СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ НАГРУЗОК
POWER SUPPLY SYSTEM FOR ELECTRONIC LOADS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к системе электропитания и способу снабжения нагрузки электроэнергией от разных сетевых источников переменного тока. Кроме того, оно относится к светильнику, содержащему такую систему электропитания.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Большинство электрических или электронных устройств работают от электроэнергии, получаемой из общественной электрической сети (в дальнейшем кратко называемой "сетью" или "электросетью"). Поскольку сети разных стран предоставляют разные напряжения переменного тока, например около 115 В в США и около 230 В в Европе, необходимо предпринять меры предосторожности, которые обеспечивают адаптацию устройства к таким разным источникам напряжения. Из EP-0531995 A2 известна, например, схема, в которой пользователь должен замыкать или размыкать переключатель в зависимости от сети, к которой нужно подключить связанное с ним устройство. Это неудобно и предрасположено к ошибочному действию.
US 2002/141211 A1 раскрывает систему электропитания со схемой преобразования, имеющей три входных зажима. Первый тип соединителя ("Flat Blade (бытовой)") может использоваться для соединения всех трех зажимов в определенной конфигурации к линиям электросети на 100 В, и в этом случае входной каскад схемы преобразования работает в качестве удвоителя напряжения. Второй тип соединителя ("World Trade Connector") может использоваться для соединения только двух зажимов с линиями электросети на 200 В, и в этом случае входной каскад схемы преобразования не работает в качестве удвоителя напряжения. В обоих случаях входной каскад схемы преобразования предоставляет приблизительно одинаковое напряжение постоянного тока последующим схемам.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
На основе этого уровня техники задачей настоящего изобретения является предоставление альтернативного средства для адаптации электрической или электронной нагрузки к напряжениям, предоставляемым разными сетями. Предпочтительно решение должно работать без громоздких компонентов или не приводя к высоким дополнительным потерям.
Эта задача решается системой электропитания, способом и светильником. Предпочтительные варианты осуществления раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с первым аспектом, изобретение относится к системе электропитания для снабжения (электрической или электронной) нагрузки электроэнергией либо от первого сетевого источника переменного тока, либо от второго сетевого источника переменного тока, которые подают разные первое и второе переменные напряжения соответственно. Система электропитания содержит следующие компоненты:
a. Схему, которая в дальнейшем называется "схемой преобразователя" по причинам унифицированной ссылки (но без какого-либо ограничения относительно ее функциональности). Схема преобразователя предназначена для предоставления нагрузке выходного напряжения, которое находится в подходящем диапазоне для ее эксплуатации.
b. Первое соединительное устройство для предоставления первого входного напряжения схеме преобразователя, когда первое соединительное устройство подключено к первому сетевому источнику переменного тока.
c. Второе соединительное устройство для предоставления второго входного напряжения схеме преобразователя, когда второе соединительное устройство подключено ко второму сетевому источнику переменного тока (в качестве альтернативы подключения схемы преобразователя к первому сетевому источнику переменного тока посредством первого соединительного устройства). Второе входное напряжение должно отличаться (по амплитуде и/или форме сигнала) от первого входного напряжения, которое предоставлено схеме преобразователя первым соединительным устройством; оно может быть, например, напряжением постоянного тока, тогда как первое входное напряжение является напряжением переменного тока, или оно может иметь другую амплитуду. Кроме того, второе соединительное устройство содержит "схему трансформации" для трансформации второго напряжения переменного тока таким образом, что это приводит к такому же выходному напряжению схемы преобразователя, что и первое переменное напряжение. "Сходство" выходных напряжений в этом контексте определяется относительно требований к имеющейся нагрузке, то есть все выходные напряжения, которые допустимы для эксплуатации нагрузки, считаются сходными. Как правило, сходные выходные напряжения отличаются меньше, чем на ± 30%, предпочтительно меньше ± 15% от заданного опорного значения.
