УСТРОЙСТВО ДРАЙВЕРА И СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ НАГРУЗКИ, В ЧАСТНОСТИ СБОРКИ СВЕТОДИОДОВ
DRIVER DEVICE AND METHOD OF EXCITING FOR EXCITATION OF LOAD, IN PARTICULAR, ASSEMBLY OF LIGHT-EMITTING DIODES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству драйвера и к соответствующему способу возбуждения для возбуждения нагрузки, в частности сборки светодиодов, содержащей два или более светодиодов. Дополнительно, настоящее изобретение относится к устройству освещения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В твердотельном освещении (SSL), т.е. в общем освещении, относительная доля стоимости драйвера предположительно должна увеличиваться вследствие снижения стоимости светоизлучающих диодов (светодиодов). Следовательно, чтобы уменьшать стоимость всей системы, драйвер также должен становиться более дешевым (в частности, более простым и/или более компактным). Более тесная связь между светодиодом и драйвером по-прежнему должна обеспечивать высокую эффективность.
При работе со светодиодами от источника питания, например источника напряжения сети, как форма электрического входного сигнала, так и форма оптического выходного сигнала должны удовлетворять определенным критериям. Это применимо не только для светодиодов высокого напряжения (HV), но идентичная структура может использоваться, например, с 5 светодиодами низкого напряжения в галогенной резервной системе на 12 В, а также, например, со 100 светодиодами низкого напряжения и напряжением сети. Для линейного драйвера с отводами (TLD), как, например, описано в US 6989807 B2, US 7081722 B1 или US 2008/0094000 A1, предложен способ, который регулирует длину цепочки светодиодов, в частности, посредством динамического шунтирования или обхода этих светодиодов, которые не должны питаться от источника питания, чтобы позволять напряжению цепочки светодиодов соответствовать форме/протяжению волны напряжения питания переменного тока.
При таком способе между формой электрического входного и оптического выходного сигнала по-прежнему имеется прямая связь, в силу чего воздействие (уменьшение) на мерцание или стробоскопический артефакт в свете будут оказывать влияние входные гармоники. Чтобы удовлетворять различным нормативным требованиям по напряжению сети (представляющим определенную комбинацию формы волны, гармоник и коэффициента мощности), требуется лучшее развязывание уменьшение связи между формой электрического сигнала на входе и формой оптического выходного сигнала света.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставлять устройство драйвера и соответствующий способ возбуждения для возбуждения нагрузки, в частности сборки светодиодов, содержащей два или более светодиодов, посредством которых могут удовлетворяться различные нормативные требования по напряжению сети и которые обеспечивают лучшее уменьшение связи между формой электрического сигнала на входе и формой выходного сигнала на выходе.
В первом аспекте настоящего изобретения представляется устройство драйвера, содержащее:
- клеммы источника питания для приема напряжения питания,
- клеммы нагрузки для соединения нагрузки с упомянутым устройством драйвера и для предоставления электрической энергии в упомянутую нагрузку для возбуждения упомянутой нагрузки,
- накопительный модуль для накопления электрической энергии, принимаемой на упомянутых клеммах источника питания,
- соединительный модуль, соединенный между упомянутыми клеммами источника питания и упомянутым накопительным модулем для управляемого предоставления электрической энергии из упомянутых клемм источника питания в упомянутый накопительный модуль,
- первый модуль переключения, соединенный между упомянутыми клеммами источника питания и упомянутой нагрузкой для переключаемого предоставления электрической энергии из упомянутых клемм источника питания на одну или более из упомянутых клемм нагрузки,
- второй модуль переключения, соединенный между упомянутым накопительным модулем и упомянутой нагрузкой для переключаемого предоставления электрической энергии, накопленной в упомянутом накопительном модуле, на одну или более из упомянутых клемм нагрузки, и
- модуль управления для управления упомянутым соединительным модулем и упомянутыми первым и вторым модулями переключения.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представляется соответствующий способ возбуждения, содержащий этапы:
- приема напряжения питания,
- предоставления электрической энергии в упомянутую нагрузку для возбуждения упомянутой нагрузки через клеммы нагрузки,
- накопления электрической энергии, принимаемой посредством упомянутого напряжения питания, в накопительном модуле,
- управляемого предоставления электрической энергии в упомянутый накопительный модуль,
- предоставления электрической энергии из упомянутых клемм источника питания на одну или более из упомянутых клемм нагрузки с возможностью переключения,
- предоставления электрической энергии, накопленной в упомянутом накопительном модуле, на одну или более из упомянутых клемм нагрузки с возможностью переключения, и
- управления упомянутыми этапами предоставления электрической энергии в упомянутый накопительный модуль и упомянутую нагрузку.
Еще дополнительно, согласно другому аспекту настоящего изобретения устройство освещения, содержит осветительный модуль, в частности, сборку светодиодов, содержащую два или более светодиодов, и устройство драйвера согласно настоящему изобретению, соединенное с упомянутым осветительным модулем для возбуждения упомянутого осветительного модуля.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ и заявленное устройство освещения имеют аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления как и заявленное устройство и задаются в зависимых пунктах формулы изобретения.
