СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области осветительных приборов.
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 светильников. Их объединяет не только назначение – освещение бытовых и промышленных помещений, но и большое количество светодиодов, используемых для создания светового потока.
В отличие от малогабаритных карманных фонариков, в которых как правило достаточно одного или нескольких светодиодов, светильник могут содержать до 60 светодиодов, включенных последовательно, что необходимо как для повышения общего напряжения питания, так и для выравнивания их токов. При наличии нескольких параллельных цепочек из светодиодов, для их равномерного питания необходимо устанавливать либо балластные резисторы, что ведет к потерям энергии, либо использовать многоканальный блок питания – что усложняет его конструкцию и повышает его стоимость. В большинстве случаев в бытовых приборах стараются минимизировать цену светодиодных светильников, что означает их упрощение.
На фигуре 1 показана схема простейшего светодиодного светильника, который состоит их подключаемого к питающей сети переменного тока блока питания, и блока излучающих светодиодов. В качестве блока питания применяется простейший диодный выпрямитель с конденсатором на входе, что позволяет снизить стоимость и его габариты. Входной конденсатор в таких решениях выступает балластным реактивным сопротивлением, а конденсатор на входе сглаживает пульсации.
Однако, возможны различные, в том числе и импульсные блоки для питания светодиодов, что не является предметом рассмотрения и не входит в объем отличительной части формулы предлагаемого решения. Из уровня техники и прототипов известны различные типы блоков питания – все они могут быть использованы в предлагаемом решении.
Относительно возможности резервирования светодиодов, необходимо отметить следующее. Использование динисторов (пороговых тиристоров) для шунтирования каждого из светодиодов в последовательной цепи ведет к большому количеству упомянутых динисторов, что в крупных светильниках может составлять от 30 до 60 штук. Это ведет не только росту цены, падению надежности – но и увеличению габаритов. Использование динисторов для шунтирования сразу целой цепочки светодиодов ведет к увеличению тока в цепи и перегрузке оставшихся в работе светодиодов. Поэтому предлагаемое решение не может быть заменено шунтированием динисторами двух половин последовательной цепи из светодиодов.
На фигуре 2 показана упрощенная электрическая принципиальная схема предлагаемого решения, из которой становится понятно устройство и принцип действия. На схеме показан обобщенно источник питания, который является внешним (питающая сеть) и не входит в состав светильника, блок питания в целях простоты показан с диодным мостом и конденсатором на входе, включенным последовательно – однако могут быть использованы и любые другие блоки питания. Блок светодиодов содержит большое их число при последовательном включении, что обеспечивает суммирование падения напряжений на светодиодах и протекание через них единого тока. Все эти узлы входят в общую часть формулы предлагаемого решения. Отличие в наличии блока резервирования, подключаемого параллельно к светодиодам блока светодиодов. Пара конденсаторов, показанная в его составе, шунтирует две половины светодиодной цепи, и обеспечивает сглаживание пульсаций при работе блока резервирования. Параллельно конденсаторам включены полупроводниковые ключи, обеспечивающие шунтирование.
При отказе светодиодной цепочки, что чаще всего и заключается в обрыве цепи, срабатывает блок резервирования и начинает шунтировать ту из двух половин цепи последовательно включенных светодиодов, где обрыв. Таким образом, обеспечивается восстановление питания половины из всех светодиодов, и работа предлагаемого решения с половиной мощности. Так как простое шунтирование половины светодиодов в цепи привело бы к росту тока через оставшиеся, используется импульсное модулирование ключей для уменьшения действующего значения тока, сглаживаемого конденсаторами блока резервирования. При открытии полупроводникового ключа он заряжается, ограничивая броски напряжения и отбирая мощность на себя, а при закрытии полупроводникового ключа он отдает накопленную энергию на питание светодиодов, которые он шунтирует. При соотношении периодов работы и закрытого состояния достигается номинальный режим работы для оставшихся в исправными светодиодов.
На фигуре 3 показана полная принципиальная схема предлагаемого решения. В блоке резервирования, параллельно шунтирующим блок со светодиодами конденсаторам, включены полевые транзисторы, каждый из конденсаторов шунтируется своим полевым транзистором. В цепь стока каждого полевого транзистора включен динистор (пороговый тиристор) для которого существует пороговое напряжение открытия, после чего он встает на самоудержание (запоминание состояния). При обрыве светодиода в цепи блока светодиодов, падение напряжения на его половине цепи возрастает до номинального напряжения питания всей цепи, а протекание тока отсутствует. Происходит превышение порогового напряжения для динистора, и отпирание со вставанием на удержание через резистор, который шунтирует сток и исток полевого транзистора. Это необходимо для устойчивого открытия динистора и его удержания, причем минимальный ток удержания как правило в 50 или более раз меньше номинального тока динистора, что обеспечивает малую мощность, отдаваемую в светодиоды через упомянутый резистор. Работа этой цепи удержания будет слабо влиять на засветку светодиодов.
