СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА

Полезная модель относится к светотехническим устройствам и может быть использована при конструировании светодиодных осветительных приборов, применяемых в различных областях науки и техники, а также для освещения служебных, производственных и бытовых помещений.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является светодиодная лампа (см. патент РФ на полезную модель №113419), содержащая двухполупериодный выпрямитель, к выходу которого подключены цепь в виде ряда последовательно соединенных между собой единичных светодиодов и накопительный конденсатор, включенный параллельно этой цепи, при этом последовательно с этой цепью и включенным параллельно ей накопительным конденсатором включен управляемый источник тока, содержащий, в свою очередь, элемент управления током, резистор, фильтр низких частот, двухвходовую схему сравнения, инверсный усилитель и источник опорного напряжения, причем элемент управления током и резистор включены последовательно с единичными светодиодами и накопительным конденсатором, фильтр низких частот включен между общей точкой элемента управления током и резистора и первым входом схемы сравнения, выход двухвходовой схемы сравнения - к входу инверсного усилителя, выход инверсного усилителя - к управляющему входу элемента управления током, а второй вход двухвходовой схемы сравнения - к выходу источника опорного напряжения.
Основными недостатками рассмотренной светодиодной лампы являются: значительная электрическая мощность, рассеиваемая резистором в цепи управления рабочим током светодиодов, что приводит к существенному снижению КПД устройства; отсутствие контроля температуры основных элементов лампы и термозащиты, что может вызвать их тепловое повреждение; отсутствие аварийного отключения лампы при выходе из строя элемента управления током; гальваническая связь между светодиодами и источником первичного сетевого напряжения, создающая потенциальную опасность электротравматизма для пользователя устройством.
Задачами, решаемыми заявляемой полезной моделью, является устранение перечисленных выше недостатков.
Их решение достигается тем, что в известной светодиодной лампе, содержащей последовательно соединенные двухполупериодный сетевой выпрямитель и фильтр низких частот, и светоизлучающий узел из N последовательно соединенных единичных светодиодов с включенным параллельно ему накопительным конденсатором, а также последовательно соединенные источник образцового напряжения, узел стабилизации тока, узел управления, а также резисторный датчик тока, дополнительно введены узел детектирования размагничивания, узел рабочего питания, узел термозащиты, узел контроля сетевого напряжения, узел стабилизации напряжения, узел ограничения тока, импульсный трансформатор, импульсный выпрямитель, коммутирующий элемент и узел пускового питания, при этом к выходу фильтра низких частот подключен вход импульсного трансформатора, второй выход которого подключен ко входу импульсного выпрямителя, а выход этого импульсного выпрямителя подключен к светоизлучающему узлу с параллельно ему включенным накопительным конденсатором, в то же время первый выход импульсного трансформатора соединен с входом узла пускового питания, объединенным с нагрузочным входом коммутирующего элемента, управляющий вход которого подключен к выходу узла управления, а нагрузочный выход коммутирующего элемента - ко входу резисторного датчика тока, объединенному со входом узла ограничения тока, выход которого соединен с пятым входом узла управления, дополнительно с первым входом узла управления соединен выход узла термозащиты, кроме того выход узла контроля сетевого напряжения соединен с вторым входом узла управления, а третий выход импульсного трансформатора соединен с объединенными вторыми входами узла контроля сетевого напряжения, узла стабилизации тока, узла стабилизации напряжения, а также входом узла рабочего питания и входом узла детектирования размагничивания, выход которого подключен к объединенным первым входам узла контроля сетевого напряжения, узла стабилизации тока и узла стабилизации напряжения, а их объединенные третьи входы соединены с выходом источника образцового напряжения, кроме того выход узла стабилизации напряжения соединен с четвертым входом узла управления, дополнительно четвертый выход импульсного трансформатора объединен с выходами накопительного конденсатора и светоизлучающего узла, и соединен с выходным изолированным общим проводом питания.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что выпрямленное сетевое напряжение, прикладываемое к первичной обмотке импульсного трансформатора, с помощью коммутирующего элемента преобразуется в импульсное на вторичной обмотке, которое затем выпрямляется, сглаживается и подается на светодиоды, чем достигается гальваническая развязка между первичной и вторичной цепями преобразователя. Дополнительные узлы на первичной стороне преобразователя обеспечивают работу коммутирующего элемента в квазирезонансном режиме и поддерживают параметры коммутирующих импульсов так, что рабочий ток светодиодов остается стабильным при значительных колебаниях сетевого напряжения, а также выполняют ряд защитных функций и оптимизируют энергетический режим устройства, поскольку резисторный датчик тока включен на первичной стороне преобразователя, где коммутируемый ток в соответствии с коэффициентом трансформации между первичной и вторичной обмотками примерно на порядок меньше рабочего тока светодиодов.
