СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УРОВНЕМ СВЕТООТДАЧИ СВЕТОДИОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONTROL LED LIGHT OUTPUT LEVEL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к осветительным устройствам, предназначенным для транспортных средств, а именно к головным светодиодным фарам транспортных средств.
Известен способ управления уровнем светоотдачи светодиодов, соединенных с источником постоянного напряжения, осуществляемый при помощи микроконтроллера, включающий сравнение микроконтроллером входного сигнала с заранее заданным пороговым значением и изменение скважности импульсов тока, подаваемого на светодиоды, в зависимости от результата сравнения входного сигнала и порогового значения [патент на изобретение №2539317, РФ, МПК Н05B 33/08, Способ и устройство для управления уровнями уменьшения силы света светодиодов / Клауберг Б. и др., 20.01.2015].
В известном способе контроллер получает входной сигнал управления силой света светодиодов от внешнего управляющего устройства или от оператора.
Когда подаваемый на контроллер входной сигнал больше заранее заданного порогового значения, изменение тока, подаваемого на светодиоды осуществляется при помощи аналоговой схемы уменьшения силы света. Для этого контроллер вырабатывает опорное напряжение, пропорциональное входному сигналу, а в схеме усиления ошибки это опорное напряжение сравнивается с напряжением, подаваемым на светодиоды. Сигнал обратной связи, равный разности указанных напряжений, подается на преобразователь тока, который в зависимости от этого сигнала уменьшает или увеличивает подаваемый на светодиоды ток.
Когда подаваемый на контроллер входной сигнал становится меньше порогового значения, ток, подаваемый на светодиоды, подвергается широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для этого контроллер вырабатывает ШИМ-сигнал, пропорциональный входному сигналу. Этот ШИМ-сигнал подается на переключатель, например полевой МОП-транзистор, шунтирующий подаваемый на светодиоды ток.
Недостатком известного способа является обязательное наличие аналогового входного сигнала, подаваемого на контроллер. Такого сигнала нет в электрической схеме управления фарами транспортного средства, имеющего только два режима света: большой и малый. Поэтому известный способ нельзя использовать для управления светоотдачей светодиодных фар подобных транспортных средств. Это сужает эксплуатационные возможности способа. Использование наряду с широтно-импульсной модуляцией тока аналоговой схемы уменьшения силы света светодиодов усложняет способ, увеличивает сложность, стоимость и габариты устройства, реализующего этот способ.
Известен также способ управления уровнем светоотдачи светодиодов, соединенных через диодный мост с источником постоянного напряжения, осуществляемый при помощи микроконтроллера со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), включающий задание требуемого уровня светоотдачи светодиодов при помощи переключаемого оператором выключателя, периодические замеры напряжения на объекте-датчике и сравнения замеренного напряжения с заранее заданным пороговым значением, изменение скважности импульсов тока, подаваемого на светодиоды, в зависимости от результата сравнения замеренного напряжения с пороговым значением напряжения, при этом каждые из периодических замеров напряжения на объекте-датчике и сравнений замеренного напряжения с заранее заданным пороговым значением включают выполнение следующих операций:
- отключение микроконтроллером подачи напряжения на светодиоды,
- подачу тока на объект-датчик,
- запуск АЦП микроконтроллера,
- замер напряжения на объекте-датчике посредством АЦП микроконтроллера,
- сравнение микроконтроллером замеренного напряжения с заранее заданным пороговым значением,
- отключение подачи тока на объект-датчик,
- включение микроконтроллером подачи напряжения на светодиоды,
[патент на полезную модель №91789, РФ, МПК Н05B 33/02, Электронный блок управления светодиодными светильниками / Трифонов А.К., Трифонова Л.Α., 27.02.2010] - прототип.
Недостатком известного способа является то, что объектом-датчиком является либо фотодиод, либо терморезистор. В первом случае замеряют уровень освещенности внешнего фона, во втором случае - уровень нагрева светодиодов. В зависимости от уровня освещенности внешнего фона или в зависимости от уровня нагрева светодиодов включается один из заранее установленных оператором при помощи выключателя режимов: полной мощности, энергосберегающий либо отключение светильника.
