СХЕМА ПИТАНИЯ И УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ СХЕМУ ПИТАНИЯ
FEED CIRCUIT AND DEVICE CONTAINING FEED CIRCUIT

Изобретение относится к схеме питания для подачи выходного сигнала на нагрузку и также относится к устройству, содержащему схему питания, к способу, компьютерному программному продукту и носителю для хранения компьютерного программного продукта.
Примерами такой схемы питания являются схемы переключения в режим источников электропитания, не исключая и другие схемы питания. Примерами такой нагрузки являются один светодиод, а также два или несколько последовательных светодиодов, а также два или несколько параллельных светодиодов, не исключая и другие нагрузки.
Схема питания предшествующего уровня техники известна из Патента США 6853150 B2, который раскрывает схему питания, содержащую транзисторную схему с двумя транзисторами в конфигурации полумоста и содержащую импедансную цепь с катушкой индуктивности и конденсаторами, соединенными со светодиодами.
Схема питания предшествующего уровня техники не оптимальна, в частности, в том, что колебание входного сигнала и/или колебания падения напряжения на светодиодах может привести к колебанию выходного сигнала, которое может привести к колебанию яркости светодиода.
Патент США 2005/0073859 раскрывает преобразователь постоянного тока в переменный ток и интегральную схему его контроллера. Этот преобразователь постоянного тока в переменный ток содержит схему детектирования тока для детектирования величины тока, протекающего через нагрузку для генерации сигнала детектирования тока (параграф 0017). Этот сигнал детектирования тока подается назад на интегральную схему контроллера (параграф 0049).
Задача изобретения, в частности, заключается в предоставлении схемы питания, которая поставляет относительно постоянный выходной сигнал на нагрузку.
Кроме того, задачи изобретения, в частности, заключаются в предоставлении устройства, содержащего схему питания, которая подает относительно постоянный выходной сигнал на нагрузку, чтобы предоставить способ подачи относительно постоянного выходного сигнала на нагрузку, в предоставлении компьютерного программного продукта и в предоставлении носителя.
В соответствии с изобретением схема питания для подачи выходного сигнала на нагрузку содержит
первую схему для преобразования входного сигнала в импульсный сигнал, причем первая схема содержит транзисторы,
вторую схему для приема импульсного сигнала и для подачи выходного сигнала на нагрузку, причем вторая схема содержит резонансный контур, и
третью схему для управления первой схемой, причем третья схема содержит генератор для генерации управляющего сигнала для управления транзисторами, для уменьшения зависимости между входным сигналом и выходным сигналом, причем третья схема содержит вход для приема входного сигнала и содержит выход для подачи управляющего сигнала в зависимости от входного сигнала и независимо от выходного сигнала.
Посредством введения, в дополнение к первой схеме и второй схеме, третьей схемы для управления первой схемой, причем третья схема содержит генератор для генерации управляющего сигнала для управления транзисторами таким образом, чтобы зависимость между входным сигналом и выходным сигналом уменьшалась, схема питания в соответствии с изобретением подает относительно постоянный выходной сигнал на нагрузку.
Входной сигнал, например, содержит сигнал входного напряжения, не исключая и других входных сигналов, и выходной сигнал, например, содержит выходной сигнал тока, не исключая и других выходных сигналов.
Схема питания в соответствии с изобретением, кроме того, снижает зависимость между, например, выходным сигналом напряжения и, например, выходным сигналом тока.
Выход для подачи управляющего сигнала в зависимости от входного сигнала и независимо от выходного сигнала удачно позволяет избежать использования невыгодного контура обратной связи от нагрузки (вторичная сторона) к первой схеме (первичная сторона). Другими словами, управляющий сигнал подается в зависимости от сигнала первичной стороны и независимо от сигнала вторичной стороны.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен третьей схемой, содержащей, кроме того, вход для приема опорного сигнала, причем управляющий сигнал, кроме того, зависит от опорного сигнала. Этот вариант реализации успешно позволяет выходному сигналу быть отрегулированным посредством регулировки опорного сигнала. Опорный сигнал, например, содержит опорный сигнал тока, не исключая и других опорных сигналов.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен третьей схемой, содержащей мультипликатор для умножения входного сигнала и управляющего сигнала, и содержащий фильтр низких частот для низкочастотной фильтрации выходного сигнала мультипликатора, и содержащий преобразователь для преобразования выходного сигнала фильтра низких частот, и содержащий сумматор для суммирования преобразованного и инвертированного выходного сигнала фильтра низких частот и опорного сигнала, генератор, содержащий контроллер для приема выходного сигнала сумматора, и содержащий управляемый напряжением вибратор для приема выходного сигнала контроллера, и содержащий монотриггер для приема выходного сигнала, управляемого напряжением вибратора, и для генерации управляющего сигнала. Этот вариант реализации успешно использует третью схему, содержащую управляющий контур. Сложение преобразованного и инвертированного выходного токового сигнала фильтра низких частот и опорного сигнала, естественно, соответствует вычитанию выходного сигнала фильтра низких частот из опорного сигнала. Выходной сигнал мультипликатора, например, содержит сигнал выходного напряжения мультипликатора, выходной сигнал фильтра низких частот, например, содержит выходной сигнал напряжения фильтра низких частот перед входом в преобразователь и, например, содержит выходной сигнал тока фильтра низких частот с другой стороны преобразователя, и выходной сигнал сумматора, например, содержит выходной сигнал тока сумматора, не исключая и другие сигналы.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен импульсным сигналом, содержащим первые импульсы, имеющие первую амплитуду, и содержащим вторые импульсы, имеющие вторую амплитуду, отличающуюся от первой амплитуды, и содержащим уровни, имеющие третью амплитуду, отличающуюся от первой и второй амплитуд. Этот вариант реализации успешно использует импульсный сигнал с тремя различными амплитудами, которые увеличивают число вариантов управления.
