Драйвер для светодиодного светильника
DRIVER FOR LED LAMP

Настоящее изобретение относится к устройствам электропитания для светодиодных светильников, а именно к трехфазным драйверам, в частности, к узлу для защиты трехфазного светодиодного драйвера от перегрузок по току и напряжению в переходных режимах.
Драйверы для светодиодных светильников должны обеспечивать ограничение тока и в некоторой степени выполнять управление током. Управление током светодиода включает две задачи: ограничение тока с целью не допустить теплового выхода из строя в связи с повышенной температуры светодиода и регулирование тока для поддержания тока светодиода в определенном диапазоне, чтобы учитывать колебания параметров светодиода и колебания входного напряжения драйвера светодиодного светильника.
Под используемым в данном документе для раскрытия сущности настоящего изобретения термином «светодиод» следует понимать любой электролюминесцентный диод или другой вид системы на основе инжекции/объединения носителей заряда, которая способна генерировать излучение под действием электрического сигнала. Таким образом, термин «светодиод» включает в себя различные полупроводниковые структуры, которые излучают свет в ответ на ток, светоизлучающие полимеры, органические светодиоды (OLED), электролюминесцентные полосы и тому подобное.
Следует иметь в виду, что светодиоды могут быть сконфигурированы (и/или управляемы) с возможностью генерировать излучение с различной шириной полосы частот (например, с полной шириной на половине максимума или длительностью на уровне половины амплитуды) для данного диапазона спектра (например, в узкой полосе частот, в широкой полосе частот) и с разнообразием доминирующих длин волн, определяющих основной цветовой тон.
Известен светодиодный источник света по патенту на полезную модель № RU113105 (МПК Н05В 37/02, 27.01.2012), который направлен на устранение скачков напряжения, повышение надежности работы и срока службы светодиодного осветителя, снижение потребляемой мощности от стационарной сети переменного тока. Светодиодный источник света содержит понижающий преобразователь напряжения, который через выпрямительный диодный мост соединен, по меньшей мере, с одним светодиодом, а между выпрямительным диодным мостом и светодиодом параллельно с ним включен емкостной фильтр, понижающий преобразователь напряжения выполнен из цепочки последовательно соединенных конденсаторов, где выпрямительный диодный мост подключен в разрыв цепочки последовательно соединенных конденсаторов преобразователя напряжения.
Недостатком данного решения является: низкий коэффициент мощности (менее 0,9), низкий КПД, высокая зависимость тока питания светодиодов от изменения напряжения питания сети 220В, слабая защита от микросекундных импульсных помех большой энергии, высокая пульсация светового потока, отсутствие защиты от перегрева.
Известно изобретение по патенту РФ № 2742050 (МПК H05B 45/325, 07.06.2020) из которого известен драйвер для светодиодного светильника с питанием от трехфазной сети переменного тока, включающий в себя плату, на которой установлены выпрямитель, синфазный фильтр электромагнитной совместимости, блок стабилизации выходного тока, датчик тока. Известный драйвер содержит узел защиты от импульсных помех, дифференциальный фильтр электромагнитной совместимости, вспомогательный низковольтный источник питания и светодиодный модуль. При этом выпрямитель выполнен трехфазным двухполупериодным, блок стабилизации выходного тока состоит из силового ключа, силового ультрабыстрого диода, силового дросселя, датчика тока и ШИМ-контроллера, который имеет выход для управления силовым транзистором и вход, на который подается напряжение с датчика тока, а датчик тока включен последовательно с дросселем. Узел защиты от импульсных помех, синфазный фильтр электромагнитной совместимости, трехфазный двухполупериодный выпрямитель, дифференциальный фильтр электромагнитной совместимости и блок стабилизации выходного тока соединены последовательно, а вспомогательный низковольтный источник питания подключен параллельно блоку стабилизации входного тока.
Недостатком данного решения является низкая надежность работы устройства драйвера при возникновении внешних и/или внутренних перенапряжений.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание драйвера с защитой от микросекундных импульсных помех высокого напряжения и большой энергии с целью предотвращения выхода его из строя.
