着空穴电子便会在P/N界面区域结合而使得发光二极管发光。这是因电子由高能量状态掉回低能量状态与空穴结合，将能量以光的形式释放出来。
发光二极管具有比荧光灯更好的发光效率，因此在节能方面的表现也超越荧光灯。然而，应用发光二极管于灯具上，整体灯具的发光效率表现又不如发光二极管单体的效率，加上目前的发光二极管照明模块价格仍相对地高于传统的灯泡或者荧光灯管，在考虑价格及节能效果的情形下，仍然对于发光二极管照明模块的市场普及造成一定的阻碍。
目前为了提高发光二极管照明模块的省电及节能效果，各大厂商均投入研发更高功率及高效率的发光二极管以应用于照明灯具上。然而，高功率及高效率的发光二极管技术提升不易，成本昂贵，且产生不易解决的热损耗问题，目前尚无法达到普遍消费者的接受。因而，提高发光二极管照明灯具的整体效率，确实已成为现今至为重要的课题。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种发光二极管照明模块与应用该发光二极管照明模块的照明装置，以提供较佳的节能效果。
为了实现上述目的，根据本发明的一实施例，本发明提供一种发光二极管照明模块，至少包含发光二极管负载电路和驱动电路。其中发光二极管负载电路由至少一二极管串联组所组成，二极管串联组至少包含多个发光二极管，这些发光二极管电性互相串联，且每一发光二极管具有预设工作电压范围。驱动电路用以接受电源输入的并提供变动电压来驱动发光二极管负载电路。变动电压具有电压变动范围，此电压变动范围超出发光二极管的预设工作电压范围。当发光二极管负载电路工作时，电压变动范围分配于每一发光二极管上，使每一发光二极管操作于一分配电压变动范围，而此分配电压变动范围位于预设工作电压范围之内。
为了实现上述目的，根据本发明的另一实施例，本发明再提供一种发光二极管照明模块至少包含发光二极管负载电路和驱动电路。发光二极管负载电路包含至少一二极管串联组，二极管串联组包含多个电性串连的发光二极管。驱动电路用以提供涟波电压至发光二极管负载电路以驱动发光二极管负载电路。
为了实现上述目的，根据本发明再一实施例，本发明再提供一种应用此发光二极管照明模块的照明装置，至少包含发光二极管照明模块和轻钢架模块，其中轻钢架模块用以承载发光二极管照明模块。发光二极管照明模块至少包含发光二极管负载电路和驱动电路。其中发光二极管负载电路由至少一二极管串联组所组成，二极管串联组至少包含多个发光二极管，这些发光二极管电性互相串联，且每一发光二极管具有预设工作电压范围。驱动电路用以接受电源输入的并提供变动电压来驱动发光二极管负载电路。变动电压具有电压变动范围，此电压变动范围超出发光二极管的预设工作电压范围。当发光二极管负载电路工作时，电压变动范围分配于每一发光二极管上，使每一发光二极管操作于一分配电压变动范围，而此分配电压变动范围位于预设工作电压范围之内。
为了实现上述目的，根据本发明再一实施例，本发明再提供一种应用此发光二极管照明模块的照明装置，至少包含发光二极管照明模块和轻钢架模块，其中轻钢架模块用以承载发光二极管照明模块。发光二极管照明模块至少包含发光二极管负载电路和负载电路。发光二极管负载电路包含至少一二极管串联组，二极管串联组包含多个电性串连的发光二极管。驱动电路用以提供涟波电压至发光二极管负载电路以驱动发光二极管负载电路。
为了实现上述目的，根据本发明再一实施例，本发明再提供一种发光二极管照明模块，至少包含发光二极管负载电路和驱动电路。发光二极管负载电路包含至少一二极管串联组，此至少一二极管串联组包含多个电性串联的发光二极管。驱动电路包含交流直流转换电路及滤波电路，此驱动电路利用滤波电路直接连接发光二极管负载电路。
为了实现上述目的，根据本发明再一实施例，本发明再提供一种应用此发光二极管照明模块的照明装置，至少包含发光二极管照明模块和轻钢架模块，其中轻钢架模块用以承载发光二极管照明模块。发光二极管照明模块至少包含发光二极管负载电路和驱动电路。发光二极管负载电路包含至少一二极管串联组，此至少一二极管串联组包含多个电性串联的发光二极管。驱动电路包含交流直流转换电路及滤波电路，此驱动电路利用滤波电路直接连接发光二极管负载电路。
