УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОСВЕЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ СИД С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ МОЩНОСТИ
DEVICE AND METHOD OF LIGHTING BASED ON LED WITH HIGH CAPACITY RATIO

Уровень техники
Преобразователь постоянного тока является общеизвестным электрическим устройством, который принимает входное напряжение постоянного тока и обеспечивает выходное напряжение постоянного тока. Для многих применений преобразователи постоянного тока выполняются с возможностью подачи стабилизированного выходного напряжения постоянного тока на нагрузку, основываясь на нестабилизированном входном напряжении постоянного тока; обычно преобразователь постоянного тока может применяться для преобразования нестабилизированного напряжения, обеспечиваемого любым из многочисленных источников питания постоянного тока, в более подходящее стабилизированное напряжение для приведения в действие данной нагрузки. Во многих обычных реализациях источников питания нестабилизированное входное напряжение постоянного тока получается от источника питания переменного тока, такого как напряжение сети переменного тока 120В действующего напряжения/60 Гц, которое выпрямляется и фильтруется устройством мостового выпрямителя/схемы фильтра. В этом случае, как описано дополнительно ниже, компоненты защитной развязки обычно применяются в преобразователе постоянного тока для обеспечения безопасной работы при потенциально опасных имеющихся напряжениях.
V
V
out
in
Фиг.1 иллюстрирует принципиальную схему обычного понижающего преобразователя 50 постоянного тока, выполненного с возможностью подачи стабилизированного выходного напряжения 32 () постоянного тока в нагрузку 40, основываясь на более высоком нестабилизированном входном напряжении 30 () постоянного тока. Понижающий (step-down) преобразователь на фиг.1 также обычно упоминается как «понижающий» («buck») преобразователь. С функциональной точки зрения понижающий преобразователь по фиг.1 обычно является представителем других типов преобразователей постоянного тока, некоторые примеры которых описываются, в свою очередь, ниже.
Преобразователи постоянного тока, подобные понижающему преобразователю по фиг.1, применяют транзистор или эквивалентный прибор, который конфигурируется для работы в качестве ключа в режиме насыщения, который позволяет селективно накапливать энергию в приборе накопления энергии (например, ссылка на транзисторный ключ 20 и катушку 22 индуктивности на фиг.1). Хотя фиг.1 иллюстрирует такой транзисторный ключ в виде биполярного плоскостного транзистора (BJT), полевые транзисторы (FET) также могут применяться в качестве ключей в различных реализациях преобразователя постоянного тока. По причине применения такого транзисторного ключа преобразователи постоянного тока также обычно упоминаются как «импульсные стабилизаторы», вследствие их общей функциональной возможности.
V
L
V
V
in
in
out
В частности, транзисторный ключ 20 в схеме по фиг.1 приводится в действие для периодической подачи нестабилизированного входного напряжения 30 () постоянного тока на катушку 22 индуктивности () в течение относительно коротких интервалов времени (на фиг.1 и последующих фигурах, если не указано иначе, изображена одна катушка индуктивности, чтобы схематически представлять одну или несколько фактических катушек индуктивности, расположенных в любой из многочисленных последовательно/параллельных конфигураций, чтобы получить требуемую индуктивность). В течение интервалов, в которых транзисторный ключ «включен» или замкнут (т.е. пропускает входное напряжение  на катушку индуктивности), ток течет через катушку индуктивности, основываясь на приложенном напряжении, и катушка индуктивности накапливает энергию в своем магнитном поле. Когда ключ переведен в состояние «выключено» или разомкнут (т.е. входное напряжение постоянного тока снимается с катушки индуктивности), энергия, накопленная в катушке индуктивности, переносится на конденсатор 34 фильтра, который функционирует для подачи относительно выровненного выходного напряжения  постоянного тока на нагрузку 40 (т.е. конденсатор обеспечивает, по существу, непрерывную энергию в нагрузку между циклами накопления энергии катушки индуктивности).
V
V
V
I
V
L
dI
dt
I
V
V
V
I
L
out
in
L
L
L
L
L
out
diode
L
Более конкретно, на фиг.1, когда транзисторный ключ 20 включен, напряжение =- прикладывается параллельно катушке 22 индуктивности. Это приложенное напряжение вызывает протекание линейно увеличивающегося тока через катушку индуктивности (и в нагрузку и конденсатор), основываясь на зависимости=·/. Когда транзисторный ключ 20 выключен, ток  через катушку индуктивности продолжает протекать в этом же направлении, причем диод 24 (D1) теперь является проводящим, замыкая цепь. Пока ток протекает через диод, напряжение  на катушке индуктивности фиксируется на значении -, вызывая линейное уменьшение тока  катушки индуктивности, так как энергия передается из магнитного поля катушки индуктивности на конденсатор и в нагрузку. Фиг.2 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую различные формы волны сигнала для схемы на фиг.1 во время операций переключения, описанных непосредственно выше.
I
L
Обычные преобразователи постоянного тока могут выполняться для работы в различных режимах, обычно упоминаемых как «непрерывный» режим и «прерывистый» режим. При работе в непрерывном режиме ток  катушки индуктивности остается выше нуля в течение последовательных циклов переключения транзисторного ключа, тогда как в прерывистом режиме ток катушки индуктивности начинается при нуле в начале данного цикла переключения и возвращается к нулю перед окончанием цикла переключения. Чтобы обеспечить в некоторой степени упрощенный, но все же информативный анализ схемы по фиг.1, описание ниже рассматривает работу в непрерывном режиме и предполагает для данного момента, что нет падений напряжения на транзисторном ключе, когда ключ включен (т.е. является проводящим), и что существует незначительное падение напряжения на диоде D1, в то время как диод проводит ток. С этой целью, изменения тока катушки индуктивности по последовательным циклам переключения могут исследоваться при помощи фиг.3.
V
I
t
T
t
t
T
t
t
X
L
on
off
on
off
Фиг.3 представляет собой график, на котором наложено напряжение в точке , показанное на фиг.1 (снова игнорируя любое падение напряжения на диоде D1), основываясь на работе транзисторного ключа 20, и ток через катушку  индуктивности для двух последовательных циклов переключения. На фиг.3 горизонтальная ось представляет время , и полный цикл переключения представлен периодом  времени, тогда как время «включения» транзисторного ключа указано как  и время «выключения» ключа указано как  (т.е. =+).
I
I
V
L
dI
dt
dI
L
o
L
L
L
Для работы при установившемся состоянии необходимо понять, что ток  катушки индуктивности в начале и конце цикла переключения по существу один и тот же, что можно наблюдать на фиг.3 посредством обозначения . Следовательно, из зависимости =·/ изменение тока  по одному циклу переключения равно нулю и может быть определено:
которое упрощается до
или
D
D
D
V
V
D
out
in
где  определяется как «рабочий цикл» транзисторного ключа, или соотношение времени на цикл переключения, когда ключ включен и позволяет выполнять накопление энергии в катушке индуктивности. Из вышеописанного можно видеть, что отношение выходного напряжения к входному напряжению пропорционально ; а именно, посредством изменения рабочего цикла  ключа в схеме по фиг.1 выходное напряжение  может изменяться в отношении входного напряжения , но не может превышать входного напряжения, так как максимальный рабочий цикл  равен 1.
V
V
V
V
out
in
out
in
Следовательно, как упомянуто ранее, обычный понижающий преобразователь по фиг.1, в частности, конфигурируется на подачу в нагрузку 40 стабилизированного выходного напряжения , которое меньше входного напряжения . Чтобы обеспечить стабильность выходного напряжения , как показано на фиг.1, понижающий преобразователь применяет цепь 46 управления с обратной связью для управления работой транзисторного ключа 20. Обычно, как указано на фиг.1 соединением 47, питание для различных компонентов цепи 46 управления с обратной связью можно получать из входного напряжения  постоянного тока или, альтернативно, от другого независимого источника питания.
V
V
R
R
V
V
V
V
V
V
V
sample
out
2
3
ref
ref
out
sample
ref
out
out
Как показано на фиг.1, в цепи 46 управления с обратной связью напряжение  масштабированного отсчета выходного напряжения  постоянного тока подается в качестве входного сигнала на цепь 46 управления с обратной связью (например, через резисторы и) и сравнивается усилителем 28 рассогласования с опорным напряжением . Опорное напряжение  представляет собой стабильное масштабированное представление требуемого стабилизированного выходного напряжения . Усилитель 28 рассогласования генерирует сигнал 38 рассогласования (в данном примере сигнал положительного напряжения в некотором заданном диапазоне), основываясь на сравнении  и , и амплитуда этого сигнала рассогласования, в конечном счете, управляет работой транзисторного ключа 20, который, в свою очередь, регулирует выходное напряжение  при помощи регулировок рабочего цикла ключа. Таким образом, цепь управления с обратной связью поддерживает стабильное стабилизированное выходное напряжение .
f
1
T
f
t
D
on
Более конкретно, сигнал 38 рассогласования служит в качестве управляющего напряжения для широтно-импульсного модулятора 36, который также принимает поток 42 импульсов, имеющий частоту =/, обеспечиваемую генератором 26. В обычных преобразователях постоянного тока примерные частоты  для потока 42 импульсов включают в себя, но не ограничиваются ими, диапазон от приблизительно 50 кГц до 100 кГц. Широтно-импульсный модулятор 36 выполнен с возможностью использования как потока 42 импульсов, так и сигнала 38 рассогласования для обеспечения сигнала 44 управления включением-выключением, который управляет рабочим циклом транзисторного ключа 20. В сущности, импульс потока 42 импульсов действует в качестве «триггера», вызывающего включение широтно-импульсным модулятором транзисторного ключа 20, и сигнал 38 рассогласования определяет, сколько времени транзисторный ключ остается включенным (т.е. длительность периода  времени и, следовательно, рабочий цикл ).
V
V
V
V
V
V
sample
ref
sample
ref
out
ref
Например, если сигнал 38 рассогласования указывает, что отсчитанное выходное напряжение  больше  (т.е. сигнал 38 рассогласования имеет относительно низкое значение), широтно-импульсный модулятор 36 конфигурируется на обеспечение управляющего сигнала 44 с импульсами «включения» относительно более короткой длительности или меньшим рабочим циклом, тем самым подавая относительно меньшую энергию на катушку индуктивности, когда транзисторный ключ 20 включен. И наоборот, если сигнал 38 рассогласования указывает, что  ниже  (т.е. сигнал рассогласования имеет относительно более высокое значение), широтно-импульсный модулятор конфигурируется на обеспечение управляющего сигнала с импульсами «включения» относительно большей длительности или более высоким рабочим циклом, таким образом подавая относительно больше энергии на катушку индуктивности, когда транзисторный ключ 20 включен. Следовательно, посредством модуляции длительности импульсов «включения» управляющего сигнала 44 при помощи сигнала 38 рассогласования выходное напряжение  стабилизируется цепью 46 управления с обратной связью, аппроксимируя требуемое выходное напряжение, представляемое посредством .
