СВЕТИЛЬНИК ДЛЯ УЛИЦ И ДОРОГ СВЕТОДИОДНЫЙ
STREET AND ROAD LED LAMP

Изобретение относится к светотехнике, а именно к светильникам, предназначенным для улиц и дорог, то есть с кривой силы света (КСС) - широкой, близкой к типу Ш по ГОСТ 17677-82 (далее по тексту - уличные светильники), и с использованием в качестве источников света полупроводниковых светодиодов.
Имеющиеся на рынке в настоящий момент светодиодные уличные светильники построены по той же конструктивной схеме, что и предыдущее поколение уличных светильников, с газоразрядными лампами, они так же крепятся на консоль - дополнительную деталь в виде отрезка трубы, устанавливаемую на железобетонную световую опору под углом 15° к дороге (см. ГОССТРОЙ СССР, серия 3.320-1 в. Опоры наружного освещения и контактных сетей городского транспорта, вып.1: Материалы для проектирования. - М., 1975 - 1983. - http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293844/4293844624.pdf). Типовая конструкция светодиодного уличного светильника приведена, например, в виде фотоснимка в описании полезной модели России №141148, МПК F21S 4/00, опубл. 27.05.2014. Встречаются варианты сборки из двух модулей (патент России №2422720, МПК F21S 4/00, F21S 8/08, опубл. 27.10.2010) и даже из трех (полезная модель России №112340, МПК F21S 4/00, опубл. 10.01.2012), устанавливаемых на общую консоль; таким способом достигается требуемая КСС.
В связи с тем что светодиоды требуют усиленного охлаждения, светильники этой конструкции делают с оребренным корпусом, выполняющим функцию охладителя. Охладитель, таким образом, устанавливается не вертикально, а под углом 15°, что снижает эффективность его работы почти в 1,4 раза (см. например, Application Note AN30.  Thermal Management for Bridgelux Vero Series LED Arrays.June 25 2013-https://www.bridgelux.com/sites/default/files/resource_media/AN30-Thermal-Management-of-Vero-LED-Modules.pdf).   Увеличенный в размерах охладитель увеличивает массу, примерно в два раза, по сравнению со светильником с газоразрядной лампой на тот же световой поток, и “парусность”, причем большая масса и ветровая нагрузка сосредоточена на конце сравнительно тонкой консоли - это усугубляет воздействие механических нагрузок. Уличные светильники во многих случаях устанавливаются на опору высотой 12 м непосредственно у автомагистрали, по которой до десятков раз в сутки проходят большегрузные автопоезда, вызывающие значительные вибрации грунта.
Встречаются конструкции с использованием заказного алюминиевого профиля, см. например: Светодиодный светильник и теплоотводящий профиль как его корпус. Заявка России №2012132706, МПК F21S 8/00, опубл. 20.02.2014.
Либо по специальному заказу отливается линза из оптически прозрачной пластмассы, в виде так называемой “асферической оптической системы”- полезная модель России №135077, МПК F21S 8/00, опубл. 27.11.2013. Это единая деталь, заключающая в себе индивидуальные линзы под 7 рядов из 9 или 10 светодиодов, “расположенных на печатной плате в шахматном порядке и на расстоянии”. Всего излучающих приборов в данном случае 67.
Использование заказных частей отнюдь не снижает стоимость светильников! Особенно на этапе освоения их производства.
К недостаткам известных решений можно отнести и большую трудоемкость сборки: число единичных светодиодов в модуле варьируется от 48 до 96, и на каждый может устанавливаться отдельная линза или отражатель (полезная модель Китая №201322219, МПК F21S 8/00, F21V 15/02, F21V 29/00, F21V 13/04, F21V 23/00, F21V 31/00, H05B 37/00, F21W 131/103, F21Y 101/02, опубл. 2009-10-07).
Светодиод - новый источник света, и он кардинально отличается по свойствам от газоразрядной лампы. В приведенной ниже таблице противопоставлены эти свойства. Для новых источников нужен свой, новый, светодиодный дизайн. С вертикально расположенным охладителем.
Обратимся к электрической части.
Первые серии осветительных светодиодов выпускались с плохой изоляцией между кристаллом и алюминиевой пластиной, устанавливаемой на охладитель. Это вынуждало, во-первых, вводить развязывающий трансформатор между питающей сетью и светодиодами и, во-вторых, соединять их в параллель, чтобы использовать для питания низкое напряжение, не выше 42 В. Подобная схема используется и до сих пор, см. например: Светодиодный источник света. Полезная модель России №92282, МПК H05B 37/00, опубл. 10.03.2010.
