ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ СВЕТОДИОДНОЙ ЛАМПЫ

Полезная модель 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).
Известен импульсный сетевой источник питания [1], содержащий последовательно подключенные к электрической сети фильтр электромагнитных помех, выпрямитель, корректор коэффициента мощности (ККМ) и стабилизатор тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на базе интегральной микросхемы. Управляющий выход микросхемы подключен к затвору полевого транзистора, выполняющего функцию электронного ключа, к стоку которого подсоединены параллельно включенные защитный диод и последовательно соединенные дроссель и n (n=1, 2, 3, …) СИД. Анод защитного диода подключен к стоку полевого транзистора, катод - к положительной выходной клемме ККМ. Катод первого СИД подключен к дросселю, анод n-го СИД подсоединен к катоду защитного диода и к положительной выходной клемме ККМ. К истоку полевого транзистора подключен первый вывод резистора и управляемый вход микросхемы контроллера, а другой вывод резистора подключен к отрицательной выходной клемме ККМ.
Недостатком аналога является отсутствие возможности регулировки яркости свечения СИД при изменении напряжения электрической сети, например, при включении устройства через регулируемый трансформатор или стандартный регулятор на симисторе с фазовым управлением.
Известен регулируемый стабилизатор постоянного тока нагрузки импульсного DC-DC преобразователя понижающего типа [2], содержащий интегральную микросхему ШИМ-контроллера, внешние элементы DC-DC преобразователя понижающего типа, образующие ключевую схему, причем нагрузка стабилизатора включена последовательно с линейным регулятором тока на полевом транзисторе и шунтом, причем одна клемма нагрузки подключена к выходу ключевой схемы, другая клемма нагрузки подключена к стоку транзистора, с которого подается постоянное напряжение на вход обратной связи ШИМ-контроллера, исток транзистора соединяется с шунтом, вторая клемма шунта соединяется с общим проводом схемы, а на затвор транзистора подается управляющее напряжение.
Недостатком аналога является необходимость подачи дополнительного управляющего напряжения для регулировки тока в нагрузке.
Наиболее близким к заявляемому устройству является импульсный источник питания для светодиодов [3], содержащий выпрямитель, конденсатор, подключенный параллельно выходным клеммам выпрямителя, и импульсный преобразователь, содержащий ШИМ контроллер на базе интегральной микросхемы, выход которой подключен к затвору полевого транзистора, выполняющего функцию электронного ключа, к стоку которого подсоединены параллельно включенные диод и последовательно соединенные дроссель и n (n=1, 2, 3, …) СИД. Входные клеммы диодного выпрямителя подключены к сети переменного напряжения, анод диода подключен к стоку полевого транзистора. Катод первого СИД подключен к дросселю, анод n-го СИД и катод диода подсоединены к положительной выходной клемме выпрямителя. К истоку полевого транзистора подключен первый вывод резистора и вход микросхемы, а другой вывод резистора и общий вывод микросхемы подключены к отрицательной выходной клемме выпрямителя.
Недостатком устройства - прототипа является невозможность изменения яркости свечения СИД при изменении напряжения электрической сети при включении устройства через стандартный регулятор на симисторе с фазовым управлением.
Задачей, на достижение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение регулирования яркости свечения СИД при изменении напряжения электрической сети, например, при включении устройства через стандартный регулятор на симисторе с фазовым управлением.
Это достигается тем, что в импульсный источник питания для светодиодов, содержащий выпрямитель, на входные клеммы которого подается изменяемое по амплитуде переменное напряжение электрической сети, первый конденсатор, подключенный параллельно выходным клеммам выпрямителя, и ШИМ контроллер на интегральной микросхеме, полевом транзисторе и первом резисторе, выход микросхемы подключен к затвору первого транзистора, к стоку которого подсоединены параллельно включенные диод и последовательно соединенные дроссель и n (n=1, 2, 3, …) СИД., причем катод первого СИД подключен к дросселю, а анод n-го СИД и катод диода подключены к положительной выходной клемме выпрямителя, к истоку полевого транзистора подключены первый вывод первого резистора и вход микросхемы, а другой вывод первого резистора подключен к общему выводу микросхемы, введены биполярный транзистор, коллектор которого подключен к истоку полевого транзистора, второй резистор, подключенный между отрицательной выходной клеммой выпрямителя и эмиттером биполярного транзистора, делитель напряжения на третьем и четвертом резисторах параллельно выходным клеммам выпрямителя, а общий вывод третьего и четвертого резисторов подключен к базе биполярного транзистора, второй конденсатор, подключенный параллельно четвертому резистору, и пятый резистор, подключенный между вторым выводом первого резистора и отрицательной клеммой выпрямителя.
Введение в схему биполярного транзистора, второго, третьего, четвертого и пятого резисторов и второго конденсатора при указанных соединениях элементов позволяет обеспечить изменение яркости свечения СИД при регулировании амплитудного значения питающего напряжения.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, на фиг. 2 - эпюры тока, протекающего через полевой транзистор за период Т управляющих импульсов на выходе микросхемы.
На фиг. 1 обозначено: 1 - выпрямитель; 2 - первый конденсатор; 3 - диод; 4 -дроссель; 5.1, …, 5.n - СИД; 6 - полевой транзистор; 7 - интегральная микросхема; 8 -первый резистор; 9 - биполярный транзистор; 10 - второй резистор; 11, 12 - третий и четвертый резисторы; 13 - второй конденсатор, 14 - пятый резистор.
