СВЕТОДИОДНОЕ УСТРОЙСТВО
LED DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области светодиодных систем освещения.
В частности, оно касается светодиодного устройства, содержащего, с одной стороны, по меньшей мере две ветви, электрически параллельные и содержащие, каждая, светодиод, при этом первая ветвь содержит первый светодиод, а вторая ветвь содержит второй светодиод, и, с другой стороны, средство обнаружения, выполненное с возможностью обнаружения отказа указанного первого светодиода.
Кроме того, изобретение относится к сборке вышеупомянутых светодиодных устройств, подключенных электрически последовательно друг с другом.
Уровень техники
Из документа US 2008/0204029 известно светодиодное устройство, содержащее несколько ветвей, которые установлены электрически параллельно и каждая из которых содержит насколько последовательных светодиодов.
Это устройство также содержит:
- измерительную схему, которая измеряет мощность тока или напряжение в каждой ветви светодиодного устройства, и
- управляющую схему, связанную с измерительной схемой и выдающую управляющий сигнал, если мощность, ток или напряжение, измеряемые в одной из ветвей, превышают заранее определенное пороговое значение.
Таким образом, можно обнаруживать возможный отказ одного или нескольких светодиодов устройства и можно отключить ветвь, содержащую неисправный светодиод или неисправные светодиоды.
Понятно, что отключение всей ветви, содержащей неисправный светодиод или неисправные светодиоды, приводит к увеличению силы тока, проходящего в других ветвях, что может повлечь за собой повреждение светодиодов этих других ветвей и сократить их срок службы.
Сущность изобретения
Для устранения вышеупомянутого недостатка известного технического решения настоящим изобретением предложено светодиодное устройство, которое при выходе из строя одного светодиода позволяет предохранить другие светодиоды от слишком раннего старения или от преждевременного выхода из строя.
Более конкретно, объектом изобретения является светодиодное устройство, характеризованное в ограничительной части, содержащее:
- регулятор тока, установленный электрически в виде шунта для указанного первого светодиода, и
- коммутационную схему, управляемую указанным средством обнаружения для поочередного отключения тока, проходящего через указанный первый светодиод или указанный регулятор тока, соответственно в зависимости от того, обнаруживает или не обнаруживает указанное средство обнаружения отказ указанного первого светодиода.
Это светодиодное устройство выполнено таким образом, чтобы во время обнаружения выхода из строя первого светодиода средством обнаружения поддерживать ток, протекающий в первой ветви.
Для этого средство обнаружения, которое обнаруживает отказ первого светодиода, подает сигнал в:
- коммутационную схему для размыкания участка первой ветви, содержащего первый светодиод, и замыкания участка первой ветви, содержащего регулятор тока, и
- регулятор тока для поддержания тока в первой ветви.
Таким образом, непрерывность работы светодиодного устройства обеспечивается, даже когда первый светодиод выходит из строя, так как второй светодиод продолжает получать питающий ток, по существу равный току до появления неисправности.
Таким образом, второй светодиод продолжает нормально работать и предохранен от старения и от риска преждевременного выхода из строя.
Заявленное светодиодное устройство имеет также следующие предпочтительные и не ограничительные признаки:
- регулятор тока является генератором тока, управляемым указанным средством обнаружения;
- указанное средство обнаружения содержит систему идентификации разомкнутого состояния указанного первого светодиода;
- указанная схема обнаружения выдает на указанную коммутационную схему напряжение обнаружения, значение которого зависит от результата сравнения между измеренным значением напряжения на контактах указанного первого светодиода и контрольным напряжением в разомкнутом состоянии;
- указанное средство обнаружения содержит систему идентификации состояния короткого замыкания указанного первого светодиода;
- указанная схема обнаружения выдает на указанную коммутационную схему напряжение обнаружения, значение которого зависит от результата сравнения между измеренным значением напряжения на контактах указанного первого светодиода и контрольным напряжением при коротком замыкании;
- указанная первая ветвь содержит балансировочный резистор, установленный электрически последовательно с указанным регулятором тока;
- указанная первая ветвь содержит компенсационный резистор, установленный электрически последовательно с вторичной цепью, которая содержит указанный регулятор тока и указанный первый светодиод;
- указанное светодиодное устройство также содержит:
- другое средство обнаружения, выполненное с возможностью обнаружения выхода из строя указанного второго светодиода;
- другой регулятор тока, установленный параллельно с указанным вторым светодиодом; и
- другую коммутационную схему, управляемую указанным другим средством обнаружения для поочередного отключения тока, проходящего через указанный второй светодиод или указанный другой регулятор тока, соответственно в зависимости от того, обнаруживает или не обнаруживает указанное другое средство обнаружения отказ указанного второго светодиода.