Функциональная схема заявляемой светодиодной лампы приведена на фиг.1, где обозначено: 1 - двухполупериодный выпрямитель (ДПВ); 2 - фильтр низких частот (ФНЧ); 3 - источник образцового напряжения (ИОН); 4 - узел детектирования размагничивания (УДР); 5 - узел рабочего питания (УРП); 6 - узел термозащиты (УТЗ); 7 - узел контроля сетевого напряжения (УКСН); 8 - узел стабилизации тока (УСТ); 9 - узел стабилизации напряжения (УСН); 10 - узел ограничения тока (УОТ); 11 - импульсный трансформатор (ИТ); 12 - узел управления (УУ); 13 - коммутирующий элемент (КЭ); 14 - резисторный датчик тока (РДТ) 15 - импульсный выпрямитель; 16 - узел пускового питания (УПП); 17 - накопительный конденсатор (НК); 18 - светоизлучающий узел (СИУ) из N последовательно соединенных единичных светодиодов.
Вновь введенные элементы образуют импульсный обратноходовый преобразователь (см. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование.: Пер. с англ. - К.: «МК-Пресс», 2007, с.52-140), и при этом их назначение состоит в следующем:
ИТ 11 - преобразует входное выпрямленное сетевое напряжение в выходное импульсное для питания светодиодов, обеспечивает их гальваническую развязку;
ИОН 3 - вырабатывает образцовое напряжение, необходимое для стабилизации выходного импульсного напряжения и тока;
УДР 4 - обнаруживает размагничивание магнитопровода импульсного трансформатора по отсутствию импульсного тока в обмотках и вырабатывает управляющие сигналы для функционирования УКСН 7, УСТ 8, УСН 9;
УРП 5 - обеспечивает питание всех узлов преобразователя в рабочем режиме;
УТЗ 6 - контролирует тепловой режим КЭ 13 и СИУ 18, при возрастании рабочей температуры свыше 150°С через УУ 12 блокирует работу КЭ 13, после их остывания до 130°С работа импульсного преобразователя автоматически возобновляется;
УКСН 7 - контролирует сетевое напряжение, блокирует работу преобразователя при отклонении сетевого напряжения вне допустимых минимального и максимального значений, корректирует функционирование УСТ 8 и УСН 9 для компенсации колебаний сетевого напряжения в допустимых пределах;
УСТ 8 - при выходном токе более некоторого критического значения, в том числе и при замыкании в нагрузке, стабилизирует выходной ток преобразователя;
УСН 9 - при выходном токе менее некоторого критического значения, в том числе и при обрыве в нагрузке, стабилизирует выходное напряжение преобразователя;
УОТ 10 - в каждом коммутирующем импульсе контролирует максимальное значение тока, при превышении допустимого значения блокирует работу преобразователя;
УУ 12 - управляет работой КЭ 13, при этом обеспечивает коммутацию импульсного трансформатора в квазирезонансном режиме, когда импульсный ток в обмотках отсутствует, а напряжение минимально, что минимизирует коммутационные потери и повышает КПД, а также в целях безопасного функционирования преобразователя прекращает его работу при чрезмерном возрастании рабочего тока и при перегреве СИУ 18 или КЭ 13;
