УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
ELECTRICAL LOAD POWER SUPPLY DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение в любых примерах осуществления относится к устройству питания электрической нагрузки, например СИД (светоизлучающего диода). Более конкретно, любые примеры осуществления настоящего изобретения относятся к устройству питания электрической нагрузки ИИП (импульсного источника питания), которое используется для светодиодного осветительного оборудования и снабжено схемой защиты от отказа электролитического конденсатора.
Предпосылки создания изобретения
[0002] Источники электропитания переменного тока (ПТ) обычно относят к импульсным источникам питания (ИИП) или к линейным источникам питания, из них в большинстве применений в основном используются ИИП, включая бытовую электронику, компьютеры и оборудование связи.
[0003] Быстрый рост спроса на светодиодное освещение способствовал приложению значительных усилий по развитию использования светодиодного освещения с использованием устройств ИИП.
[0004] СИД имеет низкое питающее напряжение (Vf), что требует увеличения тока возбуждения (If) для производства осветительного оборудования высокой мощности, что также будет предпочтительно для уменьшения мерцания. Поэтому такое светодиодное осветительное оборудование должно иметь конденсатор большой емкости на своем выходе.
[0005] Однако светодиод использует для освещения примерно 15% от потребляемой энергии и превращает остающиеся примерно 85% энергии в тепловую энергию, что приводит к внезапному повышению температуры вне его.
[0006] Кроме того, существует ограничение минимального размера для осветительного оборудования, которое необходимо для крепления всех светодиодов и цепи электропитания, например ИИП, которые генерируют тепло, приводящее к возникновению неисправностей, как показали недавние отзывы изделий в Соединенных Штатах и Японии из-за возникших возгораний, поражения электрическим током и тому подобного.
[0007] Кроме того, такое тепловое излучение вызывает уменьшение срока службы ИИП до величины, меньшей чем на 20000 часов, при сроке службы СИД приблизительно 35000 часов. По данным Министерства энергетики США: согласно отчету Министерства энергетики 2012, приблизительно 1/4 светодиодного осветительного оборудования, продаваемого в США, ломается в течение 1000 часов эксплуатации, и большинство этих поломок, как известно, происходит в электролитических конденсаторах ИИП.
[0008] Были попытки преодолеть вышеуказанные недостатки путем такой компоновки ИИП и СИД, чтобы они были изолированы друг от друга, или путем использования твердотельного конденсатора вместо электролитического конденсатора и тому подобное. Тем не менее, такие известные решения непригодны для некоторых сложных условий, с ними не удалось добиться заметного повышения срока службы ИИП, и они являются слишком дорогостоящими для коммерциализации.
Описание
Техническая задача
[0009] Таким образом, настоящее изобретение в некоторых примерах осуществления призвано обеспечить создание устройства питания электрической нагрузки, которое может продлить срок службы ИИП сверх срока службы электрической нагрузки, например светодиодного компонента, даже при высокой температуре окружающей среды, вызванной теплом, генерируемым СИД электрической нагрузки.
Сущность изобретения
[0010] В соответствии с любым примером осуществления настоящего изобретения, устройство питания электрической нагрузки с ИИП (импульсным источником питания) включает в себя выпрямительный блок, блок ограничения тока и сглаживающий блок. Выпрямительный блок сконфигурирован для выпрямления тока на выходном контуре ИИП. Блок ограничения тока сконфигурирован для ограничения тока на выходе из выпрямительного блока до значения, равного или меньшего, чем заранее заданное значение. Сглаживающий блок сконфигурирован для подачи мощности на нагрузку путем сглаживания тока, поступающего от блока ограничения тока. Блок ограничения тока обеспечивает значение тока, поступающего из выпрямительного блока, путем ограничения его текущего значения, которое не должно превышать максимально допустимое значение пульсирующего тока сглаживающего блока, в качестве входного сигнала в сглаживающий блок.
