СХЕМА ЗАЩИТЫ СВЕТОДИОДА (СД)
PROTECTION CIRCUIT FOR LIGHT-EMITTING DIODE (LED)

Предпосылки создания изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к схеме защиты светодиода (СД) и, в частности, к многофункциональной схеме защиты от избыточных напряжений (ЗИН), защиты от избыточных токов (ЗИТ), защиты от избыточных температур (ЗИТ) и защиты от молний, выполненной с использованием плавких элементов и элементов защиты от разряда.
Известный уровень техники
[0002] В настоящее время из-за постоянно растущей стоимости нефти важным вопросом является наличие достаточных запасов энергоресурсов и материалов, следовательно, уменьшение потребления энергии и материалов является основной целью в различных отраслях промышленности. При этом энергия, используемая осветительными приборами, составляет довольно большой процент от общего количества потребленной энергии, таким образом, она является важным объектом для сохранения энергии. По сравнению с обычной лампой накаливания и флуоресцентной световой трубкой у светодиода есть различные преимущества, такие как компактный размер (разнообразные устройства, разнообразные комбинации), низкое тепловыделение (низкое тепловое излучение), низкое энергопотребление (низкое пусковое напряжение и сила тока), длительный срок эксплуатации (более 100,000 часов), высокая скорость отклика (может эксплуатироваться на высокой частоте), экологичность (устойчивость против толчков, ударостойкость, возможность восстановления и отсутствие загрязняющих выбросов), поэтому он может изготавливаться по планарной технологии и легко встраиваться в изделия, обладающие малым весом, компактным размером и тонким профилем. По этой причине, благодаря увеличенной яркости и сниженной стоимости СД, он обладает более широким диапазоном применений, например он может использоваться в различных осветительных приборах, таких как осветительный прибор дневного света, индикаторные лампы, сигнальные лампы транспортных средств, фары транспортных средств, проблесковые сигналы, модуль фоновой подсветки жидкокристаллического дисплея (ЖКД), источник света в проекторе и наружные устройства визуального вывода.
[0003] В настоящее время большая часть энергии, используемой электрическими приборами и электронными изделиями, предоставляется муниципальной энергетической компанией и передается по линиям электропередачи, изготовленным из металла, поэтому существует большая вероятность попадания в них молнии. Помимо избыточного тока молнии, воздействие высокого напряжения обычно является основной причиной повреждения электрических приборов и электронных изделий. В связи с этим, в качестве пояснительного примера выбрано светодиодное изделие, которое питается от источника питания переменного тока (муниципальная электросеть), и при этом мгновенный избыточный ток, вероятно, будет производиться мгновенным высоким напряжением (всплеском), повреждая таким образом СД изделия и уменьшая срок их эксплуатации.
[0004] Следовательно, в настоящее время в данной области требует незамедлительного решения проблема обеспечения защиты СД изделий от повреждения избыточным током, избыточным напряжением, избыточной температурой, всплеском напряжения и ударом молнии.
Краткое изложение сущности изобретения
[0005] Учитывая проблемы и недостатки известного уровня техники, настоящее изобретение раскрывает схему защиты СД с целью эффективного решения проблем известного уровня техники.
[0006] Основной целью настоящего изобретения является предоставление схемы защиты СД, которая способна защищать электронные устройства, использующие СД, от повреждения избыточным напряжением, избыточным током, избыточной температурой или всплеском, вызванным ударом молнии, таким образом увеличивая надежность и срок эксплуатации электронных изделий.
[0007] Для достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение предоставляет схему защиты СД, содержащую: светодиодный модуль; два плавких элемента, соединенных соответственно со светодиодным модулем и находящихся в разомкнутом состоянии при прохождении тока, превышающего защитный лимит силы тока, для перекрывания прохождения избыточного тока к светодиодному модулю; и элемент защиты от разряда, соединенный со светодиодным модулем и двумя плавкими элементами для предоставления обходного направления тока для светодиодного модуля.