Включение светильника на полную мощность происходит при снижении напряжения на фотодиоде ниже заданного порогового значения. Перевод светильника в энергосберегающий режим за счет изменения скважности импульсов тока, подаваемого на светодиоды, происходит при превышении первого порогового значения напряжением, замеренным на терморезисторе. А отключение светильника происходит либо при превышении напряжением на фотодиоде порогового значения, либо при превышении напряжением, замеренным на терморезисторе, второго порогового значения.
Все это не позволяет использовать известный способ для управления работой светодиодных фар транспортных средств, где требуется быстрое переключение фары в режим малого или большого света при переключении водителем выключателя. Это сужает эксплуатационные возможности способа.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - расширение эксплуатационных возможностей способа за счет обеспечения возможности его использования для управления работой светодиодных фар транспортных средств.
Для решения этой задачи в способе управления уровнем светоотдачи светодиодов, соединенных через диодный мост с источником постоянного напряжения, осуществляемом при помощи микроконтроллера со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), включающем задание требуемого уровня светоотдачи светодиодов при помощи переключаемого оператором выключателя, периодические замеры напряжения на объекте-датчике и сравнения замеренного напряжения с заранее заданным пороговым значением, изменение скважности импульсов тока, подаваемого на светодиоды, в зависимости от результата сравнения замеренного напряжения с пороговым значением напряжения, при этом каждые из периодических замеров напряжения на объекте-датчике и сравнений замеренного напряжения с заранее заданным пороговым значением включают выполнение следующих операций:
- отключение микроконтроллером подачи напряжения на светодиоды,
- подачу тока на объект-датчик,
- запуск АЦП микроконтроллера,
- замер напряжения на объекте-датчике посредством АЦП микроконтроллера,
- сравнение микроконтроллером замеренного напряжения с заранее заданным пороговым значением,
- отключение подачи тока на объект-датчик,
- включение микроконтроллером подачи напряжения на светодиоды, согласно изобретения, объектом-датчиком является резистор R1, подключенный в разрыв цепи, соединяющей положительный выход диодного моста с «землей», а вышеупомянутый выключатель имеет, по меньшей мере, два положения и подключен в разрыв цепи, соединяющей один из полюсов источника постоянного напряжения с одним из входов диодного моста, причем в одном положении выключателя полюс источника постоянного напряжения соединен с входом диодного моста напрямую, а в другом положении - через резистор нагрузки, при этом изменение скважности импульсов тока, подаваемого на светодиоды производят следующим образом:
- в случае превышения замеренным напряжением заранее заданного порогового значения на светодиоды подают постоянное напряжение,
- в том случае, если замеренное напряжение меньше заранее заданного порогового значения, напряжение на светодиоды подают импульсами с заранее заданной скважностью.
Для сокращения интервала времени, в течение которого на светодиоды не подается напряжение, сравнение микроконтроллером значения замеренного напряжения с заранее заданным пороговым значением производят после включения микроконтроллером подачи напряжения на светодиоды.
Известен драйвер управления светодиодами, содержащий источник постоянного напряжения с положительным и отрицательным полюсами, светодиоды, последовательно соединенные в цепь с анодным и катодным концами, импульсный стабилизатор тока с информационным и токоподающим входами, а также с положительным и отрицательным токоподающими выходами, при этом положительный полюс источника постоянного тока соединен с токоподающим входом импульсного стабилизатора тока, отрицательный полюс источника постоянного тока соединен с «землей», а анодный и катодный концы цепи светодиодов соединены, соответственно, с положительным и отрицательным токоподающими выходами импульсного стабилизатора тока [A Product Line of Diodes Incorporated. ZETEX. ZXLD1362. Document number: DS33472 Rev. 2-2. [Электронный ресурс] - Diodes incorporated. December 2010, стр. 1 - Режим доступа: http://lib.chipdip.ru/299/DOC000299919.pdf].
Известно также устройство управления светодиодами, содержащее источник постоянного тока с положительным и отрицательным полюсами, диодный мост, входы которого соединены с полюсами источника постоянного напряжения, светодиоды, последовательно соединенные в цепь с анодным и катодным концами, импульсный стабилизатор тока с информационным и токоподающим входами, а также с положительным и отрицательным токоподающими выходами, при этом положительный выход диодного моста соединен с токоподающим входом импульсного стабилизатора тока, отрицательный выход диодного моста соединен с «землей», а анодный и катодный концы цепи светодиодов соединены, соответственно, с положительным и отрицательным токоподающими выходами импульсного стабилизатора тока [патент на полезную модель №117766, РФ, МПК Н05B 43/00, Драйвер светодиода / Горбачев А.В. и др., 27.06.2012] - прототип.