Настоящее изобретение основано на идее предоставлять два отдельных порта выходной мощности (т.е. по меньшей мере, три клеммы нагрузки, при этом одна клемма нагрузки может принадлежать двум различным портам выходной мощности) для соединения нагрузки с устройством драйвера. Один порт мощности предоставляется на клеммах источника питания, чтобы предоставлять электрическую энергию в нагрузку непосредственно из клемм источника питания, т.е. непосредственно из напряжения питания (в конечном счете, после выпрямления при необходимости). Другой порт мощности предоставляется в накопительном модуле (например, в емкостном накопительном модуле, включающем в себя один или более конденсаторов), предоставляющем в нагрузку электрическую энергию, накапливаемую в накопительном модуле. Таким образом, предложенное устройство драйвера сконструировано с возможностью независимой подачи мощности в нагрузку, в частности, в идентичные, отличающиеся или перекрывающиеся части нагрузки (например, в различные сегменты цепочки светодиодов). Это дает возможность управления величиной тока, подаваемого на клеммах источника питания (например, из источника напряжения питающей сети) и в накопительном модуле в нагрузку, независимо друг от друга. Как результат, проще приводить форму сигнала входного тока в соответствие с конкретными нормативными требованиями, такими как пределы гармоник согласно конкретным для страны нормативным требованиям.
Здесь следует отметить, что предложенное устройство драйвера, в общем, принимает в качестве ввода напряжение питания, которое может предоставляться посредством любого модуля предварительной обработки (к примеру, трансформатора, инвертора или регулятора яркости), который преобразует напряжение сети переменного тока (или любое другое доступное напряжение) в требуемое напряжение питания. Напряжение питания может быть выпрямленным напряжением или напряжением питания переменного тока и средство предварительной обработки может даже включать в себя начальные этапы обработки сигнала питания, к примеру средство для выпрямления, и, следовательно, может доставлять выпрямленное напряжение в предложенное устройство драйвера. Конечно, также может быть возможным непосредственно использовать доступное напряжение сети переменного тока в качестве напряжения питания переменного тока, если оно соответствует критериям для использования в качестве ввода для устройства драйвера, что зачастую имеет место. Следовательно, когда "напряжение питания" упоминается в данном документе, оно также может пониматься в определенных условиях как "напряжение сети" или, в других вариантах осуществления, как "напряжение сети после регулирования" или как выпрямленное напряжение переменного тока. Кроме того, напряжение питания в некоторых вариантах осуществления может быть даже напряжением постоянного тока, например, предоставляемым посредством аккумулятора или выпрямителя и сглаживающего конденсатора.
Согласно предпочтительному варианту осуществления упомянутый второй модуль переключения выполнен с возможностью переключаемым образом предоставлять электрическую энергию из одной или более из упомянутых клемм нагрузки в упомянутый накопительный модуль. Это обеспечивает возможность того, что накопительный модуль может заряжаться не только от клемм источника питания, но также и от нагрузки, т.е. часть электрической энергии, предоставляемой из клемм источника питания через первый модуль переключения в нагрузку, которая не потребляется посредством нагрузки или не требуется посредством нагрузки, за счет этого может "перенаправляться" в накопительный модуль через второй модуль переключения.
Для этой цели второй модуль переключения предпочтительно содержит двунаправленные переключатели, в частности двунаправленные переключатели с ограничением по току. Предпочтительно, значение ограничения по току может динамически задаваться равным любому требуемому значению в ходе работы. Эти и другие переключатели (в общем, называемые переключающими элементами, которые могут быть однонаправленными или двунаправленными), используемые в других модулях переключения, в общем, могут реализовываться посредством транзисторов или диодов, к примеру, NMOS- или PMOS-транзисторов. Дополнительно, также (непереключаемые) источники тока могут использоваться и пониматься как переключающий элемент в контексте настоящей заявки.
В другом варианте осуществления упомянутый соединительный модуль и/или упомянутый первый и/или второй модуль переключения содержат средство ограничения для ограничения тока, напряжения и/или электрической мощности, предоставляемой через соответствующий модуль, например средство переключения соответствующего модуля переключения (также соединительный модуль может включать в себя такое средство переключения и, в варианте осуществления, фактически может быть другим модулем переключения). Такое средство ограничения может включать в себя источник тока для ограничения тока. Другие средства ограничения могут включать в себя резисторы, (непереключаемые) источники тока или другие известные элементы для ограничения тока, напряжения и/или мощности. Эти средства ограничения обеспечивают управление величиной электрической энергии, предоставляемой через соответствующие модули (т.е. соединительный модуль или первый/второй модуль переключения).
В предпочтительном варианте осуществления упомянутый модуль управления выполнен с возможностью управлять упомянутыми первым и вторым модулями переключения таким образом, чтобы переключаемым образом предоставлять электрическую энергию в упомянутую нагрузку согласно одному или более предварительно определенных критериев, в частности, включающих в себя эффективность, коэффициент мощности, форму сигнала тока, равномерное механическое напряжение различных сегментов в нагрузке и/или спрямление светового выхода в случае осветительного модуля в качестве нагрузки. Таким образом, управление может выполняться согласно требуемой стратегии управления, которая может быть выбрана заранее так, что она соответствует определенным требуемым критериям, например определенным нормативным требованиям, установленным в соответствующей стране использования.
Преимущественно, упомянутый первый и/или второй модуль переключения содержит элементы измерения тока, в частности шунтирующие резисторы, для измерения тока, предоставляемого через ассоциированный переключающий элемент соответствующего модуля переключения, и упомянутый модуль управления выполнен с возможностью управлять упомянутыми первым и вторым модулями переключения таким образом, чтобы переключаемым образом предоставлять электрическую энергию в упомянутую нагрузку с тем, чтобы балансировать полную мощность и распределение мощности. Это включает в себя управление током аналоговым способом, например, в сочетании с измеренным значением. Таким образом, при использовании изобретения для возбуждения осветительного модуля можно иметь плавный поток и однородный световой выход из осветительного модуля.
