Драйвер для светодиодного светильника
DRIVER FOR LED LIGHTING FIXTURE

Настоящее изобретение относится к устройствам электропитания для светодиодных светильников, в частности к электронным импульсным драйверам для светодиодных светильников для применения в области освещения, а в частности к трехфазным драйверам, использующим питание от трехфазной сети переменного тока.
Драйверы для светодиодных светильников должны обеспечивать
питание светодиодов заданным постоянным в среднем током, не зависящим от напряжения на светодиоде (или цепочке светодиодов, если их более одного), и от напряжения питающей сети. Кроме того, драйвер должен содержать цепи защиты от превышения током светодиодов заданного предела, от выхода питающего напряжения сети за заданные пределы и т. п.
Т.е., фактически, драйвер светодиодов представляет собой стабилизатор тока заданной величины, протекающего через светодиоды.
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.
Из уровня техники известен патент RU 2643526 (Н05В 37/02, 22.11.2017) в котором драйвер для светодиодного светильника с питанием от трехфазной сети переменного тока, включающий в себя источник напряжения в виде подключенного к нестабильной трехфазной сети переменного тока выпрямителя трехфазного напряжения, снабженного датчиком напряжения; адаптивный источник напряжения, соединенный с датчиком напряжения; группу светодиодов и источник тока, при этом источник напряжения и адаптивный источник напряжения включены согласно и последовательно и в их суммарное напряжение включена группа светодиодов, последовательно соединенных с источником тока.
Недостатком известного решения является то, что он не позволяет предохранить светодиодный светильник от скачков напряжения, что снижает надежность устройства и срок его службы.
Из уровня техники известен патент RU 128433 (Н05В 33/02, 20.05.2013) в котором драйвер для светодиодного светильника, включающий в себя плату, на которой установлены выпрямитель, фильтр синфазных помех, силовой ключ, диод, конденсаторы, блок анализа и стабилизации выходного тока посредством управления силовым ключом цепи стабилизации выходного тока.
Недостатком известного драйвера является то, что он не позволяет предохранить светодиодный светильник от скачков напряжения, а также обеспечить питание светодиодов от трехфазной сети переменного тока.
Техническим результатом заявленного изобретения является создание драйвера для обеспечения питания светодиодов заданным постоянным в среднем током и работающего от трехфазной сети переменного тока, не зависящем от напряжения питающей сети, а также повышение надежности и срока службы драйвера.
Указанный технический результат достигается тем, что драйвер для светодиодного светильника с питанием от трехфазной сети переменного тока, включающий в себя плату, на которой установлены выпрямитель, синфазный фильтр электромагнитной совместимости, блок стабилизации выходного тока, датчик тока. При этом драйвер содержит узел защиты от импульсных помех, дифференциальный фильтр электромагнитной совместимости, вспомогательный низковольтный источник питания и светодиодный модуль, при этом выпрямитель выполнен трехфазным двухполупериодным, блок стабилизации выходного тока состоит из силового ключа, силового ультрабыстрого диода, силового дросселя, датчика тока и ШИМ-контроллера, который имеет выход для управления силовым транзистором и вход, на который подается напряжение с датчика тока, а датчик тока включен последовательно с дросселем, причем вспомогательный низковольтный источник питания выполнен в виде микросхемы с интегрированным транзистором и датчиком тока и снабжен линейным стабилизатором напряжения, при этом узел защиты от импульсных помех, синфазный фильтр электромагнитной совместимости, трехфазный двухполупериодный выпрямитель, дифференциальный фильтр электромагнитной совместимости и блок стабилизации выходного тока, соединены последовательно, а вспомогательный низковольтный источник питания подключен параллельно блоку стабилизации входного тока.
Предпочтительно, чтобы в качестве силового ключа используется силовой МОП-транзистор с индуцированным каналом.
Светодиодный светильник выполнен из матрицы светодиодов NxM, в которой N светодиодов соединены последовательно, а M таких групп соединены параллельно.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
фиг.1 - общий вид схемы трехфазного драйвера для светодиодного светильника;
фиг. 2 – схема блока стабилизации выходного тока;
фиг. 3 – эпюра тока, проходящего через силовой дроссель и светодиодный модуль;
фиг. 4 – схема вспомогательного низковольтного источника питания;
фиг. 5 – эпюра тока дросселя.
