ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ СВЕТОДИОДНОЙ МАТРИЦЫ

Полезная модель относится к светотехнике, приборостроению, преобразовательной технике и может быть использована при проектировании энергоэффективных источников питания для светодиодных матриц, а также для люминесцентных и других типов энергосберегающих газоразрядных ламп, различных высокочастотных, в том числе, электротехнологических нагрузок. Полезная модель направлена на повышение коэффициента полезного действия источника питания для светодиодной матрицы.
Известен источник питания для светодиодной матрицы, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах, входные выводы которого подключены к входным выводам источника через резистор, а выходные выводы зашунтированы индуктивно-емкостным фильтром, состоящим из конденсатора фильтра, дросселя фильтра, второго конденсатора фильтра и второго дросселя фильтра, однофазный однотактный инвертор на транзисторе с встречно-паралельным диодом и последовательным коммутирующим дросселем, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, а выходные выводы соединены с выходными выводами источника через трансформатор и однополупериодный выпрямитель и зашунтированы конденсатором и резистором (Product Selector Guide. LED Driver Products \ Power Integrations. 2010).
Недостатком источника питания для светодиодной матрицы является низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено устройством входного однофазного выпрямителя и цепей (звена) постоянного тока устройства, наличием дополнительного звена преобразования энергии в виде выходного выпрямителя, большими потерями в элементах при однотактном инвертировании и выпрямлении, а также в коммутирующем дросселе из-за работы его на частной петле перемагничивания сердечника. Гармонический состав тока, потребляемого источником питания для светодиодной матрицы от сети, не соответствует установленным нормам. Устройство имеет низкий коэффициент мощности, что не позволяет обеспечить работу с высоким коэффициентом полезного действия.
Известен источник питания для светодиодной матрицы, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах, входные выводы которого подключены к входным выводам источника через резистор, а выходные выводы зашунтированы индуктивно-емкостным фильтром, состоящим из конденсатора фильтра, дросселя фильтра и второго конденсатора фильтра, однофазный однотактный инвертор на транзисторе с последовательным коммутирующим дросселем, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, а выходные выводы соединены с выходными выводами источника конденсатором и резистором, встречный диод, шунтирующий последовательную цепь, состоящую из выходных выводов и коммутирующего дросселя (Фимиани С. Замена традиционной лампы накаливания \\ Современная светотехника, 2009. - №1. с.30, 31)
Недостатком источника питания для светодиодной матрицы является низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено устройством входного однофазного выпрямителя и цепей (звена) постоянного тока устройства, большими потерями в элементах при однотактном инвертировании, а также в коммутирующем дросселе из-за работы его на частной петле перемагничивания сердечника. Гармонический состав тока, потребляемого источником питания для светодиодной матрицы от сети, не соответствует установленным нормам. Устройство имеет низкий коэффициент мощности, что не позволяет обеспечить работу с высоким коэффициентом полезного действия.
Известен источник питания для светодиодной матрицы, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах, входные выводы которого подключены к входным выводам источника через резистор, а выходные выводы зашунтированы индуктивно-емкостным фильтром, состоящим из конденсатора фильтра, дросселя фильтра и второго конденсатора фильтра, однофазный однотактный инвертор на транзисторе с последовательным коммутирующим дросселем, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, а выходные выводы соединены с выходными выводами источника через трансформатор и однополупериодный выпрямитель и зашунтированы конденсатором, первичная обмотка трансформатора зашунтирована последовательной цепью из встречного диода и стабилитрона (Полупроводниковая светотехника от компонента до решения (каталог) \\ Светотроника, 2010, с.31).
Указанный источник питания для светодиодной матрицы является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком источника питания для светодиодной матрицы является низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено устройством входного однофазного выпрямителя и цепей (звена) постоянного тока устройства, наличием дополнительного эвена преобразования энергии в виде выходного выпрямителя, большими потерями в элементах при однотактном инвертировании и выпрямлении, а также в коммутирующем дросселе из-за работы его на частной петле перемагничивания сердечника. Гармонический состав тока, потребляемого источником питания для светодиодной матрицы от сети, не соответствует установленным нормам. Устройство имеет низкий коэффициент мощности, что не позволяет обеспечить работу с высоким коэффициентом полезного действия.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения коэффициента полезного действия источника питания для светодиодной матрицы, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в источнике питания для светодиодной матрицы, включающей, как минимум, два светодиода, соединенных встречно-параллельно, содержащем однофазный мостовой выпрямитель на диодах, входные выводы которого подключены к входным выводам источника и зашунтированы первой последовательной цепью, состоящей из первого и второго конденсаторов, а выходные выводы зашунтированы второй последовательной цепью, состоящей из конденсатора фильтра, диода и второго конденсатора фильтра, общие точки соединения конденсаторов фильтра и диода второй последовательной цепи соединены с выходными выводами выпрямителя через второй и третий диоды, соответственно, третий конденсатор, соединяющий общую точку соединения первого и второго конденсаторов первой последовательной цепи, с выходным выводом выпрямителя, однофазный полумостовой инвертор на транзисторах с встречно-параллельными диодами, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, а выходные выводы, образуемые общими точками соединения первого и второго конденсаторов первой последовательной цепи и транзисторов инвертора, соответственно, соединены с выходными выводами источника, зашунтированными коммутирующим конденсатором, через коммутирующий дроссель.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение коэффициента полезного действия, что обеспечивается комплексным снижением электрических потерь в элементах схемы, в том числе, в коммутирующем дросселе при работе его на симметричной (полной) петле перемагничивания сердечника, потерь в светодиодах матрицы, уменьшением числа ступеней преобразования электрической энергии в устройстве, низким коэффициентом гармоник потребляемого от сети тока и высоким коэффициентом мощности.