КЭ 13 - при воздействии УУ 12 по управляющему входу поочередно переходит в замкнутое и разомкнутое состояние, в замкнутом состоянии обеспечивает накопление энергии в импульсном трансформаторе, в разомкнутом - ее передачу в нагрузку;
РДТ 14 - преобразует пилообразный сигнал тока в импульсном трансформаторе в пилообразное напряжение, отслеживаемое в УОТ 10 и УУ 12, и предотвращает повреждение преобразователя при чрезмерном возрастании рабочего тока;
ИВ 15 - преобразует выходное импульсное напряжение в постоянное, используемое для питания светодиодов;
УПП 16 - при включении в сеть обеспечивает питание всех узлов преобразователя от выпрямленного сетевого напряжения до выхода в рабочий режим, когда УПП 16 отключается, и включается УРП 5, используя импульсное напряжение с дополнительной обмотки связи импульсного трансформатора;
НК 17 - сглаживает высокочастотные импульсы напряжения, поступающие от импульсного трансформатора 11, обеспечивает питание СИУ 18 стабилизированным постоянным током;
СИУ 18 - преобразует энергию постоянного тока в световое излучение.
1
5
6
1
5
выпр
max
выпр
0
5
1
6
Принцип функционирования светодиодной лампы поясняет фиг.2, где приведены диаграммы токов в импульсном трансформаторе и импульсного напряжения на его первичной обмотке. Интервал времени 0...t (t...t) соответствует замкнутому состоянию КЭ 13, t...t - разомкнутому. На вторичной обмотке трансформатора и на обмотке связи импульсное напряжение пропорционально показанному, при этом пропорциональность определяется коэффициентом трансформации между обмотками. Выходное напряжение преобразователя U, сглаженное накопительным конденсатором, соответствует разности максимального значения импульсного напряжения U и его постоянной составляющей U=, как это показано на фиг.2. Величина выходного напряжения U зависит от соотношения длительностей интервалов времени, соответствующих замкнутому и разомкнутому состоянию КЭ 13. УУ 12 изменяет это соотношение путем регулирования момента замыкания t, t и размыкания t, t КЭ 13, и тем самым регулирует выходное напряжение преобразователя и ток в нагрузке.
1
2
max
2
5
3
4
5
Как видно на диаграмме (фиг.2), напряжение на разомкнутом КЭ 13 максимально на интервале t...t, когда в обмотках трансформатора присутствует ток, линейно снижающийся от максимального I до нулевого значения. Для снижения коммутационных потерь замыкание КЭ 13 выполняется на интервале t...t, когда в работе преобразователя наблюдается бестоковая пауза (магнитопровод трансформатора размагничен), причем в те моменты времени, когда напряжение минимально (t, t, t). Такую задачу выполняет УДР 4 - обнаруживает размагничивание магнитопровода трансформатора и подготавливает включение УКСН 7, УСТ 8 либо УСН 9, стабилизирующих выходное напряжение (УСН 9) или ток (УСТ 8), а также УКСН 7, компенсирующего нестабильность сетевого напряжения путем корректировки момента размыкания КЭ 13 через УУ 12.