Трехфазный драйвер для светодиодного светильника включает в себя плату, на которой размещены последовательно соединенные узел защиты от импульсных помех, синфазный фильтр электромагнитной совместимости, трехфазный двухполупериодный выпрямитель, дифференциальный фильтр электромагнитной совместимости (не показан на фиг. 1), блок стабилизации входного тока и светодиодный модуль, при этом вспомогательный низковольтный источник подключен параллельно блоку стабилизации входного тока (фиг.1).
Блок стабилизации выходного тока состоит из силового ключа, в качестве которого используется силовой МОП-транзистор с индуцированным каналом, силового ультрабыстрого диода, силового дросселя, датчика тока и ШИМ-контроллера, который осуществляет стабилизацию среднего тока нагрузки на заданном значении. ШИМ-контроллер имеет выход для управления силовым транзистором и вход, на который подается напряжение с датчика тока, пропорциональное току дросселя, а датчик тока включен последовательно с дросселем (фиг.2).
Вспомогательный низковольтный источник питания состоит из ШИМ–контроллера и выполнен в виде микросхемы с интергированным транзистором и датчиком тока и снабжен линейным стабилизатором напряжения, при этом параллельно нагрузке установлен конденсатор большой емкости, а «земля» ШИМ-контроллера подключена к точке соединения катода диода, истока транзистора и дросселя, при этом в схеме расположен дополнительный диод с конденсаторами.
Описание работы трехфазного светодиодного драйвера.
Трехфазное напряжение сети поступает на узел защиты от импульсных помех (УЗ), предназначенный для подавления кратковременных импульсных помех большой амплитуды и энергии, которые могут наводиться в проводах питающей сети и ограничивает перенапряжение на своем выходе до безопасного для дальнейших узлов значения. Далее трехфазное входное напряжение поступает на синфазный фильтр электромагнитной совместимости (ЭМС). Задача синфазного фильтра ЭМС — не пропустить эти помехи в питающую сеть. При наличии синфазного фильтра ЭМС ток помехи течет по контуру драйвер — конденсаторы C19...C21 – корпус светильника — паразитная емкость между корпусом и драйвером — драйвер, и не попадает в питающую сеть.
После синфазного фильтра ЭМС трехфазное входное напряжение поступает на трехфазный двухполупериодный выпрямитель, на выходе которого получается выпрямленное постоянное напряжение. Кроме того, напряжение на выходе двухполупериодного трехфазного выпрямителя, не имеет провалов до нуля, и коэффициент пульсаций его достаточно мал (14%), чтобы это напряжение можно было использовать непосредственно для питания стабилизатора тока. Вследствие этого исключается необходимость в накопителе энергии (электролитическом конденсаторе).
Затем постоянное напряжение поступает на дифференциальный фильтр ЭМС. Кроме синфазной помехи, импульсный источник питания генерирует также дифференциальную помеху, которая при наличии дифференциального фильтра ЭМС ток дифференциальной помехи протекает по контуру: силовая часть драйвера - «+» шина постоянного напряжения — конденсаторы C1, C2- “-” шина постоянного напряжения — силовая часть драйвера, и не попадает в питающую сеть. Возможен вариант расположения дифференциального фильтра до выпрямителя.
С выхода дифференциального фильтра ЭМС постоянное напряжение подается на блок стабилизации выходного тока (СТ). Блок СТ выполнен по топологии высокочастотного инверсного импульсного понижающего преобразователя напряжения (поскольку напряжение на светодиодном модуле ниже входного напряжения) с ШИМ регулированием с токовым управлением. Блок СТ представляет собой матрицу светодиодов NxM, в которой N светодиодов соединены последовательно, и M таких групп соединены параллельно. Все светодиоды в матрице должны быть из одной партии.
Схема блока СТ представлена на фиг. 2, эпюра тока, проходящего через силовой дроссель и светодиодный модуль (СД) на фиг. 3.