[0011] В соответствии с некоторыми примерами осуществления настоящего изобретения, устройство питания электрической нагрузки дополнительно включает в себя блок предотвращения буферного режима, сконфигурированный для установки между выходной клеммой выпрямительного блока и входной клеммой блока ограничения тока и сконфигурированный для предотвращения выхода выпрямительного блока из буферного режима при прерывании работы блока ограничения тока.
[0012] В соответствии с некоторыми примерами осуществления настоящего изобретения сглаживающий блок включает в себя электролитический конденсатор, а блок предотвращения буферного режима включает в себя пленочный конденсатор, который имеет одну клемму, подключенную между выходной клеммой выпрямительного блока и блоком ограничения тока, при этом другая клемма заземлена, причем блок ограничения тока последовательно подключен между выходной клеммой выпрямительного блока и входной клеммой сглаживающего блока.
[0013] В соответствии с некоторыми примерами осуществления настоящего изобретения блок ограничения тока содержит один или несколько единичных блоков ограничения тока, присоединенных параллельно друг другу к выходной клемме выпрямительного блока, при этом сглаживающий блок содержит один или несколько единичных сглаживающих блоков, соответственно присоединенных к одному или нескольким единичным блокам ограничения тока, а нагрузка содержит одну или несколько единичных нагрузкок, соответственно присоединенных к одному или нескольким единичным сглаживающим блокам.
Краткое описание чертежей
[0014] Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему типового повышающего ИИП.
[0015] Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему типового понижающего ИИП.
[0016] Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему устройства питания электрической нагрузки согласно по меньшей мере одному примеру осуществления настоящего изобретения.
[0017] Фиг. 4 представляет собой принципиальную схему устройства питания электрической нагрузки в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения.
[0018] Фиг. 5 представляет собой принципиальную схему устройства питания электрической нагрузки в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения.
[0019] Фиг. 6 представляет собой принципиальную схему устройства питания электрической нагрузки в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
[0020] Далее, по меньшей мере один пример осуществления настоящего изобретения будет подробно описан со ссылкой на сопровождающие чертежи. В последующем описании одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы, хотя элементы показаны на разных чертежах. Кроме того, в последующем описании по меньшей мере одного из примеров осуществления, подробное описание известных функций и конфигураций, включенных в данный документ, будет опущено в целях ясности и краткости.
[0021] Обычные ИИП, как правило, подразделяются на повышающие ИИП и понижающие ИИП.
[0022] Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему типового повышающего ИИП, который может включать в себя двухполупериодный мостовой выпрямитель 10, индукционную катушку L11, переключатель SW11, диод D11 и конденсатор С11.
[0023] Когда переключатель SW11 включен, ток протекает через выпрямитель 10, индукционную катушку L11, переключатель SW11 и выпрямитель 10 в таком порядке, чтобы аккумулировать энергию в индукционной катушке L11. Выключение переключателя SW11 освобождает энергию, запасенную в индукционной катушке L11, для протекания через диод D11, конденсатор С11 и переключатель SW11, при этом полярность энергии является обратной входному току. Такое изменение направления тока при его прерывании по истечении определенного срока называется контр-ЭДС или противоэлектродвижущей силой, которая сопровождается незамедлительным и значительным подъемом напряжения, сохраняющимся в течение довольно длительного времени, благодаря явлению самоиндукции, которое возникает в катушке.
[0024] Перед подачей на нагрузку 1 образованное таким образом выходное напряжение претерпевает стадию выпрямления диодом D11 для извлечения составляющей тока, за которой следует стадия сглаживания конденсатором С11.
[0025] Как описано выше, переключатель SW11 периодически включается/выключается для генерации импульсного напряжения постоянного тока и подачи его на нагрузку 1.
[0026] На фиг. 2 показана принципиальная электрическая схема типового снижающего или понижающего ИИП, который может включать в себя двухполупериодный мостовой выпрямитель 20, переключатель SW21, диод D21, индукционную катушку L21, диод D22 и конденсатор С21.