Повышение коэффициента полезного действия, является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме источника питания для светодиодной матрицы, порядком их включения и новыми связями, новой электрической схемой, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого источника питания для светодиодной матрицы являются существенными.
На фигуре приведена схема источника питания для светодиодной матрицы.
Источник питания для светодиодной матрицы, включающей, как минимум, два светодиода 1, 2, соединенных встречно-параллельно, содержит однофазный мостовой выпрямитель на диодах 3-6, входные выводы которого подключены к входным выводам источника и зашунтированы первой последовательной цепью, состоящей из первого 7 и второго 8 конденсаторов, а выходные выводы зашунтированы второй последовательной цепью, состоящей из конденсатора фильтра 9, диода 10 и второго конденсатора фильтра 11, общие точки соединения конденсаторов фильтра и диода второй последовательной цепи соединены с выходными выводами выпрямителя через второй 12 и третий 13 диоды, соответственно, третий конденсатор 14, соединяющий общую точку соединения первого и второго конденсаторов первой последовательной цепи, с выходным выводом выпрямителя, однофазный полумостовой инвертор на транзисторах 15, 16 с встречно-параллельными диодами 17, 18, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, а выходные выводы, образуемые общими точками соединения первого и второго конденсаторов первой последовательной цепи и транзисторов инвертора, соответственно, соединены с выходными выводами источника, зашунтированными коммутирующим конденсатором 19, через коммутирующий дроссель 20.
Источник питания для светодиодной матрицы в установившемся режиме работает следующим образом. Однофазный мостовой выпрямитель на диодах 3-6 преобразует переменное напряжение питающей сети в выпрямленное (знакопостоянное) напряжение. Конденсаторы фильтра 9, 11 второй последовательной цепи совместно с конденсаторами 7, 8 первой последовательной цепи обеспечивают качественную и надежную фильтрацию выходного напряжения выпрямителя. Заряд конденсаторов фильтра 9, 11 осуществляется от источника питания (выпрямителя 3-6) и через третий конденсатор 14. В результате выходное напряжение на входных выводах инвертора более стабильное, а импульсы тока сети имеют меньшую амплитуду и большую длительность, что улучшает коэффициент формы питающего тока и снижение уровня его высших гармоник. Полумостовой инвертор выполнен на транзисторах 15, 16 и встречно-параллельных диодах 17, 18. Транзисторы 15, 16 однофазного полумостового инвертора включаются и проводят ток поочередно. Инвертор работает, в частном случае, в автогенераторном режиме, что достигается применением последовательной резонансной схемы включения нагрузки (1, 2) через коммутирующий дроссель 20 и коммутирующий конденсатор 19 между выходными выводами инвертора, образуемыми общими точками соединения конденсаторов 7, 8 первой последовательной цепи и транзисторов 15, 16 соответственно. Периодическое переключение транзисторов 15, 16 происходит с частотой, определяемой величинами емкости коммутирующего конденсатора 19 и индуктивности коммутирующего дросселя 20. Ток в нагрузочной цепи (1, 2, 19, 20) имеет квазисинусоидальную форму. Встречно-параллельные диоды 17, 18 ограничивают величины обратных напряжений на транзисторах 15, 16 инвертора на уровне падения напряжения на открытых диодах. Из рассмотрения характера электромагнитных процессов в схеме устройства следует, что пульсация входного напряжения инвертора за счет действия конденсаторов фильтра 9, 11 второй последовательной цепи снижается, следовательно, снижается пульсация светового потока светодиодной матрицы. Конденсаторы фильтра 9, 11 заряжаются через диод 10 в последовательной цепи и разряжаются параллельно через диоды 12, 13, соответственно. Выходное напряжение выпрямителя в новом источнике питания для светодиодной матрицы (1, 2) имеет более высокий уровень (амплитуда около 310 В, среднее значение 230 В, при действующем значении напряжения сети 220 В), что позволяет использовать схемы последовательного соединения светодиодных матриц, например, в мультиламповых светильниках. Амплитуда импульсов тока сети в новом источнике при равной выходной мощности значительно ниже, чем в известных устройствах, за счет снижения уровня высших гармонических составляющих в спектре. Ток сети при работе нового источника имеет лучший коэффициент формы, более низкий коэффициент гармоник и гораздо и более низкую амплитуду при сравнимых значениях коэффициентов мощности (не менее 0,96). Элементы второй последовательной цепи 9-11 и диоды 12, 13 образуют качественный «пассивный» корректор коэффициента мощности. Снижение коэффициента гармоник сетевого тока источника питания для светодиодной матрицы обеспечивается совместной работой конденсаторов 7, 8, 14 и корректора коэффициента мощности устройства на элементах 8-13. Корректор коэффициента мощности (8-13) восстанавливает напряжение на выходе однофазного выпрямителя (3-6) в интервалах снижения его уровня, обусловленных принципом работы однофазного двухполупериодного выпрямителя.