为了实现上述目的，根据本发明再一实施例，本发明再提供一种应用此发光二极管照明模块的照明装置，至少包含发光二极管照明模块和轻钢架模块，其中轻钢架模块用以承载发光二极管照明模块。发光二极管照明模块包含发光二极管负载电路和驱动电路。发光二极管负载电路包含至少一二极管串联组，此至少一二极管串联组包含多个电性串联的发光二极管。驱动电路包含交流直流转换电路、滤波电路和阻抗。交流直流转换电路，用以将交流电压转换成直流电压。滤波电路电性连接交流直流转换电路。阻抗电性连接滤波电路，此驱动电路利用阻抗直接连接至发光二极管负载电路。
本发明是针对LED的驱动电路来进行改良，减少发光二极管驱动电路的复杂度及组件数量，以提升发光二极管驱动电路的电能效率。经由实验证明，本发明实施例可较已知技术节省两倍以上的节能效果，使发光二极管照明模块更能符合消费者地需求。
【附图说明】
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的详细说明如下：
图1是已知发光二极管照明模块的功能方块图；
图2是根据本发明第一实施例的发光二极管照明模块的功能方块图；
图3是根据本发明第二实施例的发光二极管照明模块的功能方块图；
图4a是市电的交流电源经发光二极管照明模块的驱动电路后的驱动电压曲线示意图；
图4b是市电的交流电源经本发明实施例的驱动电路后的驱动电压曲线示意图；
图5是根据本发明第三实施例的发光二极管照明模块的功能方块图；
图6是根据本发明实施例的发光二极管的电流对电压的曲线示意图；
图7是根据本发明第四实施例的发光二极管照明模块的功能方块图；
图8是根据本发明第五实施例的发光二极管照明模块的功能方块图；
图9是根据本发明第六实施例的发光二极管照明模块的功能方块图；
图10是根据本发明第七实施例的发光二极管照明模块的功能方块图。
【主要组件符号说明】
10：发光二极管照明模块 12：电源
13：驱动电路 14：整流滤波电路
16：功因修正电路 18：定电压/定电流驱动电路
20：二极管负载电路 22：发光二极管
100：发光二极管照明模块 110：驱动电路
120：发光二极管负载电路 122：二极管串联组
124：发光二极管 130：电阻
150；功因修正电路 200：发光二极管照明模块
210：驱动电路 210a：交流直流转换电路
210b：滤波电路 300：发光二极管照明模块
310：驱动电路 400：发光二极管照明模块
410：驱动电路 600：发光二极管照明模块
800：发光二极管照明模块 810：驱动电路
900：发光二极管照明模块 Vf：顺向电压
Vd1：驱动电压 Vd2：驱动电压
【具体实施方式】
请参照图1，其是已知发光二极管照明模块10的功能方块图。发光二极管照明模块10包含电源12、驱动电路13和发光二极管负载电路20，其中驱动电路13包含整流滤波电路14、功因修正电路16、定电压/定电流驱动电路18。在发光二极管照明模块10中，电源12可例如为市电，市电通常为110伏特的交流电。整流滤波电路14将电源电路12所输出的交流电压整流并滤波成无噪声的直流电压。功因修正电路16接收此直流电压并调整功因，使电流波形追随电压波形变化。定电压/定电流驱动电路18用以控制直流电压的电压变化量或是输出电流的电流变化量，以使变化量位于预设范围内为一稳定值。发光二极管负载电路20电性连接至定电压/定电流驱动电路18，以接收直流电压来发光。
一般而言，发光二极管22具有预设电压/电流工作范围，在此预设电压/电流工作范围下工作，发光二极管22的发光效率较佳，且亮度也可为人眼所接受。若发光二极管22的工作电压/电流超出预设电压/电流工作范围外，发光二极管22的发光效率可能会下降，而人眼也可能无法接受发光二极管22的光线，甚至造成发光二极管无法点亮。因此，已知发光二极管照明模块10利用定电压/定电流驱动电路18来确保发光二极管22工作于预设电压/电流工作范围下，以使每个发光二极管22都能正常地工作。
