УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЯРКОСТЬЮ СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Полезная модель относится к светотехнике, а именно к регулированию интенсивности освещения, и предназначено для создания длинных распределенных источников освещения с управлением яркостью свечения, например, для освещения клеток для содержания птиц и др., а также для управления удаленных от оператора источников освещения.
Проблемой применения светодиодов является:
- отвод тепла от светодиодов, т.к. в силу их высокого КПД на них рассеивается приличная мощность;
- управление яркостью (световым потоком) светодиодов должно быть достаточно простым и в то же время эффективным, т.е. уровень качества управления должен соответствовать высокому качеству самих светодиодов.
В настоящее время в мире происходит смещение акцента в пользу использования инновационных энергоэффективных технологий с новой стороны. Светодиодные технологии выступают в числе наиболее перспективных источников освещения. Причем, обладая множеством возможных сфер практического приложения (это мобильные телефоны, дисплеи, рекламные вывески и пр.), именно направление по использованию осветительных светодиодов развивается наиболее динамично. Удешевление светодиодных технологий позволяет заявить о масштабных переменах на светотехническом рынке изделий и технологий. Преимущество светодиодных источников света над традиционными: неоновыми, галогеновыми и люминесцентными заключается в следующем.
Срок службы - до 70 тысяч часов, это эквивалентно 25 годам работы в режиме реального городского освещения. Это обусловлено отсутствием нити накала, благодаря нетепловой природе излучения света. Например, галогеновую лампу за этот срок придется заменить примерно 100 раз, а металлогалогеновую - 30. Высокая экономичность энергопотребления.
Контрастность света светодиодов в 400 раз превышает контрастность газоразрядных ламп, тем самым обеспечивает значительно лучшую четкость освещаемых объектов и цветопередачу (индекс цветопередачи 80-85) при, казалось бы, меньшей видимой яркости.
Показатель использования светового потока равен 100%, тогда как у стандартных уличных светильников - 60-75%.
Мощные светодиоды представляют собой точечные источники света с встроенной корректирующей оптикой, что обеспечивает идеальное формирование заданных диаграмм направленности светового потока (задача практически невыполнимая для других источников).
Отсутствие вредного эффекта низкочастотных пульсаций (стробоскопического эффекта), свойственного люминесцентным и газоразрядным источникам света. Световой поток светодиодов постоянен, как и естественный свет солнца, что обеспечивает психологический комфорт.
Потребляемый ток светодиодного светильника равен 0,6-1,0 А, тогда как у светильника с газоразрядной лампой потребляемый ток 2,1 А, а пусковой 4,5 А. Светодиодные светильники (в отличие от светильников с газоразрядной лампой) обладают возможностью регулировки яркости за счет снижения питающего напряжения. СНиП 23-05-95 для экономии электроэнергии допускает в ночное время снижение уровня освещенности на 30-50%.
Дополнительным немаловажным преимуществом является мгновенное зажигание при подаче питающего напряжения и независимость работоспособности от низких температур окружающего воздуха.
Широко известно устройство для управления яркостью освещения залов театров и софитов сцены, в которых для изменения, а также включения/выключения, применяются реостаты.
Недостатки очевидны: нет дистанционного управления, при большой мощности источников света требуется соответственно и реостат высокой (большой) мощности, также низкий КПД реостата, так как избыток мощности реостат тратит впустую (на нагрев самого себя).
Также общеизвестно управление яркостью (потоком освещенности) при помощи ШИМ-регуляторов.
Недостаток: требуется ручная установка, поэтому для дистанционного управления непригодны.
Известно устройство для дистанционного регулирования мощности ламп накаливания, см. патент РФ №2262216. Изобретение относится к технике приборостроения, а именно к приборам дистанционного регулирования мощности ламп накаливания. Технический результат - повышение надежности и качества регулирования. Для достижения данного результата дополнительно введен силовой фильтр, состоящий из дросселя, соединенного последовательно с симистором, и конденсатор. При этом конденсатор подсоединен к симистору параллельно, а приемник излучений содержит последовательно соединенные приемник радиоимпульсов с антенной и усилитель импульсов.
Также известно устройство для регулирования освещенности, см. патент РФ №2390976. Изобретение относится к электротехнике, в частности к оборудованию для электрического освещения, и может быть использовано в осветительных установках с регулированием светового потока. Устройство содержит два вывода, делитель напряжения, первый конденсатор, симистор, резистор, второй и третий конденсаторы, микроконтроллер, диод, стабилитрон, четвертый конденсатор, четыре резистора. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы и удобства в эксплуатации устройства для регулирования освещенности.
Недостатками этих двух патентов является: недостаточная глубина регулирования и невозможность локального дистанционного регулирования.
Известны преобразователи DC/N и N/DC фирмы «Интеграл», г.Минск, см. ж. «Компоненты и технологии» №9, 2010 г, стр.104, в котором удачно схемотехнически выполняется регулировка выходного напряжения с довольно высоким КПД до 84% и с выходным током 1,5 А. Преобразователь можно использовать для питания светодиодов - прототип, см. подробнее www.kit-e.ru.
Недостаток: хотя для регулировки Uвых применена интегральная микросхема, преобразователь требует большое количество навесных элементов: R, С и дроссели, которые очень значительно увеличивают габаритно-массовые характеристики преобразователя.