Следует отметить, что первое соединительное устройство также может содержать некоторые схемы для преобразования первого напряжения переменного тока. Вышеприведенная ссылка на "схему трансформации" во втором соединителе соответственно относится в основном к тем электронным компонентам во втором соединительном устройстве, которые служат причиной отличия в совместном поведении соединительных устройств и схемы преобразователя. В результате разность в выходном напряжении, сформированном схемой преобразователя, намного ниже разности в напряжении питания переменного тока.
Вышеупомянутое выходное напряжение, которое предоставляется нагрузке схемой преобразователя, может, в частности, соответствовать по амплитуде одному из сетевых напряжений переменного тока (например, более высокому). Кроме того, первое входное напряжение, которое предоставляется первым соединительным устройством, может при желании соответствовать первому сетевому источнику переменного тока, то есть первое соединительное устройство может просто перенаправлять это напряжение без (существенной) трансформации.
Дополнительно следует отметить, что следует применять одинаковые определения, когда сравниваются напряжения. В самом общем случае сравниваются полные формы сигнала напряжения, то есть в качестве основы сравнения берется их амплитуда, фаза, спектральный состав (частота в случае синусоидальных напряжений) и т.д. Во многих практических случаях сравнение будет ограничиваться амплитудами напряжений. В частности, в случае напряжений переменного тока можно сравнить либо действующие напряжения, либо максимальные напряжения. Если не указано иначе, то применительно к настоящей заявке будут обращаться к действующим напряжениям.
В соответствии со вторым аспектом, изобретение относится к способу снабжения нагрузки энергией либо от первого, либо от второго сетевого источника переменного тока, которые подают разные первое и второе напряжения переменного тока соответственно, причем способ содержит следующие этапы, на которых:
a. Подключают схему преобразователя с помощью либо первого соединительного устройства к первому сетевому источнику переменного тока, либо с помощью второго соединительного устройства ко второму сетевому источнику переменного тока, причем первое соединительное устройство предоставляет первое входное напряжение схеме преобразователя, а второе соединительное устройство предоставляет второе входное напряжение схеме преобразователя, которое отличается от первого входного напряжения, и схема преобразователя предоставляет нагрузке выходное напряжение.
b. Трансформируют второе напряжение переменного тока во втором соединительном устройстве так, что это приводит к такому же выходному напряжению схемы преобразователя, что и первое напряжение переменного тока, причем этот этап выполняют, если схема преобразователя подключена с помощью второго соединительного устройства ко второму сетевому источнику переменного тока.
Способ в общем содержит этапы, которые могут выполняться системой электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения. Поэтому ссылаются на вышеприведенное описание упомянутой системы для дополнительной информации о подробностях и определениях относительно способа.
В соответствии с третьим аспектом, изобретение содержит светильник, содержащий следующие компоненты:
a. Лампу, которая может содержать любой подходящий источник света. В частности, она может содержать по меньшей мере один светоизлучающий диод (LED), предпочтительно совместимый с электросетью светоизлучающий диод (MCLED), который спроектирован для приведения в действие с помощью напряжения постоянного тока около 200-300 В.
b. Систему электропитания, в соответствии с первым аспектом изобретения, для снабжения энергией лампы в качестве нагрузки.
Светильник является особенно важным примером сочетания, содержащего нагрузку и систему электропитания в соответствии с изобретением.
Система электропитания, способ и светильник в соответствии с первым, вторым и третьим аспектами изобретения соответственно имеют общее в том, что они применяют (по меньшей мере) два разных соединительных устройства для подключения схемы преобразователя к разной электрической сети. Одно из этих соединительных устройств содержит схему трансформации, которая в сочетании со схемой преобразователя трансформирует (второе) напряжение переменного тока так, что это приводит к такому же выходному напряжению для эксплуатации нагрузки, как и первое соединительное устройство в сочетании со схемой преобразователя. Поэтому все, что нужно сделать для адаптации источника питания к разным сетевым источникам переменного тока - использовать подходящее соединительное устройство для подключения схемы преобразователя к сетевому источнику. Однако это не является дополнительным препятствием, потому что обычно приходится применять разные соединительные устройства из-за несовместимых стандартов соединителей в разных сетевых системах. Поэтому выбор подходящего соединителя одновременно будет гарантировать надлежащую адаптацию напряжений. Не нужно никакого дополнительного изменения переключателей, соответственно повышается комфорт и безопасность (так как такое переключение нельзя забыть). Одновременно соединительные устройства можно оставить сравнительно простыми, потому что часть преобразования напряжения выполняется схемой преобразователя. Интеллектуальное разделение функций соответственно помогает минимизировать аппаратные средства и стоимостные затраты для разных соединительных устройств.