Блок СТ состоит из силового ключа VT1, в качестве которого используется силовой МОП-транзистор с индуцированным каналом, силового ультрабыстрого (с малым временем восстановления обратного сопротивления) диода VD1, силового дросселя L2, датчика тока A1 и ШИМ-контроллера U3, который осуществляет стабилизацию среднего тока нагрузки на заданном значении. ШИМ-контроллер имеет выход GATE для управления транзистором VT1 и вход CS, на который подается напряжение с датчика тока, пропорциональное току дросселя.
При практической реализации блока стабилизации выходного тока, датчик тока включен последовательно с дросселем. Он является «плавающим» относительно «земли» ШИМ-контроллера U3, что затрудняет подключение датчика к контроллеру, поскольку напряжение на входе CS измеряется относительно «земли», для обработки напряжения с датчика используют резистивный датчик тока и высоковольтный дифференциальный усилитель. Для регулирования среднего тока путем подстройки IМАКС не обязательно непрерывно считывать значение тока дросселя. Достаточно знать значения IМАКС и IМИН. Для этого нужно измерить ток IVT в момент времени сразу после t0 (это IМИН) и непосредственно перед моментом времени t2 (это IМАКС). Таким образом, резистивный датчик тока (параллельно соединенные резисторы R20...R23) можно включить не последовательно с дросселем, а между истоком транзистора VT1 и «землей» контроллера. Параллельное соединение токоизмерительных резисторов применяется с целью увеличения точности установки нужного значения сопротивления, которое, совместно со стабильным источником опорного напряжения микросхемы ШИМ-контроллера U3, задает средний ток дросселя. Небольшой фильтр низких частот (ФНЧ) R19C13 отфильтровывает импульсные помехи, возникающие при коммутации силовых приборов VT1 и VT2, которые могут нарушить работу контроллера. Резистор R18 демпфирует высокочастотный «звон», возникающий в цепи затвора VT1 на фронтах управляющего сигнала за счет возбуждения резонансного контура, образованного паразитной индуктивностью дорожек печатной платы и входной емкостью VT1. Снабберные цепочки R24C17 и R25C18 демпфируют «звон», возникающий в моменты коммутации VD10 и VT1 соответственно, слегка увеличивают длительность фронтов, и за счет этих эффектов улучшают ЭМС драйвера. Конденсатор С16, подключенный параллельно СД модулю, фильтрует импульсные помехи, а также слегка сглаживает пилообразный ток, текущий через СД модуль. Драйвер затвора U4 является буферным усилителем тока и преобразователем уровней. Во-первых, мощность выходного сигнала микросхемы ШИМ-контроллера на выходе GATE может быть недостаточна для непосредственного управления затвором транзистора с большим зарядом (емкостью) затвора, и требуется усиление по току, во-вторых, высокий уровень сигнала на выходе GATE составляет 7,5В, что может быть недостаточно для полного открытия некоторых МОП транзисторов, и нужно согласование уровней. Драйвер затвора U4 питается напряжением со вспомогательного низковольтного источника питания (ВИП) на микросхеме U1 и обеспечивает выходное напряжение высокого уровня для управления затвором VT1 равное 15В, а также усиление по току.
Конденсатор C15 фильтрует напряжение питания U4. Микросхема U3 является ШИМ-контроллером. Так же, как и U4, она питается от ВИП, напряжение питания подается на вывод VIN. В микросхеме содержится линейный стабилизатор напряжения, на вход которого подается напряжение VIN. Выходное напряжение линейного стабилизатора равно 7,5В, и оно используется для питания всех внутренних узлов ШИМ-контроллера, а также для питания оптопары, развязывающей сигнал управления драйвером и потенциометра подстройки выходного тока. Конденсатор C14 фильтрует напряжение питания VIN, а конденсатор С11 емкостью 4,7 мкФ является выходным конденсатором внутреннего линейного стабилизатора напряжения. Резистор R17 задает фиксированную длительность интервала времени t2 – t1, равную 9.1 мкс.
При этом входы LD и PWMD ШИМ-контроллера используются для управления средним током стабилизатора тока. Напряжение на входе LD, изменяющееся от 0 до 1,5 В, изменяет средний ток (и соответственно яркость светильника) от 0 до 100%. В данном драйвере для оперативного управления яркостью светильника используется вход PWMD, а ко входу LD подключен потенциометр R14R16R15, с помощью которого подстраивается выходной ток так, чтобы можно было установить одинаковую мощность светильников, независимо от того, светодиоды какой партии использованы в СД модуле.