Предпочтительно, схема питания в соответствии с изобретением определена первой амплитудой, являющейся положительной амплитудой, второй амплитудой, являющейся отрицательной амплитудой, и третьей амплитудой, являющейся по существу нулевой амплитудой. Этот вариант реализации успешно использует симметричный импульсный сигнал.
Предпочтительно, схема питания в соответствии с изобретением определена первой схемой, содержащей первый транзистор, имеющий первый главный электрод, соединенный с первым опорным выводом, и имеющий второй главный электрод, соединенный с первым входом второй схемы, и содержащей второй транзистор, имеющий первый главный электрод, соединенный со вторым главным электродом первого транзистора, и имеющий второй главный электрод, соединенный со вторым опорным выводом, и содержащей третий транзистор, имеющий первый главный электрод, соединенный с первым опорным выводом и имеющий второй главный электрод, соединенный со вторым входом второй схемы, и содержащей четвертый транзистор, имеющий первый главный электрод, соединенный со вторым главным электродом третьего транзистора и имеющий второй главный электрод, соединенный со вторым опорным выводом. Этот вариант реализации успешно использует первую схему, содержащую четыре транзистора в конфигурации полного моста (двухполупериодный H-мост).
Предпочтительно, схема питания в соответствии с изобретением определена первой схемой, содержащей логическую схему для получения управляющего сигнала и содержащей выходы, соединенные с управляющими электродами транзисторов для перевода первого и четвертого транзисторов в проводящее состояние для создания первых импульсов и для перевода второго и третьего транзисторов в проводящее состояние, для создания вторых импульсов, и для перевода также первого и третьего, или второго и четвертого транзисторов в проводящее состояние, чтобы создать уровни. Этот вариант реализации успешно использует логическую схему в первой схеме для соединения первой и третьей схем друг с другом.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен импульсным сигналом, содержащим первые импульсы, имеющие первую амплитуду, и содержащий вторые импульсы, имеющие вторую амплитуду, отличную от первой амплитуды. Этот вариант реализации успешно использует импульсный сигнал только с двумя различающимися амплитудами.
Предпочтительно, схема питания в соответствии с изобретением определена первой амплитудой, являющейся положительной амплитудой и второй амплитудой, являющейся отрицательной амплитудой. Этот вариант реализации успешно использует симметричный импульсный сигнал.
Предпочтительно, схема питания в соответствии с изобретением определена первой схемой, содержащей четыре транзисторные топологии, описанные выше, при которой четыре транзистора управляются таким образом, что в данном случае подводится только импульсный сигнал с двумя различающимися амплитудами. Этот вариант реализации успешно использует первую схему, содержащую четыре транзистора в конфигурации полного моста (H-мост), который в данном случае подводит импульсный сигнал только с двумя амплитудами.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен импульсным сигналом, содержащим третьи импульсы, имеющие четвертую амплитуду, и содержащим уровень, имеющий пятую амплитуду. Этот вариант реализации успешно использует импульсный сигнал только с двумя различающимися амплитудами, причем одна из этих амплитуд реализована посредством импульса и другая амплитуда реализована посредством уровня.
Предпочтительно, схема питания в соответствии с изобретением определена четвертой амплитудой, являющейся положительной амплитудой, и пятой амплитудой, являющейся по существу нулевой амплитудой. Этот вариант реализации успешно использует асимметричный импульсный сигнал.
Предпочтительно, схема питания в соответствии с изобретением определена первой схемой, содержащей первый транзистор, имеющий первый главный электрод, соединенный с первым опорным выводом, и имеющий второй главный электрод, соединенный с первым входом второй схемы, и содержащей второй транзистор, имеющий первый главный электрод, соединенный со вторым главным электродом первого транзистора, и имеющий второй главный электрод, соединенный со вторым опорным выводом, причем второй опорный вывод, кроме того, соединен со вторым входом второй схемы. Этот вариант реализации успешно использует первую схему, содержащую два транзистора в конфигурации полумоста.
Предпочтительно, схема питания в соответствии с изобретением определена первой схемой, содержащей логическую схему для получения управляющего сигнала и содержащей выходы, соединенные с управляющими электродами транзисторов для перевода первого транзистора в проводящее состояние, чтобы создать третий импульс, и для перевода второго транзистора в проводящее состояние, чтобы создать уровни. Этот вариант реализации успешно использует логическую схему в первой схеме для соединения первой и третьей схем друг с другом.
Предпочтительно, схема питания в соответствии с изобретением определена первой схемой, содержащей полумост, и третьей схемой, выполненной для управления полумостом при Ts≥4·tau, где tau - половина периода резонанса резонансного контура, и Ts - время переключения.
