СВЕТОВОЙ ПРИБОР С ПОВЫШЕННОЙ СВЕТОВОЙ ОТДАЧЕЙ НА ОСНОВЕ СВЕТОДИОДОВ
LIGHTING DEVICE WITH EXTENDED LUMINOUS EFFICIENCY ON LIGHT DIODE BASIS

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано при конструировании световых приборов с повышенной световой отдачей на основе светодиодов.
Известен световой прибор [1], содержащий источник света, в котором имеются ряд параллельно включенных светодиодных цепочек, каждая из которых содержит ряд последовательно включенных светодиодов, и вторичный источник питания (ВИП), в составе которого имеется один стабилизатор тока, к которому подключены все светодиодные цепочки. Этот стабилизатор обеспечивает протекание через световой прибор заданного значения тока.
Однако вследствие разброса по величине геометрических и электрофизических параметров, светодиоды имеют различные значения прямого напряжения при протекании через них одинакового тока (т.е. различные сопротивления). Поэтому светодиодные цепочки на их основе также будут иметь различные сопротивления. Поскольку в [1] не предусмотрено мер для обеспечения однородного распределения тока между параллельно включенными светодиодными цепочками, при работе в таком световом приборе через них будет протекать различный по величине ток.
Для создания светодиодом требуемого светового потока необходимо, чтобы через него протекал ток с заданным значением. При превышении этого значения тока зависимость светового потока светодиода от протекающего через него тока ослабевает. В результате этого отношение величины светового потока светодиода к величине тока, протекающего через него, снижается.
Вследствие этого, для обеспечения световым прибором требуемого светового потока общий ток, протекающий через него, должен быть увеличен. Это приведет к росту мощности, потребляемой световым прибором, т.е. снижению его светоотдачи.
з
з
Однородное распределение тока между светодиодными цепочками достигают в световом приборе [2], который содержит источник света, в котором имеются N параллельно включенных светодиодных цепочек (цепочек), каждая из которых состоит из последовательно включенных светодиодов. Кроме того, световой прибор содержит вторичный источник питания (ВИП), в котором имеется N линейных стабилизаторов тока (стабилизаторов) одного типа, обеспечивающих стабилизацию выходного тока с заданным значением тока (I). В данном световом приборе к каждому i-му стабилизатору подключена только одна i-тая цепочка. Поэтому ток, протекающий через каждую цепочку, имеет заданное значение (I) и остается постоянным в процессе его работы. Это позволяет световому прибору обеспечить требуемый световой поток при заданном значении протекающего через него тока.
F
Однако в [2] отсутствуют требования к светодиодам по величине прямого напряжения (U), в результате чего величины сопротивлений цепочек в таком световом приборе могут существенно различаться. Величина электрических потерь в линейных стабилизаторах тока очень сильно увеличивается при отклонении сопротивления нагрузки от оптимального значения. Вследствие этого величина электрических потерь в стабилизаторах будет большой, а светоотдача светового прибора низкой.
Известно, что в импульсных стабилизаторах тока величина потерь слабее зависит от сопротивления нагрузки, чем у линейных стабилизаторов. Поэтому их применение в световом приборе [2] вместо линейных стабилизаторов позволит снизить электрические потери, обусловленные разбросом сопротивлений цепочек. При использовании в световом приборе импульсных стабилизаторов тока входы всех стабилизаторов тока [3] подключаются параллельно к клеммам светового прибора, к которым подводится электропитание, а к выходу каждого i-го стабилизатора тока подключается только одна i-тая цепочка.
M
з
з
Максимально возможное значение прямого напряжения на цепочке (U) при заданных значениях тока (I) и температуры (Т) будет определяться из соотношения (1)
FM
з
з
где U - максимально допустимое значение прямого напряжения светодиодов данного типа при заданных значениях тока I и температуры Т.
FT
FM
ф
M
Типичное значение прямого напряжения (U) у светодиодов может быть существенно ниже, чем U, поэтому фактическое значение напряжения на цепочке (U) может быть существенно ниже, чем U.
mах
вых
M
Как правило, стабилизатор тока настраивают так, чтобы он имел максимальное значение коэффициента полезного действия (КПД) (β) при максимальном значении U (равном U).
M
ф
Однако, так как величина электрических потерь в импульсных стабилизаторах тока при заданном значении тока зависит от величины их выходного напряжения, при больших значениях разницы между U и U это приведет к недопустимо большому снижению величины β при работе на фактическую нагрузку, и вследствие этого недостаточно высокой величине светоотдачи светового прибора в реальных условиях его эксплуатации.
F
F
При этом также нужно учитывать, что светодиоды одного типа, имеющие различные значения прямого напряжения (U), при протекании через них одинакового по величине тока дают одинаковый световой поток. Поэтому светодиоды с меньшими значениями U имеют лучшую светоотдачу.
Исходя из вышеизложенного, с целью повышения световой отдачи был разработан световой прибор, представленный на фиг.1. Этот световой прибор состоит из источника света (I), содержащего N параллельно включенных светодиодных цепочек, каждая из которых состоит из n последовательно включенных светодиодов (1.1…N.n) и вторичного источника питания (ВИП) (II), содержащего N-стабилизаторов тока (1…N) одного типа, подключенных параллельно к клеммам (а, б), к которым подводится электропитание светового прибора с повышенной световой отдачей. При этом к каждому i-му стабилизатору тока подключена только одна i-тая цепочка, а светодиоды в каждой i-той цепочке подбираются по величинам их прямых напряжений исходя из соотношения (2):
Fij
з
з
где U - фактическое значение величины прямого напряжения j-го светодиода i-той цепочки при токе I и температуре Т;
ц
FM
ΔU - заданная величина, не менее чем на которую фактическое значение прямого напряжения на цепочке меньше, чем n·U,
вых
при этом все стабилизаторы имеют максимальные значения коэффициента полезного действия (КПД) при значениях выходного напряжения (U), удовлетворяющих соотношению (3):
вых0
FM
ц
где U - значение выходного напряжения стабилизатора, равное n·U-ΔU;
з
вых
вых0
ΔU - заданное значение максимально допустимой величины отклонения фактического значения величины U стабилизатора, при котором он имеет максимальное значение КПД, от величины U.