Предпочтительно, упомянутый накопительный модуль содержит две выходные клеммы накопительного модуля, и упомянутый второй модуль переключения содержит переключающие элементы для независимого переключения упомянутых двух выходных клемм накопительного модуля на две клеммы нагрузки. Этот вариант осуществления обеспечивает более гибкую подачу питания в требуемую часть нагрузки, например, с тем, чтобы предоставлять электрическую энергию из накопительного модуля в один или более требуемых сегментов осветительного модуля (например, в цепочку светодиодов).
В варианте осуществления предложенное устройство драйвера дополнительно содержит выпрямительный модуль, соединенный с упомянутыми клеммами источника питания для выпрямления принимаемого напряжения питания переменного тока. Предпочтительно, упомянутый выпрямительный модуль и упомянутый накопительный модуль имеют общую опорную клемму, соединенную с одной из упомянутых клемм нагрузки, что приводит к меньшему числу требуемых переключающих элементов.
Еще дополнительно, в варианте осуществления упомянутый выпрямительный модуль содержит две выходные клеммы выпрямительного модуля и упомянутый второй модуль переключения содержит переключающие элементы для независимого переключения упомянутых двух выходных клемм выпрямительного модуля на две клеммы нагрузки. Аналогично, как пояснено выше, этот вариант осуществления обеспечивает большую гибкость в предоставлении электрической энергии из выпрямительного модуля в требуемую часть нагрузки, например, чтобы предоставлять электрическую энергию из выпрямительного модуля в один или более требуемых сегментов осветительного модуля (например, в цепочку светодиодов).
В варианте осуществления упомянутый модуль управления выполнен с возможностью управлять упомянутыми первым и вторым модулям переключения таким образом, что электрическая энергия предоставляется из упомянутого накопительного модуля в первую часть упомянутой нагрузки, и что электрическая энергия предоставляется из упомянутых клемм источника питания (или, если предоставлен, упомянутого выпрямительного модуля) во вторую часть упомянутой нагрузки, и что предоставление электрической энергии в упомянутые первую или вторую части адаптируется согласно величине электрической энергии, которая в данный момент извлекается из клемм источника питания. Таким образом, гибкий источник питания нагрузки является легко достижимым.
Хотя в качестве накопительного модуля может быть использован любой модуль, посредством которого электрическая энергия может накапливаться для доставки в нагрузку при необходимости, в предпочтительном варианте осуществления упомянутый накопительный модуль включает в себя емкостный накопительный модуль, в частности, включающий в себя один или более конденсаторов.
В варианте осуществления, управление фокусируется на подводе мощности из модуля подачи мощности питающей сети. Одновременно, мощность (напряжение) накопительного модуля учитывается вследствие эффективного перезаряда. Помимо этого, управление предпочтительно фокусируется на мощности, которая может предоставляться посредством клемм источника питания без формирования слишком большого числа гармоник. В общем, не следует потреблять столько энергии, сколько может доставляться на клеммах источника питания, но мощность должна эффективно предоставляться в нагрузку посредством накопительного модуля и внешнего источника питания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения должны становиться очевидными и истолковываться со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанные ниже в данном документе. На следующих чертежах:
Фиг. 1 показывает принципиальную блок-схему общей компоновки предложенного устройства драйвера согласно настоящему изобретению,
Фиг. 2 показывает принципиальную блок-схему первого варианта осуществления устройства драйвера согласно настоящему изобретению,
Фиг. 3 показывает принципиальную блок-схему второго варианта осуществления устройства драйвера согласно настоящему изобретению,
Фиг. 4 показывает принципиальную блок-схему третьего варианта осуществления устройства драйвера согласно настоящему изобретению,
Фиг. 5 показывает блок-схемы последовательности сигналов, иллюстрирующие примерные последовательности различных сигналов в устройстве драйвера согласно настоящему изобретению,
Фиг. 6 показывает схему, иллюстрирующую спектр тока питания устройства драйвера согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 показывает принципиальную блок-схему общей компоновки предложенного устройства 1 драйвера согласно настоящему изобретению. Упомянутое устройство 1 драйвера предоставляется для возбуждения нагрузки 100, которая представляет собой осветительный модуль 100, содержащий определенное число светодиодов в этом варианте осуществления, совместно представляющих устройство освещения. В устройство 1 драйвера предоставляется напряжение сети переменного тока из источника 200 напряжения питающей сети в этом варианте осуществления.
S
S
Устройство 1 драйвера содержит клеммы 10 источника питания для приема предоставляемого переменного напряжения V питания из источника 200 напряжения питающей сети и клеммы 20 нагрузки для соединения нагрузки 100 с упомянутым устройством 1 драйвера и для предоставления электрической энергии в упомянутую нагрузку 100 для возбуждения упомянутой нагрузки 100. В выпрямительном модуле 30 (возможно также включающем в себя общеизвестное средство для фильтрации и защиты) выпрямляется принимаемое напряжение V питания переменного тока. Выпрямленное напряжение питания затем предоставляется, с одной стороны, в соединительный модуль 50, соединенный между упомянутым выпрямительным модулем 30 и накопительным модулем 40, например, включающий в себя конденсатор, для предоставления электрической энергии из упомянутого выпрямительного модуля 30 в упомянутый накопительный модуль 40 с возможностью переключения.
