ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ
POWER SUPPLY FOR LIGHT-EMITTING DIODES

Изобретение относится к светотехнике, а именно к источникам питания (драйверам) мощных светодиодов, используемых для освещения.
Известен источник питания мощного светодиода [1], в котором к выходу батареи питания с напряжением 4,2÷5,4 В подключен вход преобразователя (ШИМ контроллер на основе микросхемы ZXSC400) и электрод дросселя, другой электрод дросселя подключен к коллектору силового транзистора и через диод к аноду светодиода, катод которого подключен к входу обратной связи преобразователя и через первый резистор к общим входам батареи питания и преобразователя, через второй резистор к эмиттеру силового транзистора и к другому входу обратной связи преобразователя, выход которого соединен с базой силового транзистора. В этом источнике преобразователь обеспечивает на светодиоде такое напряжение, при котором ток светодиода постоянен (790 мА). Стабилизация тока происходит за счет обратной связи с первого резистора на вход преобразователя. Недостатком такого источника является низкое напряжение входного питания, которое должно быть меньше падения напряжения на светодиоде, данный источник не может работать от сети питания 220 В, 50 Гц.
Известен источник питания для светодиодов [2], в котором входное сетевое питание 220 В 50 Гц подключено через сетевой фильтр к входам выпрямителя, отрицательный выход которого соединен с общими выходами ШИМ контроллера и оптопары и с электродом первого конденсатора, а положительный выход выпрямителя подключен к другому электроду первого конденсатора, к катоду первого диода, к электроду второго конденсатора, к катоду стабилитрона и через «n» подключенных последовательно светодиодов к аноду второго диода и к электроду первого резистора, другой электрод которого соединен с электродом второго резистора, с общим входом оптопары, с другим электродом второго конденсатора и через дроссель с анодом первого диода и с выходом ШИМ контроллера, вход обратной связи которого подключен к выходу оптопары, вход которой соединен с катодом второго диода и через третий резистор с анодом стабилизатора и с другим электродом второго резистора. В этом источнике входное переменное напряжение сети 220 В, 50 Гц преобразуется в постоянное напряжение 270 В на первом конденсаторе, которое затем с помощью ШИМ контроллера, первого диода, дросселя и второго конденсатора преобразуется в постоянное напряжение 200 В, питающее «n» последовательно соединенных светодиодов. Первый резистор за счет обратной связи через оптопару ограничивает ток светодиодов на уровне 0,1 А, а стабилитрон ограничивает входное напряжение источника при обрыве цепи светодиодов. Недостатком данного устройства является отсутствие защиты от сгорания светодиодов при коротком замыкании в силовом транзисторе ШИМ контроллера.
Известна светодиодная лампа [3], которая содержит прозрачный корпус с отверстиями для охлаждения, внутри корпуса расположена плата со светодиодами, также имеется средство соединения с сетью электрического питания, выполненное в виде резьбового цоколя. Однако в этой лампе не имеется источника ее питания, преобразующего напряжение стандартной сети 220 В, 50 Гц в ток светодиодов.
Известно осветительное устройство или источник света, основанный на действии светодиодов [4], которое содержит силовой преобразователь, преобразующий входное постоянное или переменное напряжение в постоянный ток для питания светодиодов, выпрямитель для выпрямления входного переменного напряжения питания, конденсаторы для фильтрации переменных составляющих в напряжении питания, нагрузочный резистор для стабилизации тока светодиодов, причем светодиоды могут быть включены последовательно и параллельно друг к другу в виде цепей, в количестве до трех штук, в каждой цепи светодиодов может быть установлена цепь компенсации температуры для управления токам светодиодов как функции температуры, светодиоды могу иметь разный цвет, имеется также механический регулятор света, который может при своем перемещении в устройстве затемнять свет от отдельных светодиодов, регулируя цвет и силу света, само устройство выполнено из термостойкого и влагонепроницаемого материала с хорошей теплопроводностью, а перед светодиодами расположены оптические линзы для фокусировки света светодиодов. Однако данное устройство имеет недостатки, заключающиеся в том, что применение выпрямителя и сглаживающих конденсаторов при питании от сети переменного тока создает невысокое значение cos φ, характеризующее качество использования сети питания, в устройстве нет защиты от перегрузки по напряжению и по току, от обрыва в цепи светодиодов, нет автоматической регулировки силы света в зависимости от внешнего освещения.
