СХЕМА ЭКОНОМИЧНОГО СВЕТИЛЬНИКА
DIAGRAM OF COST-EFFECTIVE LAMP

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бытовых энергосберегающих осветителях светодиодного типа.
Успехи нанотехнологии изготовления светодиодных источников света с малым потреблением электрической энергии и большой светоотдачей, превосходящей светоотдачу ламп накаливания приблизительно в 25 раз, а также все возрастающая потребность энергообеспечения промышленности, в первую очередь, электроэнергией при ее ощутимом дефиците определили тенденцию перехода от широкого использования ламп накаливания для целей освещения к светодиодным осветителям. Несмотря на их дороговизну, большим достоинством таких осветителей является огромный срок безотказной работы светодиодных матриц, доходящий до 100 тысяч часов непрерывной работы. В светодиодной лампе-осветителе со стандартным ввинчивающимся в патрон цоколем должна располагаться электрическая схема питания светодиодной матрицы, включающая, как минимум, понижающий трансформатор, мостовой диодный выпрямитель и электролитический конденсатор для снижения эффекта мелькания на удвоенной частоте питающей сети переменного тока. Наличие трансформатора в такой лампе нежелательно, что является недостатком известных светодиодных ламп-осветителей.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения являются упрощение конструкции и снижение активной составляющей энергопотребления.
Указанные цели достигаются в заявляемой схеме экономичного светильника, содержащей светодиодную матрицу из группы светодиодов, отличающейся тем, что включает две одинаковых цепи, включенных к сети переменного тока, каждая из которых включает несколько последовательно соединенных светодиодов, параллельно подключенных к электролитическому конденсатору и стабилитрону защиты от перенапряжения, заряжаемый от сети переменного тока через диод накопительный конденсатор, подключенный к электролитическому конденсатору через тиристор, в управляющей ветви которого использован запускающий стабилитрон, включенный последовательно к зарядной цепи из диода и накопительного конденсатора противоположной цепи, при этом квадрат напряжения на электролитическом конденсаторе каждой цепи, питающего соответствующую группу светодиодов, так относится к квадрату амплитудного напряжения, до которого заряжается накопительный конденсатор в течение четверти периода переменного напряжения сети, как относятся емкости накопительного и электролитического конденсаторов, а полюсы каждой из указанных цепей соединены соответственно к фазному и нулевому проводникам сети переменного тока.
Достижение целей изобретения объясняется исключением из схемы понижающего трансформатора, использованием в схеме только реактивных элементов (накопительных и электролитических конденсаторов) и полупроводниковых приборов-диодов, стабилитронов и тиристоров, работа которых практически не связана с потерями электроэнергии. Снижение активной составляющей энергопотребления от сети переменного тока, которую учитывает электросчетчик активной энергии, связана с тем, что заявляемая схема имеет явно выраженный комплексный характер нагрузки для питающей сети переменного тока, подавляющую долю в котором имеет реактивная составляющая потребляемой энергии, которая в схеме конвертируется в активную составляющую для энергоснабжения двух групп светодиодов.
Заявляемое изобретение представлено на рисунке и включает следующие элементы:
1 - источник сети переменного тока (электрическая подстанция),
2 - внутреннее сопротивление источника сети (подводящих проводников линии),
3 - первый накопительный конденсатор,
4 - первый диод, через который заряжается первый накопительный конденсатор 3,
5 - второй накопительный конденсатор,
6 - второй диод, через который заряжается второй накопительный конденсатор 5,
7 - тиристор второй цепи схемы,
8 - второй электролитический конденсатор,
9 - тиристор первой цепи схемы,
10 - первый электролитический конденсатор,
11 - стабилитрон запуска тиристора 7 второй цепи схемы,
12 - стабилитрон запуска тиристора 9 первой цепи схемы,
13 - стабилитрон защиты второй цепи схемы,
14 - стабилитрон защиты первой цепи схемы,
15 - вторая группа светодиодов, включенных последовательно между собой,
16 - первая группа светодиодов, включенных последовательно между собой.
Полюс первой цепи схемы соединен с анодом стабилитрона запуска тиристора 7, а полюс второй цепи схемы - с анодом стабилитрона запуска тиристора 9. Эти полюсы соединены соответственно к фазному и нулевому проводникам питающей сети переменного тока (в любой комбинации).
Рассмотрим работу заявляемой схемы.
