ВОЗБУЖДЕНИЕ СВЕТОДИОДА
LIGHT-EMITTING DIODE DRIVING

Область техники
Изобретение относится к устройству для возбуждения светодиода, к прибору, содержащему устройство, и к способу возбуждения светодиода.
Примерами такого устройства являются возбудители светодиодов, и примерами такого прибора являются изделия бытового назначения и изделия профессионального назначения.
Уровень техники
В US 5424680 раскрыта обобщенная схема частотно-зависимого предыскажения для нелинейных оптических приборов, например полупроводниковых лазеров и светодиодов. Схема содержит префильтры и постфильтры, причем каждый фильтр представляет собой интегральный корректирующий фильтр, который произвольно манипулирует фазой и амплитудой в зависимости от частоты. Каждый фильтр представляет собой синтезированный фильтр, настроенный или построенный согласно конкретному комплексному частотно-зависимому профилю для придания большей линейности поведению нелинейного оптического прибора.
Задача и сущность изобретения
Задачей изобретения является обеспечение устройства для возбуждения светодиода с повышенной эффективностью.
Другие задачи изобретения состоят в обеспечении прибора, содержащего устройство, и способа возбуждения светодиода с повышенной эффективностью.
Согласно первому аспекту предусмотрено устройство для возбуждения светодиода, устройство содержит:
- выходной каскад для подачи тока на светодиод, причем ток имеет среднее значение и пиковое значение, причем пиковое значение, деленное на среднее значение, образует отношение, и
- входной каскад для приема сигнала от блока питания, причем входной каскад содержит приспособление, содержащее резонансный контур, для уменьшения отношения путем добавления частотного компонента к сигналу или адаптации амплитуды частотного компонента сигнала, что позволяет повысить эффективность светодиода.
Выходной каскад устройства выдает ток на светодиод. Этот ток имеет среднее значение и пиковое значение. Пиковое значение, деленное на среднее значение, задано как отношение. Входной каскад устройства принимает сигнал от блока питания. Этот входной каскад содержит приспособление для уменьшения отношения путем манипулирования сигналом. Другими словами, приспособление уменьшает отношение путем манипулирования сигналом. Уменьшение отношения реализуется, например, путем уменьшения пикового значения при сохранении среднего значения, по существу, постоянным. Другими словами, отношение уменьшается, например, путем уменьшения пикового значения при сохранении среднего значения, по существу, постоянным. В результате светодиод генерирует больше света при том же среднем токе по сравнению с возбуждением светодиода непосредственно от блока питания без использования входного каскада (в силу эффекта стабилизации тока современных светодиодов). Таким образом, светодиод возбуждается с повышенной эффективностью, например, по сравнению с возбуждением практически синусоидальным током (например, от резонансного преобразователя мощности) или практически синусоидальным напряжением (например, при возбуждении светодиода от электросети с использованием балластного резистора).
Вместо возбуждения одного светодиода устройство может возбуждать два или более светодиода. Эти два или более светодиода могут представлять собой последовательные светодиоды, параллельные светодиоды или светодиоды, соединенные частично последовательно и частично параллельно. Светодиод может представлять собой, например, неорганический светодиод, органический светодиод или лазерный светодиод, не исключая перспективных светодиодов.
Вместо того чтобы использовать отношение, заданное пиковым значением, деленным на среднее значение, или помимо этого отношения, можно использовать другое отношение, заданное среднеквадратическим значением, деленным на среднее значение тока, выдаваемого выходным каскадом.
Приспособление может содержать одно или несколько подприспособлений. Также нельзя исключать одно или несколько перспективных приспособлений, каждое из которых может содержать одно или несколько подприспособлений.
В одном варианте осуществления устройства каскады не содержат сглаживающие конденсаторы и сглаживающие дроссели. Сглаживающий конденсатор (дроссель) или накопительный конденсатор (дроссель) постоянного тока можно использовать в других решениях для уменьшения отношения. Такой конденсатор (дроссель) должен распоряжаться сравнительно большой энергией, что требует относительно большого значения компонента и ограничивает выбор используемых компонентов дорогостоящими, или громоздкими, или тяжелыми, или недолговечными компонентами. Примером является использование электролитического конденсатора в качестве сглаживающего конденсатора для накопления энергии в выпрямленной части (DC-части) схемы. Такие конденсаторы (дроссели) предпочтительно не использовать, например, в выходном каскаде для уменьшения отношения, заданного пиковым значением, деленным на среднее значение, из-за того, что они создают проблемы долговечности и надежности, и/или что они увеличивают объем, размер и стоимость устройства. Кроме того, использование сглаживающих элементов влияет на характеристику высокочастотного гашения светодиодов (вследствие включения и отключения блока питания в быстрой последовательности). В отсутствие накопительных элементов постоянного тока, подключенных к светодиоду, его ток и, следовательно, яркость могут быстро реагировать на подаваемую энергию. Это обеспечивает быстрое и точное гашение. При наличии крупных накопительных элементов постоянного тока, подключенных к светодиоду, рост и спад тока светодиода происходит медленно, что приводит к ухудшению характеристики гашения.