Изобретение находит свое предпочтительное применение для реализации последовательно-параллельной системы светодиодов.
Так, изобретением предложена также сборка светодиодных устройств, содержащая множество заявленных светодиодных устройств, при этом указанные светодиодные устройства установлены электрически последовательно друг с другом.
Подробное описание примера осуществления изобретения
Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1А - электрическая схема светодиодного устройства согласно первому варианту осуществления изобретения, содержащему два светодиода;
фиг. 1В - эквивалентная электрическая схема светодиодного устройства, показанного на фиг. 1А, когда оба светодиода работают нормально;
фиг. 1С - эквивалентная электрическая схема светодиодного устройства, показанного на фиг. 1А, когда один из светодиодов вышел из строя;
фиг. 2 - детальная электрическая схема первого светодиода и средства обнаружения светодиодного устройства, показанного на фиг. 1А;
фиг. 3 - электрическая схема светодиодного устройства согласно второму варианту осуществления изобретения, содержащему два светодиода;
фиг. 4 - электрическая схема сборки последовательно установленных светодиодных устройств.
Прежде всего, следует отметить, что идентичные или подобные элементы различных вариантов, представленных на разных фигурах, будут иметь одинаковые обозначения, и их описание не будет повторяться.
В тексте описания будут использованы термины «параллельно» или «в виде шунта» для обозначения двух типов электрического монтажа.
Два параллельно установленных элемента будут соединены на каждом из своих контактов общими узлами. Таким образом, они будут иметь на своих контактах одинаковое напряжение.
Что же касается двух элементов, установленных в виде шунта, то они будут находиться в двух параллельных ветвях, при этом одна или другая из этих ветвей может также содержать другие электрические компоненты, и напряжения на контактах этих двух элементов могут быть разными.
На фиг. 1А и 3 показаны светодиодные устройства, которые могут входить в состав более общей сборки, такой как система наружного освещения для автотранспортного средства, например, фара ближнего света, фара дальнего света или ходовая фара дневного света типа DRL (от "Day Running Lamp» на английском языке).
Светодиодная технология DEL, что является сокращением от "diode " (называемая также LED от "Light-Emitting Diode" на английском языке), получает все более широкое применение в автотранспортных средствах, так как она обеспечивает меньшее электрическое потребление и увеличенный срок службы по сравнению с использовавшимися до настоящего времени классическими лампами, такими как лампы накаливания или галогенные лампы.
Кроме того, светодиоды обеспечивают широкие возможности для формирования оптических пучков, так как светодиоды являются световыми источниками небольшого размера.
Применение светодиодов в автомобильных системах освещения, таких как габаритные огни, фары ближнего света, фары дальнего света, противотуманные фары, ходовые фары, обеспечивают водителю лучший обзор дороги и лучшую сигнализацию, а также дают автомобильному конструктору больше свободы в разработке этих систем освещения.
Показанные на фиг. 1А и 3 светодиодные устройства 10, 20 работают в сложных термических и электрических условиях, которые могут приводить к повреждению светодиодов.
Отказ одного или нескольких светодиодов может иметь серьезные последствия для водителя, например, во время вождения ночью, так как эти отказы приводят к потере всего или части светового потока, излучаемого светодиодным устройством.
Поэтому одной из задач изобретения является предложить светодиодное устройство, в котором отказ одного светодиода не приводит к выходу из строя других светодиодов.
Например, как показано на фиг. 1А, светодиодное устройство, в дальнейшем называемое «СД-устройством» и обозначаемое позицией 10, содержит по меньшей мере две электрически параллельные ветви 11, 12.