然而，申请人经由实验发现已知的驱动电路13耗费了相当多的电能，特别是在定电压/定电流电路18以及功因修正电路16，使得发光二极管照明模块10的发光效率因而无法提升。经由实验证明，定电压/定电流电路18以及功因修正电路16所耗费的电能占整体所需电能的15-30％以上，使得发光二极管照明模块10的驱动电路13的效率仅约70％至85％可实际用以驱动发光二极管负载电路20。而且，这些消耗的电能在电路中被转换成热能，这些热能更进一步地影响了发光二极管的发光效率表现，使得整体照明装置的发光效率无法提高。
因此，本发明的实施例提供了不需定电压/定电流电路，也可确保发光二极管工作于预设电压/电流工作范围下的发光二极管照明模块与应用此发光二极管照明模块的灯具。在本发明的实施例中，市电所提供的电能经过整流滤波后，即可输入至发光二极管负载电路，不再需要以定电压/定电流电路来确保发光二极管工作于预设电压/电流工作范围下。在以下的说明中，将简述本发明的概念。
在本发明的一实施例中，将多个发光二极管电性串联来形成发光二极管串联组，接着视设计需求可再将发光二极管串联组互相电性并联或仅以单一发光二极管串联组来形成发光二极管负载电路。当施加于发光二极管负载电路的驱动电压上升时，电压上升量被分配至发光二极管串联组的每个发光二极管上。适当地设计发光二极管串联组所包含的发光二极管数量，可使分配于每个发光二极管的电压上升量小于预设电压工作范围变化量，确保每个发光二极管仍可操作于预设电压工作范围内。类似地，当施加于发光二极管负载电路的驱动电压下降时，电压下降量被分配至发光二极管串联组的每个发光二极管上。适当地设计发光二极管串联组所包含的发光二极管数量，可使分配于每个发光二极管的电压下降量小于预设电压工作范围变化量，确保每个发光二极管仍可操作于预设电压工作范围内。
在本发明的另一实施例中，将包含多个二极管串联组的二极管负载电路与一阻抗(例如：电阻)电性串联。由于发光二极管的阻值与施加于其上的电压值成反比，因此当施加于发光二极管负载电路和电阻的驱动电压上升时，电压上升量分配至发光二极管负载电路的比例会减少。适当地设计发光二极管串联组负载电路和电阻的阻值比例和每个发光二极管串联组所包含的发光二极管数量，可使分配于每个发光二极管的电压上升量小于预设电压工作范围变化量。类似地，当施加于发光二极管负载电路和电阻的驱动电压下降时，电压下降量分配至发光二极管负载电路的比例会减少。适当地设计发光二极管串联组负载电路和电阻的阻值比例和每个发光二极管串联组所包含的发光二极管数量，可使分配于每个发光二极管的电压下降量小于预设电压工作范围变化量。
由上述说明可知，本发明的实施例不需定电压/定电流驱动电路来确保发光二极管工作于预设电压/电流工作范围下。因此本发明的实施例不仅具有较佳的节能效果，更可避免发光二极管因为热损耗而导致发光效率下降。
为让本发明的目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，以下将配合图标举出一系列实施例来加以说明。但值得注意的是，这些实施例只是用以说明本发明的实施方式，而非用以限定本发明。
请参照图2，其是根据本发明第一实施例的发光二极管照明模块100的功能方块图。发光二极管照明模块100至少包含驱动电路110和发光二极管负载电路120。发光二极管负载电路120由至少一个二极管串联组122所组成，而每一个二极管串联组122包含多个互相电性串联的发光二极管124，并且多个二极管串联组122之间互相电性并联。发光二极管124具有一预设工作电压或工作电流范围，在此预设工作电压或工作电流范围内，发光二极管124可正常操作并符合预设的亮度要求。
驱动电路110电性连接至发光二极管负载电路120。驱动电路110一般接受市电的交流电源输入后，输出变动电压，例如是涟波(Ripple)电压至发光二极管负载电路120，以提供发光二极管负载电路120工作所需的电能。此涟波(Ripple)电压具有驱动电压变动范围，此驱动电压变动范围超出发光二极管124的预设工作电压范围。