В обоих известных устройствах импульсный стабилизатор тока содержит микросхему типа ZXLD1362, дроссель L1, диод Шоттки VD2, резистор R4, конденсатор C1. При этом в качестве токоподающего входа импульсного стабилизатора тока, соединенного с положительным выходом диодного моста, задействован вывод Vin микросхемы, который, кроме того, через конденсатор C1 соединен с «землей», а через резистор R4 - с выводом Isense микросхемы. Вывод GND микросхемы соединен с «землей». В качестве положительного токоподающего выхода импульсного стабилизатора тока, соединенного с анодным концом цепи светодиодов, задействован вывод Isense микросхемы. В качестве отрицательного токоподающего выхода импульсного стабилизатора тока задействован вывод LX микросхемы, который через дроссель L1 соединен с катодным концом цепи светодиодов, а через диод Шоттки VD2 - с выводом Vin микросхемы. В качестве управляющего входа импульсного стабилизатора тока задействован вывод ADJ микросхемы.
Общим недостатком известных устройств является отсутствие выключателя, переключающего режимы работы светодиодов, а также отсутствие объекта-датчика и устройства замера напряжения на объекте-датчике, позволяющих в автоматическом режиме отслеживать, какой режим работы светодиодов включен выключателем. Это не позволяет использовать известное устройство для оперативного управления работой светодиодных фар транспортных средств, имеющих режимы малого и большого света, задаваемые водителем переключением выключателя. Это сужает эксплуатационные возможности устройства.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - расширение эксплуатационных возможностей устройства за счет обеспечения возможности его использования для управления работой светодиодных фар транспортных средств.
Для решения этой задачи устройство управления уровнем светоотдачи светодиодов, содержащее источник постоянного напряжения с положительным и отрицательным полюсами, диодный мост, входы которого соединены с полюсами источника постоянного напряжения, светодиоды, последовательно соединенные в цепь с анодным и катодным концами, импульсный стабилизатор тока с управляющим и токоподающим входами, а также с положительным и отрицательным токоподающими выходами, при этом положительный выход диодного моста соединен с токоподающим входом импульсного стабилизатора тока, отрицательный выход диодного моста соединен с «землей», а анодный и катодный концы цепи светодиодов соединены, соответственно, с положительным и отрицательным токоподающими выходами импульсного стабилизатора тока, согласно изобретения, дополнительно снабжено двумя электрическими цепями, одна из которых соединяет положительный выход диодного моста с «землей» через, по меньшей мере, один резистор R1, а другая соединяет один из полюсов источника постоянного напряжения с одним из входов диодного моста и снабжена выключателем, имеющим, по меньшей мере, два положения, причем в одном положении выключателя полюс источника постоянного напряжения соединен с входом диодного моста напрямую, а в другом положении - через резистор нагрузки. Кроме того, устройство дополнительно снабжено устройством замера напряжения на резисторе R1, содержащим микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и N-канальный полевой транзистор, подключенный в разрыв цепи, соединяющей положительный выход диодного моста с резистором R1. При этом сток транзистора соединен с положительным выходом диодного моста, исток транзистора через резистор R1 соединен с «землей», а через дополнительный резистор R2 - с затвором этого транзистора. Вход АЦП микроконтроллера соединен с истоком указанного N-канального полевого транзистора. Положительный вывод подачи напряжения на микроконтроллер через диод Шоттки соединен с положительным выходом диодного моста, отрицательный вывод подачи напряжения на микроконтроллер соединен с «землей». Один выход общего назначения микроконтроллера соединен с затвором N-канального полевого транзистора, а другой выход общего назначения микроконтроллера соединен с управляющим входом импульсного стабилизатора тока.
Для уменьшения значения напряжения, замеряемого на резисторе R1, сток N-канального полевого транзистора соединен с положительным полюсом источника постоянного тока через дополнительно добавленный в устройство резистор R3.
