ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTRONIC CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области электронных преобразователей, в частности относится к электронному преобразователю электрического тока с входным постоянным электрическим током. Настоящее изобретение, в частности, но не исключительно, применимо в области устройств выравнивания источников света, в частности, светодиодных источников света.
Уровень техники
Электронные преобразователи известного типа, обеспечивающие управление мощностью, поглощаемой электрической нагрузкой, содержат импульсный преобразователь, подсоединенный к напряжению сети, и управляющий модуль, подсоединенный параллельно к импульсному преобразователю. При воздействии на управляющий интерфейс импульсного преобразователя, управляющий модуль, также подсоединенный к напряжению сети, обеспечивает возможность управления электрической энергией, подводимой к электрической нагрузке, например, обеспечивая возможность модулирования или регулировки электрического тока, поступающего от преобразователя, для изменения интенсивности света, излучаемого источником света, используемого в качестве электрической нагрузки.
Документ ЕР 0111729 А1 относится к схеме цепи для подачи напряжения постоянного тока, сохраняемого постоянным на электрических нагрузках, причем по меньшей мере одна нагрузка подсоединена посредством импульсного стабилизатора к цепи питания, питаемой подаваемым током. Цепь сохраняет свою конфигурацию, даже если нагрузки испытывают значительные колебания на протяжении короткого промежутка времени. Переключающий элемент импульсного стабилизатора расположен параллельно входу; и между переключающим элементом и конденсатором параллельно выходу импульсного стабилизатора размещен диод, который отсекается, когда переключающий элемент проводит ток. Эта схема цепи может предпочтительно использоваться для оборудования электропитания электрических систем связи.
Однако устройства известного типа имеют несколько недостатков. Во-первых, управляющий модуль должен содержать средства защиты от скачков напряжения сети питания и сетевой фильтр.
Кроме того, управляющий модуль должен удовлетворять заданным и определенным требованиям безопасности и гальванической изоляции, поскольку он напрямую подсоединен к напряжению сети. Это подразумевает большое количество соединений и проводов, а также громоздкий размер управляющего модуля в корпусе источника света.
Кроме того, если управляющий модуль должен измерять электрические параметры, необходимые для вычисления потребления энергии, суммарная стоимость электронного преобразователя возрастает еще больше.
Тем не менее, конфигурация схемы устройств известного типа должна соответствовать требованиям безопасности управляющего модуля, и это ведет к тому, что устройства известного типа являются особенно дорогостоящими
Различные эксперименты, проведенные заявителем, показали, что управляющий модуль устройств известного типа вносит дополнительные сдвиги фазы электрического тока, подаваемого в систему, образованную из модуля питания, управляющего модуля и электрической нагрузки. Принимая во внимание, что сдвиг фазы электрического тока сокращает эффективность работы источника питания сети, возникает потребность в электронном преобразователе электрического тока, который не вносит дополнительный сдвиг фазы электрического тока и, тем самым, оптимизирует эффективность работы.
Одной из основных проблем, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в удовлетворении этой потребности и устранении недостатков устройств известного типа.
Раскрытие сущности изобретения
Один из вариантов осуществления настоящего изобретения относится к электронному преобразователю, содержащему:
- пару входных клемм, в частности, выполненных с возможностью подсоединения к блоку питания с постоянным электрическим током на выходе, и
- пару выходных клемм, в частности, выполненных с возможностью подсоединения к электрической нагрузке,
- каскад преобразования электрического тока, подсоединенный к указанным входным клеммами и указанным выходным клеммам, и
- контроллер, подсоединенный к каскаду преобразования электрического тока, и в частности, выполненный с возможностью контроля электрической энергии на выходе из каскада преобразования электрического тока.
Такое решение обеспечивает возможность получения электронного преобразователя постоянного электрического тока в постоянный электрический ток или постоянного электрического тока в постоянное напряжение, который обеспечивает возможность диммирования, или в котором может контролироваться выходной электрический ток или напряжение на выходе.
Другой аспект настоящего изобретения предусматривает, что каскад преобразования электрического тока содержит цепь импульсного преобразователя.
Такое решение обеспечивает возможность использования блока питания с выходом постоянного электрического тока и контроль электрического тока или напряжения на выходе из электронного преобразователя, а также оно обеспечивает возможность сокращения пульсации электрического тока на выходе.