Известен источник питания для светодиодов [3], взятый за прототип. Источник содержит сетевой фильтр, входы которого подключены к сети питания 220 В, 50 Гц, и выходы через выпрямитель соединены с первым конденсатором, отрицательный электрод которого подключен к общим выходам ШИМ контроллера и оптопары, а положительный электрод соединен с электродом второго конденсатора, с электродами первого и второго резисторов и через дроссель с стоком силового транзистора, расположенного в ШИМ контроллере, и с анодом первого диода, катод которого подключен к катоду стабилитрона и через «n» последовательно соединенных светодиодов к другому электроду второго резистора и через второй диод к входу оптопары и через третий резистор к аноду стабилитрона и к другому электроду первого резистора, а выход оптопары соединен с входом управления ШИМ контроллера.
В этом источнике напряжение входной сети 220 В, 50 Гц через сетевой фильтр поступает на входы выпрямителя, на входах которого и на первом конденсаторе образуется постоянное напряжение порядка 270 В. Это напряжение через дроссель поступает на вход ШИМ контроллера, который управляет внутренним силовым транзистором, образующим на дросселе импульсы амплитудой более 270 В. Эти импульсы выпрямляются через первый диод, образую на втором конденсаторе относительно выходного напряжения выпрямителя постоянное напряжение 24 В, питающее цепочку из «n» светодиодов. Ток светодиодов образует на втором резисторе падение напряжения, которое через второй диод поступает на вход оптрона, передающий этот сигнал на вход управления ШИМ котроллера. При этом замыкается обратная связь, образуя источник стабилизированного тока через светодиоды. При обрыве цепи из «n» светодиодов повышается выходное напряжение, начинает протекать ток через стабилитрон, который поступает через третий резистор на вход оптопары. При этом источник превращается в источник напряжения, величина которого определяется стабилитроном.
Недостатками данного источника являются отсутствие защиты источника и светодиодов от перегрева, наличие уменьшения силы света светодиодов при повышении температуры, так как при этом уменьшается напряжение на светодиодах и при постоянном токе падает мощность, потребляемая светодиодами. Кроме того, источник имеет малый коэффициент cos φ, между характеризующим сдвиг по фазе входным напряжением 220 В, 50 Гц и током, который протекает в виде короткого импульса в момент максимум входного напряжения. Однако современные стандарты требуют иметь коэффициент cos φ близкий к единице.
Заявляемый источник решает задачу создания более экономичного, стабильного и регулируемого источника света.
Поставленная задача решается источником для питания светодиодов, содержащим сетевой фильтр, два входа которого подключены к сети питания, а два выхода соединены с входами выпрямителя, отрицательный вход которого соединен с общим входом ШИМ контроллера и с общим выходом оптопары, положительный выход выпрямителя подключен к электроду конденсатора, к электродам первого и второго резисторов, к общему входу оптопары и через дроссель к стоку силового транзистора и к аноду диода, катод которого соединен с другим электродом конденсатора, с катодом стабилитрона и через «n» последовательно соединенных светодиодов с другим электродом второго резистора, другой электрод первого резистора подключен к аноду стабилитрона, другой выход оптопары соединен с входом управления ШИМ контроллера, выход которого соединен с затвором силового транзистора, третий резистор, отличающимся тем, что в источник питания дополнительно введен корректор коэффициента мощности (ККМ) в качестве ШИМ контроллера, а также датчик напряжения, датчик температуры, умножитель и блок управления, причем отрицательный вход выпрямителя соединен с входом датчика напряжения и с электродом третьего резистора, положительный выход выпрямителя подключен к другому входу датчика напряжения, к входу питания ККМ, к общим входам датчика температуры, блока управления и умножителя, выход датчика напряжения соединен с входом ККМ, другой электрод третьего резистора подключен к входу обратной связи по току ККМ и к истоку силового транзистора, катод стабилитрона соединен с входом умножителя, анод стабилитрона подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры, третий вход соединен с другим электродом второго резистора и с другим входом умножителя, выход которого подключен к четвертому входу блока управления, выход которого, в свою очередь, соединен с другим входом оптопары.