Схема, изображенная на фиг. 1, работает следующим образом.
Интегральная микросхема 7 на выходе формирует управляющие импульсы, которые подаются на затвор полевого транзистора 6. При открытом состоянии транзистора 6 ток протекает от положительной клеммы конденсатора 2 к его отрицательному выводу через СИД 5.1-5.n, дроссель 4, транзистор 6, две параллельных ветви: резистор 8, соединенный последовательно с резистором 14, и транзистор 9, соединенный последовательно с резистором 10. При закрытом состоянии транзистора 6 ток через светодиоды протекает, за счет энергии, запасенной в магнитном поле дросселя 4 по контуру: дроссель 4, диод 3, СИД 5.1-5.n.
Bx
ОП
Скважность импульсов на выходе интегральной микросхемы регулируется таким образом, чтобы максимальное мгновенное напряжение на входе U интегральной микросхемы, было постоянным и равным напряжению внутренней опоры микросхемы U:
Bx
Напряжение на входе U интегральной микросхемы равно падению напряжения на резисторе 8.
При подаче номинального напряжения электрической сети на вход выпрямителя 1, соответствующего максимальной яркости свечения лампы и, соответственно, максимальному значению протекающего через СИД тока, делитель напряжения из резисторов 11 и 12 формирует на базе биполярного транзистора 9 открывающее напряжение. Биполярный транзистор 9 открыт, что приводит к тому, что ток, протекающий через цепь из резисторов 8, 10 и 14, СИД 5.1-5.n, дроссель 4 и транзистор 6, имеет большое значение, соответствующее номинальному току через СИД и максимальной яркости свечения лампы и определяется соотношением:
ср
макс
где k - коэффициент, учитывающий соотношение среднего I и максимального I значений тока, протекающего через полевой транзистор, за период Т управляющих импульсов на выходе микросхемы 7 (см. фиг. 2);
8
10
14
R, R, R - значения сопротивления резисторов 8, 10 и 14.
При подаче минимального напряжения электрической сети на вход выпрямителя 1, соответствующего минимальной яркости свечения лампы и, соответственно, минимальному значению протекающего через СИД тока, делитель напряжения из резисторов 11 и 12 формирует на базе биполярного транзистора 9 закрывающее напряжение. Биполярный транзистор 9 закрыт, что приводит к тому, что ток, протекающий через цепь из резисторов 8 и 14, СИД 5.1-5.n, дроссель 4 и транзистор 6, определяемый соотношением
имеет малое значение, соответствующее минимальному току через СИД и минимальной яркости свечения лампы.
1
2
При изменении напряжения электрической сети, подаваемого на вход выпрямителя 1, от номинального до минимального значения, например, при включении устройства через регулируемый трансформатор или стандартный регулятор на симисторе с фазовым управлением, биполярный транзистор 9 постепенно закрывается, значение тока через светодиоды уменьшается от I до I, а яркость уменьшается от максимального до минимального значения.
Конденсатор 13 служит для подавления помех на базе биполярного транзистора 9.
14
Минимальное значение сопротивления резистора R может быть вычислено по формуле:
кэ
где U - минимальное падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер биполярного транзистора при работе в линейном режиме (1…2) В;
макс
I - максимальное мгновенное значение тока, протекающего через полевой транзистор, показанное на фиг. 2.
По предлагаемой функциональной схеме (фиг. 1) был изготовлен макет устройства. Устройство содержит выпрямитель MB6F, первый конденсатор АХ 400Vx4.7uF 8X9 Rubycon, диод ES1J; дроссель CW68-102K индуктивностью 10000 мкГн; две параллельных ветви из 28 последовательно соединенных СИД типа EDI-EE0926F Epistar каждая, интегральную микросхему со встроенным полевым транзистором типа ВР2831А; первый резистор С2-33-50 Ом±5%; второй биполярный транзистор типа КТ3102Е; второй резистор С2-33-120 м ± 5%; третий резистор С2-33-300 кОм ± 5%; четвертый резистор С2-33-1,5 кОм ± 5%; второй конденсатор К10-17Б-1500М-3300 пФ ± 10%, пятый резистор С2-33-100 Ом ± 5%. Напряжение опоры имеет значение 250 мВ.
2
Экспериментальные измерения показали, что предлагаемое устройство позволяет регулировать яркость лампы в диапазоне от 150 до 15 кд/м, что соответствуют 100% и 10% максимального значения яркости.
Дополнительным преимуществом заявляемого устройства является расширенная функциональность, заключающаяся в возможности работы устройства от регулируемого трансформатора, симисторного регулятора и от регулируемого источника постоянного тока.
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. Достижение положительного эффекта доказано экспериментально.
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения:
1. Махлин А. Особенности проектирования блока питания для светодиодных ламп // Полупроводниковая светотехника. - 2011. - №1. - С. 31.
2. Пат. №139331 РФ, МПК Н02М 3/137 Регулируемый стабилизатор постоянного тока нагрузки импульсного DC-DC преобразователя понижающего типа // Подгорный В.В. (RU) - №2013148246/07, заявл. 29.10.2013, опубл. 10.04.2014.
3. Пат. №143350 РФ, МПК H01L 33/01 Импульсный источник питания для светодиодов // Ворошилов И.В. (RU), Котляров Б.Б. (RU) - №2013157493, заявл. 23.12.2013, опубл. 20.07.2014. Бюл. №20. - прототип устройства.