Другой аспект настоящего изобретения предусматривает, что каскад преобразования электрического тока содержит каскад питания, питающий контроллер, подсоединенный к цепи импульсного преобразователя.
Это решение гарантирует работу контроллера, даже когда электрическая нагрузка, и, следовательно, каскад преобразования должны быть переключены в режим ВЫКЛ.
Другой аспект настоящего изобретения предусматривает, что каскад подачи питания содержит цепь преобразователя постоянного электрического тока в постоянное напряжение, подсоединенную последовательно к цепи импульсного преобразователя.
Другой аспект настоящего изобретения предусматривает, что цепь преобразователя постоянного электрического тока в постоянное напряжение каскада подачи питания содержит пару входных клемм, пару выходных клемм, диод, полевой транзистор, подсоединенный между диодом и одной из входных клемм, катушку индуктивности, подсоединенную к диоду и к одному из выходных клемм, и конденсатор, подсоединенный между катушкой индуктивности и одной из входных клемм.
Благодаря этому решению, переменная длительность времени переключения в режим ВКЛ полевого транзистора и контроль этой длительности обеспечивает возможность получения постоянного напряжения на выходе, используемого для питания контроллера.
Другой аспект настоящего изобретения предусматривает, что каскад подачи питания может содержать изолирующий трансформатор, подсоединенный между полевым транзистором и диодом.
Это решение обеспечивает возможность улучшения аспектов безопасности и гальванической изоляции электронного преобразователя.
Другой аспект настоящего изобретения предусматривает, что каскад преобразования электрического тока содержит входной фильтр, подсоединенный к входным клеммам электронного преобразователя, к цепи импульсного преобразователя и к каскаду подачи питания контроллера.
Другой аспект настоящего изобретения предусматривает, что цепь импульсного преобразователя каскада преобразования электрического тока содержит пару входных клемм и пару выходных клемм, диод, подсоединенный к одной из входных клемм и полевому транзистору, катушку индуктивности, конденсатор, подсоединенный между катушкой индуктивности и полевым транзистором, и измеряющий резистор, подсоединенный между одной из выходных клемм и узлом, общим для конденсатора и полевого транзистора.
Это решение обеспечивает возможность измерения основных электрических параметров системы, например, электрического тока на выходе, напряжения на выходе и мощности на выходе, и оценки некоторых производных параметров, например, входной мощности.
Еще один аспект настоящего изобретения предусматривает, что цепь импульсного преобразователя может содержать изолирующий трансформатор, подсоединенный между полевым транзистором и диодом.
Другой аспект настоящего изобретения предусматривает, что контроллер содержит пару входных клемм, пару управляющих клемм, блок дифференциального усилителя, блок компаратора напряжений и блок генератора управляющего напряжения, подсоединенный к концам пары управляющих клемм.
Это решение обеспечивает возможность контроля и изменения электрического тока на выходе электронного преобразователя, например, диммирования светодиодного элемента освещения.
Еще один аспект настоящего изобретения предусматривает, что контроллер дополнительно содержит блок для приема управляющего сигнала.
Это решение обеспечивает возможность дистанционного управления электрическим током на выходе из электронного преобразователя, и/или посредством беспроводного соединения, например, посредством смартфона или планшета, с использованием Wi-Fi соединения.
Другой аспект настоящего изобретения предусматривает, что цепь импульсного преобразователя каскада преобразования электрического тока может содержать пару входных клемм и пару выходных клемм, первый полевой транзистор, подсоединенный к одной из входных клемм, второй полевой транзистор, катушку индуктивности, конденсатор, подсоединенный между катушкой индуктивности и вторым полевым транзистором, и измеряющий резистор, подсоединенный между одной из выходных клемм и узлом, общим для конденсатора и второго полевого транзистора.