D
V
V
out
in
Другие типы обычных преобразователей постоянного тока, в дополнение к понижающему преобразователю, описанному выше в связи с фиг.1, включают в себя, например, повышающий (step-up) или «повышающий» («boost») преобразователь, который обеспечивает стабилизированное выходное напряжение постоянного тока, которое выше входного напряжения, инвертирующий или «повышающе-понижающий» преобразователь, который может быть сконфигурирован на обеспечение стабилизированного выходного напряжения постоянного тока, которое или меньше, или больше входного напряжения и имеет полярность, противоположную полярности входного напряжения, и преобразователь «Чука», который основан на принципах переноса энергии с емкостной связью. Подобно понижающему преобразователю, в каждом из этих других типов преобразователей рабочий цикл  транзисторного ключа определяет отношение выходного напряжения  к входному напряжению .
D
V
V
D
V
V
L
L
out
in
out
in
1
2
Фиг.4 иллюстрирует обычный повышающий преобразователь 52, и фиг.5 иллюстрирует обычный повышающе-понижающий преобразователь или инвертирующий стабилизатор 54. Оба эти преобразователя могут анализироваться аналогично понижающему преобразователю по фиг.1 для определения, как рабочий цикл  оказывает влияние на отношение /. Фиг.6 иллюстрирует пример преобразователя 56 «Чука», который применяет емкостную связь, а не главным образом индуктивную связь. Схема по фиг.6 получена из принципа двойственности, основанного на повышающе-понижающем преобразователе по фиг.5 (т.е. зависимость между рабочим циклом  и отношением / в преобразователе Чука идентична зависимости повышающе-понижающего преобразователя). Одной заслуживающей внимание характеристикой преобразователя Чука является то, что входная и выходная катушки и индуктивности, показанные на фиг.6, создают, по существу, сглаженный ток как на входе, так и на выходе преобразователя, тогда как понижающий, повышающий и повышающе-понижающий преобразователи имеют или импульсный входной ток (например, см. фиг.2, вторая диаграмма сверху) или импульсный выходной ток.
Для всех преобразователей, показанных на фиг.4-6, подробности цепи управления с обратной связью стабилизации напряжения были опущены для упрощения; однако, необходимо понять, что, подобно понижающему преобразователю, показанному на фиг.1, каждый из преобразователей, показанных на фиг.4-6, включает в себя цепь управления с обратной связью для обеспечения стабилизации выходного напряжения, как описано выше в связи с фиг.1.
В некоторых обычных конфигурациях преобразователей постоянного тока также может применяться способ восприятия и ограничения входного тока, чтобы способствовать улучшенной работе преобразователя, особенно в непрерывном режиме. Такие преобразователи обычно упоминаются как стабилизаторы «токового режима». Одной из проблем, с которой сталкиваются стабилизаторы токового режима, является потенциально непредсказуемое нарастание энергии в катушке индуктивности во время последовательных циклов переключения.
I
V
L
out
Например, со ссылкой снова на фиг.3, так как ток  катушки индуктивности остается выше нуля в непрерывном режиме, энергия, накапливаемая в магнитном поле катушки индуктивности в любой данный момент времени, может зависеть не только от энергии, накопленной во время самого последнего цикла переключения, но также от остаточной энергии, которая накопилась во время одного или нескольких предыдущих циклов переключения. Эта ситуация обычно приводит к до некоторой степени непредсказуемому количеству энергии, переносимому посредством катушки индуктивности (или другого элемента переноса энергии) в любом данном цикле переключения. Усредненная во времени, однако, функция сглаживания выходного конденсатора 34 в схемах, описанных выше, вместе с функцией стабилизации напряжения, обеспечиваемой цепью управления с обратной связью, способствует, по существу, управляемой подаче мощности в нагрузку, основываясь на стабилизированном выходном напряжении .
V
I
in
P
Цепь управления с обратной связью в описанных выше схемах, однако, обычно имеет ограниченное время реакции, и могут быть некоторые изменения во входных условиях (например, ) и/или в требованиях по питанию на выходе преобразователя постоянного тока, которые могут компрометировать стабильность цепи управления с обратной связью. Принимая во внимание вышеизложенное, стабилизаторы токового режима обычно конфигурируются на ограничение пикового тока  через катушку индуктивности, когда транзисторный ключ включен (например, см. фиг.3). Эта особенность ограничения входного тока также способствует предотвращению избыточных токов катушки индуктивности в случае существенных изменений во входных условиях и/или существенных изменениях требований к нагрузке, которые требуют (при помощи цепи управления с обратной связью стабилизации напряжения) рабочий цикл, который приводит к току катушки индуктивности, который может неблагоприятно влиять на стабильность цепи обратной связи и/или потенциально повреждать схему.
Фиг.7 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую пример стабилизатора 58 токового режима, основанного на конфигурации повышающе-понижающего преобразователя, показанной на фиг.5. На схеме по фиг.7 показаны подробности цепи управления с обратной связью стабилизации напряжения, чтобы способствовать описанию ограничения входного тока. Необходимо понять, что принципы, описанные ниже в связи с особенностями восприятия и ограничения входного тока схемы по фиг.7, могут аналогичным образом быть применены к другим типам обычных преобразователей постоянного тока, описанных в данном документе.
R
sense
Цепь управления с обратной связью, которая управляет работой транзисторного ключа 20 в схеме токового режима по фиг.7, отличается от цепи, показанной на фиг.1, тем, что схема на фиг.7 дополнительно включает в себя прибор 60 восприятия входного тока (т.е. резистор ) и компаратор 62. Также, широтно-импульсный модулятор 36, используемый в цепи управления с обратной связью в примере на фиг.7, представляет собой триггер D-типа с элементами управления установкой и сбросом. Как показано на фиг.7, триггерный широтно-импульсный модулятор устроен так, что его входы «D» и «Clk» соединены с заземлением, генератор 26 подает поток 42 импульсов на вход «Set» (установки) триггера (возбуждаемый низким уровнем ), компаратор 62 подает сигнал 64 на вход «Reset» (сброса) триггера (возбуждаемый низким уровнем ), и выход «Q» триггера обеспечивает управляющий сигнал 44 с широтно-импульсной модуляцией.
R
V
sense
ref
При таком устройстве, когда транзисторный ключ 20 выключен или разомкнут, нет тока через резистор ; следовательно, напряжение на инвертирующем входе компаратора 62 равно нулю. Как также показано на фиг.1, сигнал 38 рассогласования в данном примере представляет собой положительное напряжение в некотором заданном диапазоне, которое указывает разность между отсчитанным выходным напряжением и . Таким образом, когда транзисторный ключ 20 разомкнут, сигнал 64, выводимый компаратором, представляет собой сигнал высокого логического уровня (т.е. вход сброса  триггера не активизирован).
I
R
I
V
V
V
L
sense
L(on)
sense
sense
sense
С триггером в данном состоянии, следующий импульс с низким уровнем потока 42 импульсов активизирует вход  установки триггера, таким образом возбуждая выход Q триггера в логическое состояние высокого уровня и включая транзисторный ключ 20. Как описано выше, это вызывает увеличение тока  катушки индуктивности, и с замкнутым ключом этот ток катушки индуктивности также проходит через резистор  (), таким образом создавая напряжение  на этом резисторе. Когда напряжение  превышает сигнал 38 рассогласования, сигнал 64, выводимый компаратором 62, переключается в логическое состояние низкого уровня, таким образом активизируя вход  сброса триггера и вызывая переход выхода Q на низкий уровень (и выключение транзисторного ключа 20). Когда транзистор выключен, напряжение  возвращается в нуль, и сигнал 64 возвращается в логическое состояние высокого уровня, таким образом деактивизируя вход сброса триггера. В этот момент следующее появление импульса с низким уровнем потока 42 импульсов активизирует вход  установки триггера для запуска цикла еще раз.
V
D
V
I
R
V
V
sense
sense
P
sense
sample
ref
Следовательно, в схеме на фиг.7, зависимость между  и сигналом 38 рассогласования определяет рабочий цикл  транзисторного ключа 20; более конкретно, если напряжение  превышает сигнал 38 рассогласования, ключ размыкается. Основываясь на вышеизложенном, пиковый ток  через катушку индуктивности (см. фиг.3) может задаваться посредством выбора подходящего значения резистора  при наличии ожидаемого диапазона сигнала 38 рассогласования. Действие компаратора 62 гарантирует, что даже в ситуациях, когда изменения требований к нагрузке вызывает то, что  существенно ниже  (приводя к сигналу рассогласования с относительно более высокой величиной и потенциально большему рабочему циклу), ток через катушку индуктивности, в конечном счете, может ограничивать рабочий цикл, так что ток катушки индуктивности не превышает заданного пикового тока. Снова, этот тип работы «токового режима» обычно улучшает стабильность цепи управления с обратной связью и уменьшает потенциально повреждающие условия в схеме преобразователя постоянного тока.
Для многих электронных применений источники питания могут выполняться с возможностью обеспечения стабилизированного выходного напряжения постоянного тока из входного напряжения сети переменного тока (например, 120 В действующего напряжения, 60 Гц). Например, обычные «линейные» источники питания типично применяют существенный (относительно большой и тяжелый) трансформатор питания 60 Гц для снижения входного напряжения сети переменного тока с приблизительно 120 В действующего напряжения до некоторого меньшего (и менее опасного) вторичного напряжения переменного тока. Это меньшее вторичное напряжение переменного тока затем выпрямляется (например, диодно-мостовым выпрямителем) и фильтруется для получения нестабилизированного напряжения постоянного тока. Часто, затем применяется линейный стабилизатор для получения заданного стабилизированного выходного напряжения постоянного тока, основанного на нестабилизированном напряжении постоянного тока.
Посредством использования уникального переключающего действия преобразователя постоянного тока можно сконструировать источник питания, который не требует значительного трансформатора питания 60 Гц во входной ступени, типичного для линейных источников питания, таким образом во многих случаях существенно снижая размеры и вес и повышая эффективность источника питания. Например, источники питания, основанные на линейных стабилизаторах, обычно имеют эффективности преобразования мощности порядка приблизительно 50% или менее, тогда как источники питания, основанные на импульсных стабилизаторах, имеют эффективности порядка приблизительно 80% или более.