В дальнейшем будут описываться различные предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые относятся к системе электропитания, способу и/или светильнику описанного выше вида.
Соединительные устройства вообще могут иметь произвольное исполнение. В частности, они могут быть спроектированы так, что они могут обратимо подключаться к схеме преобразователя, которую поэтому можно легко соединить с помощью пользователя с соединительным устройством, которое подходит для имеющейся сети переменного напряжения.
В предпочтительном варианте осуществления первое соединительное устройство и/или второе соединительное устройство содержат кабель, то есть гибкую линию по меньшей мере с двумя выводами для направления напряжений от сетевого источника к нагрузке.
В соответствии с другим вариантом осуществления, первое соединительное устройство и/или второе соединительное устройство содержит вилку, которая совместима с розеткой первого или второго сетевого источника переменного тока соответственно. По различным причинам сети разного напряжения обычно применяют разные стандарты ассоциированных штепсельных соединителей, то есть розетки первой и второй сети переменного тока обычно отличаются друг от друга (несовместимы). Снабжение первого и второго соединительного устройства вилками, которые совместимы с сетью напряжения, для которой предназначено каждое соединительное устройство, гарантирует, что может использоваться только надлежащее соединительное устройство. Кроме того, необходимость снабжать каждое изделие особыми сетевыми кабелями можно объединить с предполагаемой электрической адаптацией источника питания к сети соответствующего напряжения.
Схема трансформации во втором соединительном устройстве предпочтительно может встраиваться в вилку или во встроенный переключатель. Интеграция возможна, в частности, в вышеупомянутых случаях, в которых соединительные устройства содержат кабель и/или особые сетевые вилки.
Первое напряжение переменного тока предпочтительно ниже второго переменного напряжения. Схема трансформации во втором соединительном устройстве тогда будет изменять переменное напряжение таким образом, что выходное напряжение преобразователя аналогично выходному напряжению преобразователя при первом напряжении переменного тока.
Как уже упоминалось, первое напряжение переменного тока может находиться в диапазоне 90-130 В, предпочтительно имея значение около 115 В, соответствующее сетевому напряжению в США. Второе переменное напряжение может находиться в диапазоне 200-260 В, предпочтительно имея значение около 230 В, соответствующее сетевому напряжению в европейских странах.
В соответствии с изобретением, схема преобразователя содержит преобразователь переменного тока в постоянный ток. Предпочтительно, чтобы преобразователь переменного тока в постоянный ток обеспечивал выходные напряжения схемы преобразователя, означая, что могут эксплуатироваться нагрузки, которые требуют напряжения постоянного тока. Типичными примерами таких нагрузок являются компоновки последовательно или параллельно подключенных светодиодных цепочек, приводящие к рабочему напряжению в 200-300 В и потребляемому току 5-100 мА. Для профессионального применения может предполагаться более широкий диапазон токов, то есть более высокий уровень тока. То, как реализуется соединение светодиодных цепочек (то есть на уровне кристалла, путем гибридной интеграции, на уровне плат), не важно для применения изобретения. К тому же возможны другие диапазоны напряжения питания. Например, твердотельный источник света, который нужно питать от источника питания переменного тока в 12 В или 24 В, может использовать ту же идею.
Кроме того, преобразователь переменного тока в постоянный ток в схеме преобразователя обладает возможностью функции умножения напряжения, точнее функции удвоения напряжения. Это означает, что выходное напряжение (постоянного тока) кратно переменному входному напряжению. Функцию умножения напряжения можно реализовать, например, с помощью схем, содержащих диоды и конденсаторы, которые известны специалисту в данной области техники.