Конденсатор C10 отфильтровывает помехи, которые могут попасть на вход LD. Вход PWMD используется для оперативного управления яркостью светильника c помощью внешнего (по отношению к ШИМ контроллеру U3) ШИМ сигнала (не путать с ШИМ сигналом самого контроллера, который используется для управления силовым транзистором VT1). Когда внешний ШИМ сигнал имеет высокий уровень, ШИМ-контроллер работает в непрерывном режиме, обеспечивая выходной ток 100% номинального. Когда внешний ШИМ сигнал имеет низкий уровень, ШИМ-контроллер полностью выключается, и выходной ток становится равным нулю.
Принцип работы вспомогательного низковольтного источника питания (ВИП) (фиг.4). ВИП выполнен по топологии понижающего импульсного преобразователя, аналогичной той, которая используется в стабилизаторе тока, но выходное напряжение отсчитывается не относительно «+» шины постоянного напряжения, а относительно «-» постоянного напряжения («земли»), и выходной величиной, подлежащей регулированию, является не ток, а напряжение. ВИП обеспечивает питание ШИМ-контроллера U3 и драйвера затвора U4 стабильным постоянным напряжением 15В, не зависящим от пульсаций выпрямленного трехфазного напряжения и нестабильности напряжения сети, а также не зависящим от тока нагрузки.
Упрощенная схема ВИП приведена на фиг. 4, а эпюра тока дросселя - на фиг. 5.
Процессы в ВИП аналогичны протекающим в стабилизаторе тока. В момент времени t0 ШИМ контроллер ВИП U1 открывает транзистор VT. На дросселе появляется положительное относительно правого вывода напряжение (UВХ — UВЫХ). Это напряжение приводит к линейному нарастанию тока дросселя до значения IМАКС. По достижении этого значения, ШИМ-контроллер выключает транзистор VT. Напряжение на дросселе L1 меняет знак, и диод VD9 отпирается. Теперь к дросселю приложено отрицательное относительно правого вывода напряжение (- UВЫХ), что приводит к линейному спаду тока дросселя до нуля к моменту времени t2, что вызывает закрытие диода VD9. В течении промежутка времени t2-t3 ток дросселя не течет, оба силовых полупроводниковых прибора закрыты, и напряжение на нагрузке поддерживается только за счет заряда выходного конденсатора С7. Затем в момент времени t3 ШИМ-контроллер открывает транзистор VT, и цикл повторяется. Данный режим работы называется режимом прерывистого тока дросселя (в отличие от СТ, который работает в режиме непрерывного тока дросселя).
Режим прерывистого тока широко используется в источниках с малой выходной мощностью, поскольку индуктивность дросселя для работы в режиме прерывистого тока меньше (а значит, меньше и габариты, и цена), чем для работы в режиме непрерывного тока. В отличие от ШИМ-контроллера в СТ, ШИМ-контроллер в ВИП фиксирует не длительность выключенного состояния транзистора, а длительность всего цикла, т. е. частоту работы ВИП. Так же, как и СТ, ВИП нечувствителен к изменениям входного напряжения, но изменения выходного тока и напряжения должны отрабатываться обратной связью. Для обратной связи используется часть выходного напряжения, снимаемая с делителя напряжения R5R6. Если выходное напряжение уменьшается, то уменьшается и напряжение обратной связи на входе FB контроллера. Контроллер реагирует на это, увеличивая уставку максимального тока IМАКС, что приводит к увеличению тока, протекающего через нагрузку, и восстановлению значения выходного напряжения. Аналогично и наоборот, при повышении выходного напряжения, ШИМ-контроллер уменьшает IМАКС, что приводит к уменьшению среднего тока через нагрузку и понижению выходного напряжения до номинального. Таким образом, выходное напряжение с помощью цепи обратной связи поддерживается неизменным. Отметим, что в отличие от СТ, в ВИП конденсатор большой емкости параллельно нагрузке обязателен. Он замыкает через себя переменную составляющую тока дросселя, в то время постоянная составляющая, равная IСР, течет через нагрузку. В частном случае реализации, применяют электролитические конденсаторы, а при небольших выходных мощностях, используют керамический конденсатор.