0
0
0
Пусть в момент времени t=0 между полюсами схемы действует переменное напряжение сети u(t)=U sin(2πft), где U - амплитудное значение напряжения сети, f - частота сети переменного тока, и положительная полуволна приложена к первой цепи схемы, в связи с чем первый накопительный конденсатор 3 заряжается до напряжения U в течение четверти периода колебаний сети через последовательно включенные к нему стабилитрон запуска тиристора 7 второй цепи схемы, первый диод 4 и стабилитрон запуска тиристора 8 первой цепи схемы, и первый накопительный конденсатор сохраняет свой электрический заряд, энергия которого равна .
0
В течение третьей четверти периода колебаний второй накопительный конденсатор 5 заряжается также до напряжения U через последовательно включенные к сети стабилитрон запуска тиристора 9, второй диод 6 и стабилитрон запуска тиристора 7, и также сохраняет заряд, энергия которого равна .
ЭЛ
Н
ЭЛ
Н
H
Протекание тока заряда первого накопительного конденсатора 3 вызывает падение напряжения на стабилитроне запуска 11 тиристора 7 второй цепи схемы, что приводит к открыванию этого тиристора второй цепи схемы и разряду второго накопительного конденсатора 5 на второй электролитический конденсатор 8, емкость которого С во много раз превышает емкость накопительного конденсатора С. Так как С>>>С, в первом приближении, можно полагать, что заряд второго накопительного конденсатора 5 практически полностью перетекает во второй электролитический конденсатор 8, и при этом напряжение в нем U согласно выражению  достигает уровня . Происходит процесс так называемой трансформации напряжения постоянного тока без использования трансформатора переменного тока.
H
При протекании тока заряда второго накопительного конденсатора 5 открывается тиристор 9 первой цепи схемы, в результате чего заряд первого накопительного конденсатора 3 перетекает на первый электролитический конденсатор 10 согласно выражению , и на этом конденсаторе также возникает напряжение U, указанное выше.
H
Напряжение U на электролитических конденсаторах 8 и 10 используется для питания первой 16 и второй 15 групп светодиодов светодиодной матрицы схемы.
H
Пробивное напряжение стабилитронов защиты 13 и 14 выбрано несколько большим напряжения U, поэтому в нормальном состоянии эти стабилитроны закрыты и не потребляют тока. Их назначение состоит в защите электролитических конденсатором 8 и 10 соответственно от перенапряжения (и разрушения этих конденсаторов), если какой-либо из стабилитронов групп 15 и 16 выйдет из строя (что весьма маловероятно), и в цепи питания светодиодов возникнет обрыв. Отсутствие стекания заряда с электролитического конденсатора на электропитание светодиодов приводит к недопустимому увеличению напряжения на нем, и только в этом случае ток разряда электролитического конденсатора протекает через соответствующий стабилитрон защиты, который должен быть рассчитан на ток, адекватный току питания группы светодиодов.
Стабилитроны запуска 11 и 12 тиристоров 7 и 9 открываются при падении напряжения на них, несколько большем напряжения отпирания тиристоров по их управляющим переходам. Поэтому при каждом заряде накопительных конденсаторов 3 и 5 в соответствующих полупериодах переменного напряжения сети происходит поочередное отпирание тиристоров 7 и 9 соответственно. Иначе говоря, когда происходит заряд первого накопительного конденсатора 3, открывается тиристор 7 второй цепи схемы, и наоборот, когда происходит заряд второго накопительного конденсатора 5, открывается тиристор 9 первой цепи схемы.
0
H
1
2
Если пренебречь потерями в полупроводниковых коммутирующих элементах схемы, можно утверждать, что мощность электрического тока, протекающего в обеих группах светодиодов 15 и 16, равна , то есть электрическая мощность Р, потребляемая светодиодным светильником, определяется при прочих неизменных параметрах f и U исключительно емкостью накопительных конденсаторов 3 и 5. При заданном значении напряжения питания групп светодиодов U и потребляемом ими токе I=I=I мощность .
H
Н
ЭЛ
0
ЭЛ
Н
ЭЛ
2
Рассмотрим пример реализации светильника. Пусть светодиодная матрица состоит из двух групп по два последовательно включенных светодиода мощностью каждого 1 Вт, то есть вся светодиодная матрица потребляет мощность 4 Вт, что эквивалентно мощности лампы накаливания около 100 Вт. При f=50 Гц и U=6,4 В (по 3,2 В для каждого светодиода в группе) получим С/С≈(310/6,4)=2346 (здесь U=1,41*220 В=310 В). Чтобы получить мощность P=4 Вт, необходимо использовать накопительные конденсаторы 3 и 5 емкостью . Тогда емкость электролитических конденсаторов 8 и 10 должна быть равна С≈2346*0,83 мкФ=1947 мкФ. С некоторым запасом можно выбрать С=1 мкФ и С=2200 мкФ. Стабилитроны защиты 13 и 14 могут быть выбраны на напряжение 6,8 В, а стабилитроны запуска тиристоров 11 и 12 могут иметь напряжение пробоя, равное 4,3 В или ниже. Диоды зарядных цепей 4 и 6 и тиристоры 7 и 9 должны быть рассчитаны на обратное напряжение выше 310 В.
