СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ СВЕТОДИОДНОГО СВЕТОВОГО ПРИБОРА В СЕТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
WIRING DIAGRAM OF LED LIGHT DEVICE TO AC SYSTEM

Изобретение относится к светотехнике, в частности к электронным устройствам включения в сеть переменного тока световых приборов, в которых в качестве источников света использованы группы полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД).
Известно устройство питания светодиодов от сети переменного тока [1]. Устройство содержит две параллельно соединенные цепи, подключенные к источнику переменного напряжения, первая цепь содержит два встречно-параллельно включенных СИД, вторая цепь содержит последовательно соединенные конденсатор и два встречно-параллельно включенных СИД.
Протекание тока через светодиоды происходит короткими импульсами в моменты времени, соответствующие максимальному значению питающего переменного синусоидального напряжения, приложенного к СИД. Поскольку световой поток, генерируемый светодиодом, пропорционален протекающему току, световой поток устройства представляет собой временную последовательность коротких световых импульсов с удвоенной частотой питающей электрической сети. Недостатком аналога является большое значение коэффициента пульсаций (отношения полуразности максимального и минимального мгновенных значений светового потока к среднему значению) [2].
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство питания светодиодов от сети переменного тока [3].
Устройство содержит n (n=2, 3, …) последовательно соединенных СИД. Анод первого СИД подключен к первому выводу сглаживающего пульсации напряжения первого конденсатора и к положительной выходной клемме диодного выпрямителя. Катод n-го СИД подсоединен ко второму выводу первого конденсатора и через первый резистор - к отрицательной клемме диодного выпрямителя. Входные клеммы диодного выпрямителя последовательно соединены с вторым токоограничивающим конденсатором и вторым резистором и подключены к сети переменного напряжения. Параллельно входным клеммам диодного выпрямителя подключен третий конденсатор, а параллельно второму конденсатору подключен третий разрядный резистор.
Недостатком устройства-прототипа является высокое значение коэффициента пульсаций светового потока.
Задачей, на достижение которой направлено предлагаемое техническое решение, является уменьшение коэффициента пульсаций светового потока.
Это достигается тем, что в схему включения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока, содержащую диодный выпрямитель, n (n=2, 3, …) СИД, причем анод n-го СИД соединен с положительной выходной клеммой диодного выпрямителя, первый резистор, одним выводом подключенный к отрицательной выходной клемме диодного выпрямителя, введены n управляемых нормально разомкнутых ключей и n-1 управляемых ключей, работающих на переключение. При этом первый контакт первого нормально разомкнутого ключа подключен к аноду первого СИД, первый контакт второго ключа подключен к аноду второго СИД, первый контакт n-1-го ключа подключен к аноду n-1-го СИД, а вторые контакты 1, 2, …, n-1-го ключей подключены к положительной выходной клемме диодного выпрямителя, первый контакт n-го ключа подключен к катоду первого СИД, а второй контакт - ко второму выводу первого резистора. Управляемые ключи, работающие на переключение (n-1), подключены так, что переключаемый контакт первого ключа подключен к катоду второго СИД, переключаемый контакт n-1-го ключа подключен к катоду n-го СИД, нормально замкнутый контакт первого ключа подключен к аноду первого СИД и первому контакту первого нормально разомкнутого ключа, …, замкнутый контакт n-1-го ключа подключен к аноду n-1-го СИД и первому контакту n-1-го нормально разомкнутого ключа, а нормально разомкнутые контакты первого, …, n-1-го ключей, работающих на переключение, подключены к катоду первого СИД и первому контакту n-го нормально разомкнутого ключа. Кроме того, в схему введены контроллер с процессором и двумя АЦП, резисторный делитель напряжения из последовательного соединенных второго и третьего резисторов, включенный параллельно выходу диодного выпрямителя. При этом дифференциальные входы первого АЦП подключены к первому резистору, дифференциальные входы второго АЦП подключены к третьему резистору, а 2n-1 выходов процессора подключены к управляющим входам первого, второго, …, n-го нормально разомкнутых ключей и к управляющим входам первого, второго, …, n-1-го ключей, работающих на переключение.
