УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ ПО СРЕДНЕМУ ЗНАЧЕНИЮ ТОКА
DEVICE FOR LIGHT CONTROL AGAINST AVERAGE CURRENT

Предлагаемое изобретение относится к области контроля и регулирования искусственного освещения с применением мощных светодиодов при питании от внешних источников постоянного тока.
Широко известно устройство регулирования тока светодиода, где формирование регулирующего сигнала осуществляется методом широтно-импульсной модуляции в соответствии с силой света, тем самым изменяя силу света светодиода, изменяющуюся с течением времени в результате его старения [1].
Известное устройство (фиг.1) содержит светодиод VD1, источник возбуждающего сигнала U1, МОП-транзистор VT2 с каналом n-типа, связанный с VD1 и работающий в ключевом режиме, резистор Кб, один конец которого соединен с землей, другой - с истоком VT2. Первый регулирующий блок 3 содержит операционный усилитель DA1, на инвертирующий вход которого поступает широтно-модулированный сигнал, неинвертирующий вход соединен с землей; резистор R4, подключенный между неинвертирующим входом и выходом; резистор R5, подключенный между выходом и блоком 2. Второй регулирующий блок  содержит источник электропитания U2; резистор R2, соединенный с U2; МОП-прибор VT1 с каналом р типа, работающий в ключевом режиме; переменный резистор R1, связанный с U2, и резистор R3, подключенный между истоками VT1 и VT2.
Недостатками известного устройства являются: чувствительность к изменению параметров светодиодов (при их замене) и требует предварительной ручной настройки тока посредством резистора R1, что особенно сказывается при последовательном включении светодиодов, имеющих различные вольт-амперные характеристики, сокращает срок службы светодиодов, так как поддерживается постоянство напряжения на светодиодах, что может привести к перегрузке одного из последовательно включенных светодиодов, а значит, ускорению процесса старения; использование аналогового сложения токов на резисторе R6 снижает точность регулировки силы тока.
Целью изобретения является увеличение срока службы светодиодов и повышение точности регулирования тока за счет регулирования тока по среднему значению.
Поставленная цель достигается тем, что формируется широтно-импульсно-модулированный сигнал управления МОП-транзистором по среднему значению тока светодиодов посредством интегрирования сигнала с датчика тока и сравнения его с синхронным пилообразным напряжением, где для защиты от понижения входного напряжения, от тока короткого замыкания и от перегрева элементов используются логические устройства и термостабильный источник опорного напряжения.
Электропитание светодиодных ламп выполняется дополнительным устройством питания постоянным током - драйвером. Для получения светового потока 1200 лм, аналогичного потоку лампы накаливания мощностью 100 Вт, необходимо включить 12…14 светодиодов, мощностью не менее 1 Вт с номинальной светоотдачей не ниже 100 лм/Вт и рабочем токе 350 мА. Для обеспечения продолжительного срока службы, высокой надежности и стабильности характеристик светильников, используемые в них светодиоды необходимо питать стабильным током. При работе светодиодной лампы возникает проблема отвода тепла, выделяемого в малом объеме драйвером, а перегрев светодиодов приводит к снижению надежности и срока службы. Одним из требований, предъявляемых к драйверу светодиодов, является функция диммирования [2], которая по сути есть функция управления яркостью. Данной функции уделяют особое внимание в современных условиях энергосбережения в офисных помещениях, торговых и промышленных объектах и пр.
На фиг.2 представлена функциональная схема описываемого устройства управления освещением по среднему значению тока.
Устройство управления по среднему значению тока содержит: светодиодный блок 2, включающий МОП-прибор VT1 с каналом n типа, работающий в ключевом режиме и низкоомный шунт R1, служащий для контроля и измерения тока светодиодов, один конец которого соединен с землей, другой - с истоком VT1; регулирующий блок 1, питающийся от источника U2. В состав регулирующего блока входят: задающий генератор 6; блок защиты от понижения напряжения, превышения тока, изменений температуры 5 с дополнительным входом 4 для подключения внешних датчиков и цепь отрицательной обратной связи по току, содержащую операционный усилитель DA2, один вход которого присоединен к истоку VT1, другой - к общему проводу; интегратор 8, вход которого присоединен к выходу DA2, а выход - к прямому входу ШИМ - компаратора DA1; генератор пилообразного напряжения 9, выход которого подключен к инверсному входу DA1, а вход подключен к выходу задающего генератора 6; RS-триггер DD2, на R вход которого поступает внешний сигнал блокировки 7, и схема совпадений DD1 с внешней подачей цифрового сигнала диммирования 3.
Увеличение срока службы светодиодов и повышение точности регулирования силы тока обеспечивается изменением длительности сигнала управления на затворе транзистора VT1, поступающего с выхода схемы совпадений DD1, один вход которой присоединен к прямому выходу RS-триггера, а другой - к блоку 5 и входу 3.
Проверка работы устройства управления проводилась путем моделирования в среде OrCAD [3]. Укрупненная модель (фиг.3) соответствует схеме, представленной фиг.2. На выходе задающего генератора dd3 формируются прямоугольные импульсы напряжения амплитудой порядка 5 В (кривая 1, фиг.4), генератор пилообразного напряжения формирует синхронную спадающую пилу (кривая 2, фиг.4). На выходе интегратора DA3 формируется аналоговый сигнал (кривая 1, фиг.5), пропорциональный среднему значению напряжения, снимаемого с датчика тока (кривая 2, фиг.5). Стабилизация тока светодиодов осуществляется методом ШИМ. В компараторе (da5) происходит сравнение сигнала с выхода интегратора (кривая 1, фиг.6) и пилообразного напряжения (кривая 2, фиг.6.), а на выходе компаратора формируется ШИМ-сигнал сброса RS-триггера (кривая 3, фиг.6). В случае возникновения аномальных режимов срабатывает защита, блокируя затвор транзистора t1 сигналом с выхода da6. Проверка режима диммирования проводилась путем изменения сигнала источника V3.
При проведении имитационных испытаний использовался линейный эквивалент светодиода в виде последовательно включенного резистора (0,6 Ом) и источника порогового напряжения (3,15 В), а также имеющиеся модели светодиодов в среде OrCAD.
Для проверки правильности работы предлагаемого устройства были проведены имитационные и натурные испытания в рамках выполнения ОКР по техническому заданию ФГУП «НЗПП с ОКБ». Результаты исследовании показали, что предлагаемое устройство позволяет повысить точность стабилизации тока до 3%, линейность регулировочных характеристик, повторяемость параметров драйвера и использовать дроссели с более низким значением индуктивности (50…500 мкГн), предоставляет возможность диммирования внешним сигналом.
Преимуществом данного устройства является более высокая стабильность тока, что не позволит отдельному светодиоду в последовательном ряду быть перегруженным и тем самым гарантирует большой срок службы. В случае пробоя одного из излучателей  оставшиеся светодиоды будут продолжать функционировать с корректным током.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Чэнь Чэн Фан. Регулятор светодиода, способ управления светодиодом и устройство возбуждения светодиода. Ав. Св., №2313135, кл. G09G 3/14, 2006.
2. Миронов С. Интегральные драйверы для светодиодного освещения Часть I: AC/DC-драйверы // Новости электроники. 2010. №10.
3. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. - М.: СОЛОН, 1999.