Сглаживающий конденсатор (дроссель) определяется здесь как конденсатор (дроссель), который уменьшает отношение, например, по меньшей мере, на 1% или, например, по меньшей мере, на 5% или, например, по меньшей мере, на 10%, не исключая других процентов.
Манипулирование содержит добавление частотного компонента к сигналу или адаптацию амплитуды частотного компонента сигнала. Сигналом можно легко манипулировать путем добавления одного или нескольких частотных компонентов к сигналу или добавления амплитуды одного или нескольких частотных компонентов, уже присутствующих в сигнале. Фазу или фазы одного или нескольких добавляемых частотных компонентов можно регулировать до фазы основного частотного компонента сигнала, благодаря чему отношение результирующего сигнала уменьшается.
Согласно другому варианту осуществления устройства частотный компонент сигнала содержит третий, и/или пятый, и/или седьмой гармонический частотный компонент основного частотного компонента сигнала. Основным частотным компонентом может быть, например, 50 Гц (электросеть в Европе), или 60 Гц (электросеть в США), или 10 кГц, или 100 кГц, или 1 МГц (преобразователь), соответственно, и в этом случае третий (пятый, седьмой) гармонические частотные компоненты будут 150 (250, 350) Гц, или 180 (300, 420) Гц, или 30 (50, 70) кГц, или 300 (500, 700) кГц, или 3 (5, 7) МГц, соответственно. Опять же, фаза или фазы одного или нескольких частотных компонентов можно регулировать до фазы основного частотного компонента сигнала. Фазовый угол 0° может быть преимущественным, например, для третьего гармонического частотного компонента.
Согласно другому варианту осуществления устройства амплитуда третьего, или пятого, или седьмого частотного компонента сигнала, деленная на амплитуду основного частотного компонента сигнала, образует дополнительное отношение, которое больше 0% и меньше 100%. Дополнительное отношение предпочтительно больше 5% и меньше 50%, более предпочтительно, от 10% до 40%.
Согласно варианту осуществления устройства сигнал представляет собой переменное напряжение. Такое переменное напряжение подлежит преобразованию в выходной ток посредством входного каскада и выходного каскада.
Приспособление содержит резонансный контур. Такой резонансный контур может представлять собой управляемый или неуправляемый контур и может подлежать настройке на частотный компонент сигнала, например, третий, или пятый, или седьмой гармонический частотный компонент основного частотного компонента сигнала.
Согласно еще одному варианту осуществления устройства выходной каскад содержит соединительную схему, и/или трансформаторную схему, и/или выпрямительную схему. Такая соединительная схема может содержать один или несколько проводов, тогда как трансформаторная схема может содержать одну или несколько катушек и/или один или несколько трансформаторов, и выпрямительная схема может содержать один или несколько диодов или один или несколько транзисторов.
Согласно другому варианту осуществления устройства приспособление содержит резонансный контур, который использует реактивные свойства соединительной схемы, и/или трансформаторной схемы, и/или выпрямительной схемы.
Вариант осуществления устройства дополнительно содержит:
- соединитель для подключения входного каскада к источнику питания блока питания. Такой соединитель можно использовать, например, для подключения входного каскада к электросети. В этом случае сигнал представляет собой, например, синусоидальный сигнал, и частотный компонент нужно добавлять к сигналу.
Другой вариант осуществления устройства дополнительно содержит:
- преобразователь, подключаемый к источнику питания блока питания для генерации сигнала. Такой преобразователь может получать питание от электросети или батареи того или иного вида. В этом случае сигнал может представлять собой переменный прямоугольный сигнал, и амплитуду частотного компонента сигнала нужно адаптировать.