Техническим результатом заявленного изобретения является создание драйвера с функцией предохранения светодиодного светильника от скачков напряжения, повышения коэффициента мощности, повышение КПД драйвера, исключения пульсации выходного тока, защиту от обрыва в цепи нагрузки, защиту от переполюсовки, а также повышение надежности работы устройства в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что драйвер для светодиодного светильника с питанием от трехфазной сети переменного тока включает в себя плату, на которой установлены сетевой выпрямительный диодный мост, блок стабилизации выходного тока, узел электромагнитной совместимости, состоящий из блока защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии более 1500 В и включающий в себя варисторы, термистор, и разрядник, расположенный на печатной плате, блок стабилизации выходного тока включает в себя узел защиты от высокого напряжения. При этом узел защиты от высокого напряжения установлен на входе драйвера, при этом в каждую фазу последовательно включены катушка индуктивности, варистор и газовый разрядник, при этом каждая пара, образованная варистором и газовым разрядником, подключенных последовательно между каждой фазой, а также каждая пара, образованная варистором и газовым разрядником, подключенных между каждой фазой и заземляющим проводником, образуют защитные цепочки.
Кроме того, дополнительно в схему узла защиты от высокого напряжения включены двунаправленные диоды, расположенные последовательно между фазами.
Кроме того, дополнительно в схему узла защиты от высокого напряжения включены терморезисторы, с позитивным температурным коэффициентом.
Кроме того, дополнительно в схему узла защиты от высокого напряжения включены терморезисторы, с негативным температурным коэффициентом.
Кроме того, в схему узла защиты от высокого напряжения последовательно с каждой фазой, включены двунаправленные диоды.
Введение в схему устройства драйвера для светодиодного светильника узла защиты, выполненного и подключенного заявляемым образом, позволяет повысить надежность работы устройства.
Введение в схему устройства драйвера для светодиодного светильника первых защитных цепочек служит для ограничения пусковых токов источника питания, возникающих в первые секунды работы и обусловленных зарядом конденсаторов из состава источника питания.
Введение в схему устройства драйвера для светодиодного светильника вторых защитных цепочек для гашения импульсных помех большой энергии, возникающих в цепи электропитания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема узла защиты трехфазного драйвера для светодиодного светильника.
Трехфазный драйвер для светодиодного светильника включает в себя плату, на которой установлены сетевой выпрямительный диодный мост, блок стабилизации выходного тока, узел электромагнитной совместимости, состоящий из блока защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии более 1500 В, и включающий в себя варисторы, термистор, и разрядник, расположенный на печатной плате. При этом блок стабилизации выходного тока включает в себя узел защиты от высокого напряжения.
Драйвер для светодиодного светильника, схема электрическая принципиальная которого приведена на фиг.1, содержит катушки индуктивности 1 (FB1, FB2, FB3), варисторы 2 (RU1, RU2, RU3, RU4, RU5, RU6), газовые разрядники 3 (HL1, HL2, HL3, HL4), двунаправленные TVS диоды 4 (VD1, VD2, VD3), терморезисторы с позитивным температурным коэффициентом (PTC) 5 (RI1, RI2, RI3), терморезисторы с негативным температурным коэффициентом (NTC) 6 (RT1, RT2, RT3).
Узел защиты от высокого напряжения установлен на входе драйвера, при этом в каждую фазу последовательно включены катушка индуктивности, варистор и газовый разрядник.
Варисторы RU1, RU2, RU3 и газовые разрядники HL1, HL2, HL3, подключенные последовательно между фазами, образуют защитные цепочки RU1HL1, RU2HL2, RU3HL3.
Варисторы RU4, RU5, RU6 и газовый разрядник HL4, подключенные последовательно между каждой фазой и заземляющим проводником, образуют защитные цепочки RU4HL4, RU5HL4, RU6HL4.
Катушки индуктивности FB1, FB2, FB3 используются для уменьшения скорости нарастания высоковольтного импульса помехи за счет своего индуктивного сопротивления, давая больше времени для срабатывания защитных цепочек.
Дополнительно в схему узла защиты от высокого напряжения могут быть включены терморезисторы с позитивным и с негативным (отрицательным) температурным коэффициентом.
Терморезисторы RI1, RI2 с положительным температурным коэффициентом служат для защиты от короткого замыкания в цепях драйвера.
Терморезисторы RT1, RT2, RT3 с негативным (отрицательным) температурным коэффициентом служат для предотвращения резонансного заряда конденсатора на выходе трехфазного выпрямителя через эквивалентную дифференциальную индуктивность фильтра электромагнитной совместимости (ЭМС), который может произойти в момент подключения драйвера к питающей сети.
Также в схему узла защиты от высокого напряжения включены двунаправленные диоды TVS, расположенные последовательно между фазами.
Драйвер для светодиодного светильника работает следующим образом.