пит
0
выпр
Заявляемая светодиодная лампа функционирует следующим образом. При включении устройства переменное сетевое напряжение преобразуется в постоянное с помощью ДПВ 1, а затем сглаживается ФНЧ 2. Положительное напряжение прикладывается ко входу ИТ 11, отрицательное соединено с общим проводом преобразователя. С первого выхода ИТ 11 (первичной обмотки) выпрямленное сетевое напряжение поступает на нагрузочный вход разомкнутого КЭ 13, и одновременно на УПП 16, с выхода которого напряжение питания U подается на все узлы устройства. В результате УУ 12 через управляющий вход замыкает КЭ 13, и в первичной обмотке ИТ 11 возникает линейно нарастающий ток, показанный пунктиром на фиг.2 (момент времени t=0). При этом трансформатор накапливает энергию. Сигнал линейно нарастающего тока, пропорциональный соотношению числа витков в обмотках ИТ 11, с его вспомогательной обмотки обратной связи, индуктивно связанной с другими обмотками, подается на вход УДР 4, УКСН 7, УСТ 8, УСН 9. Положительная часть импульса U выпрямляется в УРП 5 и после пуска используется для питания устройства. В рабочем режиме УПП 16 отключается.
max
1
Линейно нарастающий в первичной обмотке ИТ 11 ток отслеживается в перечисленных выше узлах и сравнивается с образцовым напряжением, формируемым ИОН 3. В зависимости от режима работы преобразователя (стабилизации выходного тока или напряжения) при достижении линейным сигналом тока заданного уровня I (фиг.2) один из узлов УСТ 8 или УСН 9 воздействует на УУ 12 и размыкает КЭ 13 (момент времени t).
2
3
4
5
5
При размыкании КЭ 13 полярность импульсного напряжения на обмотках трансформатора 11 изменяется на противоположную, ИВ 15 открывается и обеспечивает передачу накопленной трансформатором энергии в СИУ 18 и включенный параллельно СК 17. Также открывается УРП 5 и обеспечивает питание всех узлов преобразователя в рабочем режиме. Ток в обмотках линейно убывает, как это показано сплошной линией на фиг.2, и по завершении передачи энергии в момент времени t импульсное напряжение на разомкнутом КЭ 13 переходит в затухающие колебания, по своей форме напоминающие ряд повторяющихся впадин (нижняя диаграмма фиг.2, моменты времени t, t, t). УДР 4 при этом обнаруживает минимум импульсного напряжения, и через УСТ 8 либо УСН 9 (в зависимости от режима) и УУ 11 повторно замыкает КЭ 13 (момент времени t). Затем процесс накопления энергии в трансформаторе и ее передачи в нагрузку циклически повторяется. Такой режим работы обратноходового импульсного преобразователя, примененного в заявляемой светодиодной лампе, называют квазирезонансным с переключением при нулевом токе (см. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование, с.168-179).
5
4
3
В зависимости от величины сетевого напряжения и нагрузки включение КЭ 13 может происходить и на третьей впадине (момент времени t), как это показано на фигуре, и на второй (t), и на первой (t). При очень малой нагрузке (перегорании светодиодов) преобразователь начинает работать в режиме формирования пачек коммутирующих импульсов. При малой нагрузке работой КЭ 13 управляет УСН 9, т.е. преобразователь функционирует в режиме стабилизации выходного напряжения. При увеличении нагрузки после некоторого критического значения тока наступает режим стабилизации тока, обеспечиваемый УСТ 8. Если ток становится чрезмерно большим при коротком замыкании в светодиодах или накопительном конденсаторе, УОТ 10 обнаруживает превышение заданного порога пилообразным сигналом тока на РДТ 14 и воздействуя на УУ 12, вызывает в каждом коммутирующем импульсе принудительное выключение КЭ 13, предохраняя его от повреждения. Жесткий энергетический режим устройства контролируется также УТЗ 6, и при опасном повышении температуры КЭ 13 или СИУ 18 работа преобразователя прекращается. После остывания перегревшихся элементов работа преобразователя автоматически возобновляется.
Таким образом, в заявляемой светодиодной лампе реализованы все необходимые для экономичной и безопасной эксплуатации светодиодов функции: стабилизация тока; гальваническая развязка; защита от замыканий и обрывов в нагрузке; тепловая защита; оптимизированное переключение преобразователя в квазирезонансном режиме.