[0008] Дальнейший объем применения настоящего изобретения станет очевидным из подробного описания, приведенного далее. Тем не менее, следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, хотя и обозначают предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, приведены лишь в целях иллюстрации, так как различные изменения и модификации, находящиеся в пределах объема и идеи настоящего изобретения, станут очевидны специалисту в данной отрасли из данного подробного описания.
Краткое описание графических материалов
[0009] Далее кратко описываются сопроводительные графические материалы вместе с подробным описанием настоящего изобретения, которое приведено ниже, на которых:
[0010] Фиг.1 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания постоянного тока, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
[ООП] Фиг.2 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания постоянного тока, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
[0012] Фиг.3 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания постоянного тока, согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;
[0013] Фиг.4 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания переменного тока, согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения;
[0014] Фиг.5 изображает формы сигналов осциллографа, измеренных после защиты от избыточных токов;
[0015] Фиг.6 изображает формы сигналов осциллографа, измеренных после прохождения через защиту от избыточных напряжений;
[0016] Фиг.7 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания переменного тока, согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения; и
[0017] Фиг.8 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания переменного тока, согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления
[0018] Цель, конструкция, особенности, функции и преимущества настоящего изобретения могут быть более полно оценены и восприняты благодаря следующим подробным описаниям со ссылками на прилагаемые графические материалы.
[0019] В настоящем изобретении схема защиты СД работает благодаря использованию для работы источника питания переменного тока или источника питания постоянного тока и способна предотвращать повреждения, вызванные избыточным током, избыточным напряжением, избыточной температурой, всплеском напряжения или ударом молнии, возникающими во время использования данных источников тока. В настоящем варианте осуществления в качестве пояснительного примера используется схема защиты СД, использующая для работы источник питания постоянного тока. На фиг.1 изображена схема защиты СД, использующая для работы источник питания постоянного тока, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, которая может использоваться для светодиодного освещения или фоновой подсветки электронного прибора. Как изображено на Фиг.1, схема защиты СД содержит: светодиодный модуль 10; два плавких элемента, состоящих из первого плавкого элемента 12 и второго плавкого элемента 14; и элемент 16 защиты от разряда.
[0020] В вышеупомянутом описании светодиодный модуль 10 содержит: множество светодиодов, соединенных последовательно и образующих светодиодную нить; или множество светодиодных нитей, соединенных параллельно. Два конца первого плавкого элемента 12 соединены соответственно с положительным концом источника питания постоянного тока и положительным концом светодиодного модуля 10; в то время как два конца второго плавкого элемента 14 соединены соответственно с отрицательным концом источника питания постоянного тока и отрицательным концом светодиодного модуля 10. При этом первый плавкий элемент 12 и второй плавкий элемент 14 предпочтительно являются самовосстанавливающимися электронными плавкими предохранителями, также называемыми полимерными предохранителями с положительным температурным коэффициентом (ПТК), состоящими из полимера и проводящих частиц, так что проводящие частицы после специальной обработки собираются в цепочку и образуют в полимере токопроводящий канал. Два конца элемента 16 защиты от разряда соединены соответственно с положительным концом и отрицательным концом источника питания постоянного тока.