В некоторых источниках питания, основанных на импульсных стабилизаторах, нестабилизированное напряжение постоянного тока может обеспечиваться в качестве входного сигнала для преобразователя постоянного тока непосредственно из выпрямленного и отфильтрованного напряжения сети переменного тока. Такое устройство подразумевает, что нет защитной развязки между напряжением сети переменного тока и входным напряжением постоянного тока для преобразователя постоянного тока. Также, нестабилизированное входное напряжение постоянного тока для преобразователя может составлять приблизительно 160 вольт постоянного тока (основываясь на стабилизированном сетевом напряжении 120 В действующего напряжения) или более (до приблизительно 400 вольт, если применяется коррекция коэффициента мощности), которое потенциально довольно опасное. Принимая во внимание вышеизложенное, преобразователи постоянного тока для таких устройств источников питания обычно выполняются с признаками развязки для принятия мер по поводу этих проблем, чтобы, в основном, соответствовать соответствующим правилам техники безопасности.
filter
in
in
out
Фиг.8 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую пример такого источника 66 питания, включающего преобразователь постоянного тока или импульсный стабилизатор. Как описано выше, источник 66 питания принимает в качестве входного сигнала напряжение 67 сети переменного тока, которое выпрямляется мостовым выпрямителем 68 и фильтруется конденсатором 35 (C) для обеспечения стабилизированного напряжения постоянного тока в качестве входного V для части 69 преобразователя постоянного тока. Часть 69 преобразователя постоянного тока основана на (повышающе-понижающем) устройстве инвертирующего стабилизатора, показанном на фиг.5; однако, на фиг.8 катушка индуктивности накопления энергии была заменена высокочастотным трансформатором 72 для обеспечения развязки между нестабилизированным высоким входным напряжением V постоянного тока и выходным напряжением V постоянного тока. Такое устройство преобразователя постоянного тока, содержащее трансформатор, а не катушку индуктивности, обычно упоминается как «обратноходовой» преобразователь.
В схеме по фиг.8 «вторичная сторона» части 69 преобразователя (т.е. диод D1 и конденсатор С) расположены так, что преобразователь обеспечивает развязанное выходное напряжение постоянного тока. Часть 69 преобразователя постоянного тока также включает в себя элемент 70 развязки (например, второй высокочастотный трансформатор или оптрон) в цепи управления с обратной связью стабилизации напряжения для связи сигнала рассогласования от усилителя 28 рассогласования с модулятором 36 (сигнал рассогласования, вводимый в элемент 70 развязки и выводимый из него, обозначен позициями 38А и 38В).
V
V
V
in
ref
out
Принимая во внимание многочисленные особенности развязки в схеме по фиг.8, хотя не показанные явно на фигуре, необходимо понять, что питание для схемы генератора/модуляции обычно может получаться из нестабилизированного более высокого входного напряжения  постоянного тока первичной стороны, тогда как питание для других элементов цепи управления с обратной связью (например, опорное напряжение , усилитель 28 рассогласования) может получаться из стабилизированного выходного напряжения  постоянного тока вторичной стороны. Альтернативно, как упомянуто выше, питание для компонентов цепи с обратной связью в некоторых случаях может обеспечиваться независимым источником питания.
Фиг.9 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую еще один пример источника 74 питания, содержащего другой тип преобразователя постоянного тока, который обеспечивает развязку вход-выход. Часть 75 преобразователя постоянного тока источника 74 питания, показанного на фиг.9, обычно упоминается как «прямоходовой» преобразователь и основывается на понижающем (step-down) или «понижающем» («buck») преобразователе, описанном выше в связи с фиг.1. В частности, часть 75 преобразователя снова включает в себя трансформатор 72, подобно схеме на фиг.8, но также включает в себя катушку 76 индуктивности вторичной стороны и дополнительный диод 77 (D2), не присутствующий в обратноходовом преобразователе, показанном на фиг.8 (отметьте, что диод D2, катушка 76 индуктивности и конденсатор 34 имеют сходство с конфигурацией понижающего преобразователя, показанного на фиг.1). В прямоходовом преобразователе диод D1 гарантирует, что только положительные вторичные напряжения трансформатора прикладываются к выходной схеме, тогда как D2 обеспечивает путь циркуляции для тока в катушке 76 индуктивности, когда напряжение трансформатора равно нулю или отрицательное.
Другие общеизвестные модификации могут быть сделаны для прямоходового преобразователя, показанного на фиг.9, способствующие «двухполупериодной» проводимости во вторичной цепи. Также, хотя это не указано явно на фигурах, оба примерных источника питания, показанных на фиг.8-9, могут быть модифицированы, чтобы содержать особенности токового режима, как описано выше в связи с фиг.7 (т.е. ограничивать ток в первичной обмотке трансформатора 72).
Из-за переключающего характера преобразователей постоянного тока эти устройства обычно потребляют ток от источника питания импульсным образом. Это состояние может иметь некоторые обычно нежелательные результаты, когда преобразователи постоянного тока потребляют питание от источника питания переменного тока (например, как в устройствах источника питания по фиг.8-9).
filter
В частности, для максимальной отдачи мощности от источника питания переменного тока входной ток, в конечном счете потребляемый от напряжения сети переменного тока, идеально должен иметь форму синусоидальной волны и быть в фазе с напряжением сети переменного тока. Эта ситуация обычно упоминается как «единичный коэффициент мощности», и обычно имеет место с чисто резистивными нагрузками. Переключающий характер преобразователя постоянного тока и результирующее импульсное потребление тока (т.е. и соответствующее, по существу, несинусоидальное потребление тока от источника питания переменного тока) вызывают то, что эти устройства имеют меньший коэффициент мощности, чем единичный коэффициент мощности, и, таким образом, меньшую, чем оптимальная, отдачу мощности. Кроме того, со ссылкой снова на фиг.8-9, присутствие значительного конденсатора 35 (C) фильтра между мостовым выпрямителем 68 и преобразователем 69 постоянного тока дополнительно способствует тому, что полная нагрузка на мостовой выпрямитель делается менее резистивной, приводя к заметно меньшему коэффициенту мощности, чем единичный коэффициент мощности.
Более конкретно, «кажущаяся мощность», потребляемая от источника питания переменного тока нагрузкой, которая не является чисто резистивной нагрузкой, определяется умножением действующего напряжения, приложенного к нагрузке, на действующий ток, потребляемый нагрузкой. Эта кажущаяся мощность отражает то, сколько мощности устройство, по-видимому, потребляет от источника. Однако фактическая мощность, потребляемая нагрузкой, может быть меньше, чем кажущаяся мощность, и отношение фактической к кажущейся мощности упоминается как «коэффициент мощности» нагрузки. Например, устройство, которое потребляет кажущуюся мощность 100 вольт-ампер и имеет коэффициент мощности 0,5, фактически потребляет 50 ватт мощности, а не 100 ватт; другими словами, в данном примере устройство с коэффициентом мощности 0,5, по-видимому, требует в два раза больше мощности от источника, чем он фактически потребляет.
Как упомянуто выше, обычные преобразователи постоянного тока характеристически имеют существенно меньший коэффициент мощности, чем единичный коэффициент мощности, из-за его переключающего характера и импульсного потребления тока. Кроме того, если преобразователь постоянного тока должен был потреблять ток из напряжения сети переменного тока только с промежуточным выпрямлением и фильтрацией, импульсный несинусоидальный ток, потребляемый преобразователем постоянного тока, установит нежелательные воздействия и введет обычно нежелательный шум и гармоники на напряжении сети переменного тока (которые могут неблагоприятно воздействовать на работу других устройств).
Принимая во внимание вышеизложенное, некоторые обычные импульсные источники питания оснащаются устройствами коррекции коэффициента мощности, или используются совместно с ними, которые выполняются с возможностью принятия мер в отношении проблем, отмеченных выше, и обеспечивают более эффективное снабжение питанием от источника питания переменного тока. В частности, такие устройства коррекции коэффициента мощности обычно работают для «сглаживания» импульсного тока, потребляемого преобразователем постоянного тока, таким образом понижая его действующее значение, снижая нежелательные гармоники, улучшая коэффициент мощности и уменьшая случаи отключения автоматического выключателя сети переменного тока из-за пиковых токов.
В некоторых обычных устройствах, устройство коррекции коэффициента мощности само представляет собой тип устройства импульсного преобразователя мощности, подобного по конструкции различным преобразователям постоянного тока, описанным выше, и расположенного, например, между мостовым выпрямителем переменного тока и фильтрующим конденсатором, за которым следует преобразователь постоянного тока. Этот тип устройства коррекции коэффициента мощности действует для точного управления своим входным током на мгновенной основе, чтобы, по существу, согласовать форму волны и фазу своего входного напряжения (т.е. выпрямленное напряжение сети переменного тока). В частности, устройство коррекции коэффициента мощности может быть выполнено с возможностью контролирования выпрямленного напряжения сети переменного тока и использовать циклы переключения для изменения амплитуды формы волны входного тока для приведения ее ближе к фазе выпрямленного сетевого напряжения.
V
V
L
SW
D
V
AC
in
PFC
PFC
PFC
in
Фиг.9А представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую, в основном, такое обычное устройство 520 коррекции коэффициента мощности. Как описано выше, устройство коррекции коэффициента мощности выполнено так, чтобы принимать в качестве входного сигнала 65 двухполупериодное выпрямленное напряжение  сети переменного тока от мостового выпрямителя 68 и обеспечивать в качестве выходного сигнала напряжение , которое затем прикладывается к части преобразователя постоянного тока источника питания (например, со ссылкой на фиг.8-9, устройство 520 коррекции коэффициента мощности, включающее в себя конденсатор 35 фильтра параллельно выходу устройства 520, располагается между мостовым выпрямителем 68 и частями 69 и 75 преобразователя постоянного тока, соответственно). Как можно видеть на фиг.9А, общий пример устройства 520 коррекции коэффициента мощности основывается на топологии повышающего преобразователя (см. фиг.4 для примера повышающей конфигурации преобразователя постоянного тока), которая включает в себя катушку  индуктивности, ключ , диод  и конденсатор 35 фильтра, параллельно которому генерируется напряжение .