当上述的负载电路120接受驱动电路110的变动电压时，其电压变动量会被分配至每一个发光二极管124上。因此，适当地设计每一个二极管串联组122所包含的发光二极管数量，可减少每一个发光二极管124所承受的电压变动量，使发光二极管124操作于预设工作电压范围内。
由上述说明可知，每个二极管串联组122所包含的发光二极管数量越多，变动电压的电压变动量对于单一发光二极管124的影响越少。因此本实施例不需使用定电压电路或定电流电路即可使发光二极管124操作于预设工作电压或预设工作电流范围内，故可解决发光二极管照明模块10利用定电压电路驱动所产生的电能损耗问题，本实施例的发光二极管照明模块100可比发光二极管照明模块10更为省电。
请参照图3，其是根据本发明第二实施例的发光二极管照明模块200的功能方块图。发光二极管照明模块200类似于发光二极管照明模块100，但不同之处在于发光二极管照明模块200的驱动电路210包含交流直流转换电路210a及滤波电路210b。驱动电路210一般接受市电的交流电源输入，其中交流电源例如为110Vrms的市电对，交流直流转换电路210a例如为桥式整流电路，而滤波电路210b例如为并联的电容组件，但本发明并不受限于此。请一并参考图4a及图4b，图4a是市电的交流电源经已知发光二极管照明模块10的驱动电路13后的驱动电压Vd1曲线示意图，图4b是市电的交流电源经本发明实施例的驱动电路210后的驱动电压Vd2曲线示意图。如图4a所示，驱动电路13输出固定电压Vd1来驱动负载电路，使得发光二极管负载电路在定电压的驱动下，能有稳定的亮度输出表现。如图3b所示，本发明实施例的驱动电路210则输出驱动电压Vd2来驱动负载电路120，其中驱动电压Vd2为一涟波电压，涟波电压的电压准位随着时间轴变化，此准位变化范围主要反应整体的负载变化。一般而言，应用本实施例驱动电路210的输出频率约在数十至数百赫兹之间。举例来说，应用本发明驱动电路210的电压准位变化的最小值与最大值的比值(相对伏特)例如在0.8至1之间。在本示范实施例中，每个二极管串联组122的发光二极管数量约介于和之间，其中系数0.8和1代表交流电源经驱动电路210驱动的电压准位比。当顺向电压Vf等于3V时，可由上述关系式推知二极管串联组122所包含的发光二极管124的数量约介于40至55颗。
值得注意的是，上述的计算结果代表根据本实施例的驱动电路110a输出的涟波电压变动范围，二极管串联组122所能包含的发光二极管124的最大数量范围。因此，二极管串联组122亦可包含小于40颗的发光二极管124，只要发光二极管124所承受的电压变动范围小于预设工作电压或相对的工作电流范围即可。
请同时参照图5和图6，图5是根据本发明第三实施例的发光二极管照明模块300的功能方块图，图6是根据本发明实施例的发光二极管124的电流对电压的曲线示意图。发光二极管照明模块300类似于发光二极管照明模块100，但不同之处在于发光二极管照明模块300的驱动电路310更包含了与发光二极管负载电路120电性串联的阻抗130，其中阻抗130可包含有电阻、电感或电容且具有固定或不固定的电阻值。
由图6可知，当施加于发光二极管124的电压大于顺向电压Vf后，电流会开始上升并呈现指数型态变化，而发光二极管124的等效电阻值随着电压上升而下降。因此，当驱动电路310所输出的变动电压开始增加时，发光二极管负载电路120的等效电阻值会随着下降，使得电压增加量分配于发光二极管负载电路120的比例较分配于阻抗130下降。类似地，当驱动电路310所输出的变动电压开始减少时，发光二极管负载电路120的电阻值会随着上升，使得电压减少量分配于发光二极管负载电路120的比例较分配于阻抗130下降。
由上述说明可知，发光二极管照明模块300具有负回授控制的功能。适当地设计阻抗130的阻值及每一个二极管串联组122的发光二极管数量，可使发光二极管124操作于预设工作电压或相对应的工作电流范围内。
