БЛОК ПИТАНИЯ СВЕТОДИОДНОГО СВЕТИЛЬНИКА

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области источников питания.
Уровень техники. Известен импульсный источник питания для светодиодных светильников [патент РФ на полезную модель №194528], содержащий сетевой фильтр, совмещенный корректор коэффициента мощности и конвертор с разделительным трансформатором на выходе и оптронной развязкой сигналов обратной связи выходного тока и напряжения со стабилизацией от сдвоенного операционного усилителя, включающий в себя микросхему корректора коэффициента мощности в стандартном включении, трансформатор, выпрямитель, выходной фильтр, состоящий из сдвоенного операционного усилителя узел управления, параметрический стабилизатор, транзисторную оптопару, управляемый через диод канал стабилизации тока и диод канала стабилизации напряжения; транзисторный ключ. В цепь усилителя ошибки обратной связи корректора коэффициента мощности дополнительно введен узел синхронизации, включающий три резистора, два конденсатора и диод, при этом узел синхронизации одним выходом соединен с обмоткой трансформатора, питающей микросхему корректора коэффициента мощности, а вторым выходом соединен со входом управления микросхемы коэффициента мощности, при этом второй выход обмотки трансформатора и узла синхронизации соединены с общим проводом микросхемы корректора коэффициента мощности.
К недостатку такого решения можно отнести сложность конструкции и отсутствие резервирования выходного напряжения, что снижает вероятность безотказной работы светодиодных светильников на его основе, любой отказ такого блока питания будет вести к прекращению свечения светильника.
Также известна лампа светодиодная [патент РФ на полезную модель №99901], содержащая блок управления с акустическим датчиком и светодиодный блок, содержащий светоизлучающие диоды – светодиоды. Блок управления содержит средство включения/выключения светодиодов в зависимости от сигнала акустического датчика, причем указанное средство выполнено с обеспечением значения акустического порога выключения светодиодов меньше значения акустического порога их включения.
К недостаткам такого решения относится отсутствие резервирования от перегорания светодиодов, что снижает надежность.
Также из уровня техники известна схема для светодиодного устройства и светодиодный модуль [патент РФ на изобретение №2539878], содержащая множество параллельных ветвей из одного или более светодиодов, соединенных последовательно, при этом схема содержит множество точек подключения ветвей для соединения схемы с параллельными ветвями и источник тока для предоставления рабочего тока в параллельные ветви, причем схема выполнена с возможностью подавать управляющее напряжение на источник тока, при этом источник тока выполнен с возможностью предоставлять рабочий ток в параллельные ветви на основе управляющего напряжения и при этом схема имеет устройство для формирования управляющего напряжения, отличающаяся тем, что упомянутое устройство для формирования управляющего напряжения содержит: множество первых диодов, каждый из которых имеет катод и анод, причем катоды первых диодов соединены друг с другом в опорном узле управляющего напряжения, и множество вторых диодов, каждый из которых имеет катод и анод, причем соответствующий катод каждого второго диода соединен с соответствующей одной из точек подключения ветвей, и множество первых сопротивлений, каждое из которых имеет первый вывод и второй вывод, причем первые сопротивления своим первым выводом соединены с первым источником вспомогательного напряжения, а соответствующий второй вывод каждого первого сопротивления соединен с анодом соответствующего одного из первых диодов и с анодом соответствующего одного из вторых диодов.
Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.
К недостаткам такого решения можно отнести необходимость использования импульсного преобразователя напряжения, что усложняет и удорожает конструкцию, а также необходимость использования массива из резисторов в анодах светодиодных цепочек для выравнивания токов между ними, что ведет к снижению эффективности.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные виды светодиодных ламп и светильников, содержащих, в том числе последовательно соединенные в цепь светодиоды, питаемые от общего источника тока. Построенные по такому принципу осветительные приборы в настоящее время являются основой для систем освещения как в быту, так и в промышленности. Светодиодные лампы позволили дополнительно снизить тепловые потери энергии в сетях освещения на предприятиях, а также в судостроении.
В настоящее время идет переход систем освещения на современных судах на светильники со светодиодными излучающими элементами. Однако, эффективность таких ламп не является абсолютной, что выражается, в частности, в искажении токов и наличии реактивной составляющей токов, потребляемых из сети.
В некоторых системах освещения, например крупных промышленных цехов и зданий, а также в судостроении на крупных судах, мощность систем освещения является значительной, и даже при использовании светодиодных ламп может составлять 100 кВт и выше, что много. Таким образом, в целом, сохраняется значимость коррекции коэффициента мощности, потребляемого из питающей сети переменного тока, и коррекция формы токов. Снижение реактивной составляющей, а особенно – повышение синусоидальности токов улучшит совместимость оборудования и снизит побочные потери.
В предлагаемом решении может быть использована любая типовая микросхема-драйвер, для питания цепочки светодиодов светильника. Разные производители (как отечественные, так и особенно зарубежные) выпускают широчайший спектр микросхем-драйверов для управления и стабилизации тока, отдаваемого к питаемым светодиодам. Как правило, светодиоды в таких светильниках включаются последовательной цепочкой, от одного к другому и подключаются анодом к положительному полюсу питания, а минусом – к выходу микросхемы-драйвера. Для питания цепей постоянным током здесь используют чаще всего однофазные диодные мосты, подключенные входом к питающей сети переменного тока. Формируемый таким мостом, работающим на смешанную нагрузку напряжение, имеет пульсирующий характер и также может иметь фазовый сдвиг относительно фазы напряжения питающей сети. Это ведет к ухудшению электромагнитной совместимости с окружающим оборудованием и повышенным потерям в питающих кабелях и линиях.