В дополнительном варианте осуществления устройства преобразователь представляет собой преобразователь резонансного режима, и один или несколько фазовых углов одного или нескольких частотных компонентов сигнала задаются так, чтобы поддерживать преобразователь в резонансном режиме.
Согласно второму аспекту предусмотрен прибор, который содержит вышеупомянутое устройство и дополнительно содержит светодиод, подключенный к выходному каскаду.
Согласно третьему аспекту предусмотрен способ возбуждения светодиода, способ содержит этапы, на которых:
- на выходном каскаде подают ток на светодиод, причем ток имеет среднее значение и пиковое значение, причем пиковое значение, деленное на среднее значение, образует отношение, и
- на входном каскаде принимают сигнал от блока питания и добавляют частотный компонент к сигналу или адаптируют амплитуду частотного компонента посредством приспособления, содержащего резонансный контур, для уменьшения отношения, что позволяет повысить эффективность светодиода.
Варианты осуществления прибора и способа соответствуют вариантам осуществления устройства.
Изобретение основано на понимании того, что светодиод является нелинейным элементом, который при удвоении входа (удвоении входного тока) не демонстрирует удвоение выхода (удвоение количества излучаемого света). Оно также основано на понимании того, что отношение, заданное пиковым значением, деленным на среднее значение тока (на выходном каскаде), подлежит уменьшению (на входном каскаде) путем манипулирования сигналом, исходящим от блока питания.
Это решает проблему обеспечения устройства для возбуждения светодиода с повышенной эффективностью. Это имеет преимущество в том, что эффективность светодиода, а также одной или нескольких других частей входного каскада и/или выходного каскада повышается.
Эти и другие аспекты изобретения явствуют из и будут пояснены со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанные ниже.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - первый вариант осуществления устройства.
Фиг.2 - вариант осуществления приспособления.
Фиг.3 - второй вариант осуществления устройства.
Фиг.4 - влияние третьей гармоники.
Описание вариантов осуществления
На фиг.1 показан первый вариант осуществления устройства 1, содержащего входной каскад 10 и выходной каскад 20. Входной каскад 10 содержит параллельную схему приспособления 11 и дополнительное приспособление 12. Одна сторона этой параллельной схемы подключена к первой клемме источника питания 30, например блока питания 50 Гц, и другая сторона этой параллельной схемы подключена к первому входу выпрямительной схемы 21 выходного каскада 20. Второй вход выпрямительной схемы 21 подключен ко второй клемме источника питания 30. Первый выход выпрямительной схемы 21 подключен к аноду светодиода 40, и второй выход выпрямительной схемы 21 подключен к катоду светодиода 40. Выпрямительная схема 21 содержит, например, четыре диода, образующие выпрямительный мост.
На фиг.2 показан вариант осуществления приспособления 11, содержащего резонансный контур в виде последовательной схемы дросселя 51 и конденсатора 52. Не исключаются приспособления, резонансные контуры и схемы, отличные от последовательной схемы, например, по меньшей мере, частично параллельные схемы.
Устройство 1, показанное на фиг.1, возбуждает светодиод 40. Выходной каскад 20 выдает ток на светодиод 40. Этот ток имеет среднее значение и пиковое значение. Пиковое значение, деленное на среднее значение, образует отношение. Входной каскад 10 принимает сигнал от источника питания 30, например переменное напряжение или напряжение переменного тока, например сигнал напряжения частотой 50 Гц. Приспособление 11 уменьшает отношение путем манипулирования сигналом.
Манипулирование содержит, например, добавление частотного компонента к сигналу или, например, адаптацию амплитуды частотного компонента сигнала. Этот частотный компонент сигнала содержит, например, третий, или пятый, или седьмой гармонический частотный компонент основного частотного компонента сигнала. Для переменного напряжения, например сигнала напряжения частотой 50 Гц, основной частотный компонент представляет собой компонент 50 Гц, и третий, или пятый, или седьмой гармонический частотный компонент представляет собой компонент 150 Гц, или 250 Гц, или 350 Гц. Амплитуда третьего, или пятого, или седьмого частотного компонента сигнала, деленная на амплитуду основного частотного компонента сигнала, образует дополнительное отношение. Это дополнительное отношение, например, больше 0% и меньше 100%, предпочтительно составляет от 5% до 50%, более предпочтительно от 10% до 40%.