FM
FT
Для экспериментальной проверки предлагаемого решения были разработаны и изготовлены световые приборы. Источником света в них служила светодиодная цепочка, содержащая восемь (n=8) последовательно включенных светодиодов фирмы Cree Inc. типа XREWHT-L1-000-00001. Для этого типа светодиодов величина U при прямом токе, равном 350 мА, и температуре 25°С составляет 3,9 В. При этих же режимах измерения величина U для светодиодов этого типа составляет 3,3 В.
з
Величина допустимой мощности, которая может отводиться от светового прибора, увеличивается при увеличении температуры кристалла светодиода. Однако при этом снижается срок службы светодиодов. Для светодиодов используемого типа достаточный срок службы (не менее 50 тыс. часов) достигается при температуре кристалла 80°С [4]. Исходя из этого световой прибор был сконструирован так, чтобы при его работе температура кристалла была близка, но не превышала этого значения. Поэтому для разрабатываемого прибора величина заданного значения температуры (Т) полагалась равной 80°С.
-3
FM
FT
з
з
ц
У светодиодов типа XREWHT-L1-000-00001 величина прямого напряжения снижается на 4·10 В при увеличении температуры на один градус Цельсия. Следовательно, для них величины U и U (при значениях тока I и температуры Т) будут составлять 3,68 В и 3,08 В соответственно. С учетом этого величина ΔU для светового прибора, разрабатываемого на основе предлагаемого решения, определялась из соотношения (4):
M1
При этом максимальное значение прямого напряжения на светодиодной цепочке, в соответствии с предлагаемым решением (U), будет определяться из соотношения
м
M1
Из соотношений (1) и (5), соответственно, следует что величина U будет равна 29,44 В, а величина U равна 24,64 В.
F
F
ф
ф1
F
ф
ф2
С учетом этого были изготовлены две цепочки. В первой использовались светодиоды без отбора по величине U. Они имели значения U от 3,2 В до 3,9 В, при этом величина U для нее (U) составляла 28,8 В. Во второй цепочке были светодиоды, отобранные по величине U так, что величина U для нее (U) составляла 24,6 В.
з
з
Были также разработаны и изготовлены два типа стабилизаторов тока, у которых величина выходного тока равнялась I и составляла 350 мА. Величина ΔU принималась равной 1 В. Она определялась в первую очередь разбросом номинальных значений параметров элементной базы, используемой при изготовлении стабилизатора тока, а также условиями его эксплуатации.
С учетом этого у первого из них максимальное значение КПД достигалось при
вых1
U=30 В и составляло 91%. Это соответствует любым светодиодам типа XREWHT-L1-000-00001.
вых2
Второй из них имел аналогичное максимальное значении КПД 91% при U=24,6 В, что соответствует предлагаемому решению.
вых
Зависимости величины β от U при токе 350 мА для них приведены на фиг.2.
вых
Из этих зависимостей видно, что при величине U в диапазоне (20÷26) В, что соответствует предлагаемому решению, величина β для второго источника на (3÷4)% выше, чем у первого.
ф1
С использованием этих источников света и стабилизаторов тока были изготовлены два световых прибора. В первом были использованы первая цепочка и первый стабилизатор тока, а во втором - вторая цепочка и второй стабилизатор тока. На этих приборах была измерена входная (потребляемая световым прибором) мощность. Для первого при U=28,8 В она составила
1,
при этом ,как видно из фиг.2β равнялась 0,905.
ф2
Для второго при U=24,6 В она составила
2,
при этом, как видно из фиг.2 β равнялась 0,910.
1
2
Также были измерены световые потоки, которые составили у первого светового прибора Ф=880 лм, а второго Ф=876 лм, с учетом этого светоотдача у первого светового прибора
составила 78,99 лм/Вт, а у второго
составила 92,60 лм/Вт.
ф
Для оценки увеличения светоотдачи у светового прибора только за счет оптимизации конструкции стабилизатора тока был собран световой прибор, в котором использованы вторая цепочка и первый стабилизатор тока. Величина КПД этого стабилизатора тока при U=24,6 В составила 87,5%, величина входной мощности такого светового прибора составила 9,84 Вт, а величина его светоотдачи 89,02 лм/Вт.
Из полученных результатов следует, что использование предлагаемого решения позволило практически при одинаковом световом потоке у световых приборов
1
2
(Ф и Ф) на 17,2% увеличить светоотдачу светового прибора за счет снижения мощности потерь в стабилизаторе тока и светодиодах. При этом только за счет оптимизации конструкции стабилизатора тока светоотдача увеличилась на 3,9%. Что свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого решения.
Литература
1. Patent, United States, 5661645, 7 // Peter A. Power supply for light emitting diode array. - Date of Patent 08.26.1997.
2. Patent, United States, 6621235 B2 // Chin Chang. Integrated LED driving device with current sharing for multiple LED strings. - Date of Patent 09.16.2003.
3. Электронные компоненты. Полупроводниковая светотехника // Каталог продукции ПРОСОФТ. - Выпуск 3, 08. - 2007.
4. www.cree.com/xlamp