Источник 13 электрического питания, подключенный между входной точкой 10А и выходной точкой 10В СД-устройства 10, обеспечивает электрическую энергию, необходимую для работы СД-устройства 10.
В частности, этот источник 13 электрического питания представляет собой регулятор тока, который поддерживает заранее определенное напряжение питания V на контактах СД-устройства 10, то есть между входной точкой 10А и выходной точкой 10В, и выдает ток питания с силой тока I. Этот ток питания не зависит от напряжения питания V, и его значение устанавливают в зависимости от различных электрических компонентов, присутствующих в первой ветви 11 и второй ветви 12, и в зависимости от уровня светового потока, который должно излучать СД-устройство 10.
В варианте источник электрического питания может быть регулятором напряжения, который управляет напряжением СД-устройства.
В данном случае каждая ветвь 11, 12 содержит один светодиод.
В варианте различные ветви СД-устройства могут, например, содержать несколько последовательно установленных светодиодов.
Кроме того, предусмотрено первое средство DET1 обнаружения для обнаружения отказа по меньшей мере первого светодиода LED1.
Кроме того, предусмотрены средства, которые являются объектом настоящего изобретения, для исправления ситуации при отказе этого первого светодиода LED1 таким образом, чтобы этот отказ не влиял или влиял лишь в незначительной степени на токи, проходящие через другие светодиоды.
Таким образом, согласно предпочтительному отличительному признаку изобретения, СД-устройство 10, 20 дополнительно содержит:
- регулятор тока REG1, установленный электрически в виде шунта для первого светодиода LED1, и
- коммутационную схему COM1, управляемую средством DET1 обнаружения для поочередного отключения тока, проходящего через первый светодиод LED1 или через регулятор тока REG1, в зависимости от того, обнаруживает или не обнаруживает средство DET1 обнаружения отказ указанного первого светодиода LED1.
Регулятор тока REG1 должен обеспечивать потребление по существу такой же мощности, что и потреблялась первым светодиодом LED1 до его отказа. Что касается коммутационной схемы COM1, то она позволяет отключить первый светодиод LED1 и подключить вместо него регулятор тока REG1.
В первом варианте выполнения изобретения, представленном на фиг. 1А, СД-устройство 10 содержит только две ветви 11, 12. Для иллюстрации работы изобретения в основном представлено описание этого варианта выполнения.
Как показано на фиг. 1А, ток I питания, проходящий через СД-устройство 10, питаемое источником 13 питания, можно представить в виде суммы:
- первого тока I1, протекающего в первой ветви 11, и
- второго тока I2, протекающего во второй ветви 12.
В первом варианте выполнения каждая ветвь 11, 12 содержит только один светодиод: первая ветвь 11 содержит первый светодиод LED1, установленный на первом участке 11А первой ветви 11, и вторая ветвь 12 содержит второй светодиод LED2.
Первый светодиод LED1 и второй светодиод LED2 могут иметь идентичные или разные оптические характеристики (световой поток, спектр длин волн, цветовая температура и т.д.).
Точно так же, первый светодиод LED1 и второй светодиод LED2 могут иметь идентичные или разные электрические характеристики.
В рассматриваемом случае они являются разными.
Чтобы понять электрическую работу СД-устройства 10, показанного на фиг. 1А, на фиг. 1В представлена эквивалентная электрическая схема СД-устройства 10, когда оба светодиода LED1, LED2 работают нормально.
При нормальной работе без отказа первый светодиод LED1, второй светодиод LED2 и источник 13 электрического питания подсоединены параллельно.
LED1
LED2
Напряжение V на контактах первого светодиода LED1 и второе напряжение V на контактах второго светодиода LED2 равны напряжению питания V.
F1
F2
В данном случае электрические характеристики светодиодов LED1, LED2 слегка различаются, при этом первый прямой ток Ι, проходящий через первый светодиод LED1, и второй прямой ток I, проходящий через второй светодиод LED2, могут различаться.
Светодиод может иметь неисправность, которая приводит к его выключению или к его пробою.