2
[0021] Когда ток при нормальной работе проходит через первый плавкий элемент 12 и второй плавкий элемент 14, они способны поддерживать низкое полное сопротивление для обеспечения нормальной работы светодиодного модуля 10. При появлении либо избыточного тока, либо избыточного напряжения, которые проходят через первый плавкий элемент 12 и второй плавкий элемент 14, они вырабатывают тепло согласно уравнению тепловая энергия = сила тока × напряжение (E=IR), и часть выработанного тепла или все выработанное тепло рассеивается в воздухе. Другими словами, когда избыточный ток проходит через первый плавкий элемент 12, и он превышает защитный лимит силы тока, количество выработанного тепла больше, чем количество рассеянного тепла, таким образом, оно активирует защитный режим, что приведет к размыканию цепи, и отключит избыточный ток и предотвратит его прохождение к светодиодному модулю 10. Другими словами, тепло, выработанное из-за избыточного тока, заставит полимер быстро раздуваться и расширяться для того, чтобы разомкнуть токопроводящий канал, образованный проводящими частицами, с тем чтобы самовосстанавливающийся электронный плавкий предохранитель находился в состоянии высокого полного сопротивления (состояние разомкнутой цепи) для предотвращения повреждения светодиодного модуля 10. В настоящем изобретении преимущества использования самовосстанавливающегося электронного плавкого предохранителя заключаются в том, что после прохождения (состояние чрезмерной температуры) и исчезновения избыточного тока полимер остывает, и его объем возвращается в обычное состояние, таким образом, проводящие частицы, содержащиеся в нем, снова образуют токопроводящий канал, чтобы предоставить первоначальное низкое полное сопротивление, так чтобы его снова можно было использовать.
[0022] Кроме этого, когда происходят всплески напряжения или удар молнии, избыточный ток, вызванный мгновенным высоким напряжением, непосредственно доберется к положительному концу источника питания постоянного тока (в случае воздействия положительного разряда молнии) или доберется от земли к отрицательному концу источника питания постоянного тока (в случае воздействия отрицательного разряда молнии). Так как два конца элемента 16 защиты от разряда соединены с положительным концом и отрицательным концом источника питания постоянного тока соответственно, то когда элемент 16 защиты от разряда не активирован, он находится в состоянии высокого полного сопротивления, и когда возникает избыточное напряжение, он может мгновенно переходить в состояние низкого полного напряжения и превращаться в маршрут разрядки избыточного тока для обеспечения светодиодного модуля 10 обходным направлением тока, обеспечивая таким образом полную защиту светодиодного модуля 10. При этом элемент 16 защиты от разряда предпочтительно является миниатюрным разрядником (BLSA), обладающим как преимуществами керамической газоразрядной трубки, так и полупроводникового защитного элемента от избыточного напряжения: полное сопротивление с сильной изоляцией, низкое емкостное сопротивление между электродами, более сильный ток разряда (достигающий максимума в 3кА), двунаправленная симметрия, быстрый отклик (отсутствие явления задержки при пробое), стабильная и надежная работа, более низкое напряжение после проводимости, высокое напряжение пробоя постоянного тока (максимум 5000 В), компактный размер и длительный срок эксплуатации.
[0023] Фиг.2 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания постоянного тока, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Для краткости сходства данного варианта осуществления с вариантом на фиг.1 не будут повторно упоминаться здесь, однако их различие заключается в способе соединения элемента 16 защиты от разряда, так что один конец элемента 16 защиты от разряда присоединен между первым плавким элементом 12 и положительным концом светодиодного модуля 10; в то время как другой конец соединен с отрицательным концом источника питания постоянного тока. Цель данного способа соединения заключается в том, что при воздействии положительного разряда молнии мгновенное высокое напряжение будет воздействовать на светодиодный модуль 10, при этом, одновременно с этим, элемент 16 защиты от разряда перейдет из состояния высокого полного сопротивления в состояние низкого полного сопротивления, и данный элемент разряжает избыточный ток, вызванный положительным разрядом молнии, непосредственно в землю для эффективного отведения избыточного тока. Кроме этого, высокое напряжение, вызванное положительным разрядом молнии, активирует элемент 16 защиты от разряда, в то же время избыточный ток будет проходить через первый плавкий элемент 12, и когда величина этого тока превысит защитный лимит силы тока, первый плавкий элемент 12 активирует защитный режим. Также, благодаря острой реакции величины полного сопротивления первого плавкого элемента 12 на температуру, высокая температура, вызванная избыточным током, вызовет его моментальное изменение полного сопротивления в состояние высокого полного сопротивления, таким образом, непосредственно предотвращая прохождение избыточного тока через светодиодный модуль 10 и элемент 16 защиты от разряда, благодаря чему достигается поставленная задача защиты обоих данных элементов.