В упомянутом накопительном модуле 40, накапливается электрическая энергия, предоставляемая посредством упомянутого выпрямительного модуля. С другой стороны, выпрямленное напряжение питания предоставляется в первый модуль 60 переключения, соединенный между упомянутым выпрямительным модулем 30 и упомянутой нагрузкой 100, для предоставления электрической энергии из упомянутого выпрямительного модуля 30 на одну или более из упомянутых клемм 20 нагрузки с возможностью переключения. Второй модуль 70 переключения, соединенный между упомянутым накопительным модулем 40 и упомянутой нагрузкой 100, предоставляется для предоставления с возможностью переключения электрической энергии, накопленной в упомянутом накопительном модуле 40, на одну или более из упомянутых клемм 20 нагрузки, которые могут быть идентичными или (частично или полностью) отличными клеммами нагрузки по сравнению с клеммами 20 нагрузки. В завершение, модуль 80 управления предоставляется для управления упомянутым соединительным модулем 50 и упомянутыми первым и вторым модулями 60, 70 переключения. Модуль управления также может содержать средство измерения, чтобы измерять некоторую информацию состояния, к примеру, (но не только) входное напряжение и/или ток, накопленное напряжение и/или ток, и/или конфигурация нагрузки, температуру и/или поток.
Как показано на фиг. 1, электрическая энергия из выпрямительного модуля 30 может доставляться через первый модуль 60 переключения в первый порт 101 нагрузки 100 (путь a) и во второй порт 102 нагрузки 100 (путь b). Аналогично, электрическая энергия, накопленная в накопительном модуле 40, также может доставляться через второй модуль 70 переключения в первый порт 101 нагрузки 100 (путь d) и во второй порт 102 нагрузки 100 (путь c). Эти поставки электрической энергии согласно настоящему изобретению возможно являются абсолютно независимыми друг от друга. Хотя пути a и b являются, в общем, однонаправленными из первого модуля 60 переключения в нагрузку 100, поток энергии в путях c и d может быть двунаправленным. Иными словами, накопительный модуль 40 может заряжаться через второй модуль 70 переключения через энергию, доставляемую через нагрузку 100. Типично, нагрузка 100 не должна иметь возможность накапливать или формировать электрическую энергию, так что энергия, принимаемая посредством накопительного модуля 40 и второго модуля 70 переключения через пути c и d из нагрузки 100, типично должна доставляться одновременно в нагрузку 100 из входных клемм 10 через клеммы 20 нагрузки и через пути a или b.
Фиг. 2 показывает принципиальную блок-схему первого варианта осуществления устройства 1a драйвера согласно настоящему изобретению. В этом варианте осуществления нагрузка 100a содержит четыре сегмента L1, L2, L3, L4 светодиодов. Выпрямительный модуль 30a содержит традиционный полномостовой выпрямитель из четырех диодов 31, 32, 33, 34, соединенных в качестве полного моста. Емкостный накопительный модуль 40a содержит один конденсатор 41, соединенный между входными клеммами 42, 43 накопительного модуля и выходными клеммами 44, 45 накопительного модуля. Соединительный модуль 50a, соединенный с первой выходной клеммой 35 выпрямительного модуля из двух выходных клемм 35, 36 выпрямительного модуля, содержит транзистор 51 и резистор 52, вместе образующие переключатель с ограничением по току. Резистор 52 соединяется между транзистором 51 и первой входной клеммой 42 накопительного модуля.
Первый модуль 60a переключения содержит четыре переключателя с ограничением по току, каждый из которых сформирован посредством последовательного соединения транзистора 61, 62, 63, 64 и резистора 65, 66, 67, 68. Первые клеммы транзисторов 61, 62, 63, 64 соединяются с первой выходной клеммой 35 выпрямительного модуля. Вторая клемма резисторов 65, 66, 67, 68 представляет четыре выходных клеммы. Таким образом, выпрямленное напряжение питания может переключаться на требуемую клемму нагрузки из четырех клемм 21, 22, 23, 24 нагрузки. Пятая клемма 25 нагрузки представляет опорную клемму и соединяется со второй выходной клеммой 36 выпрямительного модуля и второй выходной клеммой 45 накопительного модуля. Поскольку переключатели с ограничением по току первого модуля 60a переключения являются однонаправленными переключателями, электрический ток протекает только из выпрямительного модуля 30a в нагрузку 100a.
Совершенно аналогично, второй модуль 70a переключения также содержит четыре переключателя с ограничением по току, представленные на чертеже посредством последовательного соединения переключателя 71, 72, 73, 74 и резистора 75, 76, 77, 78. Первые клеммы переключателей 71, 72, 73, 74 соединяются с первой выходной клеммой 44 накопительного модуля. Вторая клемма резисторов 75, 76, 77, 78 представляет четыре выходные клеммы, которые соединяются вместе с выходными клеммами первого модуля 60a переключения, т.е. одна из выходных клемм второго модуля 70a переключения соединяется с одной из выходных клемм первого модуля 60a переключения. Таким образом, напряжение конденсатора, накапливаемое в конденсаторе 41, может переключаться на требуемую клемму нагрузки из четырех клемм 21, 22, 23, 24 нагрузки. Поскольку переключатели с ограничением по току второго модуля 70a переключения предпочтительно представляют собой двунаправленные переключатели (но также могут представлять собой однонаправленные переключатели), ток может протекать как из конденсатора 41 в нагрузку 100a, так и из нагрузки 100a в конденсатор 41.