[0027] Когда переключатель SW21 включен, ток протекает через индукционную катушку L21, где энергия накапливается или сохраняется, а затем выпрямляется диодом D22 с последующей подачей на конденсатор С21 и нагрузку 1, в результате чего генерируется повышенное количество протекающего тока.
[0028] Когда переключатель SW21 выключен, диод D21 создает проход для тока индукционной катушки, который обусловлен энергией, запасенной в индукционной катушке L21, с последующим выпрямлением диодом D22 и последующим протеканием через конденсатор С21 и нагрузку 1, при этом величина тока индукционной катушки снижается, пока переключатель SW21 не включится снова.
[0029] Таким образом, переключатель SW21 периодически включается/выключается для генерации импульсного напряжения постоянного тока для подачи на нагрузку.
[0030] Чтобы запитать нагрузку 1 в ИИП, представленных на фиг. 1 и 2, типовой ИИП использует электролитические конденсаторы С11, С21 для хранения электрической энергии, которая проходит через индукционную катушку при операции переключения. Тем не менее, электролитические конденсаторы С11 и С21 имеют сокращенный срок службы и склонны к неисправностям в различных условиях, таких как температура окружающей среды, приложенное напряжение, пульсирующий ток, способы зарядки и разрядки, пусковой ток и отклонение напряжения.
[0031] Как и в двух типовых схемах, показанных на фиг. 1 и 2, обычный ИИП проверяет выходное напряжение и, в зависимости от результата проверки, выполняет включение/выключение переключателей SW11, SW21 для регулировки выходного напряжения на постоянном уровне.
[0032] Однако в случае, когда нагрузка 1 является светодиодом, повышение температуры на 1°С снижает напряжение Vf возбуждения примерно на 2 мВ ~ 5 мВ, что эквивалентно такой же величине роста приложенного напряжения для увеличения тока, протекающего через СИД нагрузки 1. Когда приложенное напряжение увеличивается примерно на 10%, ток, протекающий через СИД нагрузки 1, увеличится от 50% до 100%.
[0033] В случае светодиодной лампы внутренняя температура поднимается до приблизительно 85°С, что является очень большим скачком в 60°С по отношению к комнатной температуре 25°С и вызывает уход параметров из-за изменения температуры и ведет к потреблению большего тока по сравнению с расчетным. Это, в свою очередь, создает больший пульсирующий ток в электролитических конденсаторах С11, С21, чем принято расчетными допусками, что приводит к неисправности электролитических конденсаторов С11, С21.
[0034] Чтобы предотвратить нестабильность тока пульсации электролитического конденсатора из-за ухода параметров из-за изменения температуры электрической нагрузки, например светодиода, в некоторых примерах осуществления настоящего изобретения предусмотрены цепи, как показано на фиг. 3-5.
[0035] Устройство питания электрической нагрузки в соответствии с любым из примеров осуществления настоящего изобретения проиллюстрировано на принципиальной схеме на фиг. 3 в сравнении с повышающим ИИП с фиг. 1.
[0036] В дополнение к схеме повышающего ИИП на фиг. 1, схема, приведенная на фиг. 3, включает в себя блок 30 ограничения тока между входной клеммой конденсатора С11, служащего в качестве сглаживающего блока, и выходной клеммой диода D11, служащего в качестве выпрямительного блока, для ограничения тока в выходном контуре, а также включает в себя конденсатор С12, предотвращающий буферный режим и служащий для временного аккумулирования энергии (в дальнейшем именуемый блоком предотвращения буферного режима) между выходной клеммой выпрямительного диода D11 и входной клеммой блока 30 ограничения тока.