请共同参照图7及图8，图7是根据本发明第四实施例的发光二极管照明模块400的功能方块图。图8是根据本发明第五实施例的发光二极管照明模块600的功能方块图。发光二极管照明模块400类似于发光二极管照明模块200，但不同之处在于发光二极管照明模块400的驱动电路410包含交流直流转换电路210a、滤波电路210b以及与发光二极管负载电路120电性串联的阻抗130。如图8所示，阻抗130亦可以设置在交流直流转换电路210a之前，当然也可以设置在其它位置上，本发明并不限于此。电路驱动电路410一般接受市电的交流电源输入，在本示范实施例中，交流电源例如为220Vrms的市电，而交流直流转换电路210a例如为桥式整流电路，滤波电路210b例如为并联的电容，阻抗130可包含有电阻组件、电感组件或电容组件并具有固定或不固定的电阻值，但本发明并不受限于此。值得注意的是，虽然阻抗130的电阻值并不受限于固定或非固定，但是若阻抗130的电阻值变化特性与发光二极管124相同(与电压成反比)，则阻抗130的电阻值变化程度较佳必须小于发光二极管124的电阻值变化程度。在本实施例中，二极管串联组122所包含的发光二极管124的数量根据交流电源输入电压值以及阻抗130于发光二极管124正常工作时对应的阻抗值来决定。本实施例的二极管串联组122的发光二极管数量可小于第二实施例的二极管串联组122的发光二极管数量。随着需要减少二极管串联组122所包含的发光二极管124的数量，选用适当阻抗值的阻抗130。选用的阻抗值愈高，减少的二极管串联组122所包含的发光二极管124的数量愈多，如此可以增加设计上的弹性。在本示范实施例中，每个二极管串联组122的发光二极管数量由介于和之间减去阻抗130的等效发光二极管数目，得到适当的每个二极管串联组122的发光二极管数量，例如约介于25至80颗。举例来说，以本实施例的驱动电路驱动预设工作电流为22毫安的发光二极管串联组，在市电电压本身的输入变化为±4％的情况下，经测试应用本实施例的发光二极管串联组驱动的涟波电压变化在±8％以内，且相对应流经发光二极管串联组的电流在16毫安至24毫安之间。在此操作电流范围内，发光二极管串联组亮度变化使用者尚不易察觉，故可以在实质上不影响照明亮度的情况下较传统的发光二极管灯具大幅提升15％以上的灯具整体效率。
请参照图9，其是根据本发明第六实施例的发光二极管照明模块800的功能方块图。发光二极管照明模块800类似于发光二极管照明模块300，但不同之处在于，发光二极管照明模块800的驱动电路810所包含的阻抗130电性并联至阻抗130与二极管串联组122电性并联。
请参照图10，其是根据本发明第七实施例的发光二极管照明模块900的功能方块图。发光二极管照明模块900的驱动电路910可类似前述实施例的其中任一者加上功因修正电路150，以提高发光二极管照明模块900的功因。
为证明本发明实施例的功效，特将本发明实施例与已知技术做比较，并将比较结果绘示如下表：
轻钢架照明装置 输入功率 2米处测量的照度 Lux/W 节能比 已知荧光灯管 4盏T9/20W 78W 330Lux 4.23 1 已知LED模块 88.8W 430Lux 4.84 1.14 本发明的LED模块 34W 350Lux 10.29 2.43
由上表可知，本发明实施例的发光二极管照明模块照明装置每消耗一瓦电能所产生的照度约为10.29勒克斯(Lux)，已知技术荧光灯管T9/20W照明装置每消耗一瓦电能产生的照度仅约4.23勒克斯(Lux)，而已知技术的发光二极管照明模块照明装置每消耗一瓦电能产生的照度也仅约4.84勒克斯(Lux)。本发明的发光二极管照明模块的节能比相较于已知的荧光灯管照明装置或者已知发光二极管照明模块均超过已知技术的两倍以上。因而应用本发明技术设计的发光二极管照明模块可以较传统照明灯具大大提升其省电节能的效果至两倍以上。此外，本发明的驱动电路效率大于95％以上，亦解决了已知驱动电路因电能耗损15％至30％转换成热能而产生的热量不易散失的问题，进而进一步避免了发光二极管因高温产生的热衰竭的可靠度不佳的问题。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。