СВЕТИЛЬНИК СВЕТОДИОДНЫЙ

Полезная модель относится к светотехнике, а именно к светильникам, предназначенным для промышленного, бытового и уличного освещения и может быть использована при разработке светильников большой яркости, предназначенных для эксплуатации в широком диапазоне температур окружающей среды.
Широко используемые в светильниках оптические излучатели в виде светодиодов обладают рядом достоинств, основными из которых являются световая эффективность и долговечность. Существенным недостатком светодиодов является сильная зависимость излучаемого светового потока от температуры, что приводит в условиях повышенной температуры окружающей среды к сокращению срока службы светодиодов.
Для получения большой яркости в светильниках используют электрические цепи, содержащие большое количество светодиодов.
Известен светильник светодиодный, содержащий, по меньшей мере, две ветви последовательно соединенных светодиодов, которые соединены с блоком питания, при этом параллельно каждому светодиоду подключены полупроводниковые элементы, в качестве которых использованы стабилитроны (патент RU №80298 U1, опубл. 27.01.2009 г.).
Дополнительное введение стабилитронов позволяет сохранить работоспособность остальных светодиодов в последовательной цепи при выходе одного светодиода из строя. Однако, световые показатели известного светильника остаются низкими даже при значительном усложнении устройства. Это объясняется тем, что при увеличении количества светодиодов соответственно увеличивается количество стабилитронов, которые в отличие от светодиодов не участвуют в создании светового потока.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является светильник светодиодный, описанный в патенте на полезную модель (RU №90955 U1, опубл. 20.01.2010), который содержит блок питания, подключенный к электрической цепи в виде матрицы, состоящей из M*N светодиодов. Светодиоды, расположенные в каждой строке матрицы, соединены параллельно, а светодиоды, расположенные в каждом столбце матрицы соединены последовательно.
При перегорании или обрыве любого светодиода в каждой строке, ток этого светодиода равномерно распределяется через оставшиеся светодиоды этой строки. В результате не светится только один светодиод, а остальные светодиоды схемы продолжают светиться. Данный светильник выбран в качестве прототипа заявляемой полезной модели.
Недостатком светильника светодиодного по полезной модели RU №90955 U1, 2010, является существенное изменение энергетического режима эксплуатации при выходе их строя одного светодиода строки, что приводит к ускоренному расходу ресурса работы светодиодов и выходу из строя также последующих светодиодов, находящихся в данной строке. В связи с увеличением тока, протекающего через светодиод (ядро светодиода), возрастает тепловая энергия, выделяемая на ядре светодиода, что приводит к увеличению напряжения на полупроводниковом переходе светодиода и, соответственно, уменьшению ресурса работоспособности светодиода. По мере возрастания температуры ядра светодиода процесс нарастает лавинообразно, что приводит к выходу очередного светодиода из строя, а затем и всех светодиодов строки.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение надежности работы светильника.
Технический результат, достигаемый при использовании данной полезной модели, заключается в повышении надежности работы светильника в широком диапазоне температур окружающей среды и обеспечение его работоспособности при выходе из строя одного или нескольких светодиодов.
Задача, с указанным техническим результатом, решается тем, что в светильнике светодиодном, содержащем блок питания, подключенный к электрической цепи в виде матрицы, состоящей из M*N светодиодов, причем светодиоды, расположенные в каждой строке матрицы соединены параллельно, а светодиоды, расположенные в каждом столбце матрицы соединены последовательно, согласно полезной модели, параллельно светодиодам, расположенным в каждой строке, включен элемент стабилизации напряжения с отрицательным температурным коэффициентом напряжения стабилизации, при этом элемент стабилизации напряжения установлен на общем теплоотводящем основании со светодиодами.
Технический результат достигается также тем, что:
блок питания содержит последовательно соединенные источник постоянного напряжения, ограничитель верхней границы напряжения и генератора тока, выход которого является выходом блока питания;
элементом стабилизации напряжения является стабилитрон;
элементом стабилизации напряжения является варистор.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - структурная электрическая схема светильника;
на фиг.2 - рисунок, поясняющий динамику работы стабилизатора напряжения.
Светильник светодиодный содержит блок 1 питания, состоящий из последовательно соединенных источника 2 постоянного напряжения, ограничителя 3 верхней границы напряжения и генератора 4 тока, выход которого является выходом блока питания.
∗
Блок 1 питания подключен к электрической цепи в виде матрицы, состоящей из MN светодиодов, причем с ветодиоды 1VD1…MVD1, расположенные в каждой строке матрицы соединены параллельно, а светодиоды 1VD1…1VDN, расположенные в каждом столбце матрицы соединены последовательно. Светодиоды закреплены на теплоотводящем основании. Параллельно светодиодам, расположенным в каждой строке, включены по одному элементу (М+1)VD1…(M+1)VDN стабилизации напряжения с отрицательным температурным коэффициентом напряжения стабилизации. Каждый элемент стабилизации напряжения установлен на общем теплоотводящем основании со светодиодами, чем достигаются одинаковые температурные режимы светодиодов и элементов стабилизации напряжения.