V
V
I
I
I
I
SW
I
V
AC
in
samp
AC
samp
AC
PFC
AC
AC
Устройство 520 коррекции коэффициента мощности по фиг.9А также включает в себя контроллер 522 коррекции коэффициента мощности (PFC), который контролирует выпрямленное напряжение , причем генерируемое напряжение  обеспечивается в качестве выходного сигнала части преобразователя постоянного тока, и сигнал 71 (), представляющий ток , потребляемый устройством 520. Как показано на фиг.9А, сигнал  может быть получен от элемента 526 восприятия тока (например, напряжение на резисторе) на пути тока , потребляемого устройством. Основываясь на этих контролируемых сигналах, контроллер 522 PFC выполняется с возможностью вывода управляющего сигнала 73 для управления ключом 75 (), так что ток  имеет форму волны, которая, по существу, совпадает и находится в фазе с выпрямленным напряжением .
R
PFC
Фиг.9В представляет собой схему, которая концептуально иллюстрирует функциональную возможность контроллера 522 PFC. Необходимо помнить, что, вообще говоря, функцией устройства 520 коррекции коэффициента мощности в целом является то, чтобы он сам выглядел, по существу, как сопротивление для источника питания переменного тока; таким образом, напряжение, обеспечиваемое источником питания, и ток, потребляемый от источника питания «смоделированным сопротивлением» устройства коррекции коэффициента мощности, имеют, по существу, одинаковую форму волны и находятся в фазе, приводя, по существу, к единичному коэффициенту мощности. Следовательно, величина  может рассматриваться как представляющая концептуальное смоделированное сопротивление устройства коррекции коэффициента мощности, так что согласно закону Ома
или
G
R
PFC
PFC
где =1/ и представляет действующую проводимость устройства 520 коррекции коэффициента мощности.
I
G
V
V
V
V
V
I
V
AC
PFC
in
refPFC
in
e
e
AC
in
Принимая во внимание вышесказанное, контроллер 522 PFC, показанный на фиг.9В, реализует стратегию управления, основанную на двух цепях обратной связи, а именно цепи обратной связи по напряжению и цепи обратной связи по току. Эти цепи обратной связи работают вместе для манипулирования мгновенным током , потребляемым устройством коррекции коэффициента мощности, основываясь на полученной действующей проводимости  для устройства коррекции коэффициента мощности. С этой целью, цепь 524 обратной связи по напряжению реализуется посредством сравнения напряжения  (обеспечиваемого в качестве выходного сигнала на конденсаторе 35 фильтра) с опорным напряжением , представляющим требуемое стабилизированное значение для напряжения . Сравнение этих значений генерирует сигнал  напряжения рассогласования, который прикладывается к интегратору/фильтру нижних частот, имеющему частоту среза приблизительно 10-20 Гц. Этот интегратор/фильтр нижних частот налагает относительно медленное время реакции для цепи управления общим коэффициентом мощности, которая способствует большему коэффициенту мощности; а именно, так как сигнал  напряжения рассогласования изменяется медленно по сравнению с частотой сети (которая составляет 50 или 60 Гц), регулировки  из-за изменений напряжения  (например, вызванные внезапной и/или значительной потребляемой мощностью нагрузки) происходят по многочисленным циклам сетевого напряжения, а не неожиданно во время любого данного цикла.
G
G
V
I*
I*
PFC
PFC
AC
AC
AC
В контроллере, показанном на фиг.9В, компонент постоянного тока медленно изменяющегося выходного сигнала интегратора/фильтра нижних частот, по существу, представляет действующую проводимость  устройства коррекции коэффициента мощности; следовательно, выходной сигнал цепи 524 обратной связи по напряжению обеспечивает сигнал, представляющий действующую проводимость . Следовательно, основываясь на зависимости, приведенной выше, контроллер 522 PFC выполняется с возможностью умножения этой действующей проводимости на контролируемое выпрямленное сетевое напряжение  для генерирования опорного токового сигнала , представляющего требуемый ток, потребляемый от сетевого напряжения, основанный на смоделированной резистивной нагрузке устройства 520. Этот сигнал , таким образом, обеспечивает опорный или «заданный» входной сигнал для цепи 528 управления током.
I*
I
I
I
SW
I
SW
I
AC
samp
AC
e
PFC
AC
PFC
AC
В частности, как показано на фиг.9В, в цепи 528 управления током, сигнал  сравнивается с сигналом , который представляет фактический ток , потребляемый устройством 520. Сравнение этих значений генерирует сигнал  рассогласования тока, который служит в качестве управляющего сигнала для контроллера ключа с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (например, подобно тому, что описано выше в связи с фиг.7). ШИМ-контроллер ключа, в свою очередь, выводит сигнал 73 для управления ключом , чтобы манипулировать фактическим потребляемым током  (см. снова фиг.9А). Примерные частоты, обычно используемые для управляющего сигнала 73, выводимого ШИМ-контроллером ключа (и, следовательно, для ключа ), имеют порядок приблизительно 100 кГц. Принимая во внимание вышесказанное, необходимо понять, что именно результирующее среднее значение быстроизменяющегося  имеет сходство с двухполупериодной выпрямленной синусоидальной формой волны (имеющей частоту, которая в два раза больше частоты сетевого напряжения), причем следствием операций переключения являются пульсации с частотой приблизительно 100 кГц. Следовательно, цепь обратной связи по току и элементы управления ключом должны иметь достаточную полосу частот, чтобы отслеживать двухполупериодную выпрямленную форму волны (следовательно, полоса частот в несколько кГц, как правило, более чем достаточна).
V
V
V
V
V
V
V
V
V
in
in
in
in
refPFC
in
in
in
in
Таким образом, в обычных схемах коррекции коэффициента мощности, описанных в связи с фиг.9А-9В, устройство 520 коррекции коэффициента мощности обеспечивает в качестве выходного сигнала стабилизированное напряжение  на конденсаторе 35, из которого может потребляться ток, необходимый для нагрузки, связанной с  (например, последующей частью преобразователя постоянного тока источника питания). Для внезапных и/или чрезмерных изменений требований по питанию в нагрузке мгновенное значение напряжения  может изменяться значительным образом; например, в случае внезапных высоких требований по питанию в нагрузке потребляются резервы энергии в конденсаторе, и  может внезапно падать ниже опорного . В результате, цепь 524 обратной связи по напряжению, с относительно медленным временем реакции, пытается регулировать , вызывая потребление устройством коррекции коэффициента мощности большей величины тока из сетевого напряжения. Вследствие относительно медленного времени реакции, тем не менее, данное действие, в свою очередь, может вызвать состояние перенапряжения для , особенно если внезапная/избыточная потребляемая мощность со стороны нагрузки больше не существует к моменту времени, когда выполняется регулировка . Устройство затем пытается компенсировать состояние перенапряжения, опять с учетом медленного времени реакции цепи 524 обратной связи по напряжению, приводя к некоторой степени потенциальной нестабильности. Подобные внезапные изменения (состояний или пониженного напряжения, или перенапряжения) в  могут являться результатом внезапных/избыточных возмущений в сетевом напряжении 67, на которые устройство 520 пытается реагировать описанным выше образом.
Из вышеописанного, необходимо понять, что медленное время реакции, которое, с одной стороны, способствует коррекции коэффициента мощности, одновременно может приводить к менее оптимальной возможности переходной характеристики входа/выхода. Следовательно, время реакции/полоса частот цепи обратной связи по напряжению в обычном устройстве коррекции коэффициента мощности обычно выбирается так, чтобы обеспечить практическое равновесие между приемлемой (но менее оптимальной) коррекцией коэффициента мощности и приемлемой (но менее оптимальной) переходной характеристикой.
Суммируя, необходимо понять, что вышеприведенное описание в связи с фиг.9А-9В является, главным образом, концептуальным по характеру для обеспечения общего понимания функциональной возможности коррекции коэффициента мощности. На практике, контроллеры коррекции коэффициента мощности на интегральных схемах в настоящее время имеются в продаже из различных источников (например, Fairchild Semiconductor ML4821 PFC Controller, ST Microelectronics L6561 и L6562). В частности, контроллеры ST Microelectronics L6561 и L6562 выполнены с возможностью выполнения коррекции коэффициента мощности, основываясь на топологии повышающего преобразователя (см. фиг.4 для примера повышающей конфигурации преобразователя постоянного тока). Контроллеры L6561 и L6562 используют способ «режима перехода» (TM) (т.е. работая около границы между непрерывным и прерывистым режимами), обычно применяемый для коррекции коэффициента мощности в относительно маломощных применениях. Подробности контроллера L6561 и способа режима перехода описаны в ST Microelectronics Application Note AN966, «L6561 Enhanced Transition Mode Power Factor Corrector», by Claudio Adragna, March 2003, доступной на http://www.st.com и включенной в данный документ по ссылке. Различия между контроллерами L6561 и L6562 описаны в ST Microelectronics Application Note AN1757, «Switching from the L6561 to the L6562», by Luca Salati, April 2004, также доступной на http://www.st.com и включенной в данный документ по ссылке. Для целей настоящего описания, эти два контроллера обычно описываются как имеющие подобные функциональные возможности.
В дополнение к тому, что они способствуют выполнению коррекции коэффициента мощности, контроллеры ST Microelectronics L6561 и L6562 могут применяться альтернативно в «нестандартной» конфигурации как контроллер в реализации обратноходового преобразователя постоянного тока. В частности, со ссылкой снова на фиг.8, L6561 может использоваться для осуществления общей функциональной возможности ШИМ-контроллера 36, который управляет транзисторным ключом 20. Его подробности и относящиеся альтернативные применения контроллера L6561 описаны в ST Microelectronics Application Note AN1060, «Flyback Converters with the L6561 PFC Controller,» by C. Adragna and G. Garravarik, January 2003, ST Microelectronics Application Note AN1059, «Design Equations of High-Power-Factor Flyback Converters based on the L6561», by Claudio Adragna, September 2003 и ST Microelectronics Application Note AN1007, «L6561-based Switcher Replaces Mag Amps in Silver Boxes», by Claudio Adragna, October 2003, каждая из которых доступна на http://www.st.com и включена в данный документ по ссылке.
Более конкретно, Application Notes AN1059 и AN1060 описывают примерную конфигурацию для основанного на L6561 обратноходового преобразователя (обратноходовая конфигурация с высоким коэффициентом мощности), который работает в режиме перехода и применяет способность контроллера L6561 выполнять коррекцию коэффициента мощности, таким образом обеспечивая преобразователь постоянного тока с единственной переключающей ступенью и с высоким коэффициентом мощности для относительно низких требований по питанию в нагрузке (например, до приблизительно 30 ватт). Фиг.10 иллюстрирует данную конфигурацию (которая воспроизведена с фиг.1с Application Note AN1059). Как описано в вышеупомянутых заметках о применении, некоторые общие примеры применений, для которых может быть полезна конфигурация обратноходового преобразователя по фиг.10, включают в себя маломощные импульсные источники питания, адаптеры переменного/постоянного тока для мобильного или офисного оборудования и автономные зарядные устройства, все из которых выполняются с возможностью подачи питания на, как правило, предсказуемые и относительно стабильные (фиксированные) нагрузки.