Функциональная схема устройства приведена на фиг. 1, на которой обозначено: 1 - контроллер; 2, 3 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП); 4 - диодный выпрямитель; 5.1, 5.2, …, 5.n-управляемые нормально разомкнутые ключи; 6.1, 6.2, …, 6.n-СИД; 7.1, 7.2, …, 7.n-1-управляемые ключи, работающие на переключение; 8 - первый резистор; 9, 10 - второй и третий резисторы.
На фиг. 2,а и 2,б приведены эпюры соответственно напряжения на выходе диодного выпрямителя 4 и тока, протекающего через СИД 6.1, 6.2, …, 6.n, управляемый ключ 5.n и первый резистор 8.
Устройство, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом.
В выключенном состоянии ключи 5.1, …, 5.n разомкнуты, ключи 7.1, …, 7.n-1 нормально замкнуты, что предотвращает выход СИД из строя при включении устройства. При включении устройства контроллер 1 с помощью АЦП 2 определяет момент перехода пульсирующего напряжения на выходе диодного выпрямителя 4 через ноль и подает логические сигналы на управляющие входы управляемых ключей таким образом, чтобы управляемые ключи 5.1, 5.2, …, 5.n перешли в замкнутое состояние, а ключи 7.1, 7.2, …, 7.n-1 переключились на нормально разомкнутый контакт. Аноды СИД 6.1, 6.2, …, 6.n-1 через замкнутые ключи 5.1, …, 5.n-1 подключаются к аноду СИД 6.n и плюсовой выходной клемме диодного выпрямителя. В результате к выходным клеммам диодного выпрямителя 4 последовательно подключаются ключ 5.n, резистор 8 и параллельно соединенные СИД 6.1, 6.2, …, 6.n. Светятся СИД 6.1, 6.2, …, 6.n. Общий световой поток в n раз больше светового потока одного СИД.
С увеличением значения напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 значение тока возрастает. Ток в цепи контролируется контроллером 1 с помощью АЦП 3 по падению напряжения на резисторе 8. При достижении током в цепи максимального значения для выбранного типа СИД контроллер 1 изменяет логические сигналы на управляющих входах управляемых ключей таким образом, чтобы управляемые ключи с нечетными номерами 5.1, 5.3, … переключились в разомкнутое состояние, а ключи 7.2, 7.4, … с четными номерами переключились на нормально разомкнутый контакт. К выходным клеммам диодного выпрямителя 4 через замкнутый ключ 5.n и резистор 8 оказывается подключенной цепь из параллельно включенных групп по два последовательно соединенных СИД в группе. Светятся СИД 6.1, 6.2, …, 6.n, если n - четное, или 6.1, 6.2, …, 6.n-1, если n - нечетное. Общий световой поток в n или (n-1) раз больше светового потока одного СИД.
При дальнейшем увеличении напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 контроллер поочередно подключает цепь из параллельно включенных групп по три, четыре, … последовательно соединенных СИД в группе. После достижения напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 максимального мгновенного значения напряжения и, соответственно, тока, протекающего по цепи СИД 6.1; 6.2; … 6.n, замкнутый ключ 5.n, резистор 8, напряжение и ток уменьшаются. При достижении тока в цепи минимального значения для выбранного типа СИД контроллер 1 изменяет логические сигналы на управляющих входах управляемых ключей таким образом, чтобы управляемый ключ 5.n-1 перешел в замкнутое состояние. При дальнейшем уменьшении напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 контроллер поочередно подключает цепь из параллельно включенных групп по … четыре, три, два, один … последовательно соединенных СИД в группе.
В результате в каждый интервал времени между переключениями ключей за период переменного питающего напряжения светятся все n или почти все СИД, обеспечивая постоянство светового потока.