LED1
Первый светодиод LED1 может иметь, например, неисправность в виде размыкания цепи. В этом случае прохождение тока в первом участке 11А первой ветви 11 прерывается, и напряжение V на контактах первого светодиода LED1 временно повышается. При этом возникает риск прохождения всего тока питания I во вторую ветвь 12, что вызвало бы увеличение тока, циркулирующего через второй светодиод LED2, и привело бы к его повреждению.
С другой стороны, первый светодиод LED1 может иметь неисправность в виде короткого замыкания. В этом случае прохождение тока в первом участке 11А первой ветви 11 происходит без сопротивления, и второй светодиод LED2 замыкается накоротко и перестает излучать свет. Таким образом, СД-устройство 10 выходит из строя.
LED1
Как правило, любой отказ первого светодиода LED1 выражается в изменении напряжения V на его контактах.
Далее рассмотрим, каким образом при отказе первого светодиода LED1 заявленное СД-устройство 10 позволяет поддерживать величину второго тока I2, проходящего через вторую ветвь 12, в значении, близком к его значению до отказа первого светодиода LED1.
LED1
Как показано на фиг. 2, на контактах первого светодиода LED1 установлено первое средство DET1 обнаружения для измерения значения напряжения V на контактах первого светодиода LED1.
OC,1
SC,1
Чтобы обнаружить возможный отказ в виде размыкания цепи первого светодиода LED1, первое средство DET1 обнаружения дополнительно содержит (см. фиг. 2) систему COMP идентификации состояния размыкания и систему COMP идентификации состояния короткого замыкания первого светодиода LED1.
OC,1
LED1
OC,REF
В данном случае система COMP идентификации состояния размыкания содержит компаратор напряжения, который сравнивает измеренное значение напряжения V на контактах первого светодиода LED1 с контрольным напряжением при разомкнутой цепи V.
F1
OC,REF
F1
Например, для первого светодиода LED1, прямое рабочее напряжение V которого составляет от 3 В до 4 В, контрольное напряжение при разомкнутой цепи V выбирают превышающим V и составляющим от 4,5 В до 5,5 В.
ОС,1
OC,1
Система СОМР идентификации состояния размыкания выдает на выходе первое напряжение обнаружения разомкнутой цепи V, зависящее от результата предыдущего сравнения:
LED1
OC,REF
OC,1
OC,1
- если напряжение V на контактах первого светодиода LED1 ниже контрольного напряжения при разомкнутой цепи V, система COMP идентификации состояния размыкания выдает первое значение, например, положительное значение первого напряжения обнаружения разомкнутой цепи V, определяя таким образом, что первый светодиод LED1 работает нормально, и
LED1
OC,REF
ОС,1
OC,1
- если напряжение V на контактах первого светодиода LED1 превышает или равно контрольному напряжению при разомкнутой цепи V, система СОМР идентификации состояния размыкания выдает второе значение, например отрицательное значение первого напряжения обнаружения разомкнутой цепи V, определяя таким образом, что первый светодиод LED1 имеет неисправность.
SC,1
LED1
SC,REF
Система COMP идентификации состояния короткого замыкания тоже содержит компаратор напряжения, который сравнивает измеренное значение напряжения V на контактах первого светодиода LED1 с контрольным напряжением при коротком замыкании V.
SC,REF
SC,REF
Это контрольное напряжение при коротком замыкании V находится в пределах от ОВ до порогового напряжения первого светодиода LED1. Например, для первого светодиода LED1, пороговое напряжение которого составляет от 2,5 В до 4 В, контрольное напряжение при коротком замыкании V будет составлять от 1В до 2В.
SC,1
SC,1
Система COMP идентификации состояния короткого замыкания выдает на выходе первое напряжение обнаружения короткого замыкания V, зависящее от предыдущего сравнения:
LED1
sc,REF
SC,1
SC,REF
- если напряжение V на контактах первого светодиода LED1 превышает контрольное напряжение при коротком замыкании V, система COMP идентификации состояния короткого замыкания выдает первое значение, например, положительное значение первого напряжения при коротком замыкании V, определяя таким образом, что первый светодиод LED1 работает нормально, и
LED1
SC,REF
SC,1
SC,REF
- если напряжение V на контактах первого светодиода LED1 меньше или равно контрольному напряжению при коротком замыкании V, система COMP идентификации состояния короткого замыкания выдает второе значение, например, отрицательное значение первого напряжения при коротком замыкании V, определяя таким образом, что первый светодиод LED1 имеет неисправность в виде короткого замыкания.