В течение цикла напряжения питания, следующая схема активации используется в варианте осуществления. В ходе перехода через нуль напряжения питания конденсатор 41 питает нагрузку 100a (состояние переключателей 71-74 зависит от напряжения конденсатора). Когда напряжение питания выше напряжения первого сегмента в первом сегменте (светодиоде L4) нагрузки 100a, переключатель 64 активируется и светодиод L4 возбуждается от напряжения питания. Тем не менее, оставшаяся часть цепочки светодиодов, в общем, питается от конденсатора 41 (в другом варианте осуществления, описанном ниже, конденсатор 41 переключается таким образом, чтобы питать L1-L3 и в силу этого иметь равномерное распределение мощности и света).
Когда напряжение питания выше напряжений двух сегментов, переключатель 64 выключается и переключатель 63 включается, чтобы возбуждать L3 и L4. При условии, что конденсатор 41 разряжен до аналогичного напряжения, и переключатель 51 активируется, теперь перезаряд конденсатора 41 может начинаться.
В последовательности, теперь все большее и большее число сегментов работают и конденсатор 41 перезаряжается. В течение этого интервала напряжение питания и напряжение конденсатора фактически являются идентичными. В случае, если требуют нормативные требования по гармоникам напряжения питающей сети/THD, в любой момент времени поток мощности из выпрямительного модуля 30a в нагрузку 100a может уменьшаться/прекращаться и дополнительная мощность может потребляться из конденсатора 41 при условии, что предусмотрен "интервал компенсации" для того, чтобы перезаряжать конденсатор 41 снова. Альтернативно, заряд конденсатора 41 может быть уменьшен или прекращен посредством задания в соединительном модуле 50 меньшего тока или отсутствия тока.
Посредством выбора стратегии управления такая лампа может быть приведена в соответствие с различными критериями, такими как наилучшее спрямление светового выхода, наилучшая эффективность при поддержании требуемого коэффициента мощности, специальная форма сигнала входного тока для совместимости с регулятором яркости и т.д.
Для управления могут учитываться несколько аспектов. Во-первых, могут учитываться гармоники тока питания. Как описано ниже, они должны удовлетворять различным требованиям. Во-вторых, схема управления должна быть симметричной с тем, чтобы полностью исключать компоненты в 50 Гц в свете, а также субгармоники или компонент постоянного тока во входном токе. Дополнительно, минимизация потерь может быть критерием. Тесно связанное с этим распределение потерь также имеет значение. В качестве примера, на фиг. 2, конденсатор 41 может принимать зарядный ток через соединительный модуль 50a или через первый и второй модули 60a, 70a переключения. В первом случае потери возникают в транзисторе 51, тогда как во втором случае потери разделяются между транзистором 61 и транзистором 71. В зависимости от реализации, т.е. охлаждения трех транзисторов, один или другой путь заряда может предпочитаться в определенных режимах работы. Что касается светового выхода, в общем, предпочитается плавный световой выход во избежание оптических артефактов, таких как мерцание и стробоскопические эффекты. Что касается охлаждения и срока службы светодиодов в нагрузке, желательна равная нагрузка сегментов. Все эти аспекты должны быть тщательно оценены для конкретного варианта применения, чтобы выводить надлежащий алгоритм управления.
Посредством измерения токов (например, через шунтирующие резисторы), доставляемых из выпрямительного модуля 30a и из конденсатора 41 в светодиод 100a, и знания состояния различных модулей 50a, 60a, 70a управление может балансировать полную мощность и распределение таким образом, чтобы иметь плавный поток и однородное световое излучение из сборки 100a светодиодов.
В вышеописанном варианте осуществления, сборка 100a светодиодов (содержащая четыре сегмента, соединенных последовательно) считается фиксированной и предусмотрен один сигнал/клемма 25, общий для двух источников питания, т.е. конденсатор 51 и выпрямительный модуль 30a имеют общее заземление.
В другом варианте осуществления устройства 1b драйвера, показанного на фиг. 3, при использовании идентичной сборки 100a светодиодов, конденсатор 41 может быть "плавающим", что означает то, что соединительный модуль 50b может соединять или развязывать два входа 42 и 43 накопительного модуля с клеммами 10 источника питания.
Дополнительно, второй модуль 70b переключения имеет две входные клеммы 110, 111 и больше переключающих элементов, сформированных посредством переключателей 112-115 и резисторов 116-119, чтобы соединять обе емкостные выходные клеммы 44, 45 конденсатора 41 отдельно с нагрузкой 100a. Далее, мощность из конденсатора 41 может вводиться (или, при заряде, извлекаться) в любую надлежащую комбинацию клемм 21-25 нагрузки. Таким образом, при последовательном питании двух сегментов светодиодов, можно свободно выбирать осуществления питания сегментов L1+L2, L2+L3 или L3+L4 светодиодов (либо других комбинаций, таких как L1+L2+L3 или L2+L3+L4 в случае трех сегментов). Следовательно, потери/яркость могут быть распределены более равномерно.
Это (по меньшей мере, для ввода мощности) также возможно и для напряжения питания: при использовании первого модуля 60b переключения с двумя входными клеммами 120, 121 и большим числом переключающих элементов, сформированных посредством переключателей 122-125 и резисторов 126-129, также подаваемое питание может доставляться в требуемую подцепочку сегментов светодиодов сборки 100a светодиодов.
Для пользы простоты опущены линии управления между модулем 80 управления и различными модулями устройства 1b драйвера.