Если источник питания 30 является источником для подачи сигнала напряжения частотой 50 Гц синусоидальной формы, резонансный контур приспособления 11 подлежит настройке на третий (150 Гц), или пятый (250 Гц), или седьмой (350 Гц) гармонический частотный компонент этого сигнала напряжения частотой 50 Гц. В этом случае дополнительное приспособление 12 может содержать, например, резистор. Дополнительное отношение будет зависеть от размеров компонентов приспособлений 11 и 12.
На фиг.3 показан второй вариант осуществления устройства 1, содержащего входной каскад 10 и выходной каскад 20. Входной каскад 10 содержит параллельную схему приспособления 11 и дополнительное приспособление 12, подключенное к преобразователю 32. Первый вход этого преобразователя 32 подключен к первой клемме источника питания 31, например (автомобильного) аккумулятора, и второй вход этого преобразователя 32 подключен ко второй клемме источника питания 31. Одна сторона параллельной схемы подключена к первому выходу преобразователя 32, и другая сторона параллельной схемы подключена к первому входу трансформаторной схемы 22 выходного каскада 20. Второй вход трансформаторной схемы 22 подключен ко второму выходу преобразователя 32. Первый выход трансформаторной схемы 22 подключен к аноду светодиода 41 и катоду светодиода 42, и второй выход трансформаторной схемы 22 подключен к катоду светодиода 41 и аноду светодиода 42. Трансформаторная схема 22 содержит, например, одну или несколько катушек и/или один или несколько трансформаторов.
Реактивное поведение трансформаторной схемы 22, в частности и схемы любого вида, в целом можно использовать как часть резонансного контура. Например, для реализации части резонансного контура можно использовать паразитную индуктивность трансформатора.
Устройство 1, показанное на фиг.3, возбуждает светодиоды 41 и 42. Выходной каскад 20 выдает ток на светодиоды 41 и 42. Этот ток имеет среднее значение и пиковое значение. Пиковое значение, деленное на среднее значение, образует отношение. Входной каскад 10 принимает сигнал от блока питания 31, 32. Источник питания 31 выдает, например, напряжение постоянного тока, и преобразователь 32 преобразует его, например, в переменный прямоугольный сигнал частотой 100 кГц. Приспособление 11 уменьшает отношение путем манипулирования переменным прямоугольным сигналом.
Манипулирование содержит, например, добавление частотного компонента к сигналу или, например, адаптацию амплитуды частотного компонента сигнала. Этот частотный компонент сигнала содержит, например, третий, или пятый, или седьмой гармонический частотный компонент основного частотного компонента сигнала. Для переменного прямоугольного сигнала, например прямоугольного сигнала частотой 100 кГц, основной частотный компонент представляет собой 100 кГц компонент, и третий, или пятый, или седьмой гармонический частотный компонент представляет собой 300 кГц, или 500 кГц, или 700 кГц компонент. Амплитуда третьего, или пятого, или седьмого частотного компонента сигнала, деленная на амплитуду основного частотного компонента сигнала, образует дополнительное отношение. Это дополнительное отношение, например, больше 0% и меньше 100%, предпочтительно составляет от 5% до 50%, более предпочтительно от 10% до 40%.
Если блок питания 31, 32 является источником для подачи сигнала частотой 100 кГц прямоугольной формы, резонансный контур приспособления 11 подлежит настройке на третий (300 кГц) или пятый (500 кГц) или седьмой (700 кГц) гармонический частотный компонент этого прямоугольного сигнала частотой 100 кГц. В этом случае дополнительное приспособление 12 может содержать, например, другой резонансный контур, аналогичный контуру приспособления 11, но настроенный на основной частотный компонент (100 кГц). Дополнительное отношение будет зависеть от размеров компонентов приспособлений 11 и 12.
Это позволяет уменьшать отношение путем манипулирования сигналом. Уменьшение отношения реализуется, например, путем уменьшения пикового значения при сохранении среднего значения, по существу, постоянным. В результате светодиод возбуждается с повышенной эффективностью. Кроме того, эффективность одной или нескольких других частей входного каскада и/или выходного каскада также повышается, тогда как ни сглаживающие/накопительные конденсаторы постоянного тока, ни сглаживающие/накопительные дроссели постоянного тока не используются.
Согласно фиг.1 можно использовать соединительную схему вместо выпрямительной схемы 21, например, когда светодиоды установлены в антипараллельной конфигурации, как показано на фиг.3. Согласно фиг.1 можно использовать трансформаторную схему помимо выпрямительной схемы 21. Согласно фиг.3 можно использовать соединительную схему вместо трансформаторной схемы 22. Согласно фиг.3 может понадобиться добавить выпрямительную схему, например, при наличии только одного светодиода или при наличии цепочки последовательно и/или параллельно соединенных светодиодов в однонаправленном соединении и т.д.
