СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СВЕТОДИОДА
METHOD OF AND DEVICE FOR LIGHT DIODE EXCITATION

Предпосылки создания изобретения
Область изобретения
Данное изобретение касается способа возбуждения и, более конкретно, способа и устройства для возбуждения светодиода при помощи улучшенного коэффициента мощности и эффективности использования энергии и пониженных электромагнитных помех.
Описание известного уровня техники
По мере того как энергетические ресурсы истощаются, предлагаются некоторые новые энергетические ресурсы, но они не могут сразу же дать ответ и удовлетворить всем нуждам и требованиям человека. Поэтому экономия природных ресурсов становится очень важной задачей. Соответственно, многие электронные устройства или оборудование усовершенствуются с целью уменьшения потребления энергии. Например, предполагая, что обычная вольфрамовая лампа потребляет 100 единиц электроэнергии, только 5 единиц электроэнергии преобразуются в свет, а остальная электроэнергия преобразуется в тепло. Таким образом, эффективность преобразования обычной вольфрамовой лампы менее чем удовлетворительна. Кроме того, для рассеивания тепла, производимого обыкновенной вольфрамовой лампой, могут потребоваться теплоотвод или система охлаждения, которые будут потреблять дополнительную электроэнергию. Аппаратура с обычными лампами долго страдала от недостатка малоэффективного использования энергии. По мере того как в последние годы в полупроводниковой индустрии быстро происходило развитие и внедрялись инновации, светодиоды (LED) продолжают набирать популярность и все больше используются для освещения, обладая преимуществом за счет долгого срока службы и низкого энергопотребления.
Как указано выше, светодиоды имеют преимущество долгого срока службы, малого энергопотребления и низкого образования отходящего тепла. Все эти преимущества способствуют развитию аппаратуры со светодиодами. Светодиод, как правило, возбуждается источником энергии постоянного тока. Таким образом, когда светодиод присоединен к источнику энергии переменного тока, такому как питание от электрической сети, его необходимо снабжать возбудительным контуром светодиода, преобразующим входящий переменный ток в импульсный постоянный ток, так что светодиод может испускать свет по получении постоянного тока.
AC
Существует много патентов, касающихся возбудительного контура светодиода, таких как Патент США №5.936.599 «Контуры массивов светодиодов, питаемые переменным током, для использования в дисплеях светофоров». Как показано на Фиг.4(А), патент раскрывает контур массива светодиодов, где катушка индуктивности L последовательно соединена с переменным источником напряжения V, который подает питание на определенное число последовательно соединенных пар светодиодов, каждая пара содержит два параллельно соединенных противоположно поляризованных светодиода 101. Катушка индуктивности L используется для замещения токоограничивающего сопротивления в обычном возбудительном контуре, чтобы достичь цели ограничения тока при низкой потере энергии. Кроме того, чтобы еще уменьшить потерю энергии, параллельно массиву светодиодов подключен конденсатор С1. Как показано на Фиг.4(В), также предоставляется контур постоянного тока, чтобы поддерживать ток на постоянном уровне, тем самым стабилизируя яркость и хроматичность света, исходящего из светодиода. Индуктивный реактивный элемент, такой как конденсатор или катушка индуктивности, при наличии в контуре, будет делать напряжение и ток несинхронными на разность фаз (θ), как показано на Фиг.4(С). Исходя из уравнения PF(коэффициент мощности)=V(напряжение)×I(ток)×cosθ, поскольку в этом случае напряжение и ток находятся не в фазе, наличие разности фаз (θ) приводит к уменьшению коэффициента мощности, что, в свою очередь, приводит к увеличению потери энергии.
Патент Китая №1220047 под названием «Возбуждающий контур светодиода» раскрывает возбуждающий контур светодиода, как показано на Фиг.5, который включает источник 51 энергии, ряд контуров 52 управления током, состоящих из одного или более элементов 521 управления током с общим заземлением, и контур 53 индикации напряжения для определения уровня напряжения подаваемого питания. Источник энергии 51 соединен последовательно с одним или более набором 54 светодиодов, каждый из которых состоит из одного или более светодиодов. Элементы 521 управления током контуров 52 управления током последовательно соединены с n-электродами (отрицательными электродами) соответствующих наборов 54 светодиодов. Уровень напряжения положительной части подаваемой энергии определяется контуром 53 индикации напряжения. Затем один из контуров 52 управления током селективно переводится в проводящее состояние соответственно уровню напряжения, благодаря чему соответствующее число наборов 54 светодиодов возбуждается и испускает свет. Такая конструкция контура позволяет положительной части подаваемой энергии прямо возбуждать наборы светодиодов, так что максимальное количество наборов светодиодов возбуждается и выделяет свет соответственно уровню напряжения без соединения с фильтрующим конденсатором, тем самым достигая цели эффективного использования электроэнергии, увеличения коэффициента мощности и уменьшения потерь энергии.
Однако возбуждающий контур, описанный выше, имеет следующие недостатки.
1. Для определения уровня напряжения положительной части подаваемой энергии требуется контур индикации напряжения, что приводит к сложной конструкции контура.
2. Один выбранный контур из контуров управления током переводится в проводящее состояние при условии, что контур индикации напряжения определяет уровень входящего напряжения (остальные контуры управления током остаются в электрически изолированном состоянии), тем самым позволяя определенному числу наборов светодиодов испускать свет. В случае неправильной работы контура индикации напряжения ни один из наборов светодиодов не может быть возбужден для испускания света.
Краткое описание изобретения
Соответственно, целью изобретения является предоставление способа возбуждения и, более конкретно, способа и устройства для возбуждения светодиода непосредственно питанием от сети переменного тока без переключения частоты, тем самым достигая целей улучшения коэффициента мощности и уменьшения электромагнитных помех и потерь энергии.
Чтобы достичь этой цели, изобретательский способ возбуждения включает использование множества контуров управления током, чтобы приводить в действие множество светодиодных модулей, где каждый из контуров управления током включает, по меньшей мере, два транзистора, соединенных параллельно, чтобы образовывать, по меньшей мере, два переключательных контура. Каждый из соответствующих контуров управления током приспособлен позволять или не давать электрическому току течь непосредственно ниже по цепи к следующему контуру светодиодных модулей в ответ на заранее определенный уровень напряжения положительной части источника напряжения. Соответствующие контуры управления током реагируют на различные уровни напряжения. В результате для выделения света при заданном уровне напряжения возбуждается максимальное количество светодиодных модулей, тем самым достигаются цели эффективного использования электроэнергии и уменьшения потерь энергии.
Краткое описание графических материалов
Вышеуказанные и другие цели, свойства и результаты изобретения будут ясны из следующих описаний предпочтительных вариантов осуществления, рассматриваемых вместе с сопутствующими графическими материалами, в которых:
Фигура 1 представляет собой принципиальную схему, демонстрирующую устройство возбуждения в соответствии с изобретением;
Фигура 2 представляет собой частично увеличенную схему устройства возбуждения в соответствии с изобретением;
Фигура 3(А) представляет собой график, показывающий фазы источника напряжения импульсного постоянного тока и источника тока импульсного постоянного тока в соответствии с изобретением;
Фигура 3(В) представляет собой график состояний ВКЛ/ВЫКЛ соответствующих светодиодных модулей в рамках полуволнового периода подаваемого питания переменного тока;
Фигура 4(А) представляет собой принципиальную схему, демонстрирующую задающий контур из патента США №5.936.599;
Фигура 4(В) представляет собой график, показывающий электрический ток при использовании обычного устройства возбуждения, снабженного фильтрующим контуром.
Фигура 4(С) представляет собой график, показывающий, как ток опережает напряжение; и
Фигура 5 представляет собой принципиальную схему, показывающую возбуждающий контур, раскрытый в патенте Китая №1220047.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Данное изобретение предоставляет способ для возбуждения светодиода. Способ включает использование множества контуров управления током для возбуждения большого числа светодиодных модулей, где каждый контур управления током включает, по меньшей мере, два транзистора, соединенных для образования, по меньшей мере, двух переключательных контуров, и где соответствующие контуры управления отличаются друг от друга своей реакцией на различные уровни тока источника напряжения, так что соответствующие светодиодные модули, управляемые ими, селективно возбуждаются для испускания света при различных уровнях напряжения. На практике изобретение также предоставляет устройство возбуждения, как показано на Фиг.1, которое содержит следующие составные элементы:
(1) Источник напряжения (Vs)
Источник напряжения снабжен выпрямляющим контуром (40) (который может быть, например, мостовым выпрямителем), так что энергия переменного тока, получаемая от источника напряжения, преобразуется в источник напряжения импульсного постоянного тока, как показано на Фиг.3(А).
(2) Контур управления током
В изобретательское устройство включены, по меньшей мере, два светодиодных модуля. Согласно варианту осуществления, показанному на Фиг.1, в устройство входят пять светодиодных модулей 11, 12, 13, 14, 15, каждый состоит из одного или множества светодиодов L, соединенных последовательно или параллельно или при помощи комбинации обоих способов соединения. Предпочтительно количество светодиодов, установленных в соответствующих светодиодных модулях, постепенно увеличивается, а затем уменьшается от светодиодного модуля 11 к светодиодному модулю 15.
По меньшей мере, один контур управления током присоединен между двумя соседними светодиодными модулями. Согласно варианту осуществления, показанному на Фиг.1, в устройство включены четыре контура 21, 22, 23, 24 управления током, каждый снабжен первым и вторым транзисторами 251, 252, первым-четвертым резисторами 253, 254, 259, 250, первой и второй входными клеммами 255, 256 и первой и второй выходными клеммами 257, 258.
Первый и второй транзисторы 251, 252 каждый снабжены первой клеммой, второй клеммой и управляющей клеммой. Согласно этому варианту осуществления, первый и второй транзисторы 251, 252 являются биполярными плоскостными транзисторами (БПТ) NPN-типа, в которых первая клемма, вторая клемма и управляющая клемма отвечают соответственно эмиттеру Е, коллектору С и базе В.
Рассматривая теперь Фиг.2, первая входная клемма 255 подсоединена параллельно к положительному электроду одного из светодиодных модулей 12, 13, 14, 15 и соединена последовательно с отрицательным электродом одного из других светодиодных модулей 11, 12, 13, 14, который находится выше по цепи этого светодиодного модуля. Вторая входная клемма 256 присоединена к источнику Vs напряжения для получения выпрямленного питания. Первая входная клемма 255 соединена с эмиттером Е в первой клемме первого транзистора 251. База B в управляющей клемме первого транзистора 251 присоединена к концу первого резистора 253, тогда как другой конец первого резистора 253 и коллектор С в первой клемме второго транзистора 252 соединены через общий контур со второй выходной клеммой 256, где установлен третий резистор 259. База B на контрольной клемме второго транзистора 252 присоединена к концу второго резистора 254, тогда как другой конец второго резистора 254 и эмиттер Е на второй клемме первого транзистора 251 соединены через общий контур с первой выходной клеммой 257, которая, в свою очередь, соединена с отрицательным электродом светодиодного модуля, контролируемым им. Эмиттер Е на второй клемме второго транзистора 252 соединен со второй выходной клеммой 258, которая, в свою очередь, соединена с положительным электродом одного из других светодиодных модулей 13, 14, 15, который находится ниже по цепи данного светодиодного модуля. Четвертый резистор 250 подключен между базой В на управляющей клемме и эмиттером Е на второй клемме второго транзистора 252.
(3) Контур источника тока
Контур 30 источника тока подключен между выпрямляющим контуром 40 и светодиодными модулями 11-15 и приспособлен преобразовывать источник напряжения импульсного постоянного тока в источник тока импульсного постоянного тока, находящийся с ним в фазе. Контур 30 источника тока обеспечивает контурный ток к соответствующим светодиодным модулям 11-15 для получения удовлетворительного коэффициента мощности.
Фиг.3(В) представляет собой график состояний ВКЛ/ВЫКЛ соответствующих светодиодных модулей в рамках полуволнового периода подаваемого питания переменного тока. Первый светодиодный модуль 11 получает достаточный электрический ток и начинает испускать свет, когда напряжение источника энергии достигает уровня Vs1. До того как напряжение источника энергии далее увеличивается до уровня Vs2, чтобы позволить второму светодиодному модулю получить энергию, второй транзистор 252 в первом контуре управления током функционирует в своей зоне отсечки и переключается в состояние ВЫКЛ, поскольку напряжение, подаваемое на четвертый резистор 250, подключенный между базой В и эмиттером Е транзистора 252, является недостаточным, чтобы сделать его проводящим. В результате, вторая выходная клемма 258 находится в электрически изолированном состоянии. С другой стороны, первый транзистор 251 получает напряжение от второй входной клеммы 256 через третий резистор 259 и, таким образом, действует в своей зоне насыщения и переключен в положение ВКЛ, так что электрический ток может течь через эмиттер Е и коллектор С первого транзистора 251 к непосредственно находящемуся ниже по цепи светодиодному модулю и находящемуся ниже по цепи контуру управления током.