[0024] Далее фиг.3 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания постоянного тока, согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Для краткости сходства данного варианта осуществления с вариантом на фиг.1 не будут повторно упоминаться здесь, однако их различие заключается в способе соединения элемента 16 защиты от разряда, так что один конец элемента 16 защиты от разряда присоединен между первым плавким элементом 12 и положительным концом светодиодного модуля 10; в то время как другой конец присоединен между вторым плавким элементом 14 и отрицательным концом светодиодного модуля 10. Таким образом, независимо от воздействия положительного разряда молнии или отрицательного разряда молнии избыточный ток, вызванный мгновенным высоким напряжением, непосредственно доберется к положительному концу или отрицательному концу источника питания постоянного тока. В это время элемент защиты от разряда 16 будет находиться в состоянии короткого замыкания для того, чтобы разрядить избыточный ток, с тем чтобы избыточный ток не прошел через светодиодный модуль. Тем временем, величина тока, проходящего через первый плавкий элемент 12 или второй плавкий элемент 14, превышает защитный лимит силы тока, поэтому любой из данных элементов активирует защитный режим. В качестве примера, при воздействии положительного разряда молнии, мгновенное высокое напряжение заставит элемент 16 защиты от разряда находиться в состоянии короткого замыкания для того, чтобы разрядить избыточный ток, с тем чтобы избыточный ток не прошел через светодиодный модуль 10, таким образом защищая его от повреждения. Тем временем, избыточный ток, вызванный мгновенным высоким напряжением, будет проходить через первый плавкий элемент 12 и приводить его в разомкнутое состояние для того, чтобы защитить светодиодный модуль 10 от повреждения избыточным напряжением или избыточным током. Также, при воздействии отрицательного разряда молнии, элемент 16 защиты от разряда сперва осуществит защиту от разряда; и в то же время второй плавкий элемент 14 переходит в разомкнутое состояние для того, чтобы защитить светодиодный модуль 10 от повреждения избыточным напряжением или избыточным током.
[0025] В вышеприведенном описании при использовании источника питания постоянного тока второй плавкий элемент 14 может быть обычным плавким предохранителем по следующей причине: когда самовосстанавливающийся электронный плавкий предохранитель используется при отрицательной температуре, его защитный лимит силы тока повышается одновременно со снижением температуры, таким образом его эффективность снижается. Следовательно, обычный плавкий предохранитель может использоваться для компенсации недостатков самовосстанавливающегося электронного плавкого предохранителя, который эксплуатируется при отрицательной температуре.
[0026] Как следствие, фиг.4 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания переменного тока, согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения, которая может использоваться для светодиодного освещения или фоновой подсветки электронного прибора. Как изображено на фиг.4, схема защиты СД содержит светодиодный модуль 10; два плавких элемента, состоящих из первого плавкого элемента 12 и второго плавкого элемента 14; и элемент 16 защиты от разряда. Светодиодный модуль 10 содержит: параллельное соединение множества светодиодов 18 первой полярности, соединенных последовательно, и множество светодиодов 20 второй полярности, соединенных последовательно, при этом полярность светодиода 18 первой полярности противоположна полярности светодиода 20 второй полярности. Два конца первого плавкого элемента 12 соединены соответственно с положительным концом источника питания переменного тока и светодиодным модулем 10, два конца второго плавкого элемента 14 соединены соответственно с отрицательным концом источника питания переменного тока и светодиодным модулем 10, и два конца элемента 16 защиты от разряда соединены с положительным концом и отрицательным концом источника питания переменного тока.