Кроме того, в источник питания  введены фотодатчик, второй блок управления, второй умножитель, «n» стабилитронов и «n» выключателей, причем каждый из «n» светодиодов параллельно соединен с соответствующими стабилитроном и выключателем, другой электрод второго резистора подключен к входу второго умножителя, выход которого соединен с пятым входом блока управления, а другой вход является входом управления силой света светодиодов, электрод второго резистора соединен с общим входом второго умножителя, отрицательный выход выпрямителя подключен к общему входу фотодатчика и общему входу второго блока управления, первый вход которого соединен с выходом фотодатчика, второй вход соединен с выходом датчика напряжения, а выход соединен с другим входом управления ККМ.
Помимо этого, в источник питания введены «n» датчиков присутствия людей, расположенных в месте установки «n» светодиодов, выход каждого из «n» датчиков присутствия людей подключен к соответствующему «n» входу третьего блока управления, выход которого соединен с шестым входом первого блока управления, а общий выход третьего блока управления подключен к общим входам датчиков присутствия людей и к электроду второго резистора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг.1-3 - варианты схем источника,
Фиг.4 - временная диаграмма сигналов.
Как показано на фиг.1, источник содержит сетевой фильтр 1, выпрямитель 2, датчик напряжения 3, ККМ - 4, дроссель - 5, силовой транзистор 6, диод 7, конденсатор 8, стабилитрон 9, датчик температуры 10, блок управления 11, умножитель 12, оптопару 13, резисторы 14, 15, 16, «n» светодиодов 17, при этом к выходам сетевого фильтра подключено напряжение сети питания 220 В, 50 Гц, а к выходам подключены входы выпрямителя 2, отрицательный выход которого соединен с общими выходами датчика напряжения 3 и ККМ 4, с электродом резистора 16 и с общим выходом оптопары 13, положительный выход выпрямителя 2 подключен к другому входу датчика напряжения 3, к входу питания ККМ, к общим входам датчика температуры 10, блока управления 11, умножителя 12, к электродам конденсатора 8, резисторов 14, 15, к общему входу оптопары 13 и через дроссель 5 к стоку транзистора 6, затвор которого соединен с выходом ККМ 4, исток подключен к другому электроду резистора 16 и к входу обратной связи по току ККМ 4, вход управления которого соединен с другим выходом оптопары 13, другой вход которой соединен с выходом блока управления 11, первый вход которого подключен к аноду стабилитрона 9 и к другому электроду резистора 14, второй вход подключен к выходу датчика температуры 10, третий вход подключен к другому электроду резистора 15, к входу умножителя 12 и через «n» последовательно соединенных светодиодов 17 к аноду диода 7, катоду стабилитрона 9 и к другому входу умножителя 12, выход которого соединен с четвертым входом блока управления 11.
Согласно фиг.2 источник по сравнению с предыдущим источником содержит дополнительные элементы: фотодатчик 18, второй блок управления 19, второй умножитель 20, «n» стабилитронов 21 и «n» выключателей 22. При этом отрицательный выход выпрямителя 2 соединен с общими входами фотодатчика 18 и блока управления 19, первый вход которого подключен к выходу датчика напряжения 3, второй вход подключен к выходу фотодатчика 18, а выход подключен к другому входу ККМ 4, общий вход умножителя 20 подключен к электроду резистора 15, другой электрод которого соединен с входом умножителя 20, другой вход которого является управлением силой света светодиодов, а выход подключен к пятому входу блока управления 11, кроме того, параллельно каждому из «n» светодиодов 17 подключены соответствующие стабилитрон 21 и выключатель 22.
Согласно фиг.3 по сравнению с описанными двумя предыдущими источниками содержит дополнительно блок управления 23 и «n» датчиков присутствия людей, например микрофонов 24. Причем каждый из «n» микрофонов 24 подключен своим выходом к соответствующему одному из «n» входов блока управления 23, выход которого соединен с шестым входом блока управления 11, а электрод резистора 15 соединен с общим входом блока управления 23 и с общими входами микрофонов 24.