При практической реализации, поскольку от ВИП не требуется большая выходная мощность, в качестве ШИМ-контроллера выбрана микросхема с интегрированным транзистором и датчиком тока, поэтому на принципиальной схеме нет транзистора VT и датчика тока, но для анализа протекающих процессов неважно, встроенные они или внешние, при этом МОП-транзистор отпирается напряжением +15В на затворе относительно истока, и запирается нулевым напряжением на затворе относительно истока.
На схеме ВИП исток транзистора подключен не к «земле» всей схемы, а к точке соединения диода и дросселя. На интервале времени t0-t1, когда VT открыт, его исток находится под потенциалом +UВХ относительно «земли» схемы (это значит, что его затвор, для поддержания VT в открытом состоянии, должен иметь потенциал +(UВХ + 15В), а в схеме неоткуда взяться напряжению, выше чем UВХ). На интервале t1-t2 исток транзистора находится под потенциалом «земли» схемы (прямым падением напряжения на открытом диоде пренебрегаем), и схема работает «нормально». Для того чтобы запитать ШИМ-контроллер от его собственного выходного напряжения, и избежать проблемы с напряжением обратной связи и питанием самого ШИМ-контроллера используют «бустрепную» схему питания. Для этого «земля» контроллера (вместе с «землей» своей обвязки, включая нижний вывод резистора R6 делителя обратной связи) подключается не к «земле» схемы, а к точке соединения катода диода VD9, истока транзистора VT и дросселя. В схему вводится дополнительный диод VD8, называемый «бустрепным» диодом, и конденсаторы C4, С3. Примем, что диод VD7 замкнут накоротко. На интервале времени t1-t2, когда «земля» контроллера соединена с «землей» всей схемы, диод VD8 открывается, и конденсаторы C4 и C3 заряжаются до выходного напряжения ВИП, а именно +15В. На интервале времени t0-t1, когда при открытом транзисторе VT потенциал «земли» контроллера поднимается до +UВХ, «бустрепный» диод VD8 (нет на схеме) запирается обратным напряжением (UВХ-UВЫХ), отсекая ранее заряженные до +15В конденсаторы C4, C3 от выхода. Таким образом, относительно собственной «земли» ШИМ-контроллера, его напряжение питания, снимаемое с конденсатора C4, останется равным +15В выходного напряжения, напряжение, поступающее с конденсатора C3 на делитель обратной связи, останется равным выходному, т. е. обратная связь будет получать корректный сигнал, а напряжение на затворе транзистора VT будет равно +15В относительно его истока, и будет удерживать транзистор в открытом состоянии. На интервале времени t2-t3, когда закрыты оба силовых прибора — и VT, и VD9 – “земля” контроллера будет иметь потенциал +15В относительно «земли» всей схемы, но «бустрепные» конденсаторы C4, С3 так же обеспечат нормальное функционирование схемы.
Для питания ШИМ-контроллера используется его собственное выходное напряжение. Чтобы ШИМ-контроллер заработал, необходимо, чтобы было какое-то выходное напряжение, но пока контроллер не работает, этого напряжения нет, ВИП не сможет запуститься после включения драйвера в сеть, а без вспомогательного питания не запустится и стабилизатор тока. Это решается путем оснащения ШИМ-контроллера линейным маломощным стабилизатором напряжения, питающимся непосредственно от UВХ. Его слабый выходной ток течет через конденсатор C3 заряжая его, далее через дроссель L1 и нагрузку на «землю» схемы. Как только конденсатор C3 зарядится достаточно, чтобы ШИМ-контроллер стартовал, контроллер начинает запитывать себя с собственного выхода, и внутренний стабилизатор напряжения отключается. Для улучшения процесса запуска и выхода на номинальный режим работы, конденсатор C4, питающий делитель обратной связи, отделен от конденсатора, питающего ШИМ- контроллер в целом, диодом VD7.
Цепочка R7C6C5 служит для обеспечения стабильности при замыкании петли обратной связи. Резистор R8 демпфирует высокочастотный «звон», а резистор R9 служит дополнительной выходной нагрузкой ВИП, поскольку при очень малой выходной мощности, ШИМ-контроллер выходит из номинального режима работы, и выходное напряжение повышается.