Предпочтительно, схема питания в соответствии с изобретением определена первой схемой, содержащей полный мост, и третьей схемой, выполненной для управления полным мостом либо как однополупериодным мостом при on&off time=2·tau (время включения-выключения) и при Ts≥4·tau, либо как полным мостом без свободного состояния при on+&on-time=2·tau и при Ts≥4·tau, или как полным мостом со свободным состоянием при on+&on-time=tau и свободными состояниями длительностью tau вслед за каждым импульсом и Ts≥4·tau, где tau - половина периода резонанса резонансного контура и Ts - время переключения.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен резонансным контуром, содержащим трансформатор и конденсатор, соединенный последовательно с первичной стороной трансформатора или с вторичной стороной трансформатора. Этот вариант реализации успешно использует трансформатор для обеспечения гальванической развязки. Возможно, вторая схема, кроме того, содержит выпрямляющую схему, содержащую один или несколько диодов, соединенных с вторичной стороной трансформатора. Этот вариант реализации, кроме того, успешно использует конденсатор в комбинации с индуктивностью рассеяния трансформатора (и/или с отдельной катушкой индуктивности) для создания резонансного контура.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен резонансным контуром, содержащим катушку индуктивности и конденсатор, соединенный последовательно с первичной стороной катушки индуктивности или с вторичной стороной катушки индуктивности. Этот вариант реализации успешно использует катушку индуктивности. Такая катушка индуктивности намного дешевле трансформатора. Возможно, вторая схема, кроме того, содержит выпрямляющую схему, содержащую один или несколько диодов, соединенных с вторичной стороной катушки индуктивности. Этот вариант реализации, кроме того, успешно использует конденсатор в комбинации с катушкой индуктивности для создания резонансного контура.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен нагрузкой, содержащей один или несколько светодиодов.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен содержанием одного или нескольких входных диодов для выпрямления сигнала переменного тока, причем входной сигнал содержит выпрямленный сигнал переменного тока. Сигнал переменного тока, например, содержит сигнал напряжения переменного тока, не исключая и другие сигналы переменного тока.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен импульсным сигналом, содержащим импульс, имеющий длительность, по существу равную половине резонансного периода резонансного контура (полный мост).
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен импульсным сигналом, содержащим импульсы, имеющие частоту по существу равную или меньшую половины резонансной частоты резонансного контура (полный мост).
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен произведением входного сигнала и частоты импульсов, являющимся по существу постоянным. Таким образом, создается постоянный выходной сигнал тока, который является независимым от входного сигнала напряжения.
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен импульсным сигналом, содержащим импульс с длительностью, по существу равной резонансному периоду резонансного контура (полумост).
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен импульсным сигналом, содержащим импульсы, имеющие частоту по существу равную или меньшую резонансной частоты резонансного контура (полумост).
Вариант реализации схемы питания в соответствии с изобретением определен произведением входного сигнала и частоты импульсов, являющегося по существу постоянным. Таким образом, создается постоянный выходной сигнал тока, который является независимым от входного напряжения сигнала.
Варианты реализации устройства в соответствии с изобретением и способа в соответствии с изобретением и компьютерного программного продукта в соответствии с изобретением и носителя в соответствии с изобретением соответствуют вариантам реализации схемы питания в соответствии с изобретением.
Изобретение основано на понимании того, в частности, что колебания входного напряжения могут привести к колебанию выходного тока, которое следует избегать, и основано на основной идее, в частности, что в дополнение к первой схеме и второй схеме вводится третья схема для управления первой схемой таким образом, что зависимость между входным сигналом и выходным сигналом снижается.
Изобретение решает задачу, в частности, обеспечения схемы питания, которая подает относительно постоянный выходной сигнал на нагрузку и, кроме того, выгодно, в частности, снижением зависимости между, например, выходным сигналом напряжения и, например, выходным сигналом тока.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и объяснены описанными в дальнейшем вариантами реализации.
Среди чертежей:
Фиг.1 - схематически показана схема питания в соответствии с изобретением, содержащая первую, вторую и третью схемы,
Фиг.2 - схематически показан преобразователь переменного тока в постоянный ток,
Фиг.3 - показана логическая схема для первой схемы,
Фиг.4 - показана третья схема более подробно,
Фиг.5 - показан управляющий сигнал и результирующий импульсный сигнал,
Фиг.6 - показан ток через первичную сторону трансформатора второй схемы и напряжение на конденсаторе второй схемы как функция импульсного сигнала,
Фиг.7 - показан ток через вторичную сторону трансформатора второй схемы и ток через нагрузку как функция импульсного сигнала,
Фиг.8 - показано устройство в соответствии с изобретением.
Фиг.9 - показан управляющий сигнал и отдельные управляющие сигналы, полученные из него логической схемой и предназначенные для отдельных транзисторов,
Фиг.10 - показана схематически другая схема питания в соответствии с изобретением,
Фиг.11 - показана схематически другая схема питания в соответствии с изобретением.
Фиг.12 - показана схематически другая схема питания в соответствии с изобретением,
Фиг.13 - показана схематически другая схема питания в соответствии с изобретением,
Фиг.14 - показано напряжение, подаваемое первой схемой и напряжение на конденсаторе как функция времени,
Фиг.15 - показан ток через катушку индуктивности как функция времени,
Фиг.16 - показаны напряжения и токи для различных ситуаций A-F как функция времени,
Фиг.17 - показаны токи для различных ситуаций A-C как функция времени.
Фиг.18 - показаны токи для различных ситуаций A-C как функция времени,
Фиг.19 - показана схематически другая схема питания в соответствии с изобретением, и
Фиг.20 - показаны токи и напряжение для периода переключения как функция времени (Ts>4·tau), tau=половина резонансного периода.