[0027] Далее будет описана эксплуатация схемы в нормальных условиях. Когда опорная точка положительного напряжения ввода переменного тока имеет положительное направление и сила тока возникает при нормальной работе, то ток направляется последовательно через первый плавкий элемент 12, светодиоды 18 первой полярности светодиодного модуля 10 и второй плавкий элемент 14; в это же время поддерживается очень низкое значение полного сопротивления первого плавкого элемента 12 и второго плавкого элемента 14, для того чтобы обеспечить нормальную работу (нормальное зажигание) светодиодов 18 первой полярности. Когда опорная точка положительного напряжения ввода переменного тока имеет отрицательное направление и сила тока возникает при нормальной работе, то ток направляется последовательно через второй плавкий элемент 14, светодиоды 20 второй полярности светодиодного модуля 10 и первый плавкий элемент 12; в это же время поддерживается очень низкое значение полного сопротивления первого плавкого элемента 12 и второго плавкого элемента 14, для того чтобы обеспечить нормальную работу светодиодов 20 второй полярности.
[0028] Другими словами, если имеет место избыточный ток или избыточное напряжения, или и то, и другое, поскольку источник питания переменного тока альтернативно питает светодиоды 18 первой полярности и светодиоды 20 второй полярности, то при прохождении избыточного тока через первый плавкий элемент 12 и второй плавкий элемент 14, и если его величина превышает защитный лимит силы тока, количество выработанного ими тепла будет больше, чем количество рассеянного в воздухе тепла, так что они соответственно активируют защитные режимы и приведут их в разомкнутое состояние для того, чтобы перекрыть избыточный ток и предотвратить его прохождение к светодиодному модулю 10. Далее, фиг.5 изображает формы сигналов осциллографа, измеренных после защиты от избыточных токов, что способствует пониманию результатов предотвращения повреждения светодиодных модулей 10. При прекращении прохождения тока первый плавкий элемент 12 и второй плавкий элемент 14 возвращаются в исходное состояние низкого полного сопротивления и обеспечивают постоянную защиту от избыточного тока и избыточного напряжения.
[0029] Кроме этого, когда происходят всплески напряжения или удар молнии, избыточный ток, вызванный мгновенным высоким напряжением, непосредственно доберется к положительному концу источника питания переменного тока (в случае воздействия положительного разряда молнии) или доберется от земли к отрицательному концу источника питания переменного тока (в случае воздействия отрицательного разряда молнии). Так как два конца элемента 16 защиты от разряда соединены с положительным концом и отрицательным концом источника питания переменного тока соответственно, то когда элемент 16 защиты от разряда не активирован, он находится в состоянии высокого полного сопротивления, и когда возникает избыточное напряжение, он может мгновенно переходить в состояние низкого полного сопротивления и превращаться в маршрут разрядки избыточного тока для обеспечения светодиодного модуля 10 обходным направлением тока. Фиг.6 изображает формы сигналов осциллографа, измеренных после прохождения через защиту от избыточных напряжений. Из графического материала видно, что после токового разряда, ток в элементе защиты от разряда 16 приближается к нулю, обеспечивая таким образом полную защиту светодиодного модуля.