ПРОТИВОПОСТАВЛЕНИЕ СВОЙСТВ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ДВУХ ТИПОВ
Газоразрядная лампа
Светодиодный источник
Температура светящего тела
500°С и выше
Температура кристалла не должна превышать 70°С,исходя из срока службы
Необходимость в специальном охладителе
Не нужен. Высокая температура создает хороший “тепловой напор”
Необходим: с ростом температуры кристалла светоотдача снижается
Масса светильника, с учетом охладителя
Небольшая
Увеличенная примерно в 2 раза
Площадь и “парусность” светильника
Небольшая
Весьма заметная
Угол излучения
Вытянутая трубка излучает свет равномерно на весь угол 360°
Косинусная характеристика, двойной угол половиннойсилы света составляет 120° (кривая Ламберта)
Мощность одного излучателя, как конструктивной единицы
Может доходить до сотен ватт
У лучших - до 7 Вт на один кристалл, у серийных 1 Вт.Кристаллы собирают в матрицы, до 100 шт.
Количество отражателей для получения КСС типа Ш
Достаточно одного
Есть варианты оптических систем как с отражателями, так и с линзами
Здесь имеются:
1) понижающий преобразователь,
2) трансформатор в цепи преобразования.
Как одно, так и другое увеличивает потери электроэнергии, снижая, таким образом, показатель светоотдачи светильника.
Сравнительно недавно были введены строгие требования к гармоническому составу потребляемого из сети тока: публикация МЭК 61000-3-2:2005 и ГОСТ Р 51317.3.2-2006. В светильник на мощность более 25 Вт предписывается установить корректор коэффициента мощности. Корректор (далее - ККМ) включается между выходом диодного моста, выпрямляющего напряжение сети переменного тока, и сглаживающим пульсации оксидным конденсатором большой емкости.
Такой узел - и причем отдельный - введен в заявке Китая №201611073, МПК F21V 17/12, F21V 23/00, F21V 29/00, H05B 37/00, F21Y 101/02, F21W 131/103, опубл. 2010-10-20.
Это трехзвенный преобразователь:
1) ККМ, с отдельным ключевым транзистором,
2) однотактный преобразователь на втором транзисторе, с трансформатором,
3) выпрямитель на диодах Шоттки.
Оба транзистора управляются одной микросхемой-контроллером. К отпайке вторичной обмотки подключена цепь отрицательной обратной связи - правда, не по току светодиодов.
Каждое из трех звеньев вносит свои потери энергии.
С появлением светодиодных матриц, изготовленных на плате с алюминиевым основанием и теплопроводящим изоляционным слоем (технология COB, Chip on Board), рассчитанных на испытательное напряжение изоляции 1,5 - 2 кВ, было предложено соединить все светодиоды (все кристаллы) в последовательную цепь и подключить к выходу моста, выпрямляющего напряжение сети 220 B, через стабилизатор тока - избавляясь, таким образом, от трансформатора или понижающего преобразователя, см. полезные модели России №113419, МПК H01L 33/00, H05B 37/00, опубл. 10.02.2012 и №143067, МПК H05B 33/02, H05B 37/00, опубл. 10.07.2014. Однако и в том, и в другом случаях ККМ отсутствует.
Чтобы уменьшить вероятность выхода из строя светодиодной матрицы с последовательным соединением кристаллов, изготовители матриц перешли на последовательно-параллельное соединение: в одной матрице собирают несколько параллельных ветвей из последовательно соединенных кристаллов. Так что в случае обрыва одной ветви светильник продолжит работу.
Наиболее близко к заявленному решению по конструктивнойсхеме следующее: Светильник потолочный. Заявка Китая №103883946, МПК F21S 8/00, F21V 13/10, F21V 21/108, F21V 23/00, F21Y 101/02, опубл. 2014-06-25.
Этот светодиодный светильник выполнен в стиле “ретро”, подобно широко распространенным ранее светильникам с неспиральными люминесцентными лампами. Светодиоды установлены, по горизонтали в один ряд, на каждую из двух сторон охладителя, который подвешен вертикально - хотя и с горизонтальными ребрами. Излучаемый преимущественно в горизонтальном направлении свет поворачивается книзу с использованием системы из двух наклонных зеркал, в которой одно зеркало стоит под углом 45°, другое под углом 70° к горизонтали. Под охладителем помещен экран в форме части цилиндра.