Следует отметить, что, в общем, конфигурация нагрузки (например, сборки светодиодов) не является фиксированной и не должна обязательно содержать последовательное соединение множества светодиодов, и нагрузка, например сегменты сборки светодиодов, может быть сконфигурирована свободно (например, последовательно и/или параллельно). Это обеспечивает более гибкие схемы переключения, а также и лучшую однородность светового выхода и меньшие потери.
В вариантах осуществления, показанных на фиг. 2 и 3, переключатели в третьем модуле 70a, 70b переключения предпочтительно являются двунаправленными. Это является в некоторой степени избыточным, поскольку зарядка конденсатора 41 также может быть выполнена через соединительный модуль 50a, 50b. Следовательно, переключатель 71 альтернативно может быть однонаправленным переключателем. В случае, если требуемая форма входного и выходного сигнала исключает определенные комбинации переключателей, некоторые переключатели могут быть комбинированы или заменены посредством развязывающего диода.
Дополнительно, в вариантах осуществления, показанных на фиг. 2 и 3, переключатели/транзисторы описаны в общих чертах с собственным резистором для считывания/ограничения тока. Вместо этого, некоторые переключатели могут совместно использовать общее ограничение по току при условии, что по-прежнему можно управлять током из выпрямительного модуля 30a и током из емкостного накопительного модуля 40a.
Фиг. 4 показывает принципиальную блок-схему третьего варианта осуществления устройства 1c драйвера согласно настоящему изобретению. Аналоговые программируемые значения (к примеру, несколько синусоидальных волн различной частоты) используются для наилучшей производительности по коэффициенту мощности. Они могут быть реализованы в (таблице поиска) микроконтроллере. Для проводной реализации управления реализация с некоторыми аналоговыми осцилляторами с наибольшей вероятностью должна приводить к существенным затратам в контуре управления, так что сигнал может извлекаться из измерения напряжения питания или может аппроксимироваться посредством нескольких дискретных уровней напряжения/тока.
Параметры компонентов, используемых в устройстве драйвера, могут быть приведены в соответствие таким образом, что они удовлетворяют одному или более требуемых критериев, например высокому коэффициенту мощности, высокой эффективности, равномерному механическому напряжению различных сегментов в нагрузке и/или низкому световому мерцанию. Окончательная конструкция и параметры, в общем, основаны на балансе гармоник, эффективности и оптических характеристик.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 4, компоненты размещаются немного по-иному по сравнению с другими вариантами осуществления, показанными на фиг. 2 и 3, чтобы упрощать управление в этом упрощенном случае. Соединительный модуль (50 на фиг. 1) и первый модуль переключения (60 на фиг. 1) представляются здесь посредством общего модуля 90 переключения. Транзистор 91 формирует источник тока для того, чтобы управлять входным током; это является эквивалентным комбинации функциональности ограничения по току вышеупомянутого соединительного модуля 50 и первого модуля 60 переключения. Активное управление зарядом конденсатора 41 здесь не реализуется и управляется только полный ток, потребляемый из входа. Функциональность переключения для подаваемого питания реализуется посредством транзисторов 92, 93, 94 (и диоды 146-149) в левой стороне цепочки 100a светодиодов, содержащей четыре сегмента. На правой стороне, транзистор 131 также формирует источник тока и вместе с транзисторами 132-134 (и диоды 142-145) представляет основные элементы второго модуля 70 переключения между конденсатором 41 и цепочкой 100a светодиодов. Фактически, длина цепочки 100a светодиодов независимо регулируется для силового входа выпрямителя и конденсатора.
В качестве примера, конденсатор 41 заряжался в течение пика напряжения питания. Разряд через драйвер на левой стороне нагрузки блокируется посредством диода 141. После этого напряжение питания снижается и только два самых нижних сегмента нагрузки питаются через транзисторы 91 и 93. Первоначально, энергия полностью заряженного конденсатора 41 может быть использована для того, чтобы питать все сегменты нагрузки 100a через транзистор 131 и диод 142. В то время, когда конденсатор 41 разряжается, транзистор 132 может быть использован для того, чтобы направлять мощность из конденсатора 41 в три самых нижних сегмента и т.д. Очевидно, нижние сегменты нагрузки должны принимать (в среднем) больше мощности, чем верхние сегменты. Это представляет собой ограничение данного упрощенного варианта осуществления на фиг. 4, которое может преодолеваться посредством варианта осуществления, описанного выше со ссылкой на фиг. 3.
Транзистор 91 принимает сигнал, состоящий из гармоник частоты напряжения питания. Транзистор 131 принимает команду на основе сравнения между требуемой мощностью светодиодов и текущей мощностью из выпрямительного модуля 30a в цепочку 100a светодиодов.
Входной ток программируется (через возбуждающий сигнал для транзистора 91) так, что он имеет предварительно заданную форму, по существу включающую в себя основной, третий и пятый компоненты, вплоть до уровня гармонического искажения или коэффициента мощности, разрешенного в конкретном варианте применения. Это ограничение типично должно задаваться посредством стандартов (таких как IEC61000-3-2) для определенных стран, посредством дополнительных требований согласно сертификационным обозначениям (таким как стандарт пониженного электропотребления Energy Star) и т.д. Поскольку эти требования отличаются для различных вариантов применения (стран, типов лампы или модуля, уровня мощности), наилучшая реализация формы сигнала определяется посредством компромисса между релевантными критериями и условиями. Основная волна и третья и пятая гармоники, используемые здесь, представляют простой неограничивающий пример.