Схема преобразователя может содержать, в частности, выпрямитель и первую емкость, которая подключена между первым выходом и первым входом выпрямителя, и вторую емкость, которая подключается между первым входом и вторым выходом выпрямителя. Как будет объясняться со ссылкой на фигуры, такая схема реализует преобразователь переменного тока в постоянный ток с помощью функции удвоения напряжения.
Манипулирование уровнем напряжения можно реализовать разными способами, например с помощью резистора, который понижает входное напряжение путем рассеивания его в тепло, или с помощью трансформатора. Чтобы избежать энергетических потерь от таких решений и/или избежать громоздких компонентов типа трансформаторов или сложных импульсных источников питания, схему трансформации предпочтительно можно реализовать с помощью зависимых от полярности переключателей, например диодов и/или транзисторов.
Согласно изобретению, схема трансформации во втором соединительном устройстве содержала выпрямитель. Напряжение переменного тока на входе второго соединительного устройства, которое периодически меняет полярность, трансформируется в пульсирующее напряжение постоянного тока на выходе соединительного устройства с постоянной полярностью. Выпрямитель может содержать, в частности, диодный мост.
Первое соединительное устройство и второе соединительное устройство предпочтительно проектируются так, что они могут обратимо подключаться к схеме преобразователя. Подключая подходящее соединительное устройство к схеме преобразователя, пользователь может адаптировать систему к имеющейся сети напряжения переменного тока. Соединение соединительных устройств со схемой преобразователя предпочтительно выполняется по нестандартному интерфейсу, например, с помощью специальной штепсельной системы. Это препятствует тому, что (i) второе соединительное устройство ошибочно подключается к другому устройству и что (ii) стандартный кабель используется со схемой преобразователя. Обе ситуации могли бы привести к нежелательным результатам.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, первое соединительное устройство и второе соединительное устройство объединяются в один блок, имеющий разные зажимы для подключения к первому и второму сетевым источникам переменного тока и/или к схеме преобразователя. Этот вариант осуществления особенно подходит для профессиональных применений типа стационарной установки подвесных осветителей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает светодиодный светильник с системой электропитания, использующей первое соединительное устройство для соединения с первым сетевым напряжением переменного тока;
Фиг.2 изображает светильник из фиг.1 со вторым соединительным устройством для соединения со вторым сетевым источником переменного тока.
На фигурах одинаковые номера ссылок относятся к одинаковым или сходным компонентам.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Система электропитания и способ, в соответствии с изобретением, в дальнейшем будут объясняться со ссылкой на светильник, хотя их применение не ограничивается этим случаем. Вместо этого принципы и схемы также могут применяться с другими нагрузками, которые должны эксплуатироваться с разными сетевыми напряжениями. В частности, изобретение может применяться для нагрузок, требующих источника постоянного тока, которые должны эксплуатироваться с напряжениями переменного тока от американской и европейской сети соответственно.
Для светильников для потребительского рынка существует пожелание иметь одну конструкцию изделия, которая может использоваться во всем мире. Это требование включает в себя необходимость быть независимым от разных значений напряжения сети (например, 115 В в США и 230 В в Европе). С другой стороны, LED становятся стандартным, незаменяемым компонентом, который будет использоваться в различных светильниках из-за их длительного срока службы. В связи с рассматриваемым рынком, потребительским рынком, желательно иметь систему, которая не требует взаимодействия с пользователем (типа установки переключателя в правильное положение). При применении изобретения для профессиональных светильников функциональные возможности могут быть основаны на подключении напряжения питания к одному или другому зажиму с помощью соединительной коробки светильника.
При использовании совместимых с электросетью LED (MCLED) обычно отсутствует драйвер, который смог бы создать устойчивое выходное напряжение из любого входного напряжения. Таким образом, это обычно требует специальных MCLED на 115 В для изделий, которые будут продаваться в США, и MCLED на 230 В для европейских изделий.