V
out
Способом, подобным тому, который описан выше в связи с фиг.7-9, конфигурация обратноходового преобразователя на основе ST L6561 по фиг.10 включает в себя цепь 80 управления с обратной связью стабилизации напряжения, которая принимает в качестве входного сигнала отсчет выходного напряжения 32 () постоянного тока и обеспечивает в качестве обратной связи сигнал 38В рассогласования, который прикладывается ко входу INV контроллера 36А L6561. Сигнал 38В рассогласования изображен пунктирными линиями на фиг.10 для указания, что этот сигнал оптически развязан от вторичной обмотки трансформатора, но, тем не менее, обеспечивает электрическое представление выходного напряжения 32 постоянного тока. В обычной реализации, включающей в себя контролеры ключа ST L6561 или L6562 для преобразователя постоянного тока с единственной переключающей ступенью и с высоким коэффициентом мощности, вход INV (контакт 1) этих контроллеров (инвертирующий вход внутреннего усилителя рассогласования контроллера) обычно связывается с сигналом, представляющим положительный потенциал выходного напряжения 32 постоянного тока (например, через конфигурацию оптрона и стабилитрона TL431, как показано на фиг.10). Внутренний усилитель рассогласования контроллера 36А, в свою очередь, сравнивает сигнал 38В рассогласования с внутренним опорным сигналом, чтобы поддерживать, по существу, постоянным (т.е. стабилизированным) выходное напряжение 32.
В ST Microelectronics Application Note AN1792, озаглавленной «Design of Fixed-Off-Time-Controlled PFC Pre-regulators with the L6562», by Claudio Andragna, November 2003, доступной на http://www.st.com и включенной в данный документ по ссылке, описывается другой подход для управления предварительным стабилизатором корректора коэффициента мощности в качестве альтернативы способу режима перехода и способу режима постоянной проводимости с фиксированной частотой. Конкретно, способ управления с «фиксированным временем выключенного состояния (FOT)» может применяться с контроллером L6562, например, в котором модулируется только время включенного состояния сигнала с широтно-импульсной модуляцией, и время выключенного состояния поддерживается постоянным (приводя к модуляции на частоте переключения). Фиг.11 изображает блок-схему стабилизатора PFC с FOT-управлением (который адаптирован с фиг.3 Application Note AN1792). Подобно подходу с режимом перехода можно видеть на фиг.11, что рассматриваемый способ управления с фиксированным временем выключенного состояния, использующий контроллер L6562, требует аналогично цепь 80 управления с обратной связью стабилизации напряжения, которая подает сигнал 38В рассогласования, представляющий выходное напряжение 32 (при помощи цепи делителя на резисторах), на усилитель VA рассогласования, внутренний для контроллера 36А. Контроллер 36А, в свою очередь, управляет ключом 20 (обозначенным как М на фиг.11), чтобы реализовать FOT-управление, основанное, по меньшей мере частично, на подаваемом обратно сигнале 38В рассогласования. В реализации по фиг.11, не требуется оптическая развязка сигнала 38В рассогласования, так как изображенная конфигурация преобразователя не применяет трансформатор.
Сущность изобретения
Заявители узнали и оценили, что применение преобразователя постоянного тока с высоким коэффициентом мощности и с единственной переключающей ступенью (аналогичного тому, который показан на фиг.10-11) в источниках питания для относительно маломощного осветительного устройства (например, приблизительно 10-300 ватт), может обеспечивать заслуживающие внимания преимущества в осветительных системах, применяющих значительное количество таких устройств и/или в применениях, в которых желательно управлять светоотдачей (яркостью) одного или нескольких осветительных устройств, используя обычные регуляторы света сетевого напряжения.
В частности, хотя коэффициент мощности данного маломощного осветительного устройства не может быть значительным по сути и сам по себе в отношении возможности обработки тока всей схемы, из которой устройство может потреблять питание (например, схема переменного тока 15-20 ампер при обычном сетевом напряжении США или Европы), коэффициент мощности таких устройств становится большей проблемой, когда несколько таких устройств размещается на одной и той же цепи переменного тока. Конкретно, чем больше коэффициент мощности индивидуального маломощного осветительного устройства, тем больше количество таких устройств, которые можно безопасно и разумно разместить в одной и той же силовой цепи. Следовательно, более сложные установки осветительных систем могут быть реализованы с большим количеством осветительных устройств с высоким коэффициентом мощности и относительно малой мощности. Кроме того, осветительное устройство с высоким коэффициентом мощности, применяющее переключающую конструкцию преобразователя постоянного тока, для сетевого напряжения проявляется как по существу резистивная нагрузка; таким образом, такие устройства особенно хорошо подходят для использования с обычными устройствами регулировки света (например, управление амплитудой напряжения или рабочим циклом), которые применяются, например, для регулировки светоотдачи обычных источников света, таких как источники на лампах накаливания.
Принимая во внимание вышесказанное, устройство обратноходового преобразователя с высоким коэффициентом мощности по фиг.10 обеспечивает потенциально привлекательный вариант для использования в источнике питания для относительно маломощного осветительного устройства. Среди привлекательных характеристик такого источника являются относительно малые размеры и число деталей в том, что требуется только одна переключающая ступень (т.е. отдельное устройство коррекции коэффициента мощности не требуется в дополнение к ступени преобразователя постоянного тока) для получения высокого коэффициента мощности.
Заявители узнали и оценили, однако, что дополнительные улучшения могут быть сделаны в схемах, основываясь на общей архитектуре по фиг.10-11 (т.е. преобразователь постоянного тока с высоким коэффициентом мощности и с единственной переключающей ступенью). В частности, для реализаций, включающих в себя, по существу, фиксированные/стабильные требования по питанию в нагрузке, цепь 80 управления с обратной связью стабилизации напряжения для получения или развязанного, или неразвязанного сигнала 38В рассогласования не является обязательной для достижения эффективной работы по меньшей мере некоторых типов нагрузок, подсоединяемых к выходному напряжению постоянного тока импульсного источника питания. Кроме того, конфигурации постоянного тока, за исключением обратноходового преобразователя, такие как понижающий преобразователь или повышающий преобразователь, могут применяться, опять же без цепи 80 управления с обратной связью, для подачи соответствующего питания на фиксированную/стабильную нагрузку. Конкретно, для нагрузок, включающих в себя светоизлучающие диоды (СИД), заявители узнали и оценили, что СИД сами являются устройствами стабилизации напряжения и что нагрузка, составленная одним СИД или многочисленными СИД, соединенными между собой в различных последовательных, параллельных или последовательно/параллельных конфигурациях («источник света на основе СИД»), определяет конкретное напряжение на нагрузке. Следовательно, импульсный источник питания, обычно основанный на архитектуре по фиг.10-11, легко может быть выполнен с возможностью получения стабильного надлежащим образом рабочего питания для нагрузки, не требуя цепи управления с обратной связью.
Принимая во внимание вышеупомянутое, один вариант осуществления настоящего изобретения относится к устройству, которое включает в себя импульсный источник питания, выполненный с возможностью обеспечения коррекции коэффициента мощности и подачи выходного напряжения в нагрузку посредством управления единственным ключом, не требуя никакой информации обратной связи, связанной с нагрузкой. В одном аспекте, единственный ключ управляется без контролирования или выходного напряжения на нагрузке, или тока, потребляемого нагрузкой. В другом аспекте, единственный ключ управляется без стабилизации или выходного напряжения на нагрузке, или тока, потребляемого нагрузкой. В еще одном аспекте, выходное напряжение не является изменяемым независимо от входного напряжения переменного тока, приложенного к источнику питания. В еще одном аспекте, входное напряжение может изменяться (например, может изменяться действующее значение входного напряжения переменного тока) посредством обычного регулятора света переменного тока (например, используя способ управления или амплитудой напряжения, или рабочим циклом) для управления, в свою очередь, выходным напряжением. В других аспектах, импульсный источник питания может содержать конфигурацию обратноходового преобразователя, конфигурацию понижающего преобразователя или конфигурацию повышающего преобразователя.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к способу, который включает в себя действие обеспечения коррекции коэффициента мощности и подачи выходного напряжения в нагрузку посредством управления единственным ключом, не требуя никакой информации обратной связи, связанной с нагрузкой. В одном аспекте, единственный ключ управляется без контролирования или выходного напряжения на нагрузке, или тока, потребляемого нагрузкой. В другом аспекте, единственный ключ управляется без стабилизации или выходного напряжения на нагрузке, или тока, потребляемого нагрузкой. В еще одном аспекте, выходное напряжение не является изменяемым независимо от входного напряжения переменного тока, приложенного к источнику питания. В еще одном аспекте, входное напряжение может изменяться (например, может изменяться действующее значение входного напряжения переменного тока) посредством обычного регулятора света переменного тока (например, используя способ управления или амплитудой напряжения, или рабочим циклом) для управления, в свою очередь, выходным напряжением.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к осветительному устройству, которое включает в себя по меньшей мере один источник света на основе СИД и импульсный источник питания, выполненный с возможностью обеспечения коррекции коэффициента мощности и подачи выходного напряжения (питания) на по меньшей мере один источник света на основе СИД посредством управления единственным ключом, не требуя никакой информации обратной связи, связанной с источником (источниками) света на основе СИД. В одном аспекте, единственный ключ управляется без контролирования или выходного напряжения на источнике (источниках) света на основе СИД, или тока, потребляемого источником (источниками) света на основе СИД. В другом аспекте, единственный ключ управляется без стабилизации или напряжения на источнике (источниках) света на основе СИД, или тока, потребляемого источником (источниками) света на основе СИД. В еще одном аспекте, выходное напряжение не является изменяемым независимо от входного напряжения переменного тока на источнике питания. В еще одном аспекте, входное напряжение переменного тока может изменяться (например, может изменяться действующее значение входного напряжения переменного тока) посредством обычного регулятора света переменного тока (например, используя способ управления или амплитудой напряжения, или рабочим циклом) для управления, в свою очередь, яркостью света, создаваемого по меньшей мере одним источником света на основе СИД. В других аспектах, импульсный источник питания может содержать конфигурацию обратноходового преобразователя, конфигурацию понижающего преобразователя или конфигурацию повышающего преобразователя.