Драйвер для светодиодного светильника с питанием от трехфазной сети переменного тока подключают к источнику электрической энергии. При резком увеличении напряжения в схеме может произойти выход из строя любого из элементов схемы. Узел защиты, выполненный и подключенный заявляемым образом, обеспечивает защиту драйвера от микросекундных импульсных помех высокого напряжения и большой энергии, с целью предотвратить выход драйвера из строя, и излучающих элементов от возможных всплесков напряжения.
Все защитные цепочки работают по одному и тому же принципу, поэтому рассмотрим работу одной из них, например, RU1HL1. При возникновении на входе схемы микросекундной импульсной помехи высокого напряжения между фазами L1 и L2 напряжение на цепочке RU1HL1 начинает возрастать. Скорость нарастания этого напряжения ограничивается катушками индуктивности FB1 и FB2. Когда напряжение на цепочке достигает напряжения срабатывания разрядника HL1 (это напряжение должно быть выше амплитудного значения линейного напряжения во избежание ложного срабатывания цепочки), разрядник пробивается и напряжение на нем падает до нескольких десятков вольт. Избыточное напряжение после зажигания разрядника падает на варисторе RU1, который одновременно ограничивает также ток через разрядник. Напряжение срабатывания разрядника должно быть ниже того значения, которое будет опасным для последующих узлов драйвера.
Напряжение срабатывания варистора должно быть подобрано таким образом, чтобы суммарное напряжение на защитной цепочке после ее срабатывания было выше амплитудного значения линейного напряжения и суммарно с напряжением на разряднике после возникновения разряда, и ниже того значения, которое будет опасным для последующих узлов драйвера.
После окончания действия помехи с уменьшением напряжения, разряд в разряднике гаснет, и цепочка возвращается в свое исходное состояние.
Для погашения остаточной помехи в узле защиты применяется второй каскад подавления помех на TVS диодах VD1…VD3. Они работают как быстрые мощные двунаправленные стабилитроны и ограничивают напряжение остаточной помехи. Напряжение срабатывания TVS диодов должно быть больше амплитудного значения линейного напряжения сети.
В зависимости от конкретных условий применения схема защиты может быть упрощена.
Кроме того, из межфазных защитных цепочек могут быть удалены разрядники, в таком случае соответствующие варисторы подключаются между фазных проводов, сами эти цепочки могут отсутствовать, и их роль берут на себя последовательные соединения двух из трех варисторов RU4, RU5, RU6.
Также можно убрать разрядник HL4, подключив нижние (по схеме) выводы варисторов RU4, RU5, RU6 непосредственно к проводнику заземления и катушки индуктивности FB1, FB2, FB3.
Двунаправленные TVS диоды могут быть заменены цепочкой из двух встречно-последовательно включенных однонаправленных TVS диодов.
Если необходимости в дополнительном подавлении помехи нет, то VD1, VD2, VD3 могут отсутствовать.
В тяжелых условиях эксплуатации после фильтра ЭМС (между фильтром и выпрямителем) можно включить подобные описанным выше защитные цепочки, либо только варисторы, либо цепочки защиты из TVS диодов.
Терморезисторы RI1, RI2 с положительным температурным коэффициентом служат для защиты от короткого замыкания в цепях драйвера. При таком коротком замыкании ток короткого замыкания разогревает терморезисторы, что вызывает повышение их сопротивления и ограничение тока, но это ограничение тока не должно быть слишком сильным. Последнее необходимо чтобы защитный автомат в питающей сети мог сработать и разорвать цепь. Если функция защиты от коротких замыканий полностью возлагается на внешнее по отношению к драйверу оборудование, терморезисторы RI1, RI2, RI3 также могут отсутствовать.
Терморезисторы RT1, RT2, RT3 с отрицательным температурным коэффициентом служат для предотвращения резонансного заряда конденсатора на выходе трехфазного выпрямителя через эквивалентную дифференциальную индуктивность фильтра ЭМС, который может произойти в момент подключения драйвера к питающей сети. Имея большое сопротивление в момент включения драйвера, терморезисторы снижают добротность контура до значений, меньших единицы, и резонансный заряд не происходит. Также при этом уменьшается пусковой ток. В дальнейшем терморезисторы нагреваются протекающим через них током, их сопротивление уменьшается, и влияния на работу драйвера они не оказывают. Если же NTC терморезисторы установлены в цепи постоянного тока (после выпрямителя) или резонансный заряд не происходит и необходимости в ограничении пускового тока нет, то терморезисторы RT1, RT2, RT3 могут отсутствовать.
Изобретение может быть осуществлено в условиях производства на стандартном оборудовании с использованием известных комплектующих элементов и материалов.