ДРАЙВЕР ДЛЯ СВЕТОДИОДНОГО СВЕТИЛЬНИКА
DRIVER FOR LED LIGHTING FIXTURE

Настоящее изобретение относится к устройствам электропитания для светодиодных светильников, в частности, к драйверам для светодиодных светильников для применения в области освещения.
Драйверы для светодиодных светильников должны обеспечивать ограничение тока и в некоторой степени выполнять управление током. Управление током светодиода включает две задачи: ограничение тока с целью не допустить теплового выхода из строя в связи с повышенной температуры светодиода, и регулирование тока для поддержания тока светодиода в определенном диапазоне, чтобы учитывать колебания параметров светодиода и колебания входного напряжения драйвера светодиодного светильника.
Другой подход к созданию драйвера для светодиодного светильника заключался в использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с использованием обратной связи для измерения тока матрицы светодиодов и активного управления током матрицы светодиодов.
Под использованным в данном документе для раскрытия сущности настоящего изобретения термином «светодиод» следует понимать любой электролюминесцентный диод или другой вид системы на основе инжекции/объединения носителей заряда, которая способна генерировать излучение под действием электрического сигнала. Таким образом, термин «светодиод» включает в себя различные полупроводниковые структуры, которые излучают свет в ответ на ток, светоизлучающие полимеры, органические светодиоды (OLED), электролюминесцентные полосы и тому подобное.
Следует иметь в виду, что светодиоды могут быть сконфигурированы (и/или управляемы) с возможностью генерировать излучение с различной шириной полосы частот (например, с полной шириной на половине максимума или длительностью на уровне половины амплитуды) для данного диапазона спектра (например, в узкой полосе частот, в широкой полосе частот) и с разнообразием доминирующих длин волн, определяющих основной цветовой тон.
Известен светодиодный источник света по патенту на полезную модель № RU113105 (МПК Н05В 37/02, 27.01.2012), который направлен на устранение скачков напряжения, повышение надежности работы и срока службы светодиодного осветителя, снижение потребляемой мощности от стационарной сети переменного тока. Светодиодный источник света, содержит понижающий преобразователь напряжения, который через выпрямительный диодный мост соединен с, по меньшей мере, одним светодиодом, а между выпрямительным диодным мостом и светодиодом параллельно с ним включен емкостной фильтр, понижающий преобразователь напряжения выполнен из цепочки последовательно соединенных конденсаторов, где выпрямительный диодный мост подключен в разрыв цепочки последовательно соединенных конденсаторов преобразователя напряжения.
Недостатком данного решения является: низкий коэффициент мощности (менее 0,9), низкий КПД, высокая зависимость тока питания светодиодов от изменения напряжения питания сети 220В, слабая защита от микросекундных импульсных помех большой энергии, высокая пульсация светового потока, отсутствие защиты от перегрева.
Известна полезная модель по патенту № 128433 (МПК Н05В 33/02, 20.05.13), где решаются задачи предохранения светильника от скачков напряжения, повышения коэффициента мощности, исключения пульсации выходного тока на частоте до 1 кГц. Драйвер для светодиодного светильника, включающий в себя плату, на которой установлены сетевой выпрямитель, силовой ключ, диод, конденсаторы, блок анализа и стабилизации выходного тока посредством управления силовым ключом цепи стабилизации выходного тока, при этом на плате дополнительно установлены:
- разъем сетевого питания (2),
- защитный элемент от бросков напряжения (3),
- фильтр синфазных помех (4),
-
блок стабилизации выходного напряжения (7) посредством управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ (6),
- высокочастотный понижающий трансформатор (8),
- силовой ключ (транзистора) цепи стабилизации выходного тока (11),
- резисторы измерения тока на светодиодной линейке (12),
-
блок анализа выходного напряжения и передачи сигнала управления (силовой ключ) блоку стабилизации напряжения,
- блок стабилизации выходного напряжения и силовой ключ соединены параллельно;
диод и силовой ключ соединены последовательно между собой и параллельно с остальными элементами схемы; диод и один или два параллельно включенных конденсатора составляют выпрямительную цепь; блок анализа выходного напряжения включен параллельно выпрямительной цепи; блок анализа и стабилизации выходного тока, силовой ключ цепи стабилизации выходного тока включены в последовательную цепь.