Элемент стабилизации напряжения выполнен с напряжением стабилизации равным или несколько большим (порядка 0,2-0,3 В) номинального прямого напряжения открытия светодиода при номинальной температуре окружающей среды
Температурная зависимость напряжения стабилизации должна обеспечивать обеспечивающей опережающее снижение/повышение напряжения стабилизации элемента по сравнению с напряжением срабатывания светодиода при повышении/понижении температуры окружающей среды, соответственно.
В качестве элемента стабилизации могут быть использованы элементы, которые обладают указанными свойствами, например, стабилитроны или варисторы.
Светильник светодиодный работает следующим образом.
Величина постоянного напряжения, формируемая на выходе ограничителя 3 верхней границы напряжения, определяется количеством последовательно соединенных светодиодов в столбце и значением прямого напряжения светодиода при минимальной температуре окружающей среды.
Рассмотрим динамику работы светодиодов и стабилизатора напряжения в одной строке. Работа элементов в других строках происходит аналогично.
В качестве примера на фиг.2 приведены графики зависимости прямого напряжения VF(V) на светодиоде (сплошная линия) и на стабилитроне (пунктирная линия) в зависимости от температуры Т(°С) окружающей среды при заданном токе светильника.
В качестве элемента стабилизации может быть использован также варистор или другой элемент, обладающей аналогичной характеристикой.
Температурная зависимость напряжения стабилизации обеспечивает опережающее снижение/повышение напряжения стабилизации элемента по сравнению с напряжением срабатывания светодиода при повышении/понижении температуры окружающей среды, соответственно.
При номинальной температуре окружающей среды (25°С) светодиоды открыты и излучают номинальный световой поток, обусловленный проходящим через них током. Стабилитрон, напряжение срабатывания которого при этой температуре равно или несколько больше номинального прямого напряжения открытия светодиода, находится на границе срабатывания, то есть большую часть времени закрыт.
При более низкой рабочей температуре светодиоды открываются ниже границы срабатывания стабилитрона, ток через стабилитрон не протекает. Светильник излучает номинальный световой поток.
При температуре, больше номинальной температуры окружающей среды, например 50°С, стабилитрон устойчиво открыт - часть тока от генератора тока протекает через цепь стабилизации. Ток, протекающий через каждый светодиод, уменьшается, снижается температурная нагрузка на ядро светодиода, светодиод снижает частично излучение оптической энергии, и ядро светодиода остывает. Работоспособность светодиодов сохранится при сохранении ресурса их работы. Светильник излучает номинальный световой поток, а на период снижения температуры ядра светодиода суммарная светимость светильника незначительно снизится.
При критической температуре, значительно больше номинальной температуры окружающей среды, например 90°С, стабилитрон поглощает значительную часть энергии, светодиод практически закрывается и быстро остывает, падение напряжение в прямом направлении возрастает, стабилитрон прекращает выполнять функцию стабилизации и остывает. Процесс носит периодический характер, что обеспечивает стабилизацию температурного режима работы светодиодов в строке матрицы и защиту светодиодов от перегрева и быстрой деградации.
При выходе из строя элемента строки (обрыв светодиода) режимы работы светодиодов изменяется - удельный ток через светодиоды возрастет, как следствие рабочая температура светодиода сместится в более высокую область. Стабилитрон будет срабатывать чаще, точка динамического равновесия процесса сместиться в область более высоких температур, что частично приведет к падению светоотдачи светодиодов строки - больше энергии будет выделяться на корпусе стабилитрона. Работоспособность светодиодов сохранится при сохранении ресурса их работы, а суммарная светимость светильника незначительно снизится.
Для обеспечения работоспособности стабилитрона при обрыве нескольких светодиодов строки, его рассеиваемая мощность должна быть не меньше, чем суммарная мощности светодиодов, расположенных в строке.
При выходе из строя элемента строки (короткое замыкание светодиода) - динамика работы элементов остальных строк не изменится. Погаснут все элементы одной строки, произойдет частичное снижение электрической потребляемой и оптической излучаемой мощности светильника. Суммарная светимость светильника снизится, а работоспособность светильника сохранится при сохранении ресурса работы.
Работоспособность полезной модели подтверждена на примере устройства, содержащего матрицу светодиодов из 7-ми строк и 4-х столбцов. В качестве светодиодов использованы светодиоды NJSW036AT фирмы Nichia. Ограничитель верхней границы напряжения и генератора тока реализованы на одной микросхеме LT1618EDD Linear Technologi (www.linear.com). В микросхеме делителем задается верхняя граница напряжения на выходе блока питания, а токозадающим резистором устанавливается номинальное суммарное значение тока питания светодиодов. В качестве стабилизатора напряжения применен стабилитрон BZV55-2V7, выбор которого обоснован током, протекающим в столбце матрицы светодиодов в нормальных климатических условиях.
Светильник обеспечивает световой поток 1100 люменов в нормальных климатических условиях и не менее 835 люменов (75% от номинала) при температуре окружающей среды 70°С (температуре теплоотводящего основания 90°С).
При повышении температуры окружающей среды до 85°С, температура теплоотводящего основания достигает 100°С, светильник сохраняет работоспособность со снижением светового поток до 15% от номинала (160 люменов). При снижении температуры окружающей среды светильник восстанавливает номинальный световой поток.
Таким образом, путем стабилизации температурного режима работы светодиодов в строке матрицы, обеспечивается надежная работа светильника в широком диапазоне температур окружающей среды, а также его работоспособность при выходе из строя одного или нескольких светодиодов.