Это решение обеспечивает возможность отсоединения электрической нагрузки, например, выключения источника света с обеспечением работы блока питания в режиме без нагрузки, или созданием условий короткого замыкания на выходе блока питания.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения более ясны из последующего описания, которое приведено исключительно в качестве примера и сопровождается ссылками на прилагаемые чертежи, где:
- на фиг. 1 показано блочное схематическое изображение одного из вариантов осуществления электронного преобразователя согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 2 показано блочное схематическое изображение другого варианта осуществления электронного преобразователя согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 3 показано блочное схематическое изображение еще одного варианта осуществления электронного преобразователя согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 4 показана электрическая схема цепи импульсного преобразователя согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 5 показана электрическая схема входного фильтра согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 6 показана электрическая схема контроллера согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 7 показана электрическая схема каскада подачи питания согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 8 показана электрическая схема одного из вариантов осуществления каскада подачи питания с фиг. 5;
- на фиг. 9 показана электрическая схема одного из вариантов осуществления цепи импульсного преобразователя с фиг. 4;
- на фиг. 10 показана электрическая схема цепи импульсного преобразователя с фиг. 4 синхронным образом; и
- на фиг. 11а - 11d схематически показаны диаграммы динамики изменения во времени электрических токов и напряжений, относящихся к основным компонентам цепи импульсного преобразователя с фиг. 2.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Идея, на которой основано настоящее изобретение, заключается в создании электронного преобразователя, содержащего каскад для преобразования электрического тока из постоянного электрического тока в постоянный электрический ток или из постоянного электрического тока в постоянное напряжение, причем указанный электронный преобразователь обеспечивает возможность диммирования.
Подобный электронный преобразователь, обеспечивающий постоянный электрический ток на выходе, в частности, применим в электропитании источников света и, в частности, светодиодных источников света. Такой электронный аналогичен «понижающему» преобразователю, при этом выражение «понижающий» преобразователь используется для обозначения преобразователя для переключения от постоянного напряжения к постоянному напряжению или от постоянного напряжения к постоянному электрическому току.
На фиг. 1 показан один из предпочтительных вариантов осуществления электронного преобразователя 1 согласно настоящему изобретению. Электронный преобразователь 1 содержит пару входных клемм IN+, IN-, в частности, выполненных с возможностью подсоединения, при использовании, к блоку 10 питания с постоянным электрическим током на выходе. Электронный преобразователь 1 содержит пару выходных клемм OUT+, OUT-, в частности, выполненных с возможностью подсоединения, при использовании, к электрической нагрузке 5. Электронный преобразователь 1 дополнительно содержит каскад 2 преобразования электрического тока, подсоединенный к указанным входным клеммам IN+, IN-, и указанным выходным клеммам OUT+, OUT-, и контроллер 3, подсоединенный к каскаду 2 преобразования электрического тока.
При использовании, каскад 2 преобразования электрического тока обеспечивает на выходе постоянный электрический ток к электрической нагрузке 5, а контроллер 3 обеспечивает контроль работы каскада 2 преобразования электрического тока и, тем самым, регулировку электрического тока, подаваемого на электрическую нагрузку 5.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 2, каскад 2 преобразования электрического тока электронного преобразователя 1 может содержать цепь 20 импульсного преобразователя и каскад 4 подачи питания, подсоединенный к контроллеру 3, цепи 20 импульсного преобразователя и одной из входных клемм IN- электронного преобразователя 1.
При использовании, электрический ток на выходе из блока 10 питания проходит через порт, образованный входными клеммами IN1 и IN2 импульсного преобразователя 20, и поступает во входной порт, образованный клеммами IN2 и IN3 каскада 4 подачи питания. Этот электрический ток обеспечивает работу каскада 4 подачи питания который, в свою очередь, способен генерировать подачу питания для контроллера 3.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, каскад 2 преобразования электрического тока электронного преобразователя 1 может содержать входной фильтр 22, подсоединенный к цепи 20 импульсного преобразователя и каскаду 4 подачи питания контроллера 3.
Входной фильтр 22, в частности, выполнен с возможностью подсоединения последовательно к выходу блока 10 питания с постоянным электрическим током на выходе, например, но не только, к устройству управления или блоку питания для светодиодных источников света.
При использовании, входной фильтр 22 обеспечивает возможность исключения высокочастотных поглощений, имеющихся на входном порте электронного преобразователя 1, содержащего клеммы IN+ и IN-.
Цепь 20 импульсного преобразователя каскада 2 преобразования электрического тока в варианте осуществления, показанном на фиг. 4, включает в себя пару входных клемм IN1, IN2, соответственно подсоединенных к выходной клемме входного фильтра 22 и клемме каскада подачи питания, и пару выходных клемм OUT+, OUT-, в частности, обеспечивающих возможность, при использовании, подсоединения к электрической нагрузке, предпочтительно с источником света, еще более предпочтительно, с светодиодным источником света.
G
S
Цепь 20 импульсного преобразователя дополнительно содержит пару управляющих клемм V, V, в частности, обеспечивающих возможность приема управляющего сигнала, поступающего от контроллера 3.