Одним элементом, который будет отличаться в американском и европейском светильниках, является шнур питания, потому что в разных странах используются разные типы розеток. Поэтому здесь предлагается наличие нескольких (очень немногих) компонентов, которые встраиваются в шнур питания и служат для адаптации напряжения, тогда как остальная часть светильника (включая светодиодную лампу) остается такой же. В дальнейшем описывается простая структура топологии удвоителя напряжения в светильнике, объединенная с выпрямителем, встроенным в шнур питания, которая сделает возможными светильники, в которых только сетевой шнур определяет диапазон входного напряжения.
В типовом варианте осуществления "американский шнур питания" может быть обычным шнуром питания (без каких-либо компонентов внутри, либо он может содержать плавкий предохранитель в качестве защиты от неправильной работы). Кроме того, 115 В от электрической сети США выпрямляются и удваиваются "схемой преобразователя" в светильнике, приводя к напряжению питания, подходящему для MCLED на 230 В.
Соответствующий "европейский шнур питания" в вышеупомянутом светильнике может включать в себя мостовой выпрямитель, например, реализованный в виде миниатюрного компонента, который можно встроить в пластмассовую часть вилки. Это приводит к подаче только одной полярности на светильник. Удвоитель напряжения внутри лампы не может удвоить это однополярное напряжение. В результате выпрямленное напряжение питания снова подходит для MCLED на 230 В.
Альтернативным решением могло бы быть наличие разных внутренних соединений внутри светильника или отдельного блока и подключение (в любом случае обычного) шнура питания либо ко входу мостового выпрямления (для Европы), либо ко входу удвоителя напряжения (для США).
Фиг.1 схематически показывает светильник 100 с системой электропитания в соответствии с вышеприведенными идеями. Светильник 100 подключается к источнику 10L переменного сетевого напряжения, в этом примере соответствующему электрической сети 115 В, используемой в США. Сетевое напряжение может предоставляться, например, посредством настенной розетки, спроектированной в соответствии со стандартами, используемыми в соответствующей стране.
Светильник 100 содержит следующие компоненты:
a. Схему 20 преобразователя, предоставляющую выходное напряжение для нагрузки L.
b. "Первое соединительное устройство" 30L для подключения схемы 20 преобразователя к источнику 10L сетевого напряжения и для снабжения его первым входным напряжением. В показанном примере первое соединительное устройство 30L является простым обычным шнуром питания на 115 В для подключения зажимов электрической сети 10L ко входам схемы 20 преобразователя, то есть первое входное напряжение на выходах (X) соединителя идентично (кроме обычных незначительных потерь) первому сетевому источнику переменного тока на 115 В.
c. Нагрузку L, которая уже упоминалась и которая здесь преимущественно реализуется четырьмя кристаллами MCLED Ch1-Ch4, подключенными последовательно. На этой фигуре каждый MCLED представлен источником напряжения и развязывающим диодом, подключенным последовательно. Возможны другие количества кристаллов. Также возможны параллельные цепочки. Нагрузка L дополнительно содержит схему ограничения тока (CLC) в качестве необязательных компонентов. В самом простом случае это может быть резистор.
Фиг.2 изображает светильник 100, когда он приводится в действие вторым сетевым напряжением, соответствующим электрической сети 230 В европейских стран. В отличие от фиг.1 схема 20 преобразователя теперь подключена своими входами посредством "второго соединительного устройства" 30H к сетевому источнику 10H на 230 В. В дополнение к вилке (не показана), которая совместима со стандартами электрической сети, второе соединительное устройство 30H содержит "схему трансформации", которая реализуется выпрямительным мостом, содержащим четыре диода D1, D2, D3 и D4. Оно предоставляет второе входное напряжение схеме 20 преобразователя, которое отличается от вышеупомянутого первого входного напряжения, которое предоставляется первым соединительным устройством 30L.
Первое соединительное устройство 30L, второе соединительное устройство 30H и схема 20 преобразователя составляют "систему электропитания" в соответствии с изобретением. Функциональные возможности этой системы электропитания выглядят следующим образом.
