ДРАЙВЕР СВЕТОДИОДА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к устройствам электропитания для светодиодов (LED), в частности, к драйверам светодиодов для применений в области освещения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обычно светодиоды работают при низких напряжениях постоянного тока. Это значит, что при подаче питания на светодиоды от сети переменного тока высокое сетевое напряжение переменного тока должно быть преобразовано в значительно более низкое напряжение постоянного тока.
Известно большое количество схем драйверов светодиодов, обеспечивающих такое преобразование.
Типичным подходом к реализации драйвера светодиода является соединение основной схемы выпрямления и однокаскадного понижающего преобразователя, служащего для преобразования выпрямленного напряжения в напряжение постоянного тока с уровнем, подходящим для подачи на один или более светодиодов, для подачи на них управляющего тока. При таком варианте выполнения драйвера может быть достигнут высокий коэффициент мощности. Такие устройства также являются простыми и экономичными для выполнения на базе существующих серийных компонентов и элементов.
Главным недостатком указанных известных драйверов светодиодов является высокий коэффициент пульсации выходного тока, что вызывает сильную пульсацию испускаемого светового потока. Пульсация светового потока невидима, поскольку частота пульсации (100 Гц) превышает критическую частоту, при которой происходит слияние световых мельканий (слияние мерцаний), так что человеческий глаз не видит пульсации, а воспринимает непрерывный свет. Однако эта пульсация отрицательно влияет на биоэнергетическую активность головного мозга, вызывая тем самым повышенную утомляемость. Негативное влияние пульсации света выражается в напряжении глаз, усталости, трудности с концентрацией внимания при выполнении сложной работы, головной боли. Особенно опасно освещение пульсирующим светом при наличии в поле зрения движущихся или вращающихся объектов из-за стробоскопического эффекта. Исследования показывают, что риск возникновения стробоскопического эффекта существует даже при пульсации 10%, т.е. когда коэффициент пульсации испущенной_световой энергии равен 10%.
ЦЕЛЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Целью настоящей полезной модели является улучшение ранее существующих драйверов светодиодов таким образом, чтобы уменьшить пульсации выходного тока драйвера и, соответственно, уменьшить пульсации светового потока испущенного света без ухудшения высокого коэффициента мощности.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Согласно настоящей полезной модели, драйвер светодиода для подачи управляющего тока на один или более светодиодов содержит секцию выпрямления для приема напряжения переменного тока и преобразования его в выпрямленное напряжение и секцию однокаскадного понижающего преобразователя для преобразования выпрямленного напряжения в напряжение постоянного тока с уровнем, подходящим для соединения с одним или большим числом светодиодов для подачи на них управляющего тока.
Секция выпрямления может быть выполнена на основе, например, хорошо известного выпрямительного диодного моста. Соответственно, однокаскадный понижающий преобразователь может быть выполнен на основе любой из известных схем и любых известных компонентов понижающего преобразователя.
Согласно основной идее настоящей полезной модели, драйвер светодиода также содержит секцию импульсного стабилизатора тока, связанную с выходом секции однокаскадного понижающего преобразователя для исключения пульсации подаваемого на светодиод управляющего тока. Другими словами, главный принцип данной полезной модели заключается в объединении секции понижающего преобразователя, предназначенной для преобразования первоначально выпрямленного напряжения в напряжение постоянного тока более низкого уровня, и секции импульсного стабилизатора тока, предназначенной для уменьшения пульсации выходного тока секции понижающего преобразователя. Объединение указанных двух секций в одном устройстве драйвера светодиода дает возможность получить - при очень высоком коэффициенте мощности - управляющий ток с очень низкой пульсацией. Кроме того, когда стабилизация тока выполняется с помощью импульсного стабилизатора тока, не требуется обратная связь по току, которая присутствует в ранее известных системах.
Импульсный стабилизатор тока как таковой может быть выполнен в соответствии с известными схемами и на базе известных компонентов. Ключевым признаком данной полезной модели является объединение указанных двух секций в едином устройстве драйвера светодиода.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящая полезная модель описывается более подробно с помощью сопровождающих чертежей, где
фиг.1 изображает известную схему драйвера светодиода, включающую секцию однокаскадного понижающего преобразователя;
фиг.2 изображает известную схему импульсного стабилизатора тока;
фиг.3 представляет схему драйвера светодиода в соответствии с настоящей полезной моделью и
фиг.4-6 иллюстрируют преимущества, достигаемые посредством настоящей полезной модели.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
TM
Схема на фиг.1 является устройством драйвера светодиода, предложенным американской компанией Power Integrations. Наряду с секцией выпрямления, которая выполнен на основе выпрямительного диодного моста, драйвер содержит однокаскадный понижающий преобразователь, включающий в качестве основного элемента интегральную микросхему LinkSwitch (товарный знак компании Power Integrations), код товара LNK405EG, в состав которой входят силовой MOSFET-транзистор (канальный полевой униполярный МОП-транзистор) и контроллер.