По предлагаемой функциональной схеме (фиг. 1) был изготовлен макет устройства, содержащий четыре СИД, причем анод 4-го СИД соединен с положительной выходной клеммой диодного выпрямителя, первый резистор, одним выводом подключенный к отрицательной выходной клемме диодного выпрямителя, 4 управляемых нормально разомкнутых ключа, причем первый контакт первого ключа подключен к аноду первого СИД, первый контакт второго ключа подключен к аноду второго СИД, первый контакт 3-го ключа подключен к аноду 3-го СИД, а вторые контакты 1, 2, и 3-го ключей подключены к положительной выходной клемме диодного выпрямителя, первый контакт 4-го ключа подключен к катоду первого СИД, а второй контакт - ко второму выводу первого резистора. Три управляемых ключа, работающих на переключение, подключены так, что переключаемый контакт первого ключа подключен к катоду второго СИД, … переключаемый контакт 3-го ключа подключен к катоду 4-го СИД, нормально замкнутый контакт первого ключа подключен к аноду первого СИД и первому контакту первого нормально разомкнутого ключа, …, замкнутый контакт 3-го ключа подключен к аноду 3-го СИД и первому контакту 3-го нормально разомкнутого ключа, а нормально разомкнутые контакты первого, второго и третьего ключей, работающих на переключение, подключены к катоду первого СИД и первому контакту n-го нормально разомкнутого ключа. Параллельно выходу диодного выпрямителя включен резисторный делитель напряжения из последовательного соединенных второго и третьего резисторов. Дифференциальные входы первого АЦП контроллера подключены к первому резистору, дифференциальные входы второго АЦП подключены к третьему резистору. Семь выходов процессора подключены соответственно к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого нормально разомкнутых ключей и к управляющим входам первого, второго, и третьего ключей, работающих на переключение.
Устройство с четырьмя СИД работает следующим образом.
В выключенном состоянии ключи 5.1, …, 5.4 разомкнуты, ключи 7.1, …, 7.3 нормально замкнуты, что предотвращает выход СИД из строя при включении устройства.
При включении устройства контроллер 1 с помощью АЦП 2 определяет момент перехода пульсирующего напряжения на выходе диодного выпрямителя 4 через ноль и подает логические сигналы на управляющие входы управляемых ключей таким образом, чтобы управляемые ключи 5.1, 5.2, …, 5.4, перешли в замкнутое состояние, а ключи 7.1, 7.2, …, 7.3 переключились на нормально разомкнутый контакт. Аноды СИД 6.1, 6.2, 6.3 через замкнутые ключи 5.1, …, 5.3 подключаются к аноду СИД 6.4 и плюсовой выходной клемме диодного выпрямителя. В результате к выходным клеммам диодного выпрямителя 4 последовательно подключаются ключ 5.4, резистор 8 и параллельно соединенные СИД 6.1, 6.2, 6.3 и 6.4. Светятся все четыре СИД 6.1, 6.2, 6.3 и 6.4. Общий световой поток в четыре раза больше светового потока одного СИД.
С увеличением значения напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 значение тока возрастает. Ток в цепи контролируется контроллером 1 с помощью АЦП 3 по падению напряжения на резисторе 8. При достижении тока в цепи максимального значения для выбранного типа СИД контроллер 1 изменяет логические сигналы на управляющих входах управляемых ключей таким образом, чтобы управляемые ключи 5.1 и 5.3 переключились в разомкнутое состояние, а ключ 7.2 переключился на нормально разомкнутый контакт. К выходным клеммам диодного выпрямителя 4 через замкнутый ключ 5.4 и резистор 8 подключается цепь из параллельно включенных двух групп по два последовательно соединенных СИД: в первой группе последовательно соединены СИД 6.1, 6.2, в другой группе - СИД 6.3, 6.4. Светятся все четыре СИД 6.1, 6.2, 6.3 и 6.4. Общий световой поток в четыре раза больше светового потока одного СИД.