[0030] Далее, фиг.7 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания переменного тока, согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения. Для краткости сходства данного варианта осуществления с вариантом на фиг.4 не будут повторно упоминаться здесь, однако их различие заключается в способе соединения элемента 16 защиты от разряда, так что один конец элемента 16 защиты от разряда присоединен между первым плавким элементом 12 и светодиодным модулем 10, в то время как другой конец соединен с отрицательным концом источника питания переменного тока. Цель данного способа соединения заключается в том, что при воздействии положительного разряда молнии, мгновенное высокое напряжение будет воздействовать на светодиоды 18 первой полярности светодиодного модуля 10, в то время как светодиоды 20 второй полярности не зажгутся из-за входного смещения в обратном направлении, в это время элемент 16 защиты от разряда мгновенно перейдет из состояния высокого полного сопротивления в состояние низкого полного сопротивления, тем временем светодиоды 18 первой полярности будут отключены благодаря низкому полному сопротивлению элемента 16 защиты от разряда, и избыточный ток, вызванный положительным разрядом молнии, будет разряжен непосредственно в землю через элемент 16 защиты от разряда, затем, после воздействия положительного разряда молнии или избыточного тока, первоначальный источник питания переменного тока продолжит альтернативно питать светодиоды 18 первой полярности и светодиоды 20 второй полярности, благодаря чему достигается защита данных светодиодных модулей от повреждения положительным разрядом молнии или избыточным током. Кроме этого, высокое напряжение, вызванное положительным разрядом молнии, будет воздействовать на элемент защиты от разряда 16 и активировать его, в то время как избыточный ток будет проходить через первый плавкий элемент 12, и когда величина этого тока превысит защитный лимит силы тока, первый плавкий элемент 12 активирует защитный режим. Также, благодаря острой реакции величины полного сопротивления первого плавкого элемента 12 на температуру, высокая температура, вызванная избыточным током, вызовет его моментальное изменение в состояние высокого полного сопротивления, таким образом непосредственно ограничивая прохождение избыточного тока через светодиодный модуль 10 и элемент 16 защиты от разряда, благодаря чему достигается поставленная задача защиты обоих данных элементов.
[0031] Наконец, фиг.8 изображает схему защиты СД, использующую для работы источник питания переменного тока, согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения. Для краткости сходства данного варианта осуществления с вариантом на фиг.4 не будут повторно упоминаться здесь, однако их различие заключается в способе соединения элемента 16 защиты от разряда, так что один конец элемента 16 защиты от разряда присоединен между первым плавким элементом 12 и светодиодным модулем 10, в то время как другой конец присоединен между вторым плавким элементом 14 и светодиодным модулем 10. Таким образом, независимо от того, возникает ли положительный разряд молнии или отрицательный разряд молнии, избыточный ток, вызванный мгновенным высоким напряжением, непосредственно доберется к положительному концу или отрицательному концу источника питания постоянного тока. В это время элемент 16 защиты от разряда находится в состоянии короткого замыкания для того, чтобы разрядить избыточный ток, с тем чтобы избыточный ток не прошел через светодиодный модуль 10. Тем временем, когда ток, проходящий или через первый плавкий элемент 12, или через второй плавкий элемент 14, превышает защитный лимит силы тока, любой из данных элементов активирует защитный режим. Например, при возникновении положительного разряда молнии мгновенное высокое напряжение заставит элемент 16 защиты от разряда находиться в состоянии короткого замыкания для того, чтобы разрядить избыточный ток, с тем чтобы избыточный ток не прошел через светодиодный модуль 10, таким образом защищая его от повреждения. Тем временем, избыточный ток, вызванный мгновенным высоким напряжением, будет проходить через первый плавкий элемент 12 и приводить его в разомкнутое состояние для того, чтобы защитить светодиодный модуль 10 от повреждения избыточным напряжением или избыточным током. При возникновении отрицательного разряда молнии элемент 16 защиты от разряда сперва осуществит защиту от разряда; между тем как второй плавкий элемент 14 переходит в разомкнутое состояние для того, чтобы защитить светодиодный модуль 10 от повреждения избыточным напряжением или избыточным током.
[0032] Подытожив все вышепредставленное, в настоящем изобретении используются плавкие элементы и элементы защиты от разряда для того, чтобы предоставить многофункциональную схему защиты от избыточного напряжения, способную осуществлять защиту от избыточного тока, избыточной температуры и разряда молнии.
[0033] Вышеизложенное подробное описание предпочтительного варианта осуществления предназначено для более ясного описания характеристик и сути настоящего изобретения. Однако предпочтительные варианты осуществления, изложенные выше, не предназначены для каких-либо ограничений объема настоящего изобретения. Напротив, его целью является включение различных изменений и эквивалентных конструкций, находящихся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.