Выходное напряжение инвертора в заявляемом пускорегулирующем аппарате для люминесцентной лампы 1, как уже отмечено, имеет более высокий уровень, что обеспечивает существенные его преимущества по сравнению с известными устройствами, в том числе, более высокий коэффициент мощности.
Схема источника питания для светодиодной матрицы имеет две ступени преобразования электрической энергии. Питание светодиодов 1, 2 матрицы импульсами тока квазисинусоидальной формы на повышенной частоте обеспечивает снижение потерь и повышение надежности их работы при более высоком уровне средней преобразуемой мощности. Встречно-параллельное соединение светодиодов позволяет ограничить уровень обратного напряжения на них и работать со скважностью, равной двум, что благоприятно для работы светодиодов. Ток в выходной цепи (1, 2, 19, 20) является симметричным. В результате, коммутирующий дроссель 20 функционирует на полной петле перемагничивания с низкими потерями.
Транзисторы 15, 16 инвертора могут выполняться на основе структур с встроенными встречно-параллельными диодами или модульных конструкций с предустановленными встречно-параллельными диодами. В этом случае отпадает необходимость в установке отдельных (дискретных) встречно-параллельных диодов 17, 18. Встречно-параллельные диоды 17, 18 должны быть быстродействующими. Конденсаторы фильтра 9, 11 является электролитическим либо пленочным с величиной емкости около 0,15 мкФ/Вт. Диоды 3-6 являются обычными низкочастотными выпрямительными диодами.
По сравнению с прототипом существенно повышается коэффициент полезного действия источника питания светодиодной матрицы (на 7-8%), улучшается гармонический состав тока, потребляемого от питающей сети. Коэффициент полезного действия нового устройства повышается за счет уменьшения потерь энергии в элементах, в том числе, по причине значительного улучшения гармонического состава потребляемого тока, уменьшения амплитуд импульсов входного тока устройства и его коэффициента формы.
Положительные качества заявляемого источника питания для светодиодной матрицы обусловлены использованием эффективного однофазного мостового выпрямителя с качественной фильтрацией выходного напряжения и эффективной коррекцией коэффициента мощности, наличием двух ступеней двухтактного преобразования электрической энергии (выпрямление и инвертирование), работой светодиодов с низкими потерями за счет встречно-параллельного включения на повышенной частоте и коммутирующего дросселя на полной (симметричной) петле перемагничивания. Коэффициент мощности нового устройства превышает 0,96 при сравнительно низком уровне коэффициента гармоник (28-30%) потребляемого тока.
Дополнительно, несколько увеличивается уровень выходного напряжения нового источника питания для светодиодной матрицы, что позволяет уменьшить величины токов через активные элементы устройства, снижает потери и расширяет возможности по улучшению конструкций мультиламповых светодиодных светильников, в том числе, при последовательном соединении матриц.
Новое устройство обеспечивает снижение пульсаций светового потока матрицы на 3-5%.
Дополнительно, по сравнению с прототипом, повышается надежность работы источника питания для светодиодной матрицы и самой светодиодной матрицы. Повышение надежности оценивается по времени наработки на отказ. В соответствии с результатами экспериментальных исследований время наработки на отказ заявляемого источника в комплекте со светодиодной матрицей может быть увеличено на 50-60% за счет улучшения режимов функционирования элементов.
Может быть существенно упрощена конструкция и снижена цена источника питания для светодиодной матрицы за счет оптимизации схемы и обеспечения возможности использования транзисторов и диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.
По сравнению с прототипом могут быть снижены и весогабаритные показатели заявляемого источника питания для светодиодной матрицы за счет оптимизации схемы и конструкции, что также расширяет, в том числе, область применения устройства.