В варианте первое средство обнаружения СД-устройства может содержать только систему идентификации состояния размыкания цепи или только систему идентификации состояния короткого замыкания.
В примерах СД-устройств, представленных на фиг. 1А-3, первое средство DET1 обнаружения содержит также логическую схему LOG1 с двумя входами и одним выходом.
В варианте первое средство обнаружения может содержать, например, аналоговую схему.
OC,REF
SC,REF
DET1
Эта логическая схема LOG1 принимает на входе контрольное напряжение при разомкнутой цепи V и контрольное напряжение при коротком замыкании V и выдает на выходе напряжение обнаружения V.
Эта логическая схема LOG1 может, например, представлять собой порт «И».
Установленное таким образом на первой ветви 11, содержащей первый светодиод LED1, первое средство DET1 обнаружения может обнаруживать возможный отказ первого светодиода LED1 в виде короткого замыкания или в виде размыкания цепи.
Регулятор тока REG1 электрически установлен в виде шунта для первого светодиода LED1 на втором участке 11В первой ветви 11.
DET1
DET1
Этим регулятором тока REG1 управляет напряжение обнаружения V, выдаваемое первым средством DET1 обнаружения. Это значит, что средство DET1 обнаружения активирует регулятор тока REG1, который имеет два разных электрических состояния в зависимости от значения напряжения обнаружения V.
DET1
В частности, если напряжение обнаружения V превышает некоторый заранее определенный порог, то есть первый светодиод LED1 работает нормально, регулятор тока REG1 остается неактивным и электрически эквивалентен разомкнутой цепи, в которой не проходит ток.
DET1
Если же напряжение обнаружения V ниже этого заранее определенного порога, то есть первый светодиод LED1 имеет неисправность, регулятор тока REGI является активным и выдает ток в первую ветвь 11.
DET1
Этот регулятор тока REG1 может, например, содержать биполярный транзистор, установленный последовательно с калибровочным резистором, при этом база транзистора, соединенная со средством DET1 обнаружения, находится под напряжением обнаружения V, а эмиттер и коллектор транзистора подключены ко второму участку 11В первой ветви 11.
В варианте регулятор тока может, например, содержать биполярный транзистор и калибровочный резистор, установленный параллельно на соединении между базой и эмиттером транзистора.
Коммутационная цепь COM1 находится на соединении между первым участком 11А и вторым участком 11В первой ветви 11, соответственно после первого светодиода LED1 и после регулятора тока REGI.
В варианте коммутационная схема может, например, находиться перед первым светодиодом LED1 и перед регулятором тока.
Эта коммутационная схема COMI представляет собой электрический компонент, содержащий, например, два выключателя и имеющий два разных электрических состояния:
- первое состояние, в котором она допускает прохождение тока только в первом участке 11А первой ветви 11, и
- второе состояние, в котором она допускает прохождение тока только во втором участке 11В первой ветви 11.
Предпочтительно коммутационной схемой COM1 управляет средство DET1 обнаружения, и она находится в первом состоянии, соответственно во втором состоянии в зависимости от того, обнаруживает или не обнаруживает средство DET1 обнаружения отказ первого светодиода LED1.
DET1
В частности, цепь DET1 обнаружения выдает в коммутационную схему COM1 напряжение обнаружения V, фиксирующее состояние, в котором находится коммутационная схема COM1:
DET1
- в первом состоянии, когда напряжение обнаружения V превышает заранее определенный порог, первый светодиод LED1 работает нормально, и
DET1
- во втором состоянии, когда напряжение обнаружения V ниже этого заранее определенного порога, первый светодиод LED1 имеет неисправность.
Таким образом, если первый светодиод LED1 имеет неисправность, СД-устройство 10, показанное на фиг. 1А, электрически эквивалентно электрической схеме, показанной на фиг. 1С.
Предпочтительно регулятор тока REG1 выбирают таким образом, чтобы при его подключении в первую ветвь 11 при помощи коммутационной схемы COM1, управляемой средством DET1 обнаружения, он выдавал ток, по существу равный току, который проходил через первый светодиод LED 1 до его отказа.