Схема питания 1-3 в соответствии с изобретением, показанная на Фиг.1, содержит первую схему 1 и вторую схему 2 и третью схему 3. Первая схема 1 содержит источник 4 напряжения для генерирования входного сигнала напряжения Uin посредством первого и второго контрольных выводов 15 и 16. Первая схема 1, кроме того, содержит четыре транзистора 11-14. Первый транзистор 11 имеет первый главный электрод, соединенный с первым контрольным выводом 15, и имеет второй главный электрод, соединенный с первым входом 20a второй схемы 2. Второй транзистор 12 имеет первый главный электрод, соединенный со вторым главным электродом первого транзистора 11, и имеет второй главный электрод, соединенный со вторым контрольным выводом 16. Третий транзистор 13 имеет первый главный электрод, соединенный с первым контрольным выводом 15, и имеет второй главный электрод, соединенный со вторым входом 20b второй схемы 2. Четвертый транзистор 14 имеет первый главный электрод, соединенный со вторым главным электродом третьего транзистора 13, и имеет второй главный электрод, соединенный со вторым контрольным выводом 16. Первая схема 1, кроме того, содержит логическую схему 5, соединенную с третьей схемой 3 и с управляющими электродами транзисторов 11-14. Эта логическая схема 5 будет рассмотрена в связи с Фиг.3.
Вторая схема 2 содержит от входа 20a до входа 20b, например, последовательный резонансный контур из конденсатора 27, индуктивности 26 и первичной стороны трансформатора 25. Индуктивность 26 обычно, по меньшей мере, частично формируется паразитной индуктивностью трансформатора 25. Вторая схема 2 возможно, кроме того, содержит четыре выходных диода 21-24, соединенных с вторичной стороной трансформатора 25 и образующих выпрямляющую схему, которая, кроме того, соединена со сглаживающим конденсатором 28 и с нагрузкой 6, например, содержащей три последовательных светодиода.
Преобразователь 4 переменного тока в постоянный ток или источник напряжения 4, показанный на Фиг.2, содержит источник напряжения переменного тока 45, соединенный с четырьмя диодами, образующими дополнительную выпрямляющую схему, которая, кроме того, соединена с дополнительным сглаживающим конденсатором 46.
Логическая схема 5, изображенная на Фиг.3, содержит мультивибратор 51, принимающий управляющий сигнал s(t) от третьей схемы 3. Q-выход мультивибратора соединен со схемой 52И, которая, кроме того, принимает управляющий сигнал s(t) и инвертированный Q-выход ждущего мультивибратора 51 соединен со схемой 53И, которая, кроме того, принимает управляющий сигнал s(t). Выход схемы И 52 соединен через неинвертор 52a со схемой задержки tdon 54a и через инвертор 52b со схемой задержки tdon 54b. Выход схемы И 53 соединен через неинвертор 53a со схемой задержки tdon 55a и через инвертор 53b со схемой задержки tdon 55b. Соответствующие схемы задержки tdon 54a и 54b, и 55a и 55b, соединены с управляющими электродами соответствующих транзисторов 11-14 возможно через переключатель 56 уровня для транзисторов 11 и 12 и переключатель 57 уровня для транзисторов 13 и 14.
Третья схема 3, показанная на Фиг.4, содержит вход 30a для приема входного сигнала напряжения Uin (в более общем случае: входной сигнал или сигнал первичной стороны) и содержит выход 30c для подачи управляющего сигнала s(t) в зависимости от входного сигнала напряжения Uin и независимо от выходного сигнала тока через нагрузку 6. Третья схема 3, кроме того, содержит дополнительный вход 30b для приема опорного сигнала тока, управляющего сигнала s(t), кроме того, зависящего от опорного сигнала тока. К тому же третья схема 3 содержит умножитель 31 для перемножения входного сигнала напряжения Uin и управляющего сигнала s(t) и содержит фильтр 32 нижних частот для низкочастотной фильтрации выходного сигнала напряжения мультипликатора, и содержит преобразователь 33 для преобразования выходного сигнала напряжения фильтра низких частот в выходной сигнал тока фильтра низких частот, и содержит сумматор 34 для суммирования инвертированного выходного сигнала тока фильтра низких частот и опорного сигнала тока. Генератор 35-37 содержит контроллер 35 для приема выходного сигнала тока сумматора, и содержит управляемый напряжением вибратор 36 для приема выходного сигнала контроллера, и содержит, монотриггер 37 для приема выходного сигнала вибратора управляемого напряжением и для генерации управляющего сигнала s(t).
На Фиг.5 показаны управляющий сигнал s(t) и результирующий импульсный сигнал U1(t). Импульсный сигнал U1 имеет первые импульсы, имеющие первую амплитуду +Uin, и имеет вторые импульсы, имеющие вторую амплитуду -Uin, отличающуюся от первой амплитуды, и имеет уровни, имеющие третью амплитуду 0, отличающуюся от первой и второй амплитуд. Предпочтительно, первая амплитуда является положительной амплитудой, вторая амплитуда - отрицательной амплитудой и третья амплитуда - по существу нулевая амплитуда.
На Фиг.6 показаны ток I1(t) через первичную сторону трансформатора 25 второй схемы 2 и напряжение Uc(t) на конденсаторе 27 второй схемы 2 как функция импульсного сигнала U1(t).
На Фиг.7 показаны ток ID(t) через вторичную сторону трансформатора 25 второй схемы 2 (после выпрямителя) и ток Iout через нагрузку 6 как функция импульсного сигнала U1(t).
Устройство 10 в соответствии с изобретением, показанное на Фиг.8, содержит первую, вторую и третью схемы 1-3 и нагрузку 6 и источник напряжения 4, в данном случае расположенный вне первой схемы 1.
На Фиг.9 показаны управляющий сигнал s(t) и отдельный управляющий сигнал f1 (выход схемы И 53) и f2 (выход схемы И 52) и T1-T4 (выходы tdon схем задержки 54a, 54b, 55a, 55b), полученные из логической схемы 5 и предназначенные для отдельных транзисторов 11-14.
Итак, были созданы топология формирователя с гальванической развязкой и схема управления светодиодами или LED. Входное напряжение Uin может быть нестабилизированным напряжением постоянного тока. Формирователь состоит из транзисторного H-моста 11-14, управляющей третьей схемы 3 для H-моста 11-14, трансформатора 25, последовательного конденсатора 27, диодного моста 21-24 и сглаживающего выходного конденсатора 28. На выходе может быть запитано последовательное соединение светодиодов.
Трансформатор 25 служит для гальванической развязки и может адаптировать уровень напряжения, например, от 300В до 30В. Резонансная топология сформирована паразитной индуктивностью 26 трансформатора 25 и последовательным конденсатором 27. Таким образом, индуктивность паразитного рассеяния трансформатора 25 может быть частью формирователя. В противоположность преобразователям на основе Широтно-Импульсной Модуляции, например, прямой или обратной топологии, в данном случае не требуется минимизировать индуктивность рассеяния. Это дает преимущество для изоляции и конструкции обмотки и, таким образом, сохраняет низкую стоимость.
Управляющая третья схема 3 и логическая схема 5 генерирует чередуемые положительные и отрицательные импульсы напряжения с фиксированной длительностью. Между этими импульсами напряжения H-мост 11-14 должен оставаться в свободном состоянии заданное время. Следовательно, выход управляется частотой повторения импульсов. Если резонансная частота схемы адаптирована должным образом к длительности импульса напряжения, и если количество светодиодов соответствует рабочему диапазону напряжения схемы, то это соответствует идеальному формирователю питания для светодиодов, имеющему следующие особенности:
Ток в формирователе становится синусоидальным, причем нулевым в моменты переключения. Это позволяет избежать потерь при переключении и минимизируются электромагнитные помехи.
Средний ток в светодиоде пропорционален входному напряжению постоянного тока формирователя и рабочей частоте. Это означает, что падение напряжения на светодиоде не воздействует на ток при большом диапазоне нагрузки. Если произведение входного напряжения постоянного тока и частоты сохраняется постоянным, то средний ток через светодиод также постоянен. Кроме того, ток светодиода может варьироваться от номинального значения до нуля.
Система формирователя для светодиода не требует ни датчиков, ни блоков управления на вторичной стороне (светодиода).
Изменения параметров светодиода не влияют на ток в светодиоде. Это также включает в себя короткое замыкание отдельного светодиод. Полное падение напряжения на всех светодиодах может изменяться от 33% до 100%.
Номинальное выходное напряжение может быть установлено коэффициентом трансформации трансформатора 25.
Система освещения является очень подходящей для питания от электросети.
Легко может быть установлена функция затемнения.
Блок питания и управления может быть объединен в большой интегральной схеме.
Кроме того, в частности, любое, не стабилизированное напряжение постоянного тока Uin может быть использовано для питания формирователя. Это напряжение может быть сгенерировано от сети переменного тока посредством использования дополнительного диодного моста 41-44 и дополнительного сглаживающего конденсатора 46. Питающая часть формирователя состоит из H-моста, выполненного на 4-х транзисторах 11-14. Эти транзисторы управляются третьей схемой 3 через логическую схему 5. Переключатели уровня могут использоваться как интерфейсы между управляющими электродами транзисторов 11-14 и логической схемой 5.
Выходные выводы H-моста 11-14 соединяются с первичной обмоткой трансформатора 25 через последовательный конденсатор 27. Вторичная обмотка трансформатора 25 питает диодный мост 21-24. Этот диодный мост 21-24 выпрямляет напряжение переменного тока от трансформатора 25 и сглаживающий конденсатор 28 используется для сглаживания выходного напряжения Uout. Последовательное соединение произвольного числа светодиодов питается выходным напряжением Uout.
-1
-1/2
-1
-1/2
26
27
26
27
Последовательный конденсатор 27 и паразитная индуктивность 26 трансформатора 25 формирует последовательный резонансный контур с резонансной частотой fres=(2π) (LC)~(Tres) и с резонансным импедансом Zres=(LC). H-мост 11-14 производит поочередно положительный и отрицательный импульсы напряжения (+Uin или -Uin). Импульс положительного напряжения появляется, если транзистор 11 и транзистор 14 находятся в состоянии, когда может быть установлен импульс отрицательного напряжения, включающий транзисторы 12 и 13. Между импульсами напряжения H-мост 11-14 обеспечивает свободный режим, который может быть осуществлен или включением транзисторов 11 и 13, или включением транзисторов 12 и 14. Временной интервал ton положительного и отрицательного импульсов предпочтительно устанавливается равным половине резонансного периода ton=Tres/2, не исключая и другие установки.
В случае если временной интервал ton установлен, частота fs может быть использована как управляющий параметр. Ее максимальное значение ограничивается как fmax=fres/2>fs. На Фиг.5 показана характерная волна выходного напряжения H-моста 11-14, а также основная функция переключения s(t), сгенерированная в управляющей третьей схеме 3.
Номинальное выходное напряжение Uout может определяться числом светодиодов, соединенных последовательно, и падениями напряжения на них. Оно может оставаться в пределах диапазона напряжений N2Uin/(3N1)<Uout<N2Uin/Nl, где N2 обозначает вторичные обмотки, и N1 обозначает первичные обмотки трансформатора 25. Если эти условия выполнены, то две последовательных синусоидальных полуволны импульсов тока снимаются с H-моста 11-14 для каждого импульса напряжения. Соответствующий ток I1(t) представлен на Фиг.6 для некоторой рабочей точки. Кроме того, на этом чертеже показано также результирующее напряжение Uc(t) на последовательном конденсаторе 27.