[0037] Конденсатор С12 служит для временного хранения энергии, предотвращая при этом выход диода D11 из буферного режима при прерывании работы блока 30 ограничения тока. Конденсатор С12 имеет одну клемму, подсоединенную между выходной клеммой диода D11 и входной клеммой блока 30 ограничения тока, и заземленную другую клемму. В любых примерах осуществления конденсатор С12 представляет собой, но не ограничивается этим, пленочный конденсатор, и может являться пленочным конденсатором с очень большим допуском по пульсирующему току в дополнение к электролитическому конденсатору или керамическому конденсатору, где имеются ограничения из-за тесного пространства.
[0038] В примере осуществления изобретения, приведенном на фиг. 3, блок 30 ограничения тока служит для обеспечения того, чтобы величина тока, поступающего от выпрямительного диода D11, была ограничена на заданном уровне в качестве входного значения для сглаживающего конденсатора С11. С этой целью блок 30 ограничения тока ограничивает величину тока, подаваемого от диода D11, от превышения максимально допустимого значения пульсирующего тока конденсатора С11 и обеспечивает ограниченный ток в качестве входного сигнала конденсатора С11.
[0039] В примере осуществления изобретения, приведенном на фиг. 3, блок 30 ограничения тока сконфигурирован так, что включает в себя переменный резистор, выполненный с возможностью сохранения своего выходного тока от превышения максимально допустимого значения пульсирующего тока электролитического конденсатора С11, а нагрузка 1 включает в себя электрическую нагрузку, такую как светодиод.
[0040] Кроме того, простое добавление блока 30 ограничения тока в примере осуществления изобретения, приведенном на фиг. 3, может привести к прерыванию работы блока 30 ограничения тока, что ведет к буферному режиму на выходе выпрямительного диода D11 и, в свою очередь, отказу функции обратной связи, которая необходима для переключателя SW11, чтобы выполнить включение/выключение. В качестве превентивной меры можно вставить пленочный конденсатор С12 между выходной клеммой выпрямительного диода D11 и входной клеммой блока 30 ограничения тока, чтобы не допустить неправильного срабатывания.
[0041] Устройство питания электрической нагрузки в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения показано на принципиальной схеме на фиг. 4 в сравнении с понижающим ИИП, показанным на фиг. 2.
[0042] В дополнение к схеме понижающего ИИП на фиг. 2, схема, приведенная на фиг. 4, включает в себя блок 30 ограничения тока между входной клеммой сглаживающего электролитического конденсатора С21 и выходной клеммой выпрямительного диода D21, для ограничения тока в выходном контуре, и включает в себя конденсатор С22, который служит в качестве блока 40 предотвращения буферного режима и присоединен между выходной клеммой выпрямительного диода D22 и входной клеммой блока 30 ограничения тока.
[0043] Конденсатор С22 на фиг. 4 служит для временного хранения энергии, предотвращая при этом выход диода D22 из буферного режима при прерывании работы блока 30 ограничения тока. Конденсатор С22 имеет одну клемму, подсоединенную между выходной клеммой диода D22 и входной клеммой блока 30 ограничения тока, и заземленную другую клемму. В некоторых примерах осуществления изобретения конденсатор С22, в качестве блока 40 предотвращения буферного режима, является пленочным конденсатором, но не ограничиваясь этим, а также может относиться к другим типам конденсаторов, включая керамический конденсатор.
[0044] В примере осуществления изобретения на фиг. 4 блок 30 ограничения тока служит для обеспечения тока, поступающего от выпрямительного диода D22 на сглаживающий электролитический конденсатор С21, с величиной тока, ограниченной до заранее заданного уровня в качестве входного значения. С этой целью блок 30 ограничения тока ограничивает величину тока, поступающего от выпрямительного диода D22, от превышения максимально допустимого значения пульсирующего тока электролитического конденсатора С21, и обеспечивает ограниченный ток в качестве входного значения для электролитического конденсатора С21.