Прототипом по электрической схеме можно считать решение: Источник стабилизированного напряжения для светодиодных светильников. Полезная модель Китая №201378883, МПК H05B 37/00, H05B 37/02, H02M 7/08, F21V 23/00, F21Y 101/02, опубл. 2010-01-06.
Здесь предложено использовать для питания последовательной цепи из большого числа светодиодов (или последовательно-параллельной цепи) бестрансформаторный повышающий стабилизатор напряжения на основе микросхемы L6562 - это контроллер ККМ, однако с отдельным ключевым транзистором. Микросхема включена по схеме, предписанной изготовителем, то есть поддерживает стабильным выходное напряжение.
Недостаток этого решения - неустойчивая работа светильника, так как для светодиодов необходимо стабилизировать ток.
Отдельный ключевой транзистор - это дополнительное покупное изделие, за счет чего увеличивается трудоемкость изготовления светильника и снижается надежность его работы. Резистор-датчик тока в цепи истока этого транзистора, сигнал с которого поступает на вывод 4 микросхемы - это еще одно покупное изделие, и на нем так же теряется энергия.
Для ограничения пусковых токов через диоды выпрямительного моста в момент подключения светильника к сети при разряженном сглаживающем конденсаторе изготовитель микросхемы L6562 требует наличия в цепи рабочего тока терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, типа NTC. Подобное решение применено в упомянутой заявке Китая №201611073, оно широко используется, и не только в устройствах освещения.
Однако терморезистору свойственна инерционность: пока он не остыл, защита от пусковых токов не действует. Это повышает вероятность выхода из строя светильника, например, при обрыве провода.
Техническим результатомзаявленного изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления и, как следствие, снижение стоимости светильника, с одновременным повышением его надежности, уменьшением габаритных размеров и массы, обеспечением устойчивости к вибрациям грунта. При этом светоотдача сохраняется на уровне существующих аналогов. И отпадает необходимость устанавливать консоль на световую опору.
Упрощение достигнуто, в частности, неприменением заказной оснастки, такой как штампы и литьевые формы. Светильник собран из имеющихся в продаже материалов и комплектующих изделий - необходимо лишь изготовление печатных плат, намотка и пропитка катушек дросселей. Кроме того, снижена трудоемкость сборки, за счет уменьшения количества светоизлучающих элементов, введена самонастройка при первом включении светильника в ОТК.
Светодиодный уличный светильник содержит светодиодные матрицы, охладитель, отражатель в виде комбинации зеркал и экрана, полимерные защитные стекла и источник питания, светодиодные матрицы установлены на охладитель, зеркала, экран и защитные стекла также закреплены на охладителе, источник питания в виде печатной платы установлен в верхней части охладителя, светодиодные матрицы состоят из параллельных ветвей, в каждой ветви кристаллы соединены последовательно, все светодиодные матрицы также соединены последовательно и подключены к двум выходным выводам источника питания.
Охладитель снабжен элементами для установки на световую опору в вертикальном положении как ребер, так и его плоскости, светодиодные матрицы размещены горизонтально в один ряд, отражатель составлен из семи плоских зеркал, из которых два помещены на плоскость охладителя, три установлены под наклоном к ней и еще два зеркала прикреплены снизу, перпендикулярно плоскости охладителя, образуя экран в форме буквы V раскрывом вниз, ширина экрана в направлении линии сгиба увеличивается книзу, на защитных стеклах с внешней стороны светильника имеется покрытие, непрозрачное для ультрафиолетовой компоненты солнечной радиации. Покрытие нанесено изготовителем материала стекол.
Три наклонных зеркала конструктивно представляют собой единую деталь со скругленными переходами между плоскостями, причем нужную форму она принимает при установке на нее крышки - с плоскими гранями - автоматически.