Величина тока питания, которая по-прежнему доступна после зарядки конденсатора 41, подается в надлежащий отвод цепочки 100a светодиодов. Эта мощность отслеживается и сравнивается с опорным сигналом. Сигнал ошибки возбуждает второй источник 131 тока, управляющий доставкой мощности из конденсатора 41 в цепочку 100a светодиодов. В зависимости от напряжения конденсатора 41 этот ток подается в надлежащий отвод цепочки 100a светодиодов.
S
S
Некоторые формы сигналов показаны на фиг. 5. Фиг. 5A показывает мощность, доставляемую из конденсатора 41 в цепочку 100a светодиодов. Фиг. 5B показывает мощность, доставляемую из выпрямительного модуля 30c в цепочку 100a светодиодов. Фиг. 5C показывает напряжение V питания и ток I питания.
От t1 до t2 напряжение питания ниже наименьшего напряжения отвода, так что подача напряжения в цепочку 100a светодиодов невозможна, и цепочка 100a светодиодов питается только посредством конденсатора 41. От t2 до t3 напряжение питания является достаточно высоким для того, чтобы обеспечивать работу некоторых сегментов светодиодов. Как выпрямительный модуль 30c, так и конденсатор 41 доставляют мощность в цепочку 100a светодиодов посредством ввода токов в надлежащие отводы, т.е. мощность доставляется в различные порты светодиодного источника света. В t3 уровень напряжения питания равняется уровню напряжения разряженного конденсатора 41, так что начинается перезаряд конденсатора 41. Период времени t3-t4 включает в себя последовательность интервалов, когда конденсатор 41 заряжается от выпрямительного модуля 30c и либо выпрямительный модуль 30c, либо конденсаторы 41 доставляют мощность в цепочку 100a светодиодов. В t4 конденсатор 41 заряжается. От t4 до t6 выпрямительный модуль 30c питает цепочку 100a светодиодов и конденсатор 41 теперь не нагружен. В t5, хотя ток питания здесь является довольно спрямленным, имеется шаг в мощности светодиодов, что представляет собой индикатор того, что ток питания теперь вводится в другой (нижний) отвод, поскольку уровни напряжения из выпрямительного модуля 30c более не предоставляют возможность подачи в самую длинную цепочку светодиодов, т.е. в порт входной мощности с наивысшим напряжением. От t6 до t7 выпрямительный модуль 30c питает некоторые сегменты светодиодов, и, кроме того, конденсатор 41 также питает некоторые сегменты светодиодов.
Следует отметить, что моделированные формы сигналов, показанные на фиг. 5, имеют довольно низкую эффективность и слишком высокое оптическое мерцание. В качестве очень простого примера следует понимать, что драйвер с двумя входами для подвода мощности может питать одну цепочку светодиодов из выпрямительного модуля и из конденсатора. Форма сигнала намеренно выполнена с возможностью иметь высокий третий и пятый компонент, поскольку это должно повышать доступный ток для углов, меньших 60° и больших 120°, при уменьшении тока около пика (60-120°). Эти модуляции тока помогают формировать больше света из более короткой цепочки светодиодов при более низких напряжениях питания без создания слишком большого числа гармоник или слишком низкого коэффициента мощности. Разность между напряжением питания и напряжением конденсатора или отвода светодиодов полностью рассеивается в тепло через источник 91 и/или 131 тока.
Коэффициент мощности может задаваться равным фактически любому значению. При форме сигнала входного тока, используемой выше (т.е. управляющий сигнал для 91), достигается коэффициент мощности в 0,95.
Гибкость при возбуждении цепочки светодиодов от множества источников питания также является полезной для регулирования яркости. Предпочтительно, для регулирования яркости на основе переднего фронта (регулирования яркости на основе симистора), по меньшей мере, некоторые переключатели во втором модуле 70 переключения реализуются двунаправленными с тем, чтобы заряжать конденсатор 41 через нагрузку 100 для того, что иметь ограниченный бросок тока без сильного влияния на эффективность.
Спектр, проиллюстрированный на фиг. 6, показывает только очень небольшое искажение.
При последующем добавлении схемы деления напряжения (чтобы обеспечивать возможность пути тока около перехода через нуль напряжения питания с тем, чтобы предоставлять вспомогательную информацию мощности и синхронизации в регулятор яркости), это должно дополнительно уменьшать гармоники.
По сравнению со стандартным TLD-устройством драйвера согласно настоящему изобретению, величина мощности, предоставленная в нагрузку, может управляться. В частности, мощность для нагрузки потребляется либо из выпрямительного модуля, т.е. в большей или меньшей степени напрямую из входного источника питания (например, из источника мощности питающей сети), и/или из конденсатора. Дополнительно, можно управлять перезарядкой конденсатора от выпрямительного модуля, и перезарядка конденсатора посредством мощности, транспортируемой через нагрузку, является возможной.
Как пояснено выше, важные элементы настоящего изобретения включены с возможностью иметь многоузловую нагрузку, например светодиодный источник света, при этом нагрузка скомпонована таким образом, что предусмотрено несколько (по меньшей мере, два) портов для того, чтобы доставлять мощность в нагрузку, причем эти, по меньшей мере, два порта могут совместно использовать один общий контакт, так что всего предусмотрено, по меньшей мере, три контакта (вход 1, вход 2, общий выход), или могут быть развязаны друг от друга, так что предусмотрено четыре контакта (вход 1, выход 1, вход 2, выход 2). Ссылаясь на реализацию на фиг. 4, нагрузка имеет 5 контактов. Вследствие однонаправленной структуры, используемой в этом примере, предусмотрено 4 входа и 1 выход. При другом устройстве драйвера (например, включающем в себя двунаправленные переключатели), некоторые из этих контактов могут использоваться в качества входа и/или выхода. Предложенное устройство драйвера предпочтительно включает в себя вход подачи питания, накопительное средство (например, конденсатор), средство переноса (включающее в себя средство для того, чтобы ограничивать доставляемую величину тока, напряжения или мощности), чтобы переносить мощность из входа подачи питания и/или конденсатора в первый и/или второй порт мощности нагрузки. Так же, предпочтительно, схема управления балансирует полную мощность, доставляемую в нагрузку, по меньшей мере, через два порта, так что выход нагрузки (например, световой выход) является стабильным независимо от текущего выбранного силового входа.