Далее, как это видно из схемы на фигуре 3, полевой транзистора будет отпираться со скважностью 1 к 1, что определяется полуволнами сетевого напряжения, подаваемыми от питающей сети (входа блока питания) на вход оптопары, состоящей из фототранзистора и входного светодиода. Открытие фототранзистора будет приводить к поступлению напряжения от отвода шунтируемого конденсатора (через балластный токоограничивающий резистор) на затвор полевого транзистора. Цепочка из параллельно включенных стабилитрона и резистора в цепи затвор-исток обеспечивает ограничение бросков напряжения, что исключает пробой затвора. Резистор играет роль шунтирующего сопротивления, что облегчает закрытие полевого транзистора при снятии импульса управления (разряд емкости) и защиту от тока утечки фототранзистора, ограничивая напряжение на затворе.
Скважность импульсов обеспечивает снижение мощности в цепочке из последовательно включенных светодиодов наполовину, исключая перегрев и выход из строя оставшихся светодиодов. Роль конденсаторов в этом процессе сводится как к накоплению энергии и снижению мерцания светодиодов, так и ограничению бросков тока через их зарядный ток. Цепь диода и резистора на входе оптопары отсекает обратную полярность полуволн и ограничивает ток через излучающий диод оптопары. Входы оптопар через эти цепочки подключены к питающей сети в разной между собой полярности, исключая одновременное включение полевых транзисторов и сквозной ток.
Наиболее эффективно и целесообразно применять предлагаемое решение в крупных светильниках с очень большим количеством светодиодов в цепи, что может достигать до 60 и более. Это обеспечивает малый вклад элементов блока резервирования в общую стоимость изделия. Использование более глубокого резервирования (деление на 3 и более части) по мнению автора будет нецелесообразно из-за роста количества деталей. Однако при двукратном предлагаемом резервировании, будет обеспечена половина от полной яркости светильника, что позволит ему выполнять свою функцию.
Все используемые в предлагаемом решении элементы выпускаются и доступны к закупке с широкой номенклатурой номиналов, что говорит об его реализуемости. Принцип предлагаемого решения во всей полноте не был известен ранее, являясь осуществимым.
Заявленное решение является простым и промышленно применимым, представляя собой светодиодный светильник.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:
содержит также блок резервирования;
блок светодиодов содержит цепь последовательно включенных светодиодов, с дополнительным отводом от середины цепи из светодиодов;
блок резервирования содержит два включенных последовательно конденсатора с отводом от их средней точки, подключенным к отводу от средней точки цепи светодиодов блока светодиодов;
внешние отводы конденсаторов подключены к анодной и катодной группам цепи светодиодов блока светодиодов, причем конденсаторы блока резервирования шунтируются полевыми транзисторами, в цепь стока каждого из полевых транзисторов включен динистор, от стока полевых транзисторов к их истоку установлены шунтирующие резисторы для создания тока удержания динисторов, затвор и исток полевых транзисторов шунтируются стабилитроном и резистором, включенными параллельно друг другу, затвор полевых транзисторов подключен к эмиттеру фототранзистора, коллектор каждого фототранзистора через резистор подключен к отводу конденсатора;
фототранзисторы с излучающими диодами образуют оптопары, входы которых через резистор и диод подключаются к входу блока питания, причем полярность подключения оптопар к питающему напряжению взаимно обратная.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату – повышению надежности работы светодиодного светильника.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 изображена принципиальная схема простейшего светодиодного светильника: 1 – питающее напряжение, 2 – блок питания, 3 – блок светодиодов. На фигуре 2 изображена упрощенная принципиальная схема предлагаемого решения. Здесь 1 – питающее напряжение, 2 – блок питания, 3 – блок светодиодов, 4 – блок резервирования. На фигуре 3 изображена принципиальная схема предлагаемого решения. Здесь 1 – питающее напряжение, 2 – блок питания, 3 – блок светодиодов, 4 – блок резервирования.