[0045] В примере осуществления изобретения на фиг. 4 блок 30 ограничения тока сконфигурирован так, что включает в себя переменный резистор, выполненный с возможностью сохранения своего выходного тока от превышения максимально допустимого значения пульсирующего тока электролитического конденсатора С21, а нагрузка 1 включает в себя электрическую нагрузку, такую как светодиод.
[0046] Кроме того, простое добавление блока 30 ограничения тока в примере осуществления изобретения, приведенном на фиг. 4, может привести к прерыванию работы блока 30 ограничения тока, что ведет к буферному режиму на выходе выпрямительного диода D22 и, в свою очередь, отказу функции обратной связи, которая необходима для переключателя SW21, чтобы выполнить включение/выключение. В качестве превентивной меры пленочный конденсатор С22 может быть вставлен между выходной клеммой выпрямительного диода D22 и входной клеммой блока 30 ограничения тока, чтобы не допустить неправильного срабатывания.
[0047] На фиг. 5 показана принципиальная схема устройства питания электрической нагрузки в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения, который применен на высоковольтном ИИП.
[0048] На принципиальной схеме на фиг. 5 конфигурация двухполупериодного мостового выпрямителя 50, трансформатора Т51, переключателя SW51 и выпрямительного диода D51 является такой же, как у обычных высоковольтных ИИП, и поэтому их подробное описание опущено.
[0049] В дополнение к обычной цепи высоковольтного ИИП, устройство питания электрической нагрузки, показанное на фиг. 5, включает в себя блок 30 ограничения тока между входной клеммой конденсатора С51, служащего в качестве сглаживающего блока, и выходной клеммой диода D51, служащего в качестве выпрямительного блока, для ограничения тока в выходном контуре, и включает в себя конденсатор С52, который служит в качестве блока 40 предотвращения буферного режима, между выходной клеммой выпрямительного диода D51 и входной клеммой блока 30 ограничения тока.
[0050] Конденсатор С52 в принципиальной схеме, показанной на фиг. 5, служит для временного хранения энергии, предотвращая выход диода D51 из буферного режима при прерывании работы блока 30 ограничения тока. Такой конденсатор С52 имеет одну клемму, подсоединенную между выходной клеммой диода D51 и входной клеммой блока 30 ограничения тока, и заземленную другую клемму. В некоторых примерах осуществления изобретения конденсатор С52 в качестве блока предотвращения буферного режима представляет собой пленочный конденсатор, но не ограничивается этим, и это может быть керамический конденсатор среди прочих.
[0051] В примере осуществления изобретения, показанном на фиг. 5, блок 30 ограничения тока служит для обеспечения того, чтобы величина тока, поступающего от диода D51 в качестве выпрямительного блока, была ограничена до заранее заданного уровня в качестве входного значения для электролитического конденсатора С51 в качестве сглаживающего блока. С этой целью блок 30 ограничения тока ограничивает величину тока, поступающего от выпрямительного диода D51, от превышения максимально допустимого значения пульсирующего тока электролитического конденсатора С51, и обеспечивает ограниченный ток в качестве входного значения для электролитического конденсатора С51.
[0052] В примере осуществления изобретения, показанном на фиг. 5, блок 30 ограничения тока может включать в себя переменный резистор, выполненный с возможностью сохранения своего выходного тока от превышения максимально допустимого значения пульсирующего тока электролитического конденсатора С51, а нагрузка 1 включает в себя электрическую нагрузку, например светодиод.
[0053] Кроме того, простое добавление блока 30 ограничения тока в примере осуществления изобретения, показанном на фиг. 5, может привести к прерыванию работы блока 30 ограничения тока, что ведет к буферному режиму на выходе выпрямительного диода D51 и, в свою очередь, отказу функции обратной связи, которая необходима для переключателя SW51, чтобы выполнить включение/выключение. В качестве превентивной меры можно вставить пленочный конденсатор С52 между выходной клеммой выпрямительного диода D51 и входной клеммой блока 30 ограничения тока, чтобы не допустить неправильного срабатывания.
[0054] Обычно электролитические конденсаторы, такие как конденсаторы С11, С21 и С51, которые показаны на фиг. 3-5, являются небольшими по размеру и цене, и при этом имеют меньшую допустимую величину пульсирующего тока и короткий срок службы при высоких температурах. Например, некоторые электролитические конденсаторы, изготовленные SAMWHA Capacitor Co., Ltd., имеют допустимый пульсирующий ток около 280 мА при 450 В, 22 мкФ и 105°С со сроком службы 10000 ч.
[0055] В противоположность этому, пленочные конденсаторы, такие как конденсаторы С12, С22, С52, которые показаны на фиг. 3-5, имеют очень большой допустимый пульсирующий ток, хорошие свойства при высоких температурах с номинальным сроком службы приблизительно от 100000 до 350000 часов работы с имеющейся функцией самовосстановления для заполнения трещин от возможных повреждений вследствие искры от внешнего напряжения. Например, электролитический конденсатор V-735P производства Vishay имеет допустимые пульсирующий ток около 30А при 1 ~ 30 мкФ и 105°С.
[0056] Тем не менее, по сравнению с электролитическими конденсаторами, пленочные конденсаторы были непомерно громоздкими и дорогостоящими, и они были признаны не отвечающими сложным требованиям к компактности и ценовым условиям для светодиодных ламп и освещения. Тем не менее, в некоторых примерах осуществления настоящего изобретения по умолчанию использованы электролитические конденсаторы С11, С21, С51 с целью сглаживания на стороне выхода, как на фиг. 3-5, и небольшой пленочный конденсатор, уменьшенный на 1/10-1/20 от объема существующих пленочных конденсаторов с целью предотвращения буферного режима выпрямительных диодов D11, D22 и D51 при прерывании работы блока 30 ограничения тока. Таким образом, некоторые примеры осуществления настоящего изобретения удовлетворяют требованиям небольшого размера осветительного оборудования и обеспечения активного источника электропитания для приведения в действие СИД со сроком службы приблизительно от 50000 часов до 100000 часов или более.
[0057] На фиг. 6 показана принципиальная схема устройства питания электрической нагрузки в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения, на котором показана последовательность из нескольких светодиодов, установленных на примере обобщения схем, показанных на фиг. 3-5. При этом блок 30 ограничения тока с фиг. 3-5 включает в себя один или несколько блоков 30A-30N ограничения тока, соединенных параллельно друг с другом на выходных клеммах выпрямительных диодов D11, D22 и D51 в качестве выпрямительного блока. Электролитические конденсаторы С11, С21 и С51 в качестве сглаживающего блока с фиг. 3-5 включают в себя один или несколько сглаживающих устройств C11a-C11n, С21а-C21n и С51а-C51n соответственно, подключенных к одному или нескольким блокам 30а-30n ограничения тока. Кроме того, нагрузка 1 включает в себя одну или несколько нагрузок 1a-1n, соответственно подключенных к одному или нескольким сглаживающим блокам С11а-C11n, С21а-C21n и С51а-C51n.
Промышленная применимость
[0058] Как описано выше, в соответствии с некоторыми примерами осуществления настоящего описания изобретения, устройство питания электрической нагрузки позволяет устанавливать светодиоды вместе с ИИП или сходной схемой электропитания даже в сравнительно меньшем осветительном оборудовании, предотвращая при этом пробой пульсирующего тока электролитического конденсатора из-за теплового пробоя светодиода и компонентов источника электропитания, демонстрирующих изменения в их термических свойствах, вызванные их собственной генерацией тепла, с тем, чтобы продлить срок службы ИИП за пределы 50000 часов - 100000 часов срока службы СИД и тем самым обеспечить повышение надежности светодиодного осветительного оборудования, в котором используется электролитический конденсатор в ИИП.