Если дополнительный трансформатор не используется в устройстве 1, трансформатор может присутствовать между источником питания 30 или 31 и входным каскадом 10. Если трансформатор уже используется в другом месте в устройстве 1, дополнительный трансформатор может присутствовать между источником питания 30 или 31 и входным каскадом 10. Входной каскад 10 является первым каскадом, который, в минимальной комплектации, содержит приспособление 11 для манипулирования сигналом от блока питания для уменьшения отношения пикового значения к среднему значению тока, подаваемого на светодиод, и выходной каскад 20 является вторым каскадом, который, в минимальной комплектации, содержит провода для подачи тока на светодиод. Не исключены дополнительные каскады, например промежуточный каскад.
На фиг.4 показано влияние третьей гармоники на (I) эффективность (лм/Вт) системы, (II) эффективность (лм/Вт) светодиода, (III) суммарный поток (лм), генерируемый светодиодом или светодиодами и (IV) эффективность возбудителя, которые зависят от процентного отношения (= дополнительного отношения), образованного амплитудой компонента 150 Гц, деленной на амплитуду основного частотного компонента 50 Гц тока, выдаваемого выходным каскадом, для конкретного типа светодиода. Для этого конкретного типа светодиода отчетливо наблюдается оптимальное значение около 20%.
Также для этого конкретного типа светодиода отношение, заданное пиковым значением тока, выдаваемого выходным каскадом, деленным на среднее значение этого тока, можно легко уменьшить примерно на 13%, и отношение, заданное среднеквадратическим значением тока, выдаваемого выходным каскадом, деленным на среднее значение этого тока, можно легко уменьшить примерно на 5%. То же самое справедливо для тока, текущего через каждый светодиод, и для тока, выдаваемого блоком питания. Это представляет особый интерес в связи со схемой, показанной на фиг.3. Здесь используется преобразователь, действующий как резонансный преобразователь. В результате, например, выходной ток преобразователя оказывается, по существу, равным нулю, когда переключатели в преобразователе подлежат переключению. Это уменьшает потери при переключении. Эта разгрузка переключателей присутствует и в предложенной схеме. Преобразователь также способен работать в экономичном резонансном режиме, и, кроме того, пиковое значение выходного тока преобразователя уменьшается, что приводит к дополнительному повышению эффективности преобразователя.
В итоге входной каскад 10 устройства 1 для возбуждения светодиода 40-42 принимает сигнал от блока питания 30-32, и выходной каскад 20 выдает ток на светодиод 40-42. Пиковое значение, деленное на среднее значение тока, образует отношение. Эффективность возбуждения повышается благодаря снабжению входного каскада 10 приспособлением 11 для уменьшения этого отношения путем манипулирования сигналом, без необходимости использовать какие-либо сглаживающие конденсаторы/дроссели. Манипулирование может содержать добавление частотного компонента к сигналу или адаптацию амплитуды частотного компонента сигнала. Этот частотный компонент может представлять собой третий, и/или пятый, и/или седьмой гармонический частотный компонент основного частотного компонента сигнала. Приспособление 11 может содержать резонансный контур, который может подлежать настройке на частотный компонент сигнала.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании, эти чертежи и описание следует рассматривать в порядке иллюстрации или примеров, но не ограничения; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Например, изобретение допускает вариант осуществления, в котором разные части разных раскрытых вариантов осуществления объединяются в новый вариант осуществления.
Специалисты в данной области техники, применяющие на практике заявленное изобретение, могут понять и реализовать другие вариации раскрытых вариантов осуществления, изучив чертежи, раскрытие и формулу изобретения. В формуле изобретения использование глагола "содержать" и его производных не исключает наличия других элементов или этапов, и употребление их в единственном числе не исключает наличия их совокупности. Единичный процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких элементов, упомянутых в формуле изобретения. Лишь тот факт, что некоторые меры упомянуты во взаимно различных зависимых пунктах, не говорит о том, что нельзя преимущественно использовать комбинацию этих мер. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, например оптическом носителе или полупроводниковом носителе, поставляемом совместно с другим оборудованием или в его составе, но также может распространяться в других формах, например через интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Никакие условные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать в порядке ограничения ее объема.