В предлагаемом решении формируется синусоидальный потребляемый ток из сети переменного тока, путем использования широтно-импульсной модуляции тока светодиодов. В данном случае модуляция тока диодов не является недостатком, так как всем полупроводниковым приборам, а также и светодиодам, характерна инерционность, определяемая временем разряда емкости. Для примера инерционность жидкокристаллических мониторов составляла 8-16 мс, что сравнимо с периодом питающей сети 50 Гц и больше, чем длительность полуволны питающего напряжения 10 мс. Таким образом, пульсации светового потока при модуляции потребляемого светодиодной цепочкой тока с частотой питающей сети, может быть слаба или вообще незаметна для глаза. В ряде случаев может быть установлен дополнительный конденсатор параллельно цепочке светодиодов – реализуемость решения в целом не зависит от этого.
Микросхемы-драйверы выпускаются разными фирмами в разных корпусах и с разной очередностью выводов, однако сам принцип работы их однотипен, как и наличие входа “диммирования” (ждущего режима).
В соответствующей области техники (блоки питания и преобразователи напряжения) сложилась определенная терминология, используемая также и в профильной литературе. В частности, стандартным является применение термина “драйвер” как функционального узла, обеспечивающего управление; различаются также и драйверы светодиодных цепочек для осветительных ламп и светильников. Автор обращает внимание на общепринятость данного слова, и понятность для специалиста – что позволяет его использовать как в материалах описания, так и в формуле. Также из уровня техники известны и модули широтно-импульсной модуляции (ШИМ), состоящие из пары узлов – компаратора и генератора пилообразного напряжения. Компаратор имеет два входа – инверсный и не инверсный, из которых инверсный подключается к выходу генератора пилообразного сигнала, который и определяет частоту широтно-импульсной модуляции. К не инверсному входу компаратора подключают источник модулирующего напряжения, задающего характер модуляции. Скважность импульсов на выходе компаратора изменяется во времени по синусоидальному закону, при использовании синусоидального напряжения на входе. Оба узла – микросхема-драйвер и модуль модуляции для ШИМ являются типовыми узлами современных схем, и имеют слабые различия. Таким образом, их можно использовать в заявляемом решении как базовые узлы для реализации функции формирования синусоидального тока. Также автор обращает внимание и на частое употребление специалистами в области техники слова “диммирование”, которое не имеет однозначного перевода на русский язык, означая технически “ждущий режим, ожидание”. Его упоминание в формуле по этой причине представляется желательным для более полного определения состава системы.
На фиг.1 показана функциональная блок-схема предлагаемого решения с функцией модуляции потребляемого тока. Питающая сеть подается на вход однофазного моста, к его выходу до диода подключен резистивный делитель, который согласует уровень пульсаций выпрямленного напряжения на входе модуля модуляции. Форма пульсаций показана на фиг.2.
Пульсации на выходе однофазного выпрямительного моста по модулю имеют форму полуволн синусоиды питающей сети, таким образом, задается синусоидальный в своей основе закон модулирования. Промодулированный таким образом ток питания светодиодов будет находиться в фазе с питающей сетью, и синусоидален на отрезках полуволн. Поскольку диодный мост потребляет ток из питающей сети непрерывно, изменяя полярность выхода, то такой ток будет изменять свою полярность на входе. Таким образом, из питающей сети будет потребляться чисто активный (без фазового сдвига) и синусоидальный ток, совпадая по полярности с напряжением сети. На фиг.3 показана схема предлагаемого решения, выполненного на типовых узлах, например для модуля модуляции использовалась микросхема МАХ16839. В нижней части схемы показан модуль широтно-импульсной модуляции на типовых элементах (например, может применяться TIPD108 и др.). Диод на выходе однофазного моста позволяет исключить искажение пульсаций от емкости цепочки светодиодов, или применяемых иногда конденсаторов для сглаживания звена постоянного тока. У каждой микросхемы-драйвера могут быть дополнительные отводы, что не влияет на реализацию решения.
Заявленное решение является простым и промышленно применимым, представляя собой блок питания светодиодного светильника. Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие отличия:
- вход однофазного диодный выпрямительный мост подключен к питающей сети переменного тока, его выход через резистивный делитель подключен к входу модуля модуляции, включающего компаратор с задающим генератором пилообразного напряжения;
- выход модуля модуляции подключен к входу управления микросхемы-драйвера светодиодов, выход микросхемы-драйвера светодиодов подключается к цепочке питаемых светодиодов;
- выход однофазного диодного моста подключается через диод в положительной цепи питания к аноду цепочки питаемых блоком питания светодиодов.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату – повышению качества потребляемого из сети тока.
Краткое описание чертежей. На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема предлагаемого решения. Здесь 1 – однофазный выпрямительный диодный мост, 2 – диод, 3 – резистивный делитель, 4 – модуль модуляции, 5 – микросхема-драйвер светодиодов. На фиг. 2 изображены пульсации напряжения на выходе однофазного диодного моста. На фиг. 3 изображена принципиальная схема предлагаемого решения.