По одному из возможных вариантов исполнения устройства импульсный стабилизатор тока содержит микросхему типа ZXLD1362, дроссель L1, диод Шоттки VD2, резистор R4, конденсатор C1. При этом в качестве токоподающего входа импульсного стабилизатора тока, соединенного с положительным выходом диодного моста, задействован вывод Vin микросхемы, который, кроме того, через конденсатор C1 соединен с «землей», а через резистор R4 - с выводом Isense микросхемы. Вывод GND микросхемы соединен с «землей». В качестве положительного токоподающего выхода импульсного стабилизатора тока, соединенного с анодным концом цепи светодиодов, задействован вывод Isense микросхемы. В качестве отрицательного токоподающего выхода импульсного стабилизатора тока задействован вывод LX микросхемы, который через дроссель L1 соединен с катодным концом цепи светодиодов, а через диод Шоттки VD2 - с выводом Yin микросхемы. В качестве управляющего входа импульсного стабилизатора тока задействован вывод ADJ микросхемы.
Для сглаживания колебаний напряжения в цепи питания светодиодов устройство дополнительно снабжено конденсатором C2, соединенным с анодным и катодным концами цепи светодиодов.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в обеспечении возможности определения в автоматическом режиме и за доли секунды положения выключателя, переключающего фары в режим малого или большого света.
Изобретение поясняется чертежом. На чертеже изображена электрическая схема устройства управления уровнем светоотдачи светодиодов.
Устройство управления уровнем светоотдачи светодиодов содержит источник постоянного напряжения 1, диодный мост 2, последовательно соединенные светодиоды 3, импульсный стабилизатор тока 4. Входы диодного моста 2 соединены с полюсами 5, 6 источника постоянного напряжения. Один полюс (5) источника постоянного напряжения соединен с входом диодного моста 2 напрямую. Другой полюс (6) соединен с входом диодного моста 2 цепью, содержащей выключатель 7. В одном положении выключателя 7 полюс 6 соединен с входом диодного моста напрямую. Это положение выключателя 7 соответствует режиму большого света. В другом положении выключателя 7 полюс 6 соединен с входом диодного моста через резистор нагрузки 8. Это положение выключателя 7 соответствует режиму малого света.
Отрицательный выход 9 диодного моста 2 соединен с «землей». Положительный выход 10 диодного моста соединен с «землей» цепью, содержащей резисторы 11 (R3) и 12 (R1).
Устройство снабжено устройством 13 замера напряжения на резисторе 12 (R1), содержащим микроконтроллер 14 со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и N-канальный полевой транзистор 15. N-канальный полевой транзистор 15 подключен в разрыв цепи, соединяющей положительный выход 10 диодного моста 2 с резистором 12 (R1). Сток 16 транзистора через резистор 11 (R3) соединен с положительным выходом 10 диодного моста 2. Исток 17 транзистора через резистор 12 (R1) соединен с «землей», а через дополнительный резистор 18 (R2) - с затвором 19 этого транзистора.
Вход 20 АЦП микроконтроллера (GP0) соединен с истоком 17 N-канального полевого транзистора 15. Положительный вывод 21 (Vdd) подачи напряжения на микроконтроллер 14 через диод Шоттки 22 (VD1) соединен с положительным выходом 10 диодного моста 2. Отрицательный вывод 23 (Vss) подачи напряжения на микроконтроллер 14 соединен с «землей». Один выход общего назначения 24 (GP2) микроконтроллера соединен с затвором 19 N-канального полевого транзистора, а другой выход общего назначения 25 (GP1) микроконтроллера соединен с управляющим входом импульсного стабилизатора тока 4.
Импульсный стабилизатор тока 4 содержит микросхему 26 типа ZXLD1362, дроссель 27 (L1), диод Шоттки 28 (VD2), резистор 29 (R4), конденсатор 30 (C1).
Вывод 31 (Vin) микросхемы 26 через диод Шоттки 22 (VD1) соединен с положительным выходом 10 диодного моста 2. Кроме того, вывод 31 (Vin) через конденсатор 30 (C1) соединен с «землей», а через резистор 29 (R4) - с выводом 32 (Isense) микросхемы. Вывод 33 (GND) микросхемы соединен с «землей».
Вывод 32 (Isense) микросхемы 26 используется в качестве положительного токоподающего выхода импульсного стабилизатора тока 4. Он соединен с анодным концом 34 цепи светодиодов 3.