Источник питания содержит устройство ограничения пусковых токов, однофазный выпрямительный мост, микросхему-ККМ со встроенным ключевым транзистором и быстродействующим диодом, дроссель, диод, резисторный делитель - датчик пульсирующего напряжения, сглаживающий конденсатор и дополнительно шесть конденсаторов и резистор, токоизмерительный шунт, а также микроконтроллер и цепь согласования уровня сигнала управления, причем устройство ограничения пусковых токов включено во входную цепь выпрямительного моста, указанный мост, дроссель, диод, резисторный делитель - датчик пульсирующего напряжения, сглаживающий конденсатор и дополнительно шесть конденсаторов и резистор подключены по схеме, предписанной изготовителем микросхемы-ККМ, а выходные выводы источника питания подключены через токоизмерительный шунт к сглаживающему конденсатору, аналоговый вход микроконтроллера соединен с токоизмерительным шунтом, аналоговый выход, через цепь согласования уровня сигнала - со входом обратной связи микросхемы-ККМ, и в микроконтроллер занесена программа, обеспечивающая работу источника питания в режиме стабилизации тока.
В качестве устройства ограничения пусковых токов применено оптоэлектронное реле, содержащее узел контроля прохождения напряжения через нулевое значение, цепь согласования уровня сигнала составлена из двух резисторов и микросхемы-стабилизатора напряжения, первый резистор включен между выходом цифро-аналогового преобразователя микроконтроллера и входом обратной связи микросхемы-ККМ, а второй - между указанным входом и выходом стабилизатора, в программе предусмотрена самонастройка при первом включении светильника под значение напряжения опорного источника, встроенного в конкретный экземпляр микросхемы-ККМ, с занесением результата в энергонезависимую память микроконтроллера.
Иллюстрации:
на фиг.1 показаны расчетные КСС светильника вдоль и поперек дороги,
на фиг.2 схематически представлена конструкция светильника - со снятой крышкой и без элементов для установки на световую опору,
на фиг.3 дана электрическая схема светильника, основные элементы.
Светильник содержит:
светодиодные матрицы 8 - см. фиг.2 - размещенные горизонтально в один ряд на охладителе 11, который снабжен двумя скобами, изогнутыми буквой W, для установки на световую опору (не показаны) при вертикальном положении как ребер, так и плоскости охладителя,
отражатель из семи плоских зеркал, а именно
- двух передних зеркал 7 и 9, помещенных на плоскость охладителя,
- трех наклонных 1, 2 и 3 (это единая деталь со скругленными переходами),
- двух зеркал 5 и 6, образующих экран в форме буквы V раскрывом вниз,
защитные стекла снизу и по бокам, они помечены цифрой 4,
источник питания - печатную плату, условно показанную в виде коробки 10.
Поверх зеркал 1 - 3 и отсека платы 10 устанавливается крышка из дюралевого листа толщиной 1 мм (не показана), образующая с защитными стеклами и охладителем водонепроницаемый корпус светильника.
В каждой светодиодной матрице на плате с алюминиевым основанием и изоляционным слоем имеется три параллельные ветви из 12 кристаллов, рабочее напряжение - 38 B. Матрицы, всего их 10, установлены на охладитель без изолирующих прокладок и соединены последовательно.
Охладитель представляет собой отрезок стандартного профиля из алюминиевого сплава, с плоским основанием и ребрами с шагом 10 мм.
Зеркала вырезаны из имеющейся на рынке органической многослойной зеркальной пленки с коэффициентом отражения 0,997 в области видимого спектра (купить пленку в России можно наклеенной на дюралевый лист толщиной 0,5 мм).
Ширина экрана 5, 6 в направлении линии сгиба увеличивается книзу.
В связи с тем, что органические материалы портятся от ультрафиолетового облучения, полимер для защитных стекол приобретен с покрытием, непрозрачным для ультрафиолетовой компоненты солнечной радиации. Покрытие обращено на внешнюю сторону светильника. Светопропускание защитных стекол - 91%.
В состав источника питания входят, в частности, см. фиг.3:
устройство ограничения пусковых токов - оптоэлектронное реле 12, содержащее узел контроля прохождения напряжения на его выходных выводах через нулевое значение,
однофазный выпрямительный мост 13,
микросхема-ККМ типа PFS7533H со встроенным ключевым транзистором и быстродействующим диодом 24,
дроссель 20,
диод 23,
резисторный делитель - датчик пульсирующего напряжения 16, 17,
сглаживающий конденсатор 30,
шесть конденсаторов и дополнительный резистор 14, 15, 21, 26 - 29,
токоизмерительный шунт - резистор 32,
микроконтроллер 25 со встроенным цифро-аналоговым преобразователем,
цепь согласования уровня, состоящая из резисторов 19, 22 и микросхемы-стабилизатора напряжения 18 с функцией фильтра импульсных помех.