Аналогично, второй транзистор, находящийся непосредственно ниже по цепи контура управления током, не будет переведен в проводящее состояние, поскольку входящее напряжение ниже Vs2. Как следствие, первый транзистор находится в состоянии ВКЛ, позволяя электрическому току течь к следующему находящемуся вниз по цепи светодиодному модулю и следующему находящемуся вниз по цепи контуру управления током.
Если напряжение источника энергии возрастает до уровня выше Vs2, на котором электрический ток может течь ко второму светодиодному модулю, второй транзистор 252 является прямо смещенным и функционирует в своей зоне насыщения, поскольку подаваемое напряжение достаточно для смещения четвертого резистора 250 в первом контуре 21 управления током. Это создает замкнутый контур между эмиттером Е и коллектором С второго транзистора 252. В этот момент первый транзистор 251 не смещен и, таким образом, работает в своей разомкнутой области и переключен в состояние ВЫКЛ, располагая первую входную клемму 255 в электрически изолированное состояние. Таким образом, электрический ток может течь через проводящий тракт от положительного электрода к отрицательному электроду второго светодиодного модуля 12, тем самым включая первый и второй светодиодные модули 11, 12 и давая освещение. Остальные контуры управления током пускают электрический ток к находящимся ниже по цепи светодиодным модулям (модулю) и следующим находящимся ниже по цепи контурам (контуру) управления током через первые транзисторы (транзистор), по причине недостаточного уровня прилагаемого напряжения. В рамках временного интервала от t2 до t3, как показано на Фиг.3(В), уровень напряжения источника энергии (от Vs2 до Vs3) выше, чем тот, который позволяет электрическому току течь ко второму светодиодному модулю 12, и только первый и второй светодиодные модули 11,12 включены для испускания света (как показано зонами 1 и 2). Остальное может быть установлено по аналогии.
Для того чтобы изготовить изобретательское устройство, соответствующие контуры управления током устанавливаются на монтажную плату, а затем электрически присоединяются к соответствующим светодиодным модулям. Альтернативно, соответствующие контуры управления током и соответствующие светодиодные модули вместе собираются в интегральной схеме в упаковку интегральной схемы.
В изобретении используются, по меньшей мере, два транзистора, чтобы образовывать, по меньшей мере, два переключательных контура и служить в качестве контура управления током для управления светодиодным модулем. Изобретение включает предоставление выпрямляющего контура, чтобы получать энергию от источника напряжения и предоставлять источник напряжения импульсного постоянного тока, и предоставление контура источника тока, чтобы предоставлять контурный ток, соответствующий различным уровням напряжения положительной части источника напряжения, и предоставление возможности соответствующим светодиодным модулям испускать свет при возбуждении соответствующими контурами управления током. Каждый из контуров управления током способен селективно позволять электрическому току течь через себя в ответ на предварительно определенный уровень напряжения, приложенного к нему. Соответствующие контуры управления током реагируют на различные предварительно определенные уровни тока. Каждый контур управления током снабжается четвертым резистором для установки граничного уровня напряжения, контролирующим электрический ток, который должен течь в светодиодный модуль под его контролем. Таким образом, соответствующие светодиодные модули возбуждаются для испускания света в пределах цикла мощности сети переменного тока, в случае, когда уровень напряжения, подаваемого на контуры управления током, соответствующий им, достигает предварительно определенных граничных уровней тока. Благодаря изобретению, раскрытому в данном документе, для испускания света при данном уровне напряжения возбуждается максимальное число светодиодных модулей, тем самым достигаются цели эффективного использования электроэнергии и уменьшения потерь энергии.
Итак, способ и устройство для возбуждения светодиодов, раскрытые здесь, могут, без сомнения, достичь поставленных целей и результатов изобретения посредством конструктивных решений, описанных выше. Хотя изобретение было описано выше на примере предпочтительных вариантов осуществления, следует понимать, что предпочтительные варианты осуществления даны исключительно в иллюстративных целях и не предназначены для ограничения объема данного изобретения и что различные модификации и изменения, которые будут понятны специалистам в данной области техники, могут производиться без отклонения от сущности изобретения и его объема, как описано в прилагаемой формуле изобретения.