Пренебрегая током намагничивания, вторичный ток трансформатора 25 пропорционален первичному току - I2=I1N1/N2. Вторичный ток трансформатора I2 выпрямляется диодным мостом 21-24, с ID(t)=|I2(t)|, показанным на Фиг.7. Благодаря сглаживающему конденсатору 28 в нагрузке 6 протекает постоянный выходной ток, равный среднему значению выпрямленного вторичного тока Iout=IDrectified.
Выходной ток и, таким образом, ток светодиода пропорционален частоте и входному напряжению: Iout=2 UinN1fs/(Zres π N2 fres). Поскольку входное напряжение Uin изменяется с напряжением сети и из-за пульсаций напряжения, вызванных малым дополнительным сглаживающим конденсатором 46, частота fs может быть приспособлена таким образом, что произведение Uin и fs и, таким образом, выходной ток Iout поддерживается относительно постоянным.
Это может быть достигнуто третьей схемой 3, не исключая и другие схемы. На первом этапе необозначенные импульсы напряжения, генерируемые функцией переключения s(t) и входным напряжением постоянного тока Uin, фильтруются фильтром нижних частот (например, RC-цепочкой).
Результирующее напряжение постоянного тока пропорционально произведению частоты и напряжения. Это напряжение преобразуется в ток посредством преобразователя 33 и сравнивается с опорным током, Iref, и разность устанавливает рабочую частоту fs посредством контроллера 35. К тому же, контроллер 35 управляет управляемым напряжением вибратором 36, который генерирует fs и который запускает монотриггер 37, который генерирует управляющий сигнал s(t) с импульсами, имеющими длительность ton и т.д. Предпочтительно, но не исключительно, ton=1/(2fres). Включение схем 54a, 54b, 55a, 55b задержки вводит задержку времени tdon, чтобы избежать короткого замыкания в H-мосте 11-14.
Возможные модификации:
Вместо MOSFET может быть использована любая другая транзисторная технология.
Сглаживающий конденсатор 28, соединенный параллельно с светодиодами, может быть исключен. Это не влияет на средний ток, но увеличивает среднеквадратичное и пиковое значение тока через светодиоды.
Свободный режим H-моста 11-14 может всегда быть реализован включением 12 и 14. В этом случае время включения верхних транзисторов 11 и 13 ограничивается постоянной длительностью ton импульса, которая является преимущественной.
Последовательный конденсатор 27 может также быть помещен на вторичной стороне трансформатора, или последовательные конденсаторы могут быть использованы с обеих сторон.
Входной выпрямитель может быть реализован посредством схемы выпрямителя PFC.
Формирователь может быть реализован без трансформатора 25, но с катушкой индуктивности, например, с последовательным дросселем, чтобы сформировать резонансную топологию.
Мостовой выходной выпрямитель 21-24 может также быть заменен комбинацией разделенной выходной обмотки плюс только два диода для экономии двух диодов и при меньших потерях прямой проводимости диодов (но ценой необходимости во второй обмотке и, возможно, ценой получения асимметричных светодиодных пиковых токов для положительного и отрицательного входного напряжения трансформатора).
Это изобретение могло бы использоваться для настенного наполнения, подсвечивания жидкокристаллического дисплея и общего освещения, не исключая и другие применения с нагрузками в виде светодиодов или с не светодиодными нагрузками.
Схема питания в соответствии с изобретением, показанная на Фиг.10, содержит первую схему 101, содержащую полумост с последовательной транзисторной схемой первого транзистора 111 и второго транзистора 112, соединенный с источником Vo, и содержит вторую схему 102, содержащую, например, последовательный резонансный контур с конденсатором 127 и катушкой индуктивности 126. Одна сторона последовательного резонансного контура соединена с общей точкой последовательной транзисторной схемы, и другая сторона - соединена с первой и второй (встречно-параллельными) ветвями. Первая (вторая) ветвь содержит диод 121A (121B), соединенный с параллельной схемой конденсатора 128A (128B), и, например, последовательно соединенные светодиоды 106A (106B).
Альтернативно, полумост может быть заменен, например, полным мостом в режиме полумоста. Кроме того, альтернативно, катушка индуктивности 126 может быть заменена трансформатором, первичная сторона которого соединена с конденсатором 127 и вторичная сторона которого соединена с ветвями моста.
Схема питания в соответствии с изобретением, показанная на Фиг.11, содержит первую схему 101, содержащую полумост с последовательной транзисторной схемой первого транзистора 111 и второго транзистора 112, соединенный с источником Vо, и содержит вторую схему 102, содержащую, например, последовательный резонансный контур из конденсатора 127 и катушки индуктивности 126. Одна сторона последовательного резонансного контура соединена с общей точкой последовательной транзисторной схемы, и другая сторона соединена к первой и второй (встречно-параллельными) ветвями. Первая (вторая) ветвь содержит первую (вторую) последовательную диодно-конденсаторную цепь из диода 121С (121D), соединенного с конденсатором 128C (128D). Общие точки последовательных диодно-конденсаторных цепей соединены друг с другом через, например, последовательно соединенные светодиоды 106C. Это представляет собой удвоитель напряжения с двух-конденсаторной конструкцией.