H
-6
Учитывая, что сопротивление R линии электропередачи 2 мало и составляет около 2…4 Ом, постоянная времени заряда τ=RC=(2…4)*10 c=2…4 мкс, то есть существенно меньше длительности четверти периода, равной 10 мс. Это означает, что полное напряжение заряда накопительных конденсаторов 3 и 5 действительно равно 310 В.
Н
МАКС
H
ЭЛ
1
2
2
2
Интересно отметить, что мощность светильника может быть существенно увеличена за счет увеличения емкости накопительных конденсаторов 3 и 5. Ограничение наступает лишь когда постоянная времени заряда τ становится соизмеримой (точнее, в несколько раз меньшей) с длительностью четверти периода колебаний питающей сети переменного тока, то есть с величиной 10 мс. Например, когда τ≤1 мс. При сопротивлении в линии электропередачи R=3 Ом это означает, что емкость накопительных конденсаторов может быть выбрана равной С≤0,001/3=0,00033 Ф=330 мкФ, что отвечает предельно возможной мощности в нагрузке Р=50*0,00033*310=1586 Вт. Если при этом задать напряжение U=13,8 В (максимальное напряжение кислотного аккумулятора), то емкости электролитических конденсаторов 8 и 10 должны быть С=(310 /13,8)*330 мкФ=504,54*330 мкФ=166500 мкФ. При этом в каждой из двух цепей ток нагрузки может составлять I=I=1586 Вт/2*13,8 В=57,5 А.
Теперь важно отметить, что заявляемая схема для питающей сети переменного тока представляет не активную, а комплексную нагрузку, в которой доля реактивной составляющей потребляемой от источника 1 мощности доминирует над активной составляющей. В практическом смысле это означает, что электросчетчики активной энергии, которые используются в бытовых условиях (квартирах, частных домах граждан) будут учитывать только активную составляющую потребляемой энергии и не учитывать реактивную составляющую. Расчеты показывают, что соотношение мощностей реактивной составляющей к активной имеет порядок 4:1. Следовательно, бытовые электросчетчики будут показывать только 20% от реально потребленной энергии при работе заявляемой схемы, и правильный учет электроэнергии потребует установки либо счетчика полной (комплексной) энергии, либо двух последовательно включенных электросчетчиков активной и реактивной составляющих потребляемой энергии. Иначе говоря, при использовании данной схемы в бытовых условиях с электросчетчиками активной энергии существенно возрастают технические потери, а не коммерческие. Если при работе таких схем одновременно используются приборы, имеющие реактивные составляющие потребляемой энергии индуктивного характера (с малым значением cosφ), то емкостной характер нагрузки данной схемы в какой-то мере компенсирует индуктивную нагрузку (работающий электромотор), и показания электросчетчика активной энергии соответственно возрастут, снижая технические потери на линии электропередачи.
Для сравнения отметим, что подключение конденсатора к электросети переменного тока никакого отсчета потребляемой энергии в электросчетчике активной энергии не создает вообще. В рассматриваемой схеме это не совсем так. Как известно, при чисто емкостной нагрузке ток опережает напряжение на 90°, и электросчетчик активной энергии не работает. В данной схеме максимум напряжения соответствует нулевому току заряда накопительных конденсаторов, хотя при активных нагрузках при максимуме напряжения ток в нагрузке также максимален. Из этого видно, что данная схема представляет собой эквивалентную комплексную нагрузку для источника переменного тока 1 с большой реактивной составляющей емкостного типа.
Все полупроводниковые элементы схемы могут быть объединены в соответствующую интегральную микросхему, к которой присоединяются навесные элементы - накопительные конденсаторы 3 и 5 и электролитические конденсаторы 8 и 10. Такие интегральные микросхемы могут конструктивно отличаться по мощности нагрузки, составляя некоторый ассортиментный ряд микросхем в зависимости от их практического применения в светильниках различной мощности, но и не только применительно к светильникам.
Данную схему следует рекомендовать к применению в разработках осветительных устройств на светодиодах и других бытовых приборах.