Цепь 20 импульсного преобразователя содержит диод 28, подсоединенный как к одной из входных клемм IN1, так и к полевому транзистору 30, предпочтительно к полевому МОП-транзистору, еще более предпочтительно, к n-канальному полевому МОП-транзистору.
LED
Импульсный преобразователь 20 дополнительно содержит катушку 32 индуктивности, и другой конденсатор 34, подсоединенный между катушкой 32 индуктивности и одной из входных клемм IN2, к которой также подсоединен полевой МОП-транзистор 30. Наконец, импульсный преобразователь содержит измеряющий резистор 36, подсоединенный между одной из выходных клемм OUT- импульсного преобразователя и узлом, общим для конденсатора 34 и полевой МОП-транзистор 30, в частности, обеспечивает, при использовании, возможность измерения электрического тока I или электрического тока на выходе цепи 20 импульсного преобразователя каскада 2 питания.
Входной фильтр 22 в варианте осуществления, показанном на фиг. 5, содержит пару входных клемм IN+, IN-, в частности, обеспечивающих возможность, при использовании, подсоединения к устройству 10 управления. Входной фильтр 22 включает в себя катушку 24 индуктивности, подсоединенную к входной клемме IN+, и конденсатор 26, подсоединенный между катушкой 24 индуктивности и входной клеммой IN-.
G
S
Ссылаясь на фиг.6, контроллер 3 содержит пару входных клемм OUT-, IN2 для измерения напряжения на концах измеряющего резистора 36 импульсного преобразователя 20 каскада 2 преобразования электрического тока, и пару управляющих клемм V и V.
Контроллер 3 дополнительно содержит блок 40 дифференциального усилителя, в частности, обеспечивающий возможность, при использовании, дифференциального усиления напряжения на концах клемм OUT- и IN2, и блок 50 компаратора напряжений для сравнения напряжения Vdiff, выходящего из блока 40 дифференциального усилителя, с контрольным напряжением и генерации напряжения Ve ошибки.
G
S
Контроллер 3 дополнительно содержит блок 60 генератора управляющего напряжения на концах управляющих клемм V и V; такое управляющее напряжение будет иметь форму прямоугольной волны с коэффициентом заполнения, пропорциональным величине напряжения Ve ошибки.
Контроллер 3 дополнительно содержит принимающий блок 70 для приема управляющего сигнала, содержащий интерфейс передачи данных посредством радиочастоты и/или посредством кабеля, например, но не ограничиваясь, антенну 72, и, в частности, обеспечивающий возможность, при использовании, управления работой блока 60 генератора управляющего напряжения посредством DIM сигнала.
LED
Согласно особенно предпочтительному признаку настоящего изобретения, контроллер 3 обеспечивает возможность управления преобразованием электрического тока или регулировки длительность времени переключения в режим ВКЛ полевого МОП-транзистора 30 с тем, чтобы обеспечить отделение электрического тока I на выходе из блока 20.
Каскад 4 подачи питания контроллера 3 включает в себя цепь преобразователя постоянного электрического тока в постоянное напряжение, в частности, выполненную с возможностью подсоединения, при использовании, последовательно выходу устройства 10 управления.
Ссылаясь на вариант осуществления, показанный на фиг. 7, каскад 4 подачи питания содержит пару входных клемм IN2 и IN3, и пару выходных клемм VDC+ и VDC-, диод 44, и полевой МОП-транзистор 42, подсоединенный между диодом 44 и входной клеммой IN3.
Каскад 4 подачи питания дополнительно содержит катушку 46 индуктивности, подсоединенную к диоду 44 и одной из выходных клемм (VDC+), и конденсатор 48, подсоединенный между катушкой 46 индуктивности йодной из входных клемм (IN3).
DC
Благодаря такой конфигурации, при использовании, изменение длительности времени переключения в режим ВКЛ полевого МОП-транзистора 42 и контроля этой длительности обеспечивает возможность получения постоянного напряжения V между выходными клеммами VDC+ и VDC-, используемого для питания контроллер 3.
Согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 8, каскад 4 подачи питания контроллера 3 может содержать цепь изолированного преобразователя постоянного электрического тока в постоянное напряжение. Изолированный каскад подачи питания содержит изолирующий трансформатор 60, подсоединенный между полевым МОП-транзистором 42 и диодом 44.
Согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 9, цепь 20 импульсного преобразователя может содержать цепь изолированного импульсного преобразователя постоянного электрического тока в постоянный электрический ток или в постоянное напряжение. В обоих случаях цепи изолированного импульсного преобразователя содержат изолирующий трансформатор 62, подсоединенный между полевым МОП-транзистором 30 и диодом 28.
Согласно еще одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, цепь 20 импульсного преобразователя согласно настоящему изобретению может предусматривать синхронную конфигурацию. В такой конфигурации, показанной на фиг. 10, цепь 20 импульсного преобразователя каскада 2 преобразования электрического тока содержит дополнительный полевой транзистор, предпочтительно полевой МОП-транзистор 90, вместо диода 28 цепи 20 импульсного преобразователя, показанного на фиг. 2.
Такая конфигурация, при использовании, обеспечивает возможность отсоединения электрической нагрузки, или источника света, и организации работы устройства 10 управления в режиме без нагрузки. В альтернативном варианте на выходе устройства 10 управления также могут быть созданы условия короткого замыкания. Оба эти варианта условий работы устройства 10 управления могут использоваться для переключения в режим ВЫКЛ светодиодного источника света.
При использовании, настоящее изобретение обеспечивает возможность получения регулируемого электронного преобразователя 1, предназначенного для размещения между блоком питания постоянного электрического тока и электрической нагрузкой, предпочтительно между устройством управления светодиодов и светодиодным источником света, влияя минимально возможным образом на эффективность системы в целом.
LED
IN
LED
IN
Ссылаясь на фиг. 11a - 11d, следует учитывать важные соотношения между средними величинами электрических токов I и I, причем I=(l-D)×I, и D=Ton/(Ton+Toff), и, в частности, при этом Тоn обозначает длительность фазы переключения в режим ВКЛ полевого МОП-транзистора 30 цепи 20 импульсного преобразователя, a Toff - длительность фазы переключения в режим ВЫКЛ полевого МОП-транзистора 30 цепи 20 импульсного преобразователя.
LED
IN
Эффективность системы незначительно изменяется, в частности, если импульсный преобразователь постоянного электрического тока в постоянный электрический ток сконфигурирован синхронным образом, или если вместо диода 28 используется полевой МОП-транзистор 90, как описано выше, и, в частности, если он используется при D=0, или при условии, когда I=I. В этом случае эффективность преобразования электрического тока регулируемого электронного преобразователя 1 согласно настоящему изобретению будет близка к единице.
LED
IN
Что касается диммирования, регулировка длительности фазы переключения в режим ВКЛ полевого МОП-транзистора 30 цепи 20 импульсного преобразователя обеспечивает возможность изменения электрического тока на выходе электронного преобразователя 1 изобретения согласно соотношению I=(1-D)×I.
LED
LED
Что касается технологии управления электрическим током I, или электрическим током на выходе цепи 20 импульсного преобразователя каскада 2 преобразователя электрического тока, то могут использоваться наиболее распространенные, уже используемые технологии переключения типа технологий с выходом постоянного электрического тока, или показания электрического тока I могут получать путем измерения напряжения на концах резистора 36, усиленного соответствующим образом (Vdiff), которое могут использовать в качестве управляющего значения в системе, в которой управляющее значение представляет собой длительность фазы переключения в режим ВКЛ полевого МОП-транзистора 30 цепи 20 импульсного преобразователя, или Ton, а напряжение Ve ошибки представляет собой результат сравнения напряжения Vdiff с контрольным напряжением.
LED
LED
Как указывалось выше, электронный преобразователь 1 может использоваться в качестве неизолированного преобразователя постоянного электрического тока в постоянное напряжение с использованием описанных выше цепей, но при различных способах управления, или с использованием в качестве управляющего значения, вместо электрического тока I на выходе, напряжения между клеммами OUT+ и OUT- (V) на выходе цепи 20 импульсного преобразователя.
Все сочетания и масштабирования общеизвестных топологий переключения попадают в область патентной защиты настоящего изобретения, в частности, все топологии, изолированный и неизолированные, обеспечивающие преобразование постоянного электрического тока в постоянный электрический ток или постоянного электрического тока в напряжение электрического тока.
Все детали могут быть заменены другими технически эквивалентными элементами. Аналогично, используемые материалы, а также формы и возможные размеры могут при необходимости меняться, при этом оставаясь в пределах области патентной защиты, определенной в последующей формуле изобретения.