Технической задачей полезной модели является повышение удобства в эксплуатации и качества регулирования.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство управления яркостью светодиодного освещения, содержащее цепь питания напряжения переменного тока, преобразователь AC/DC, и группу светодиодов, отличающееся тем, что в него введен блок регулировки, содержащий дроссель, устройство управления, фильтр низкой частоты, полосовой фильтр, первый и второй усилители ВЧ и НЧ соответственно, амплитудный детектор и драйвер управления светодиодами со следующими соединениями: цепь питания напряжения переменного тока соединена со входом преобразователя AC/DC, выход которого через дроссель и фильтр НЧ соединен с цепью питания драйвера; выход устройства управления через разделительный конденсатор соединен с входами фильтров НЧ и полосового, выход последнего через усилитель ВЧ, затем амплитудный детектор и усилитель НЧ соединен с управляющим входом драйвера, к выходам которого подключены светодиоды.
На фиг.1 показана структурная схема устройства, на фиг.2 - диаграммы напряжений в значимых точках устройства, на которых изображено: 1 - преобразователь напряжения переменного тока в постоянный (AC/DC), 2 - дроссель, 3 - фильтр НЧ, 4 - устройство управления, например, микроконтроллер (МС), 5 - полосовой фильтр, 6 - усилитель ВЧ, 7 - амплитудный детектор, 8 - усилитель НЧ, 9 - драйвер управления светодиодами, 10 - цепочка светодиодов. Блок питания ИМС условно не показан.
Устройство имеет следующие соединения.
Устройство управления яркостью светодиодного освещения, содержит цепь питания напряжения переменного тока, 220 В/ 50 Гц, преобразователь AC/DC 1, группу светодиодов 10 и блок регулировки 11, в который входит дроссель 2, устройство управления 4, фильтр низкой частоты 3, полосовой фильтр 5, первый и второй усилители ВЧ 6 и НЧ 8 соответственно, амплитудный детектор 7 и драйвер 9 управления светодиодами 10. Устройство имеет следующие соединения: цепь питания напряжения переменного тока соединена со входом преобразователя AC/DC 1, выход которого через дроссель 2 и фильтр НЧ 3 соединен с входом питания драйвера 9; выход устройства управления 4 через разделительный конденсатор С соединен с входами фильтров НЧ 3 и полосового фильтра 5, выход последнего через усилитель ВЧ 6, затем амплитудный детектор 7 и усилитель НЧ 8 соединен с управляющим входом драйвера 9, к выходам которого подключены светодиоды 10.
Узлы устройства могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС.
1 - AC/DC, см.
2 - дроссель, см.
3 - фильтр НЧ, самый обычный, например, Г-образный LC фильтр;
4 - устройство управления, например, на микроконтроллере, которое формирует необходимые сигналы ШИМ и заполнение фазы гашения сигналом 4,5÷10,7 МГц;
5 - полосовой фильтр, например, керамический, см. http://www.platan.ru//pdf/ec145.pdf.
6 - усилитель ВЧ, см. П.Хоровиц, У.Хилл Искусство схемотехники, т.1, М, Мир, 1981 г., стр.107-109;
7 - амплитудный детектор, см. http://amfan.ru/ekonomichnye-priemniki/chuvstvitelnyj-amplitudnuj-detektor/;
8 - усилитель НЧ, см. П.Хоровиц, У.Хилл Искусство схемотехники, т.1, М, Мир, 1981 г., стр.107-109;
9 - драйвер, см. http:/www.nxp.com/documents/data_sheet/UBA3070.pdf.
Устройство управления яркостью светодиодов работает следующим образом (см. диаграммы напряжений)
В цепь питания драйвера 9 подается сигнал частотой 4,5÷10,7 МГц (ВЧ). Чтобы сигнал не гасился на фильтрующих конденсаторах источника питания, источник питания и цепь питания развязываются дросселем 2. На устройстве управления МКУ4 вырабатывается ШИМ-сигнал для управления яркостью свечения светодиодов 10, и фаза гашения светодиодов заполняется ВЧ, этот сигнал через развязывающие конденсаторы подается в цепь питания драйверов. В схему вводится Г-образный LC фильтр низкой частоты 3 с частотой среза в два раза ниже, чем сигнал управления ВЧ. Через проходной конденсатор С входной сигнал ВЧ подается на полосовой фильтр 5, основу которого составляет миниатюрный керамический фильтр серии LTE. Так же можно использовать миниатюрный керамический фильтр L10,7 MA5 или любой подобный. Частота сигнала ВЧ заполнения фазы гашения светодиодов 10 должна совпадать с частотой полосового фильтра 5. Отфильтрованный сигнал поступает на усилитель 6, потом на амплитудный детектор 7 и после него на выходном усилителе 8 формируется первоначальный сигнал ШИМ, который управляет яркостью свечения светодиодов 10. Яркость свечения максимальна при отсутствии сигнала, и ровна нулю при непрерывном сигнале высокой частоты. На одной цепи питания можно использовать полосовые фильтры с разной частотой, соответственно, выработав сигналы на устройстве управления МКУ4 с этими частотами. Таким образом, можно на одной цепи питания управлять яркостью свечения светодиодов на нескольких драйверах независимо друг от друга.
Уровень освещенности (светового потока) светодиодами 10 может задаваться или от персонального компьютера (PC) на центральном пульте управления или просто от потенциометра (на фиг. не показан).