Схема питания в соответствии с изобретением, показанная на Фиг.12, содержит полумост с последовательной транзисторной схемой первого транзистора 111 и второго транзистора 112, соединенный с источником Vo, уже рассмотренный в связи с Фиг.10 и 11, и содержит, например, последовательный резонансный контур из конденсатора 127 и катушки индуктивности 126, уже рассмотренный в связи с Фиг.10 и 11. Одна сторона последовательного резонансного контура соединена с конденсатором 128E, который соединен с анодом диода 121E и катодом диода 121F. Эти диоды 121E-121F дополнительно соединены, например, с последовательно соединенными светодиодами 106E. Это представляет собой удвоитель напряжения с одноконденсаторной конструкцией.
Схема питания в соответствии с изобретением, показанная на Фиг.13, соответствует схемам питания, показанным на Фиг.11 и 12, у которых удвоитель напряжения заменен на мультипликатор Cockroft-Walton.
На Фиг.14 показаны напряжение Vin, подаваемое первой схемой 101, и напряжение Vc на конденсаторе 127 как функция времени, и на Фиг.15 показан ток через катушку индуктивности 126 как функция времени в течение периода переключения, равного удвоенному резонансному периоду 126, 127. На Фиг.20 показаны напряжение Vin и ток через катушку индуктивности 126 и усредненный ток Iol в течение времени переключения, большего удвоенного резонансного периода 126, 127.
Топология может быть комбинацией полумоста, например, запускающего последовательный колебательный контур и ветви нагрузки выпрямителя вблизи или ниже резонанса. Тем самым топология подобна преобразователю напряжение - ток, когда, например, и входное напряжение, и частота переключения постоянны, тогда выходной ток известен, не требуется дополнительных шунтов для питания постоянной токовой нагрузки, достигается переключение при нулевом токе, резонансный рабочий режим позволяет увеличивать частоту переключения для снижения количества пассивных компонентов, она может работать с трансформатором или без трансформатора, она имеет характерную защиту от короткого замыкания, она может иметь объединенный магнетизм для трансформаторных решений, при которых индуктивность рассеяния трансформатора может использоваться как индуктивность последовательного колебательного контура, она может иметь синусоидальный ток колебательного контура с низкими электромагнитными помехами, допуская их наличие на шине переменного тока, она не требует взаимной стабилизации, то есть изменение нагрузки в одной выходной ветви не влияет на ток на выходе, что означает неявную защиту от перенапряжения, и она может использоваться для питания умножителя напряжения для увеличения колебания выходного напряжения без трансформатора (важно для интегрирования).
На Фиг.10-15 Vo обозначает входное напряжение постоянного тока, 111 и 112 являются, например, MosFet-элементами полумоста, 127 и 126 являются, например, элементами последовательного резонансного колебательного контура, 121 является выходным выпрямительным диодом, 106 является цепочкой нагрузки, например, цепочкой светодиодов.
I
II
Относительно Фиг.10, 14 и 15, для установившегося состояния, отклик может быть подразделен на два состояния с двумя подынтервалами. Два состояния образованы посредством I) 121A включен и 121В выключен (состояние I), и посредством II) 121A выключено, и 121B включен (состояние II). Подынтервалы 1,2,3,4, как определено на Фиг.14 и 15, могут иметь ту же самую длительность: tl=t2=t3=t4=τ, где τ обозначает резонансный период: τ=π·√(L1·C1). Время переключения Ts может быть выбрано равным 4·τ или большим. С помощью дифференциальных уравнений электрического состояния для обоих состояний, при наблюдаемых условиях непрерывности и периодичности, могут быть аналитически рассчитаны соответствующие токи и напряжения. Важными могут быть соотношения для усредненного тока за один период переключения Ts=l/fs в обеих ветвях нагрузки для каждого состояния: iav=iav=2/π·Vo/Zo·fs/fres, где Zo=√(Ll/Cl).
Эти уравнения показывают, что усредненный выходной ток пропорционален произведению входного напряжения Vo постоянного тока и частоты переключения fs.
Если Vo постоянно, то ток через нагрузку также постоянен. Даже нулевая ошибка нагрузки и взаимной стабилизации означает отсутствие влияния изменения напряжения на одной ветви на ток и того же самого на другой ветви. Если входное напряжение изменяется, то частота переключения может быть адаптирована таким образом, что произведение Vo и fs и, таким образом, выходной ток также сохраняются относительно постоянными. Это показано на Фиг.17 и 18, рассматриваемых ниже. Так, например, топология полумоста соответствует идеальному преобразователю напряжения/ток. Другой важный аспект заключается в пиковом токе нагрузки для постоянной выходной мощности. Поскольку преобразователь осциллирует в резонансе и время переключения составляет 4τ, в каждом состоянии имеется 2 локальных токовых пика:
I
I
Ipk1=|-0.5·(Vo-Voutl+Vout2)/Zo| и ipk2=|-0.5 (Vo+Voutl-Vout2)/Zo|. Может быть желательно иметь оба пика симметричными, то есть более или менее той же самой величины, чтобы и воздействие пикового тока для данной мощности (усредненный ток) было бы минимальным. При рассмотрении обоих выражений для пикового тока преобразователя в соответствии с изобретением можно заметить, что оба значения симметричны, когда выходные напряжения Vout1, Vout2 являются малыми по сравнению с Vo. Это означает то, что предложенный преобразователь хорошо подходит для применений с малыми напряжениями питания, как в случае с диодами большой мощности, когда только несколько светодиодов соединяются последовательно.
На Фиг.16 показаны напряжения и токи для различных ситуаций A-F в функции времени, например, для Vout<<Vo. A: входное напряжение полного моста без нулевого состояния, B: входное напряжение полумоста, C: входное напряжение полного моста с нулевым состоянием, D: диодный ток полного моста без нулевого состояния, E: диодный ток однополупериодного моста и F: диодный ток полного моста с нулевым состоянием.