Схема 20 преобразователя содержит конденсатор шины с отводами и выпрямление напряжения с удвоением. Она содержит выпрямитель, который образован диодами D5 и D6. Положительные входные напряжения заряжают верхний конденсатор C1 через D5, который подключается между первым выходом и первым входом вышеупомянутого выпрямителя, (почти) до максимального значения входного напряжения. Отрицательные входные напряжения заряжают нижний конденсатор C2 через D6, который подключается между вторым выходом и первым входом выпрямителя, (почти) до максимума входного напряжения. Полное напряжение на выходах выпрямителя, то есть на четырех LED Ch1-Ch4 и (необязательной) схемы ограничения тока (CLC), составляет тогда (почти) удвоенное максимальное значение биполярного входного напряжения.
Когда никакое отрицательное напряжение не подается в схему 20 преобразователя, нижний конденсатор C2, конечно, нельзя зарядить. Если не присутствует никакое положительное напряжение, то же самое справедливо и для C1. В этом однополярном режиме диоды D7 и D8 защищают конденсаторы от чрезмерного обратного напряжения.
На фиг.1 светильник 100 оборудован шнуром 30L питания для электрической сети США. Этот шнур 30L питания подает биполярное напряжение 115 В в качестве "первого входного напряжения" на схему 20 преобразователя; удвоитель напряжения будет работать для преобразования этого напряжения приблизительно до 300 В постоянного тока, которое затем подается в LED Ch1-Ch4 через элементы ограничения тока.
На фиг.2 светильник 100 оборудован шнуром 30H питания для Европы. В этот шнур 30H питания встраивается мостовой выпрямитель D1-D4 (например, запрессовывается в пластмассовую вилку или устанавливается в встроенный выключатель). Шнур питания подает однополярные 230 В в качестве "второго входного напряжения" в схему 20 преобразователя, что будет сдерживать работу удвоителя напряжения. В результате приблизительно одинаковые 300 В вырабатываются и подаются на LED. Не требуется подавать выпрямленные 230 В с определенной полярностью в схему 20 преобразователя. Особенность адаптации напряжения относится только к факту самого однополярного напряжения, при этом полярность не важна.
Во время производства нужно только предоставить изделие для определенной страны с правильным шнуром питания (что придется делать в любом случае, чтобы обеспечить правильную, зависящую от страны вилку). Этот шнур 30L/30H питания может быть незаменяемым компонентом, который надежно подключается к схеме 20 преобразователя. Также возможно наличие сменного шнура питания. Затем, в зависимости от страны использования, правильный шнур питания нужно упаковать в розничную упаковку. В этом случае нестандартный интерфейс X следует использовать между шнуром 30L/30H питания и схемой 20 преобразователя в светильнике 100, чтобы предотвратить:
- использование шнура 30H питания со встроенным выпрямителем для обычных приборов, которые могли бы быть несовместимыми с этой формой сигнала напряжения, и
- использование светильников со шнуром питания без схемы трансформации.
Вместо шнура питания с вилкой для настенной розетки также может использоваться соединительная коробка со встроенным выпрямлением, например, для подвесного освещения, которое используется в стационарной установке. В этом случае два соединительных устройства 30L, 30H из фиг.1 и 2 объединяются в один блок или коробку, которая может быть отдельной от схемы преобразователя и нагрузки L или объединенной с ними. Выбор надлежащего соединительного устройства для определенной сети переменного тока тогда выполняется путем выбора правильных зажимов этого блока для подключения к сетевому источнику переменного тока и схеме преобразователя соответственно.
Резистор R1 может использоваться для ограничения зарядного тока системы. Предпочтительно, чтобы R1 был предохранительным резистором, который также защищает систему во время ненормальной работы.
В заключение подчеркивается, что в настоящей заявке термин "содержащий" не исключает других элементов или этапов, единственное число не исключает множества, и одиночный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких средств. Изобретение состоит в каждом без исключения новом отличительном признаке и каждом без исключения сочетании отличительных признаков. Кроме того, ссылочные позиции в формуле изобретения не следует толковать как ограничивающие ее объем.