Еще один вариант осуществления настоящего изобретения относится к осветительному устройству, которое включает в себя по меньшей мере один источник света на основе СИД и импульсный источник питания для обеспечения коррекции коэффициента мощности и подачи выходного напряжения на по меньшей мере один источник света на основе СИД посредством управления единственным ключом, не требуя никакой информации обратной связи, связанной с по меньшей мере одним источником света на основе СИД. Импульсный источник питания включает в себя единственный ключ и контроллер корректора коэффициента мощности в режиме перехода, соединенный с единственным ключом, в котором контроллер выполнен с возможностью управления единственным ключом, используя способ управления с фиксированным временем выключенного состояния (FOT). В одном аспекте, контроллер не имеет никакого входа, который принимает сигнал, относящийся к выходному напряжению на по меньшей мере одном источнике света на основе СИД или току, потребляемому по меньшей мере одним источником света на основе СИД во время нормальной работы осветительного устройства.
Еще один вариант осуществления настоящего изобретения относится к осветительной системе, которая включает в себя по меньшей мере одни источник света на основе СИД и импульсный источник питания, выполненный с возможностью обеспечения коррекции коэффициента мощности и подачи выходного напряжения (питания) на по меньшей мере один источник света на основе СИД посредством управления единственным ключом, не требуя никакой информации обратной связи, связанной с источником (источниками) света на основе СИД. Осветительное устройство дополнительно включает в себя регулятор света переменного тока для изменения входного напряжения переменного тока, приложенного к источнику питания. В одном аспекте, единственный ключ управляется без контролирования или выходного напряжения на источнике (источниках) света на основе СИД, или тока, потребляемого источником (источниками) света на основе СИД. В другом аспекте, единственный ключ управляется без стабилизации или напряжения на источнике (источниках) света на основе СИД, или тока, потребляемого источником (источниками) света на основе СИД. В еще одном аспекте, выходное напряжение не является изменяемым независимо от входного напряжения переменного тока, приложенного к источнику питания. В еще одном аспекте, регулятор света переменного тока использует способ управления или амплитудой напряжения, или рабочим циклом для изменения входного напряжения (например, может изменяться действующее значение входного напряжения переменного тока) и, в свою очередь, для управления яркостью света, создаваемого по меньшей мере одним источником света на основе СИД. В других аспектах, импульсный источник питания может содержать конфигурацию обратноходового преобразователя, конфигурацию понижающего преобразователя или конфигурацию повышающего преобразователя.
Необходимо понять, что все комбинации вышеприведенных принципов и дополнительных принципов, описанных более подробно ниже (при условии, что такие принципы не являются взаимно несовместимыми), рассматриваются как являющиеся частью изобретения, описанного в данном документе. В частности, все комбинации заявленного изобретения, находящегося в конце данного описания, рассматриваются как часть изобретения, описанного в данном документе. Также необходимо понять, что терминология, явно применяемая в данном документе, которая также может появиться в любом описании, включенном по ссылке, должна соответствовать значению, наиболее согласующемуся с конкретными принципами, описанными в данном документе.
Краткое описание чертежей
На чертежах подобные ссылочные позиции, как правило, относятся к одним и тем же деталям на всех чертежах. Также чертежи необязательно представлены в масштабе, при этом значение, вместо этого, обычно придается иллюстрации принципов изобретения.
Фиг.1 представляет собой принципиальную схему обычного понижающего (step-down) или понижающего («buck») преобразователя постоянного тока.
Фиг.2 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую различные рабочие сигналы, связанные с преобразователем постоянного тока по фиг.1.
Фиг.3 представляет собой диаграмму, конкретно иллюстрирующую ток в катушке индуктивности в зависимости от приложенного напряжения во время двух последовательных операций переключения в преобразователе по фиг.1.
Фиг.4 представляет собой принципиальную схему обычного повышающего (step-up) или повышающего («boost») преобразователя постоянного тока.
Фиг.5 представляет собой принципиальную схему обычного инвертирующего или «повышающе-понижающего» преобразователя постоянного тока.
Фиг.6 представляет собой принципиальную схему обычного преобразователя постоянного тока типа «Чук».
Фиг.7 представляет собой принципиальную схему повышающе-понижающего преобразователя, подобного тому, который показан на фиг.5, выполненного для работы в токовом режиме.
Фиг.8 представляет собой принципиальную схему обычного преобразователя постоянного тока «обратноходового» типа.
Фиг.9 представляет собой принципиальную схему обычного преобразователя постоянного тока «прямоходового» типа.
Фиг.9А представляет собой принципиальную схему обычного устройства коррекции коэффициента мощности, основанного на топологии повышающего преобразователя.
Фиг.9В представляет собой диаграмму, которая концептуально иллюстрирует функциональную возможность контроллера коррекции коэффициента мощности устройства коррекции коэффициента мощности, показанного на фиг.9А.
Фиг.10 представляет собой принципиальную схему преобразователя постоянного тока обратноходового типа, применяющего контроллер коэффициента мощности ST Microelectronics L6561 в нестандартной конфигурации.
Фиг.11 представляет собой блок-схему преобразователя постоянного тока, применяющего контроллер коэффициента мощности ST Microelectronics L6562 в нестандартной конфигурации, применяющей способ управления с «фиксированным временем выключенного состояния».
Фиг.12 представляет собой принципиальную схему осветительного устройства согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.12А представляет собой блок-схему осветительной системы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.13-16 представляют собой принципиальные схемы осветительного устройства согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
Как описано выше, различные варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способам, устройствам и системам, в которых питание подается в нагрузку посредством импульсного источника питания, в котором мощность может подаваться в нагрузку, не требуя никакой информации обратной связи, связанной с нагрузкой. В некоторых вариантах осуществления особый интерес представляют преобразователи постоянного тока с единственной переключающей ступенью и с высоким коэффициентом мощности для относительно маломощных применений (например, до приблизительно 10-300 ватт). Один тип нагрузки, представляющий особый интерес в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, включает в себя один или несколько источников света на светоизлучающих диодах (СИД), составляющих «источник света на основе СИД». Следовательно, одно примерное устройство согласно настоящему изобретению относится к осветительному устройству, в котором нагрузка включает в себя источник света на основе СИД, который принимает рабочее питание от преобразователя постоянного тока с единственной переключающей ступенью и с высоким коэффициентом мощности, не требуя никакой информации обратной связи, связанной с источником света на основе СИД.
Для целей настоящего описания фраза «информация обратной связи, связанная с нагрузкой», относится к информации, относящейся к нагрузке (например, напряжение на нагрузке и/или ток в нагрузке), полученной во время нормальной работы нагрузки (т.е. в то время как нагрузка выполняет свою предназначенную функциональную возможность), причем эта информация подается обратно на источник питания, обеспечивающий питание для нагрузки, чтобы способствовать стабильной работе источника питания (например, подачу стабилизированного выходного напряжения). Таким образом, фраза «не требуя никакой информации обратной связи, связанной с нагрузкой» относится к реализациям, в которых источник питания, подающий питание в нагрузку, не требует никакой информации обратной связи для поддержания нормальной работы себя и нагрузки (т.е. когда нагрузка выполняет свою предназначенную функциональную возможность).
Фиг.12 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую пример осветительного устройства 500, которое включает в себя источник 200 питания с высоким коэффициентом мощности и с единственной переключающей ступенью согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.12, одна примерная конфигурация для источника 200 питания осветительного устройства 500 основана на устройстве обратноходового преобразователя, применяющем контроллер 360 ключа, реализованный на контроллере ключа ST6561 или ST6562, описанном выше в связи с фиг.10-11. Входное напряжение 67 переменного тока прикладывается к источнику 200 питания на клеммах J1 и J2 (или J3 и J4), показанных в крайне левой части схемы, и выходное напряжение 32 постоянного тока (или напряжение питания) прикладывается к нагрузке 100, которая в примере на фиг.12 включает в себя источник света на основе СИД, имеющий пять последовательно соединенных СИД, как изображено на крайне правой части схемы. В одном аспекте, выходное напряжение 32 не является изменяемым независимо от входного напряжения 67 переменного тока, приложенного к источнику 200 питания; другими словами, для данного входного напряжения 67 переменного тока выходное напряжение 32, приложенное к нагрузке 100, остается, по существу, стабильным и фиксированным. Необходимо понять, что конкретная нагрузка 100 обеспечивается, главным образом, для целей иллюстрации, и что настоящее описание не ограничивается в этом отношении; например, в других вариантах осуществления изобретения источник света на основе СИД, служащий в качестве нагрузки 100, может включать в себя такое же или другое количество СИД, соединенных между собой любым из множества последовательных, параллельных или последовательно/параллельных расположений. Также, как указано в Таблице 1 ниже, осветительное устройство 500 может быть выполнено для множества различных входных напряжений, основываясь на соответствующем выборе различных схемных компонентов (значения резисторов в Омах).
Таблица 1
<img file="00000008.tif" he="59" wi="151" img-content="undefined" img-format="tif" />
В одном аспекте варианта осуществления, показанного на фиг.12, контроллер 360 выполнен с возможностью применения способа управления с фиксированным временем выключенного состояния (FOT) для управления ключом 20 (Q1). Способ управления FOT позволяет использовать относительно меньший трансформатор 72 для обратноходовой конфигурации. Это позволяет трансформатору работать на более постоянной частоте, которая, в свою очередь, доставляет более высокую мощность в нагрузку 100 для данного размера сердечника.
В другом аспекте, в отличие от обычных конфигураций импульсного источника питания, использующих контроллеры ключа или L6561, или L6562 (как описано выше в связи с фиг.10 и 11), импульсный источник 200 питания по фиг.12 не требует никакой информации обратной связи, связанной с нагрузкой 100, чтобы способствовать управлению ключом 20 (Q1). Со ссылкой снова для данного случая на фиг.10-11, в обычных реализациях, включающих в себя контроллеры ключа STL6561 или STL6562, вход INV (контакт 1) этих контроллеров (инвертирующий вход внутреннего усилителя рассогласования контроллера) обычно связывается с сигналом, представляющим положительный потенциал выходного напряжения (например, при помощи внешней цепи резисторного делителя и/или схемы оптрона), чтобы подавать обратную связь, связанную с нагрузкой 100, на контроллер ключа. Внутренний усилитель рассогласования контроллера сравнивает часть подаваемого обратно выходного напряжения с внутренним опорным напряжением, чтобы поддерживать, по существу, постоянным (т.е. стабилизированным) выходное напряжение.