Схема, показанная на фиг.2, была предложена компанией Zetex Semiconductors, производителем полупроводниковых приборов из Великобритании, для управления одним светодиодом или множеством соединенных последовательно светодиодов от источника напряжения постоянного тока, которое выше, чем напряжение светодиода. Базовым элементом схемы является интегральная микросхема понижающего преобразователя, разработанная Zetex Semiconductors, которая продается под торговым названием ZXLD1356.
Фиг.3 изображает драйвер светодиода в соответствии с настоящей полезной моделью. Драйвер светодиода по существу основан на объединении схем, показанных на фиг.1 и 2. Другими словами, секция импульсного стабилизатора тока А4, подобная схеме на фиг.2, соединена с выходом секции однокаскадного понижающего преобразователя А2, которая соответствует схеме на фиг.1. В схеме на фиг.3, естественно, имеются некоторые дальнейшие модификации схем, представленных на фиг.1 и 2. Например, исключена выходная обратная связь по току, а секция импульсного стабилизатора тока А4 соединена с секцией понижающего преобразователя А2 через секцию фильтра A3, предназначенную для фильтрации выходного напряжения секции понижающего преобразователя А2. Драйвер светодиода на фиг.3 также содержит, как и устройство на фиг.1, выпрямительный диодный мост VD1 и секцию входного фильтра А1 для фильтрации нежелательных электромагнитных помех. Защитное устройство FU1 установлено на входе драйвера светодиода для защиты электрических схем от короткого замыкания и перенапряжения. Входное напряжение переменного тока подается на входные контакты Х11 и Х21, в то время как один или большее число светодиодов, управляемых с помощью драйвера, подключаются последовательно к выводам Х31 и Х41.
Суммируя вышесказанное, драйвер светодиода на фиг.3 содержит следующие элементы и компоненты:
FU1 - устройство для защиты от короткого замыкания и перенапряжения
VD1 - выпрямительный диодный мост
А1 - фильтр электромагнитных помех (EMI)
- C1, C2, L1, L2, R1 и R2
A2 - понижающий преобразователь
- U1 - однокаскадный понижающий преобразовательный элемент со встроенным корректором коэффициента мощности
- D1, C3, R3, R4, R5 - схема питания преобразователя U1
- C4, C5, R7 - схема обратной связи
- L3, L4
A3 - выходной фильтр понижающего преобразователя
- C6, C7
A4 - импульсный стабилизатор тока
- U2, R8, D4, L5.
out
out
in
Типы компонентов и их параметры, такие, например, как значения сопротивления и емкости, могут быть выбраны в соответствии с действительными потребностями рассматриваемого применения, например, в зависимости от входного напряжения переменного тока, исходя из основ конструирования, хорошо известных специалистам в области электроники. Например, для входного напряжения переменного тока в диапазоне 90-265 B значения параметров, указанные на фиг.1, могут быть использованы в качестве отправной точки для дальнейшей оптимизации. Возможный набор компонентов и их параметры для выполнения драйвера светодиода, изображенного на фиг.3, приводится в таблице 1. Эти значения параметров обеспечивают значение выходного напряжения U в диапазоне 18-21 B (и значение выходного тока l 0,465 мА) для значения входного напряжения U в диапазоне 110-240 B при частоте 50-60 Гц.
Таблица 1, Набор параметров драйвера светодиода, изображенного на фиг.3
КОНДЕНСАТОРЫ
C1=С2=0,68 мкФ
C3=0,25 мкФ
C4=C5=10 мкФ
C6=100 мкФ
C7=1 мкФ
КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
L1=L2=2200 мкГн
L3=L4=L5=680 мкГн
РЕЗИСТОРЫ
R1=R2=10 кОм
R6=360 кОм
R6=24 кОм
R8=0,43 кОм
ДИОДЫ
D1=0,5 A, 600 B
D2=1 A, 60 B
D3=1 A, 600 B
D4=1 A, 60 B
Существенными преимуществами устройства драйвера светодиода, показанного на фиг.3, являются высокий коэффициент мощности, т.е. отношение мощности, потребляемой одним или большим числом светодиодов, к суммарной мощности, подаваемой на всю схему, и значительно уменьшенная пульсация выходного тока. Последний эффект иллюстрируется на фиг.4-6. Диаграмма на фиг.4 показывает пульсацию напряжения после диодного моста VD1, когда напряжение сети переменного тока 220 B подается на драйвер светодиода, изображенный на фиг.3. Полный размах колебаний напряжения составляет свыше 250 B. При измерении после понижающего преобразователя, как показано на фиг.5, соответствующий полный размах колебаний составляет около 5 B. Наконец, при измерении на выходе драйвера светодиода, напряжение и ток стабилизированы на уровнях соответственно 18 B и 0,5 A без заметных пульсаций с частотой 100 Гц или совсем без пульсаций.
Следует заменить, что основной принцип полезной модели не ограничивается конкретными примерами, представленными выше, а может свободно изменяться в рамках формулы полезной модели.