Недостатками данного решения являются защита от микросекундных импульсных помех, которая выдерживает импульсы до 2 кВ, более низкий КПД (порядка 87%), ограничение по максимальной выдаваемой мощности до 70-80Вт
Техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое изобретения является создание драйвера с функцией предохранения светодиодного светильника от скачков напряжения, повышения коэффициента мощности, повышение КПД драйвера, исключения пульсации выходного тока, защиту от обрыва в цепи нагрузки, защиту от переполюсовки.
Данный технический результат достигается тем, что драйвер для светодиодного светильника, включает в себя плату, на которой установлены сетевой выпрямительный диодный мост, силовые ключи, диоды, конденсаторы, блок стабилизации выходного тока, фильтр подавления синфазных и дифференциальных помех, токоизмерительные резисторы, отключаемые разрядные резисторы, светодиодный модуль, трансформатор, узел анализа и управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ, высоковольтный конденсатор. При этом, драйвер дополнительно содержит узел электромагнитной совместимости, состоящий из блока защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии более 1500В, включающий в себя варисторы, термистор и разрядник, расположенный на печатной плате, фильтра подавления синфазных и дифференциальных помех, включающего в себя дроссели и конденсаторы, блока защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии менее 1500 В, состоит из конденсатора, варисторов и разрядника, включенных параллельно входной цепи питания, при этом блок стабилизации выходного тока, включает в себя узел защиты от высокого напряжения в сети, узел термозащиты, узел анализа и стабилизации тока через светодиодный модуль посредством управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ, причем первичная обмотка трансформатора, токоизмерительные резисторы и силовой ключ включены последовательно во входную цепь, а узел анализа и управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ и высоковольтный конденсатор включены параллельно выходу драйвера, кроме того,блок стабилизации выходного тока дополнительно содержит блок сглаживания пульсаций выходного тока, состоящий из узла управления выходным током посредством специализированной микросхемы линейного управления транзистором, в котором высоковольтные диоды, транзисторы и токоизмерительные резисторы включены последовательно со светодиодным модулем, вторичной обмоткой трансформатора и разрядной цепью из отключаемых разрядных резисторов.
Кроме того, транзистор состоит из блока разряда выходных конденсаторов, включенных параллельно выходу драйвера.
Кроме того, отключаемые разрядные резисторы включены параллельно.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид схемы драйвера. Фиг. 2 - структурная схема драйвера для светодиодного светильника.
Схема драйвера для светодиодного светильника включает следующие элементы, размещенные на печатной плате: варисторы (1), термистор (2), разрядник (3) разведенный на печатной плате в виде одинарных треугольников, входной фильтр (4) подавления синфазных и дифференциальных помех, входной фильтр (5) радиопомех, конденсаторы (6) подавления помех, выпрямительный диодный мост (7), высоковольтного конденсатора (8), блок стабилизации выходного тока, включающий в себя трансформатор (9), силовой ключ (10), высоковольтный диод (11), токоизмерительные резисторы (12) и узел (13) анализа и управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ, блок питания микросхемы управления силовым ключом, который включает в себя стартовую цепь отключаемых резисторов (14), транзистор (15) отключения стартовой цепи, транзистор (16) управления цепью питания, высоковольтный диод (17), блок анализа и сглаживания пульсаций выходного тока, который состоит из специализированной микросхемы (18) анализа пульсации выходного тока, резисторов (19) цепи питания микросхемы анализа пульсации выходного тока, силового ключа (20) и резисторов (21) анализа тока, блок разряда выходных конденсаторов, который состоит из резисторов (22) и ключа (23).
При этом первичная обмотка трансформатора, токоизмерительные резисторы (12) и силовой ключ (10) включены последовательно во входную цепь, а узел (13) анализа и управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ и высоковольтный конденсатор (8) параллельно выходу драйвера.
При этом вторичная обмотка трансформатора, высоковольтные диоды (11), силовой ключ (10), токоизмерительные резисторы (12) включены последовательно, а высоковольтные конденсаторы (8), блок анализа и сглаживания пульсаций выходного тока и блок разряда выходных конденсаторов параллельно выходу драйвера.
Драйвер для светодиодного устройства работает следующим образом.
.