На Фиг.17 показаны токи для различных ситуаций A-C в функции времени (взаимная стабилизация). Ток и усредненный ток в ветви с диодом для изменяющегося выходного напряжения в той же самой ветви демонстрирует, что усредненный ток постоянен. Параметр нагрузки - ld=0, 0.5, 1 при Voutl=ld·Vout, Vout2=Vout, Vout=48В, Vin=100В.
На Фиг.18 показаны токи для различных ситуаций A-C в функции времени (все на одном графике). Ток и усредненный ток в ветви с диодом для изменяющегося выходного напряжения в той же самой ветви демонстрирует, что усредненный ток постоянен. Параметр составляет ld=0, 0.5, l при Voutl=ld·Vout; Vout2=Vout, Vout=48В и Vin=100В.
Так, например, топология полумоста, например, с последовательным резонансным контуром и, например, для выпрямленных выходов, была создана, например, с двойным однонаправленным выпрямлением и, например, с диодно-конденсаторным мультипликатором напряжения, например, работающим при Ts≥4·tau, где tau=π·√(L·C). Альтернативно, полный мост с изменяющимся управлением может быть использован так, чтобы полный мост управлялся или как полумост (включен и выключен: 2·tau, Ts≥4·tau), или как полный мост без свободного состояния (включен на + и на - 2·tau, Ts≥4·tau), или как полный мост со свободным состоянием (включен на + и на - =tau, свободное состояние=tau после каждого импульса, Ts≥4·tau). Другими словами, хотя и не показано на Фиг.10-13, третья схема может быть использована для управления моста в соответствии с одной или несколькими из четырех управляющих схем, как показано выше, для снижения зависимости между входным сигналом и выходным сигналом.
Схема питания в соответствии с изобретением, показанная на Фиг.19, содержит первую схему 201 и вторую схему 202 и третью схему 203. Первая схема 201 содержит источник напряжения 204 для создания входного сигнала напряжения Uin через первый и второй контрольные выводы 215 и 216. Первая схема 201, кроме того, содержит два транзистора 211-212. Первый транзистор 211 имеет первый главный электрод, соединенный с первым контрольным выводом 215, и имеет второй главный электрод, соединенный с первым входом 220a второй схемы 202. Второй транзистор 212 имеет первый главный электрод, соединенный со вторым главным электродом первого транзистора 211, и имеет второй главный электрод, соединенный с вторым контрольным выводом 216, который, кроме того, соединен с вторым входом 220b второй схемы 202. Первая схема 201, кроме того, содержит логическую схему 205, соединенную с третьей схемой 203 и с управляющими электродами транзисторов 211-212. Эта логическая схема 205, например, идентична части логической схемы 5, рассмотренной выше. Вторая схема 202, например, идентична второй схеме 2, рассмотренной выше.
На Фиг.20 показаны напряжение Vin и ток через катушку индуктивности 126 и усредненный ток Iol в течение времени переключения, большего, чем в два раза резонансного периода 126, 127. T= частота переключения, ton=Tres, где Tres резонансный период.
На Фиг.20 показан временной отсчет для T>2·Tres, где ton=Tres и Toff>Tres. Минимальный временной отсчет соответствует T=2·Tres, где ton=Tres и Toff=Tres (как показано на Фиг.14-15).
Итак, схемы питания 1-3, 101-102, 201-203 для подачи выходных сигналов тока на нагрузки 6, 106, 206, содержащие первые схемы 1, 101, 201 с транзисторами 11-14, 111-112, 211-212 для преобразования сигналов входного напряжения в импульсные сигналы, содержащие вторые схемы 2, 102, 202 с резонансными контурами для приема импульсных сигналов и для подачи сигналов выходного тока на нагрузки 6, 106, 206, представлены с третьими схемами 3, 203 для управления первыми схемами 1, 101, 201, причем третьи схемы 3, 203 содержат генераторы 35-37 для генерации управляющих сигналов для управления транзисторами 11-14, 111-112, 211-212 для снижения зависимости между сигналами входного напряжения и сигналами выходного тока. Третьи схемы 3, 203 подают управляющие сигналы в зависимости от сигналов входного напряжения и независимо от выходных сигналов тока. Транзисторы 11-14, 111-112, 211-212 могут образовывать полный мост, причем полный мост работает в режиме полумоста, или полумост.
Термины "относительно" и "по существу" определяют максимальные отклонения 30%, предпочтительно 20%, еще более предпочтительно 10%, наиболее предпочтительно 1%. Иначе говоря, такие термины определяют интервалы 70-130%, предпочтительно 80-120%, еще более предпочтительно 90-110%, наиболее предпочтительно 99-101%.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты реализации скорее иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники могут сконструировать много альтернативных вариантов реализации, не отступая от объема притязаний приложенных формул. В формулах любые цифровые обозначения, помещенные между круглыми скобками, не должны рассматриваться как ограничение формулы. Использование глагола "содержать" и его спряжений не исключает присутствие элементов или этапов кроме заявленных в формуле. Упоминание элемента в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть осуществлено посредством аппаратных средств, содержащих несколько отличные элементы, и посредством соответственно запрограммированного компьютера. В формуле для устройства перечислено нескольких средств, причем несколько из этих средств могут быть воплощены посредством одного и того же аппаратного средства. Простой факт, что некоторые характеристики рассмотрены в зависимых взаимно различающихся формулах, не означает, что комбинация этих характеристик не может быть использована с целью получения преимуществ.