Таким образом, второй ток I2, протекающий во второй ветви 12 и проходящий через второй светодиод LED2, остается по существу постоянным и близким к своему значению до отказа первого светодиода LED1.
eq,1
Если регулятор тока REG1 не может самостоятельно поддерживать этот ток во второй ветви 12, предусмотрен балансировочный резистор R, электрически установленный последовательно с регулятором тока REG1.
eq,1
Калибровочный резистор R может также фиксировать заранее определенное значение тока, проходящего через регулятор тока REG1.
В варианте можно выбрать регулятор тока, выполненный с возможностью самостоятельного поддержания этого тока, и в этом случае отпадает необходимость в калибровочном резисторе.
Благодаря изобретению, уменьшаются риски ускоренного старения или преждевременного отказа этого второго светодиода LED2.
Во втором варианте выполнения, показанном на фиг. 4, СД-устройство 20 содержит также второе средство DET2 обнаружения, которое, как и первое средство DET1 обнаружения, обнаруживает отказ второго светодиода LED2.
Следовательно, СД-устройство 20 также содержит:
- второй регулятор тока REG2, установленный параллельно с указанным вторым светодиодом LED2, и
- вторую коммутационную схему COM2, управляемую вторым средством DET2 обнаружения, которая поочередного разрешает прохождение тока во второй светодиод LED2 или во второй регулятор тока REG2, соответственно в зависимости от того, обнаруживает или не обнаруживает второе средство DET2 обнаружения отказ этого второго светодиода LED2.
Работа другого регулятора тока REG2 и другой коммутационной схемы COM2 идентична работе регулятора тока REG1 и коммутационной схемы COM1.
Таким образом, срок службы такого СД-устройства 20 увеличился, так как оно позволяет ограничить влияние отказа одного или другого из двух светодиодов LED1, LED2.
comp,1
comp,2
Предпочтительно, если первый светодиод LED1 и второй светодиод LED2 имеют разные электрические характеристики, в частности, разные рабочие напряжения, СД-устройство 20 содержит компенсационные резисторы R, R, соответственно расположенные в первой и второй ветви 11, 12 (см. фиг. 4) после первой коммутационной схемы COM1 и после второй коммутационной схемы COM2 и предназначенные для коррекции напряжений в первой ветви 11 и второй ветви 12 как при отказе, так и в отсутствие отказа одного из светодиодов LED1, LED2.
В варианте СД-устройство может также содержать балансировочные резисторы, установленные последовательно с регуляторами тока первой и второй ветвей.
На фиг. 4 представлена сборка 30 СД-устройств типа описанных выше.
Эта сборка 30 представляет собой так называемую «последовательно-параллельную» систему их двух СД-устройств, каждое из которых содержит по четыре светодиода LED1, LED2, LED3, LED4, LED5, LED6, LED7, LED8 (в дальнейшем обозначаемые LED1-LED8), установленные параллельно друг с другом, при этом два СД-устройства установлены друг с другом последовательно.
Такая сборка 30 СД-устройств называется также «светодиодной матрицей 4×2».
В варианте сборка СД-устройств может включать в себя множество СД-устройств, каждое из которых содержит разное количество светодиодов, установленных параллельно друг с другом.
Предпочтительно каждый светодиод LED1-LED8 связан (см. фиг. 4) со средством обнаружения DET1, DET2, DET3, DET4, DET5, DET6, DET7, DET8, с регулятором тока REG1, REG2, REG3, REG4, REG5, REG6, REG7, REG8 и с коммутационной схемой COM1, COM2, COM3, COM4, СОМ5, СОМ6, СОМ7, СОМ8, которые работают вместе, как было указано выше.
Таким образом, когда один из светодиодов LED1-LED8 выходит из строя, например, по причине размыкания цепи или по причине короткого замыкания, все другие светодиоды продолжают работать, и общий световой поток, излучаемый набором 30 СД-устройств уменьшается только на световой поток неисправного светодиода.
Кроме того, токи, проходящие через исправные светодиоды, остаются по существу одинаковыми до и после отказа неисправного светодиода, что не влияет на их срок службы.