Вывод 35 (LX) микросхемы 26 используется в качестве отрицательного токоподающего выхода импульсного стабилизатора тока 4. Он через дроссель 27 (L1) соединен с катодным концом 36 цепи светодиодов 3, а через диод Шоттки 28 (VD2) - с выводом 31 (Vin) микросхемы.
Управляющим входом импульсного стабилизатора тока является вывод 37 (ADJ) микросхемы.
Устройство снабжено конденсатором 38 (C2), соединенным с анодным 34 и катодным 36 концами цепи светодиодов 3.
Устройство снабжено также блоком 39 питания микроконтроллера, содержащим резистор 40 (R5), диод 41 (VD3) и конденсатор 42 (С3).
Кроме того, устройство снабжено диодом 43 (VD4).
Работает устройство следующим образом.
Водитель транспортного средства устанавливает выключатель 7 в одно из двух положений, соединяя полюс 6 источника постоянного напряжения 1 с входом диодного моста либо напрямую (режим большого света), либо через резистор нагрузки 8 (режим малого света).
Несколько раз в секунду микроконтроллер 14 замеряет напряжение на резисторе 12 (R1) и сравнивает его с заранее заданным ему пороговым значением напряжения. Каждый такой замер и сравнение включает выполнение следующих операций:
- отключение микроконтроллером 14 подачи напряжения на светодиоды 3;
- подачу тока на резистор 12 (R1) путем подачи положительного напряжения на затвор 19 и открывания тем самым N-канального полевого транзистора 15;
- запуск АЦП микроконтроллера 14;
- замер напряжения на резисторе 12 (R1) посредством АЦП микроконтроллера 14;
- отключение подачи тока на резистор 12 (R1) путем снятия напряжения с затвора 19 N-канального полевого транзистора 15;
- включение микроконтроллером 14 подачи напряжения на светодиоды 3;
- сравнение микроконтроллером 14 замеренного напряжения с заранее заданным пороговым значением.
Для определения того, в каком положении находится выключатель 7, т.е. для определения того, какой режим работы фары включен, контроллер 14 сравнивает замеренное напряжение с заранее заданным ему пороговым значением напряжения. Вследствие того, что в режиме большого света полюс 6 источника постоянного напряжения соединен с входом диодного моста 2 напрямую, а в режиме малого света - через резистор нагрузки 8, замеренное на резисторе 12 (R1) напряжение в режиме малого света будет меньше, чем в режиме большого света. В зависимости от результата сравнения контроллер 14 с выхода общего назначения 25 (GP1) выдает на вывод 37 (ADJ) микросхемы 26 соответствующий управляющий сигнал.
В случае превышения замеренным напряжением заранее заданного порогового значения (т.е. при включенном режиме «большой свет») микроконтроллер 14 подает на вывод 37 (ADJ) микросхемы 26 непрерывный сигнал напряжением 5 В. В том случае, если замеренное напряжение меньше заранее заданного порогового значения (т.е. при включенном режиме «малый свет»), микроконтроллер 14 подает на вывод 37 (ADJ) микросхемы 26 управляющий сигнал импульсами с заранее заданной скважностью. Скважность импульсов устанавливается такой, чтобы отношение среднего значения напряжения импульсного сигнала к напряжению непрерывного сигнала (5 В) равнялось отношению светоотдачи светодиодов в режиме малого света к их светоотдаче в режиме большого света.
Поступающий на вывод 37 (ADJ) микросхемы 26 управляющий сигнал модулирует выходной ток, подаваемый на светодиоды с положительного токоподающего вывода 32 (Isense) микросхемы. При получении непрерывного управляющего сигнала на светодиоды непрерывно подается ток требуемой величины. В этом случае светоотдача светодиодов максимальная и соответствует режиму большого света. При получении импульсного управляющего сигнала ток на светодиоды подается импульсами с той же скважностью. За счет этого снижается светоотдача светодиодов в режиме малого света.
Кроме того, импульсный стабилизатор тока обеспечивает стабильное значение подаваемого на светодиоды тока.
Конденсатор 38 (С2) сглаживает колебания напряжения в цепи питания светодиодов 3.
Блок питания 39 микроконтроллера 14 снижает ток, поступающий с положительного выхода 10 диодного моста на положительный вывод 21 (Vdd) подачи напряжения на микроконтроллер 14, до требуемого значения и сглаживает его колебания.
Диод 43 препятствует подаче в электрическую схему устройства тока, превышающего максимально допустимые значения.