При дальнейшем увеличении значения напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 значение тока возрастает. Ток в цепи контролируется контроллером 1 с помощью АЦП 3 по падению напряжения на резисторе 8. При достижении тока в цепи максимального значения для выбранного типа СИД контроллер 1 изменяет логические сигналы на управляющих входах управляемых ключей таким образом, чтобы управляемые ключи 5.1 и 5.2 переключились в разомкнутое состояние, ключ 5.3 перешел в замкнутое состояние, а ключи 7.1, 7.2 и 7.3 переключились на нормально замкнутый контакт. К выходным клеммам диодного выпрямителя 4 через замкнутый ключ 5.4 и резистор 8 подключается цепь из последовательно соединенных СИД 6.1, 6.2 и 6.3. Светятся три СИД 6.1, 6.2, и 6.3. Общий световой поток в три раза больше светового потока одного СИД.
При дальнейшем увеличении значения напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 значение тока возрастает. При достижении тока в цепи максимального значения для выбранного типа СИД контроллер 1 изменяет логические сигналы на управляющих входах управляемых ключей таким образом, чтобы управляемые ключи 5.1, 5.2 и 5.3 переключились в разомкнутое состояние, а ключи 7.1, 7.2 и 7.3 переключились - на нормально замкнутый контакт. К выходным клеммам диодного выпрямителя 4 через замкнутый ключ 5.4 и резистор 8 оказывается подключена цепь из последовательно соединенных СИД 6.1, 6.2, 6.3 и 6.4. Светятся четыре СИД 6.1, 6.2, 6.3 и 6.4. Общий световой поток в четыре раза больше светового потока одного СИД.
После достижения напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 максимального мгновенного значения напряжения и, соответственно, тока, протекающего по цепи СИД 6.1; 6.2; 6.3 и 6.4, замкнутый ключ 5.4, резистор 8, напряжение и ток уменьшаются. Контроллер 1 изменяет логические сигналы на управляющих входах управляемых ключей таким образом, чтобы алгоритм переключения СИД осуществился в обратной последовательности.
В результате в каждый интервал времени между переключениями ключей за период переменного питающего напряжения светятся все четыре или три СИД, обеспечивая минимальное значение коэффициента пульсаций. Ток в цепи СИД меняется от минимального до максимального значения с частотой, в 15 раз большей частоты питающего переменного напряжения. При частоте питающей сети 50 (60) Гц значение частоты пульсаций светового потока равно 750 (900) Гц. Пульсация освещенности свыше 300 Гц согласно [4] не оказывает влияния на общую и зрительную работоспособность.
Экспериментальные измерения показали, что по отношению к устройству-прототипу предлагаемое устройство имеет на 42% меньшее значение коэффициента пульсации.
Дополнительное преимущество заявляемого устройства заключается в повышенной надежности, поскольку контроллер может быть запрограммирован так, что при превышении тока через СИД максимального рабочего значения, размыкается ключ 5.n на фиг. 1, отключая СИД от диодного выпрямителя 4 до момента перехода пульсирующего напряжения на выходе диодного выпрямителя 4 через ноль.
Выполненные патентные исследования и анализ других источников информации показали, что предлагаемое техническое решение является новым, имеет изобретательский уровень, поскольку не является очевидным из уровня техники. Возможность промышленного производства и достижение положительного эффекта доказаны экспериментально.
Источники информации
1. Пат.US 8269408 В2, Led based structure with embedded capacitor / Helio optoelectronics corporation (TW), 11.01.2011.
2. Махлин А. Особенности проектирования блока питания для светодиодных ламп // Полупроводниковая светотехника. - 2011. - №1. - С. 31.
3. Пат. №95214 РФ, МПК Н05В 37/00, Схема подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока // Кумин А.М. (RU) - №2009146804/22, заявл. 17.12.2009, опубл. 10.06.2010 - прототип устройства.
4. ГОСТ P 54945-2012. Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации освещенности.