Работает источник питания по первой схеме следующим образом. Входное переменное напряжение сети 220 В, 50 Гц поступает на вход сетевого фильтра 1, в котором фильтруются импульсные помехи, возникающие в источнике питания, с выхода сетевого фильтра 1 напряжение 220 В подается на вход выпрямителя 2, на выходе которого образуются положительные полуволны с амплитудой напряжения 270 В и с частотой повторения 100 Гц (см. фиг.4 кривая 1). Датчик напряжения 3 уменьшает амплитуду этого напряжения до 2 В и подает этот сигнал на вход ККМ 4, который формирует на своем выходе импульсы, открывающие транзистор 6. При этом средний ток, текущий через дроссель 5 и резистор 16, имеет форму входного сигнала ККМ4 (см. фиг.4, кривая 4). Резистор 16 служит датчиком тока, на нем падает напряжение, передаваемое на вход обратной связи по току ККМ4, ограничивая ток потребления из сети питания. Амплитуда импульсов, возникающая на стоке транзистора 6, превышает напряжение на выходе выпрямителя 2 на постоянную величину U0, при этом напряжение импульсов через диод 7 заряжает конденсатор 8, на котором образуется пульсирующее напряжение относительно отрицательного выхода выпрямителя 2 (кривая 3). Относительно положительного выхода выпрямителя 2 это напряжение постоянно (кривая 5) и имеет величину U0.
Напряжение U0 подается на линейку из «n» светодиодов 17, при этом протекает через них ток, образующий на резисторе 15 небольшое напряжение, пропорциональное величине тока. Это напряжение поступает на вход умножителя 12, на другой вход которого подано напряжение с линейки светодиодов 17. Умножитель перемножает величину напряжения на светодиодах на величину тока и на его выходе появляется напряжение, пропорциональное мощности, потребляемой светодиодами. Данное напряжение через блок управления 11 и оптрон 13 поступает на вход управления ККМ4, при этом замыкается обратная связь, которая поддерживает постоянную мощность, потребляемую светодиодами в условиях изменения напряжения входной сети в пределах от 100 до 260 В.
В результате чего при работе источника форма потребляемого тока из сети питания совпадает с формой сетевого напряжения, при этом коэффициент cos φ близок к единице, чем обеспечивается высокое качество эксплуатации данного источника при массовом использовании. Применяемый в источнике ККМ работает в новом для него режиме как источник постоянной мощности. Данный режим стабилизирует силу света светодиодов, так как при повышении температуры уменьшается напряжение на светодиодах, при этом повышается ток светодиодов, мощность потребления остается постоянной, что определяет постоянство силы света.
При повышении температуры светодиодов выше допустимого уровня срабатывает датчик температуры 10, который через блок управления 11 передает сигнал на вход управления ККМ 4, уменьшая мощности потребления светодиодами и ограничивая рост температуры. При обрыве в цепи светодиодов 17 ток через них не течет, при этом неограниченно повышается напряжение на конденсаторе 8 выше величины U0, в результате чего срабатывает стабилитрон 9, у которого напряжение стабилизации Uст>U0. Через стабилитрон 9 начинает протекать ток, который образует на резисторе 14 напряжение, попадающее через блок управления 11 на вход управления ККМ 4, при этом стабилизируется выходное напряжение источника на уровне Uст и не происходит выхода из строя источника. При коротком замыкании светодиодов 17 также резко повышается ток через резистор 15, напряжение с этого резистора поступает на блок управления 11 и при превышении заданного уровня на его выходе образуется напряжение, которое через оптрон 13 поступает на вход управления ККМ 4, стабилизируя выходной ток на уровне максимально возможного тока через светодиоды.
Весь предложенный источник можно разместить в габаритах обычной лампы накаливания, так как вся электроника может быть выполнена в виде нескольких микросхем, занимающих небольшой объем. Объем лампы в основном будут определять габариты светодиодов и радиатора, рассеивающие тепло. При суммарной мощности диодов 15 Вт их сила света эквивалента лампе накаливания 60 Вт. Радиатор, учитывая высокое КПД светодиодов, должен рассеять мощность порядка 10 Вт, что реально, так как в обычной лампе рассеивается мощность примерно 50 Вт.
Таким образом, предлагаемый источник запитывается от сети питания 220 В, 50 Гц, имеет высокий коэффициент cos φ, обеспечивает при широких диапазонах изменений напряжения сети питания и температуры стабилизацию силы света светодиодов, имеет защиту от перегрева, от разрыва и короткого замыкания в цепи светодиодов, от перегрузки по току силового транзистора. Источник может быть выполнен в габаритах лампы накаливания и может быть широко применена вместо нее, обеспечивая экономию энергии в 4 раза.