Реле 12 включено во входную цепь выпрямительного моста 13.
Мост 13, дроссель 20, диод 23, резисторы 16, 17, 28 и конденсаторы 14, 15, 21, 26, 27, 29 подключены по схеме, предписанной изготовителем микросхемы 24.
Выходные выводы источника питания 34, 35 подключены через токоизмерительный шунт 32 к сглаживающему конденсатору 30.
Аналоговый вход микроконтроллера 25 (вход аналого-цифрового преобразователя, ADC) соединен с токоизмерительным шунтом 32, выход цифро-аналогового преобразователя (DAC) микроконтроллера через резистор 22 подключен ко входу обратной связи FB микросхемы 24. Поскольку номинальное напряжение на входе FB в полтора раза превышает максимально возможное напряжение на выходе DAC, для согласования уровня второй резистор, 19, подключен между входом FB и выходом микросхемы-стабилизатора напряжения 18.
Светильник работает следующим образом.
После подачи напряжения питания выдается команда включения на реле 12, с выдержкой времени согласно программе, занесенной в микроконтроллер 25. Благодаря встроенному узлу контроля, в момент прохождения напряжения питания через нулевое значение реле 12 включается. Тем самым амплитуда тока зарядки конденсатора 30 через диод 23 сводится к минимуму - максимальной она была бы при включении в момент перехода синусоиды через амплитудное значение (фаза 90°). Согласно расчетам по программе имитационного моделирования, снижение амплитуды пускового тока при фазе включения 0° по сравнению с фазой 90° составляет 4,7 раза; тогда как применение терморезистора снижает ток только в 3 раза, при любой фазе - если, как уже отмечалось, он готов к работе.
Стоимость оптореле не превышает 3 - 4% цены всего светильника.
Далее микроконтроллер 25 - после проведения процедур проверки (не входящих в предмет данного изобретения) - подает напряжение включения на вход FB микросхемы 24. Контроллер внутри этой микросхемы также проводит тесты, в частности, измерение синхронизирующего напряжения с делителя 16, 17 и включает, по алгоритму широтно-импульсной модуляции, ключевой транзистор (выводы 10, 11 и 13 микросхемы) для плавного нарастания тока в нагрузке - светодиодных матрицах 8.
Сигнал, пропорциональный среднему значению тока через шунт 32 (падение напряжения при номинальном токе не более 0,9 В), со сглаживающего фильтра 31, 33 после обработки микроконтроллером 25 поступает на вход обратной связи микросхемы 24. Алгоритм обработки обеспечивает устойчивую работу источника питания в режиме стабилизации тока, плавное нарастание тока при включении питания, а также защиту от коротких замыканий (по датчику со стороны входа моста 13 - это не входит в предмет данного изобретения).
В отличие от аналогов на микросхеме L6562, микросхема-ККМ PFS7533H, со встроенным ключевым транзистором и быстродействующим диодом, не требует резистора - датчика тока в цепи истока этого транзистора и не содержит его внутри: в ней реализован способ измерения тока без потерь.
Необходимо отметить, что упомянутое выше напряжение включения, подаваемое на вход FB, сильно зависит от значения напряжения опорного источника, встроенного в конкретный экземпляр микросхемы PFS7533H. И хотя допуск на опорное напряжение составляет±0,75%, для уверенности в плавном нарастании тока в программе микроконтроллера 25 предусмотрена самонастройка. При первом включении светильника в ОТК изготовителя программа поначалу выставляет явно завышенное напряжение и производит его подбор, путем нескольких попыток включения светильника, с небольшим шагом. Приемлемый результат она заносит в энергонезависимую память (EEPROM), имеющуюся на кристалле микроконтроллера, так что последующие включения происходят уже быстро.
При подаче тока на светодиодные матрицы примерно 33 - 40% электрической энергии преобразуется в световое излучение, остальное уходит через охладитель. Свет излучается матрицами преимущественно в горизонтальном направлении. С помощью отражателя свет поворачивается вниз, на дорогу. Потери света не более 10%.
Зеркальный экран 5, 6 распределяет свет вдоль дороги, за счет чего достигается КСС, представленная на фиг.1.
Построение источника питания в виде однозвенного преобразователя с ККМ обеспечивает электрический КПД, по результатам измерений, 96%. В итоге светоотдача светильника получена на уровне 93 - 95 лм/Вт.