В противоположность этим обычным устройствам, в схеме на фиг.12 вход INV контроллера 360 ключа соединяется с потенциалом заземления через резистор R11 и никоим образом не получает обратную связь от нагрузки 100 (например, нет электрического соединения между контроллером 360 и положительным потенциалом выходного напряжения 32, когда оно прикладывается к нагрузке 100). Обычно, в различных обладающих признаками изобретения вариантах осуществления, описанных в данном документе, ключ 20 (Q1) может управляться без контролирования или выходного напряжения 32 на нагрузке 100, или тока, потребляемого нагрузкой 100, когда нагрузка электрически соединяется с выходным напряжением 32. Аналогично, ключ Q1 может управляться без стабилизации или выходного напряжения 32 на нагрузке 100, или тока, потребляемого нагрузкой. Снова, это можно легко наблюдать на схеме по фиг.12, что положительный потенциал выходного напряжения 32 (приложенный к аноду СИД D5 нагрузки 100) электрически не соединяется или «не подается обратно» ни на какой компонент на первичной стороне трансформатора 72.
Посредством исключения необходимости обратной связи, многочисленные осветительные устройства согласно настоящему изобретению, применяющие импульсный источник питания, могут быть реализованы с меньшим количеством компонентов и с уменьшенными размерами/затратами. Также, вследствие высокой коррекции коэффициента мощности, обеспечиваемой схемой, показанной на фиг.12, осветительное устройство 500 проявляется, по существу, как резистивный элемент для приложенного входного напряжения 67.
В некоторых примерных реализациях, как показано на фиг.12А например, осветительная система 1000 может включать в себя осветительное устройство 500 по фиг.12 (т.е. источник 200 питания и нагрузка 100), подсоединенное к регулятору 250 света переменного тока, в котором напряжение 275 переменного тока, приложенное к источнику 200 питания, получается с выхода регулятора света переменного тока (который, в свою очередь, принимает в качестве входного сигнала напряжение 67 сети переменного тока). В различных аспектах, напряжение 275, обеспечиваемое регулятором 250 света переменного тока, может представлять собой, например, напряжение переменного тока, управляемое амплитудой напряжения или управляемое рабочим циклом (фазой). В одной примерной реализации, посредством изменения действующего значения напряжения 275 переменного тока, приложенного к источнику 200 питания при помощи регулятора 250 света переменного тока, может изменяться аналогичным образом выходное напряжение 32 на нагрузке. В реализациях, в которых нагрузка 100 представляет собой источник света на основе СИД, например, регулятор 250 света переменного тока может, таким образом, применяться для изменения яркости света, создаваемого СИД.
Фиг.13 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую пример осветительного устройства 500А согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, которое включает в себя источник 200А питания с единственной переключающей ступенью и с высоким коэффициентом мощности. Как показано на фиг.13, источник 200А питания подобен в нескольких отношениях источнику, показанному на фиг.12; однако, вместо применения трансформатора в конфигурации обратноходового преобразователя, источник питания по фиг. 13 применяет топологию понижающего преобразователя. Это позволяет получить существенное снижение потерь, когда источник питания выполняется так, что выходное напряжение представляет собой часть входного напряжения. Схема на фиг.13, подобно обратноходовой конструкции, применяемой на фиг.12, достигает высокого коэффициента мощности. В одной примерной реализации источник 200А питания выполняется с возможностью принятия входного напряжения 67 120 В переменного тока и получения выходного напряжения 32 в диапазоне приблизительно 30-70 В постоянного тока. Этот диапазон выходных напряжений ослабляет увеличивающиеся потери при меньших выходных напряжениях (приводящих к меньшей эффективности), а также искажение тока сети (измеренное как увеличение гармоник или уменьшение коэффициента мощности) при больших выходных напряжениях.
Схема по фиг.13 использует те же принципы конструирования, которые приводят к устройству, проявляющему довольно постоянное входное сопротивление, когда входное напряжение 67 изменяется. Состояние постоянного входного сопротивления, однако, может компрометироваться, если или 1) входное напряжение переменного тока меньше выходного напряжения, или 2) понижающий преобразователь не работает в непрерывном режиме работы. Гармонические искажения вызываются посредством 1) и являются неустранимыми. Их действие только может быть уменьшено посредством изменения выходного напряжения, допустимого нагрузкой. Это устанавливает практическую верхнюю границу на выходное напряжение. В зависимости от максимально допустимого содержания гармоник, данное напряжение, по-видимому, допускает около 40% от ожидаемого пикового входного напряжения. Гармоническое искажение также вызывается посредством 2), но его действие менее важно, так как катушка индуктивности (в трансформаторе Т1) может быть выполнена с такими размерами, чтобы выполнить переход между непрерывным/прерывистым режимом близко к напряжению, налагаемому посредством 1).
В другом аспекте, схема по фиг.13 использует быстродействующий карбидокремниевый диод (диод D9) Шотки в конфигурации понижающего преобразователя. Диод D9 позволяет использовать способ управления с фиксированным временем выключенного состояния с конфигурацией понижающего преобразователя. Эта особенность также ограничивает рабочие характеристики при низком напряжении источника питания. Когда снижается выходное напряжение, диодом D9 налагаются большие потери эффективности. Для заметно низких выходных напряжений обратноходовая топология, используемая на фиг.12, может быть предпочтительной в некоторых случаях, так как обратноходовая топология допускает большее время и меньшее обратное напряжение на выходном диоде для достижения обратного восстановления и позволяет использовать диоды с более высоким быстродействием, но с меньшим напряжением, а также кремниевые диоды Шотки, так как снижаются напряжения. Тем не менее, использование быстродействующего карбидокремниевого диода Шотки в схеме по фиг.13 позволяет осуществлять управление FOT, в то же время поддерживая достаточно высокую эффективность при относительно низких уровнях выходной мощности.
Фиг.14 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую пример осветительного устройства 500В согласно другому варианту осуществления настоящего раскрытия, включающего в себя источник 200В питания с высоким коэффициентом мощности и с единственной переключающей ступенью. В схеме по фиг.14 применяется топология повышающего преобразователя для источника 200В питания. Эта конструкция также использует способ управления с фиксированным временем выключенного состояния (FOT) и применяет карбидокремниевый диод Шотки для достижения достаточно высокой эффективности.
Как также показано на фиг.14, диапазоном для выходного напряжения 32 является от несколько выше ожидаемого пика входного напряжения переменного тока до приблизительно утроенного данного напряжения. Конкретные значения компонентов схемы, изображенные на фиг.14, обеспечивают выходное напряжение 32 порядка приблизительно 300 В постоянного тока. В некоторых реализациях осветительного устройства 500В, применяющего источник 200В питания и нагрузку, включающую в себя источник света на основе СИД, источник питания выполнен так, что выходное напряжение номинально в 1,4-2 раза больше пикового входного напряжения переменного тока. Нижний предел (1,4х) является, главным образом, вопросом надежности; так как имеет смысл избежать схемы защиты от изменения входного напряжения в переходном процессе из-за ее стоимости, достаточная величина границ напряжения может быть предпочтительной, перед тем как ток будет протекать через нагрузку. На верхнем конце (2х) может быть предпочтительным в некоторых случаях ограничить максимальное выходное напряжение, так как потери при переключении и проводимости увеличиваются как квадрат выходного напряжения. Таким образом, может быть получена более высокая эффективность, если данное выходное напряжение выбирается на некотором умеренном уровне выше входного напряжения.
Фиг.15 представляет собой принципиальную схему осветительного устройства 500С согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, включающего в себя источник 200С питания, основанный на топологии повышающего преобразователя, описанной выше в связи с фиг.14. Из-за потенциально высоких выходных напряжений, обеспечиваемых топологией повышающего преобразователя, в варианте осуществления по фиг.15 применяется схема 160 защиты от перенапряжения, чтобы гарантировать, что источник 200С питания прекращает работу, если выходное напряжение 32 превышает заданное значение. В одной примерной реализации схема защиты от перенапряжения включает в себя три последовательно соединенных стабилитрона D15, D16 и D17, которые проводят ток, если выходное напряжение 32 превышает приблизительно 350 вольт.
Обычно схема 160 защиты от перенапряжения выполняется с возможностью работы только в ситуациях, когда нагрузка 100 прекращает проводить ток от источника 200С питания, т.е. если нагрузка 100 не подключена или неправильно функционирует и прекращает нормальную работу. Схема 160 защиты от перенапряжения подсоединяется, в конечном счете, ко входу INV контроллера 360, чтобы останавливать работу контроллера 360 (и, следовательно, источника 200С питания), если существует условие перенапряжения. В этих отношениях, необходимо понять, что схема 160 защиты от перенапряжения не обеспечивает обратной связи, связанной с нагрузкой 100, на контроллер 360, чтобы способствовать стабилизации выходного напряжения 32 во время нормальной работы устройства; скорее, схема 160 защиты от перенапряжения функционирует только для остановки/запрета работы источника 200С питания, если нагрузка не присутствует, отсоединена или иным образом не проводит ток от источника питания (т.е. прекращает нормальную работу всего устройства).
Как указано в Таблице 2 ниже, осветительное устройство 500С по фиг.15 может быть сконфигурировано для многочисленных различных входных напряжений, основываясь на соответствующем выборе различных компонентов схемы.
Таблица 2
<img file="00000009.tif" he="53" wi="104" img-content="undefined" img-format="tif" />
Фиг.16 представляет собой принципиальную схему осветительного устройства 500D согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, включающего в себя источник 200D питания, основанный на топологии понижающего преобразователя, описанной выше в связи с фиг.13, но с некоторыми дополнительными признаками, относящимися к защите от перенапряжения и снижению электромагнитного излучения, излучаемого источником питания. Эти излучения могут происходить как излучением в атмосферу, так и проводимостью в проводах, переносящих входное напряжение 67 переменного тока.
В некоторых примерных реализациях источник 200D питания выполняется с возможностью соответствия стандартам Класса В на электромагнитные излучения, установленным в США федеральной комиссией по связи, и/или соответствия стандартам, установленным в Европейском сообществе на электромагнитные излучения от осветительных приборов, как изложено в документе британских стандартов, озаглавленном «Limits and Methods of Measurement of Radio Disturbance Characteristics of Electrical Lighting and Similar Equipment», EN 55015:2001, Incorporating Amendments Nos. 1, 2 and Corrigendum No.1, все содержимое которого включено в данный документ по ссылке. Например, в одной реализации источник 200D питания включает в себя схему 90 фильтра электромагнитных излучений («ЭМИ»), имеющую различные компоненты, подсоединенные к мостовому выпрямителю 68. В одном аспекте схема фильтра ЭМИ выполнена с возможностью установки в очень ограниченное пространство экономичным образом; она также совместима с обычными регуляторами света переменного тока, так что общая емкость находится на достаточно низком уровне, чтобы избежать мерцания света, создаваемого источником 100 света на основе СИД. Значения для компонентов схемы 90 фильтра ЭМИ в одной примерной реализации приведены в таблице ниже.