Источник питания по схеме, представленной на фиг.2, выполняется таким образом, что все его элементы, кроме светодиодов 17, стабилитронов 21, выключателей 22 и фотодатчика 18, расположены конструктивно внутри отдельного блока. Фотодатчик 18 устанавливается в месте, куда поступает внешний свет в помещении (на окне). Каждый из «n» стабилитронов 21 и светодиодов 17 располагаются в отдельной комнате, на отдельном этаже лестнице многоэтажного дома или на равных промежутках вдоль длинного коридора или цеха. Каждый из «n» выключателей располагается рядом со светодиодами в месте, доступном для рук человека. В светлое время суток фотодатчик 18 выдает под действие внешнего света через блок управления 19 в ККМ 4 сигнал, запрещающий работу ККМ4, светодиоды 17 при этом не светят. В сумерках и в темное время суток фотодатчик 18 выдает в ККМ 4 сигнал, разрешающий его работу, светодиоды 17 начинают светиться, при этом в каждый из «n» комнат помещения или на каждой из «n» лестничной площадке появляется свет. При выходе (при авариях) напряжения сетевого питания из рабочего диапазона 100÷260 В датчик напряжения 3 передает в блок управления 19 уменьшенное пропорциональное напряжение, при этом срабатывает блок управления 19 и своим выходным сигналом запрещает работу ККМ 4, исключая этим повреждение источника питания.
Основным рабочим каналом управления силой света светодиодов при этом является датчик тока, выполненный на резисторе 15, который через умножитель 20 передает сигнал на пятый вход блока управления 11, замыкая обратную связь, при этом поддерживается постоянный ток через светодиоды 17. При изменении входного сигнала на втором входе умножителя 20 изменяется его коэффициент передачи, изменяется сигнал на пятом входе блока управления 11, в результате чего меняется ток через светодиоды так, чтобы восстановить прежний уровень сигнала на пятом входе блока управления 11. Таким образом регулируется сила света светодиодов. Умножитель 20 может быть выполнен в виде переменного резистора, входным сигналом при этом является угловое положение оси резистора или может быть цифровым потенциометром, управляемым от компьютера. Возможность регулирования силы света позволит экономить энергию в условиях малого освещения.
Конструкция самой светящейся лампы содержит в себе только светодиод, стабилитрон и радиатор для отвода тепла, такая лампа проста в изготовлении и будет иметь невысокую стоимость. Соединяются между собой лампы в комнатах помещения только одним проводом в отличие от существующей системы освещения, которая предполагает наличие двух проводов. Сила света лампы постоянна при изменении входного напряжения в сети от 100 до 260 В. Наличие фотодатчика позволяет экономить энергию, автоматически выключая ток через светодиоды в светлое время суток. В каждой комнате можно отдельно погасить свет, включая выключатель 22, при этом ток обходит светодиод 17 через выключатель 22. При выходе из строя светодиода 17 в одной комнате (разрыв цепи) в остальных комнатах свет будет гореть за счет протекания тока через стабилитрон 21 или через замкнутый выключатель 22.
Источник (фиг.3) содержит дополнительно «n» датчиков присутствия людей (микрофонов), каждый из которых расположен рядом с соответствующим светодиодом 17 в отдельной комнате или на лестничной площадке. В условиях тишины, когда в комнате или на лестничной площадке нет людей, микрофоны 24 выдают на входы блока управления 23 нулевые сигналы, при этом блок управления 23 подает на вход 6 блока управления 11 напряжение, запрещающее работу ККМ 4. Свет при этом не горит. При наличии звука в любой из комнат или на лестничной площадке, вызванного появлением людей, на выходе одного из микрофонов появляется сигнал, поступающий на вход блока управления 23. На его выходе устанавливается нулевое напряжение, которое позволяет работать ККМ 4, в результате чего загорается свет. При прекращении звука блок управления 23 через паузу, равную 1÷3 мин, вновь выдает на вход 6 блока управления 11 напряжение, гасящее светодиоды.
Таким образом может быть достигнута большая экономия энергии, когда, например, ночью на лестничных площадках свет в основном будет погашен и будет гореть только в то время, когда человек поднимается по лестнице.
Использованная литература
1. Журнал «Современная электроника», декабрь 2004 г., стр.38, рис.19.
2. Журнал «Электрическое питание», №3/2005, стр.35, рис.2.
3. Заявка на патент РФ №2006106658, 2007 г.
4. Заявка на патент РФ №2005119149, 2006 г.
5. Журнал «Электрическое питание», №3/2005, стр.35, рис.1.