Переменное напряжение сети 220В поступает на защитный элемент от синфазных и дифференциальных помех, выполненный в виде (входного) узла (24) электромагнитной совместимости Данный узел (24) состоит из блока (25) защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии более 1500В (далее мкс.и.п.) и блока (26) защиты от микросекундных импульсных помех (мкс.и.п.) большой энергии менее 1500В, где происходит анализ наличия мкс.и.п. в составе напряжения сети 220В, а также фильтра (27) подавления синфазных и дифференциальных помех, включающего в себя дроссели и конденсаторы. При наличии в составе напряжения сети 220В мкс.и.п. амплитудой от 300 до 1500В в блоке (26) защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии менее 1500В, состоящего из конденсатора, варисторов и разрядника, включенных параллельно входной цепи питания. При этом помеха сглаживается дросселях и конденсаторах в фильтр (27) подавления синфазных и дифференциальных помех и происходит срабатывание варистора в результате чего происходит снижение амплитуды мкс и.п. до безопасного для работы драйвера напряжения 300В. При наличии в составе напряжения сети 220В  мкс. и.п. амплитудой свыше 1500В до 2кВ в блоке (25) защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии более 1500В происходит срабатывание последовательно соединенных термистора, разрядника и варистора, и посредством этого снижение амплитуды мкс.и.п. до значения 630В посредством рассеивания мощности на варисторе, далее мкс.и.п. сглаживается дросселях и конденсаторах в фильтр (27) синфазных и дифференциальных помех и далее поступает в блок защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии менее 1500В, где  происходит срабатывание варистора и снижение амплитуды мкс. и.п. до безопасного, для работы драйвера напряжения 300 В.
При прохождении напряжения сети через фильтр (27) синфазных и дифференциальных помех происходит подавление помех из сети, которые могут повлиять на работу драйвера, а также для подавления помех в сеть 220В до установленных норм, для предотвращения влияния на сторонние приборы, подключенные к той же сети что и драйвер.
Далее переменное напряжение выпрямляется посредством AC/DC выпрямителя (28), представляющего собой диодный мост. Выпрямленное напряжение поступает на комбинированный блок (29) стабилизации выходного тока и активной коррекции мощности (далее блок СТАКС). Блок (29) СТАКС включает в себя узел (30) защиты от перенапряжения в сети, узел (31) термозащиты, узел (32) анализа и стабилизации тока через светодиодный модуль посредством управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ.
Блок (29) СТАКС анализирует переменное напряжение и значение напряжение на токоизмерительных резисторах и посредством управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ, поддерживает на выходных конденсаторах драйвера стабилизированный ток и обеспечивает коэффициент мощности более 0,95.
С выходных конденсаторов, ток поступает на светодиодный модуль (33) через блок (34) подавления низкочастотных пульсаций тока (далее БПНП). В блоке (34) БПНП значение пульсаций выходного тока с токоизмерительных резисторов поступает в специализированную микросхему, которая в линейном режиме посредством силового ключа создает дополнительное падение напряжения на выходе драйвера переводя пульсации в тепло. Параллельно БПНП установлена схема (35) отключаемых разрядных резисторов, которые посредством транзистора отключаются от выходных конденсаторов во время работы драйвера.
В блоке (29) СТАКС присутствует модуль (36) управления выходным током, при этом диапазон регулировки варьируется в диапазоне номинального значения до полностью выключенного. Воздействие осуществляется посредством ШИМ сигнала на частоте от 1 до 2кГц, а также узел (30) защиты от высокого напряжения в сети (перенапряжения) и узел (31) термозащиты, интегрированный в микросхему ЧИМ/ШИМ сигнала, необходимый для снижения мощности драйвера и предотвращения перегрева драйвера или светодиодного модуля при температуре выше максимально допустимой для их эксплуатации.
При использовании драйвера достигается:
• диапазон работы 160-265 В;
• вход управления яркостью в диапазоне от 0 до 100%;
• высокая надёжность и эффективность драйвера (КПД=92%) на широком диапазоне входного напряжения;
• комбинированная двухуровневая защита светильника от повышенного напряжения питания до 430 В и защита от импульсных помех до 2 кВ длительностью 50 мкс и.п. согласно ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95) и аварийное отключение драйвера при перегреве;
• защита от короткого замыкания в нагрузке, защита от обрыва в цепи нагрузки, защита от переполюсовки.
• протестированный температурный режим работы от -60°С до +50°С;
• срок службы драйвера до 100 000 часов и более с использованием электролитических конденсаторов повышенного рабочего температурного диапазона.