Компонент
Характеристика
С13
0,15 мкФ; 250/275 В переменного тока
С52, С53
2200 пФ; 250 В переменного тока
С6, С8
0,12 мкФ; 630 В
L1
Катушка индуктивности с магнитным сердечником; 1 мГн; 0,20 А
L2, L3, L4, L5
Катушка индуктивности с магнитно-ферритовым сердечником; 200 мА; 2700 Ом; 100 МГц; SM 0805
Т2
Магнитный, дроссель-трансформатор; общий режим; 16,5 МГн PC MNT
Как дополнительно изображено на фиг.16 (как указано на соединении «Н3» источника питания с местным заземлением «F»), в другом аспекте источник 200D питания включает в себя подсоединение экрана, которое также уменьшает модуляционный шум источника питания. В частности, в дополнение к двум электрическим соединениям между положительным и отрицательным потенциалами выходного напряжения 32 и источником 100 света на основе СИД предусматривается третье соединение между источником питания и источником 100 света на основе СИД. Например, в одной реализации источник 100 света на основе СИД может включать в себя печатную плату, на которой расположены один или несколько СИД («PCB СИД»). Такая PCB СИД может, в свою очередь, включать в себя несколько проводящих слоев, которые электрически изолированы друг от друга. Один из этих слоев, который включает в себя источники света на СИД, может быть самым верхним слоем и может воспринимать катодное соединение (к отрицательному потенциалу выходного напряжения). Другой из этих слоев может лежать под слоем СИД и может воспринимать анодное соединение (к положительному потенциалу выходного напряжения). Третий слой «экрана» может лежать под анодным слоем и может быть подключен к соединителю экрана. Во время работы осветительного устройства слой экрана функционирует для уменьшения/устранения емкостной связи со слоем СИД и, таким образом, подавляет модуляционные шумы. В еще одном аспекте устройства, показанного на фиг.16, и как указано на принципиальной схеме на соединении с заземлением к С52, схема 90 фильтра ЭМИ имеет соединение с защитным заземлением, которое может обеспечиваться при помощи проводящего штырькового зажима к корпусу устройства 500D (а не проводом, подсоединенным винтами), который допускает более компактную, легкую для сборки конфигурацию, чем обычные проводные соединения заземления.
В других аспектах устройства 500D, показанного на фиг.16, источник 200D питания включает в себя различные схемы для защиты от состояния перенапряжения для выходного напряжения 32. В частности, в одной примерной реализации выходные конденсаторы С2 и С10 могут задаваться для максимально допустимого напряжения приблизительно 60 вольт (например, 63 вольта), основываясь на ожидаемом диапазоне выходных напряжений приблизительно 50 вольт или меньше. Как описано выше в связи с фиг.15, в отсутствие какой-либо нагрузки на источник питания или неправильная работа нагрузки, приводящая к току, потребляемому от источника питания, выходное напряжение 32 повышается и превышает максимально допустимое напряжение выходных конденсаторов, приводя к возможным разрушениям. Для решения данной проблемы источник 200D питания включает в себя схему 160А защиты от перенапряжения, включающую в себя оптрон ISO1, имеющий выход, который, когда он активизирован, соединяет вход ZCD (обнаружение нулевого тока) контроллера 360 (т.е. контакт 5 U1) к локальному заземлению «F». Значения различных компонентов схемы 160А защиты от перенапряжения выбираются такими, что заземление, присутствующее на входе ZCD, завершает работу контроллера 360, когда выходное напряжение 32 достигает около 50 вольт. Как также описано выше в связи с фиг.15, снова, необходимо понять, что схема 160А защиты от перенапряжения не обеспечивает обратной связи, связанной с нагрузкой 100, на контроллер 360, чтобы способствовать стабилизации выходного напряжения 32 во время нормальной работы устройства; скорее, схема 160А защиты от перенапряжения функционирует только для того, чтобы прекратить/запретить работу источника 200D питания, если нагрузка не присутствует, отсоединена или иным образом не проводит ток от источника питания (т.е. полностью прекратить нормальную работу устройства).
Фиг.16 также изображает, что путь тока на нагрузку 100 включает в себя резисторы R22 и R23 восприятия тока, подсоединенные к контрольным точкам TPOINT1 и TPOINT2. Эти контрольные точки не используются для обеспечения какой-либо обратной связи на контроллер 360 или любой другой компонент устройства 500D. Скорее, контрольные точки TPOINT1 и TPOINT2 обеспечивают точки доступа для измерения специалистом по тестированию тока нагрузки во время процесса производства и сборки и, с измерениями напряжения нагрузки, определяют, соответствует или нет мощность нагрузки заданным техническим требованиям производителя устройства.
Как указано в Таблице 3 ниже, осветительное устройство 500D по фиг.16 может быть выполнено для многочисленных различных входных напряжений, основываясь на соответствующем выборе различных компонентов схемы.
Хотя в данном документе были описаны и изображены различные обладающие признаками изобретения варианты осуществления, специалисты в данной области техники легко представят многочисленные другие средства и/или конструкции для выполнения назначения и/или получения результатов и/или одного или нескольких преимуществ, описанных в данном документе, и предполагается, что каждый такой вариант и/или модификация находятся в пределах объема обладающих признаками изобретения вариантов осуществления, описанных в данном документе. Обычно специалисты в данной области техники легко поймут, что все параметры, размеры, материалы и конфигурации, описанные в данном документе, как предполагается, являются примерными, и что фактические параметры, размеры, материалы и/или конфигурации будут зависеть от конкретного применения или применений, для которых применяются идеи изобретения. Специалист в данной области техники узнает, или может установить, используя не более чем общепринятое экспериментирование, многие эквиваленты для конкретных обладающих признаками изобретения вариантов осуществления, описанных в данном документе. Поэтому, необходимо понять, что вышеприведенные варианты осуществления представлены в качестве примера только и что, в пределах объема прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов, обладающие признаками изобретения варианты осуществления могут быть выполнены на практике иначе, как конкретно описано и заявлено. Обладающие признаками изобретения варианты осуществления настоящего раскрытия относятся к каждому индивидуальному признаку, системе, изделию, материалу, комплекту и/или способу, описанным в данном документе. Кроме того, любое объединение двух или более таких признаков, систем, изделий, материалов, комплектов и/или способов, если такие признаки, системы, изделия, материалы, комплекты и/или способы не являются взаимно несовместимыми, включено в обладающий признаками изобретения объем настоящего раскрытия.
Все определения, определенные и использованные в данном документе, должны пониматься как контролирующие словарные определения, определения в документах, включенных по ссылке, и/или обычные значения определенных терминов.
Фраза «и/или», используемая в данном документе в описании изобретения и в формуле изобретения, должна пониматься как означающая «любой или оба» из элементов, объединенных таким образом, т.е. элементов, которые вместе присутствуют в некоторых случаях и отдельно присутствуют в других случаях. Многочисленные элементы, перечисленные с «и/или», должны истолковываться подобным образом, т.е. «один или более» из элементов, объединенных таким образом. Другие элементы могут необязательно присутствовать за исключением элементов, конкретно определенных фразой «и/или», относящихся или не относящихся к этим элементам, конкретно определенным. Таким образом, в качестве неограничивающего примера, ссылка на «А и/или В», когда она используется совместно с неограниченной формулировкой, такой как «содержащий», может относиться, в одном варианте осуществления, только к А (необязательно включая в себя элементы, кроме В); в другом варианте осуществления, только к В (необязательно включая в себя элементы, кроме А); в еще одном варианте осуществления как к А, так и В (необязательно включая в себя другие элементы); и т.д.
Как используется в данном документе в описании изобретения и в формуле изобретения, «или» должно пониматься как имеющее то же значение, что и «и/или», как определено выше. Например, при разделении элементов в списке, «или» или «и/или» должны интерпретироваться как включающие, т.е. включение по меньшей мере одного, но также включающие в себя более одного, из ряда или списка элементов, и, необязательно, дополнительные неперечисленные элементы. Только члены, ясно указанные противоположно, такие как «только один из» или «точно один из», или, при использовании в формуле изобретения, «состоящий из», ссылаются на включение точно одного элемента из ряда или списка элементов. Вообще, термин «или», используемый в данном документе, должен интерпретироваться только как указывающий исключающие альтернативы (т.е. «один или другой, но не оба»), когда ему предшествуют термины исключительности, такие как «любой», «один из», «только один из» или «точно один из». «Состоящий, по существу, из», когда он используется в формуле изобретения, должен иметь свое обычное значение, используемое в области патентного права.
Как используется в данном документе в описании изобретения и в формуле изобретения, фраза «по меньшей мере один», со ссылкой на список из одного или нескольких элементов, должна пониматься как означающая по меньшей мере один элемент, выбранный из любого одного или нескольких элементов в списке элементов, но необязательно включающая в себя по меньшей мере один из каждого и любого элемента, конкретно перечисленного в списке элементов, и не исключающая никаких комбинаций элементов в списке элементов. Это определение также допускает то, что элементы могут необязательно присутствовать, кроме элементов, специально определенных в списке элементов, к которым относится фраза «по меньшей мере один», относящиеся или не относящиеся к этим элементам, специально определенным. Таким образом, в качестве неограничивающего примера, «по меньшей мере один из А и В» (или, эквивалентно, «по меньшей мере один из А или В», или, эквивалентно, «по меньшей мере один из А и/или В») может ссылаться, в одном варианте осуществления, на по меньшей мере один, необязательно включая в себя более одного, А, без присутствующего В (и, необязательно, включая в себя элементы, отличные от В); в другом варианте осуществления, на по меньшей мере один, необязательно включая в себя более одного, В, без присутствующего А (и, необязательно, включая в себя элементы, отличные от А); в еще одном варианте осуществления, на по меньшей мере один, необязательно включая в себя более одного, А, и по меньшей мере один, необязательно включая в себя более одного, В (и необязательно включая в себя другие элементы); и т.д.
Также необходимо понять, что, если ясно не указано противоположное, в любом способе, заявленном в данном документе, который включает в себя больше одного этапа или действия, порядок этапов или действий способа не ограничивается обязательно порядком, в котором указаны этапы или действия способа.
В формуле изобретения, а также в описании изобретения выше, все переходные фразы, такие как «содержащий», «включающий в себя», «переносящий», «имеющий», «состоящий из» и т.п. должны пониматься как открытые, т.е. означать «включающий в себя», а не «ограничивающий». Только переходные фразы «состоящий из» и «состоящий, по существу, из» должны быть закрытыми или полузакрытыми переходными фразами, соответственно.