Хотя два порта мощности вышеупомянутой нагрузки представляют собой необходимый минимум, практическая реализация должна иметь больше входов для того, чтобы доставлять мощность в нагрузку при различных уровнях напряжения. В качестве примера, реализация для использования в Европе может иметь максимальный уровень напряжения светодиодов примерно в 280 В, разделенный на четыре сегмента, так что подвод мощности возможен с помощью напряжения питания, большего 70 В, большего 140 В, большего 210 В и большего 280 В. В отличие от реализации TLD часть цепочки светодиодов, в данный момент не питаемая от первого источника питания (например, электросети), не шунтируется или обходится, а ей разрешено принимать мощность из второго источника питания (например, конденсатора). Чтобы обеспечивать это, предусмотрено несколько входов (т.е. из входа выпрямительного модуля/источника питания и из конденсатора) в средство переноса в драйвере. Это может рассматриваться в качестве основного отличия от TLD, в котором, в конечном счете, выпрямительный модуль и конденсатор совместно используют общие входы в переключаемую цепочку светодиодов, так что невозможно доставлять две мощности при различных уровнях напряжения в светодиодный источник света одновременно.
Конденсатор должен время от времени перезаряжаться от выпрямительного модуля, предпочтительно в течение каждой половины волны напряжения питания. Помимо этого, конденсатор также может быть перезаряжен через нагрузку и средство переноса, что означает то, что он принимает мощность через порт, который обычно используется для того, чтобы доставлять мощность в нагрузку. Следовательно, один порт нагрузки используется в качестве силового входа, тогда как другой используется в качестве силового выхода. При выборе надлежащих уровней напряжения часть входной мощности должна быть обработана (преобразована в свет и тепло) посредством нагрузки, тогда как оставшаяся часть доставляется в конденсатор и перезаряжает его. Это обеспечивает дополнительное управление формой электрического входного сигнала. Обычно, перезарядка конденсатора должна осуществляться, как только напряжение питания выше уровня напряжения, до которого ранее разряжен конденсатор. При (частичной) перезарядке через нагрузку этот перезарядный ток может перемещаться в другой момент времени.
В отличие от выпрямительного модуля, который доставляет энергию в компоновку, конденсатор может только накапливать энергию и выступать в качестве источника питания в течение ограниченного временного интервала. В ходе разряда конденсатора его напряжение снижается. Вследствие нескольких силовых входных портов нагрузки предпочтительно при различных уровнях напряжения, конденсатор по-прежнему может доставлять мощность в нагрузку при условии, что напряжение выше более низкого уровня входного напряжения нагрузки. Параллельно этому, нагрузка также может принимать мощность из выпрямительного модуля при другом уровне напряжения или мощности. Таким образом, предоставляется возможность доставлять мощность из любого из силовых входов (выпрямительного модуля, конденсатора) в нагрузку на основе требования по форме электрического входного и оптического выходного сигнала. Любая мощность, доставляемая в нагрузку, должна влиять на выход нагрузки, при этом только ток, непосредственно переносимый из выпрямительного модуля в нагрузку, и перезарядный ток конденсатора влияет на форму электрического входного сигнала.
Как результат, устройство драйвера согласно настоящему изобретению предлагает лучшую гибкость при придании формы электрического входного сигнала, и, следовательно, обеспечивает более низкие гармоники и THD и более высокий коэффициент мощности с уменьшенным влиянием на световой выход.
Накопительный модуль предпочтительно реализуется посредством конденсатора (или нескольких конденсаторов), как показано в вариантах осуществления, но вместо этого могут быть использованы другие элементы для накопления электрической энергии, к примеру, аккумулятор или средство индуктивного накопления энергии.
Выпрямительный модуль, показанный в вариантах осуществления, не является существенным элементом предложенного устройства драйвера, а предоставляется только в том случае, если напряжение питания не может быть непосредственно использовано для того, чтобы возбуждать нагрузку и заряжать накопительный модуль.
Нагрузка предпочтительно содержит сборку светодиодов, но предложенное устройство драйвера также может использоваться для возбуждения других нагрузок, имеющих более двух клемм, при этом первая часть нагрузки может быть возбуждена посредством первого источника питания, а вторая часть может быть возбуждена посредством второго источника питания (и при этом части и источники питания, возбуждающие соответствующие части, могут подлежать изменениям). Такие другие нагрузки могут включать в себя другие осветительные сборки, электронные компоненты, аудиоэлементы и т.д.
Хотя изобретение подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такое иллюстрирование и описание должны считаться иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации в раскрытых вариантах осуществления могут пониматься и выполняться специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия сущности и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы и указание на единственность не исключает множественности. Один элемент или другой модуль может выполнять функции нескольких элементов, изложенных в формуле изобретения. Простой факт того, что определенные меры упомянуты в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает того, что комбинация этих мер не может быть использована с выгодой.
Все условные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем.