КОМПОНОВКА СХЕМЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ С УЛУЧШЕННОЙ РАБОЧЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ МЕРЦАНИЯ
LAYOUT OF LIGHT-EMITTING DIODE CIRCUIT WITH IMPROVED TWINKLING PERFORMANCE

Область техники
Изобретение относится к компоновке схемы светоизлучающих диодов (СИДов), предназначенной для возбуждения переменным током, с улучшенной рабочей характеристикой мерцания.
Предшествующий уровень техники
Для дешевых обычных осветительных приложений СИДов белого цвета довольно важным является использование цепочек СИДов высокого напряжения для работы на переменном токе. Эти модули СИДов можно конструировать так, чтобы они имели специально предназначенное рабочее напряжение, которое позволяет использовать резистивные балласты для подсоединения их к напряжению питающей сети. Балластный резистор очень дешев по сравнению с обычными схемами возбуждения, которые требуют, например, мощных полупроводников, магнитных компонентов, управляющей электроники и т.д. Благодаря его простоте можно ожидать, что такой резистор будет весьма надежным. Довольно простой оказывается и адаптация к высоким рабочим температурам.
Ток потечет через СИДы лишь тогда, когда напряжение превысит прямое напряжение этих СИДов, а результатом этого будут периоды отсутствия светоотдачи около точки пересечения заданного уровня напряжения. Таким образом, СИДы будут выдавать пульсирующий свет, имеющий частоту, определяемую частотой питающей сети. Частота пульсации будет составлять 100 Гц или 120 Гц, что основано на использовании сети, где частота составляет 50 Гц или 60 Гц (например, в Европе или США).
Эта пульсация является достаточно быстрой, так что она не будет немедленно приводить к эффектам мерцания при рассмотрении источника света или взгляде на него либо при отражении от объекта, освещаемого источником света. Вместе с тем, как только происходит движение (либо источника, либо освещаемого объекта, либо глаза), создается стробоскопический эффект.
В документе WO 2005/120134 описана схема, содержащая две параллельные ветви схемы, каждая из которых содержит пару встречно-параллельно соединенных светоизлучающих диодов. Первая ветвь дополнительно содержит конденсатор, а вторая ветвь дополнительно содержит катушку индуктивности. В результате, токи в обеих ветвях сдвинуты по фазе, а изменения излучаемого света пар встречно-параллельно соединенных светоизлучающих диодов имеют место в разные моменты времени, и по сравнению с индивидуальными показателями мерцания пар встречно-параллельно соединенных светоизлучающих диодов общий показатель мерцания схемы снижается.
Краткое изложение существа изобретения
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы преодолеть эту проблему и разработать усовершенствованную компоновку схемы для светоизлучающих диодов с улучшенной рабочей характеристикой мерцания.
В соответствии с аспектом изобретения, эта задача решается с помощью компоновки схемы для светоизлучающего устройства, содержащей первую ветвь схемы для приема напряжения переменного тока, содержащую первую схему светоизлучающих диодов (СИДов), последовательно соединенную с первым фазосдвигающим элементом, вторую ветвь схемы, соединенную параллельно с первой ветвью схемы, причем вторая ветвь схемы содержит вторую схему СИДов, последовательно соединенную со вторым фазосдвигающим элементом в обратном порядке по сравнению со схемой СИДов и фазосдвигающим элементом в первой ветви схемы, и третью ветвь схемы, содержащую третью схему СИДов, причем третья схема СИДов имеет один конец, соединенный с точкой в первой ветви схемы между первой схемой СИДов и первым фазосдвигающим элементом, и второй конец, соединенный с точкой во второй ветви схемы между второй схемой СИДов и вторым фазосдвигающим элементом.
При такой конструкции схемы ток через первые и вторые СИДы можно сдвигать по фазе по сравнению с током через третью схему СИДов, так что первая и вторая схемы светоизлучающих диодов излучают свет в течение одного периода времени, а третья схема светоизлучающих диодов излучает свет в течение второго периода. Выбирая подходящие фазосдвигающие элементы, можно сделать эти периоды перекрывающимися во времени, что приводит к отсутствию периодов «темноты». Некоторые флуктуации интенсивности по-прежнему могут присутствовать, но световой поток будет непрерывным, т.е. нет момента времени, в который свет не вырабатывается. Следовательно, движущиеся объекты будут показаны как следующие по непрерывной траектории, а не как последовательность вспышек.
Показатель мерцания можно определить как соотношение между световым потоком с интенсивностью выше среднего и суммарным световым потоком. В зависимости от конструкции схемы, во время моделирования обнаружены столь малые показатели мерцания, как 5,2%. Лучшие показатели мерцания были бы возможны при использовании других параметров или компонентов (например, за счет выбора другого масштаба). Это важное усовершенствование по сравнению с 48%-ным мерцанием в обычной конфигурации, где нет фазосдвигающих элементов.
Отметим, что это не единственный вариант релевантного измерения мерцания. Другим фактором, который может быть весьма уместным в этом контексте, является наступление периодов, когда излучаемого потока нет (периодов «темноты»). Как упоминалось выше, данное изобретение выгодно тем, что с его помощью можно полностью избежать периодов «темноты».
Кроме того, можно повысить кпд балласта по сравнению с обычными 75-78%. В зависимости от выбора значения параметра компонента, при осуществлении некоторых вариантов моделирования обнаружены кпд до 85%. При использовании других параметров или компонентов (т.е. других СИДов) можно было бы достичь и лучших кпд.
Еще одним преимуществом данного изобретения является то, что ток через первую и вторую схемы СИДов имеет сниженную третью гармонику по сравнению с напряжением питающей сети. Снижение третьей гармоники суммарного тока, подаваемого источником напряжения переменного тока, выгодно для удовлетворения требований к гармоникам питающей сети.
Схема светоизлучающих диодов содержит один или более неорганических светоизлучающих диодов, органических светоизлучающих диодов (например, полимерных светоизлучающих диодов) и/или лазерных светоизлучающих диодов.
Фазосдвигающие элементы могут быть образованы конденсаторами. Использование конденсатора для фазового сдвига тока выгодно по сравнению с использованием катушки индуктивности из-за того, что конденсатор может быть меньше по габаритам для релевантного диапазона рабочих частот.
Кроме того, в соответствии с этим вариантом осуществления данного изобретения, первая и вторая схемы светоизлучающих диодов возбуждаются, по существу, емкостным током. Вместе с тем, третья схема светоизлучающих диодов, которая соединена параллельно падению напряжения на первой и второй схемах светоизлучающих диодов, возбуждается током, который имеет фазовый сдвиг, аналогичный индуктивному току. Следовательно, ток через первую и вторую схемы светоизлучающих диодов является опережающим во времени, тогда как ток через третью схему светоизлучающих диодов является запаздывающим во времени. Иными словами, эффект, аналогичный упомянутому в документе WO 2005/120134, достигается без каких-либо индуктивных элементов.
В соответствии с одним вариантом осуществления, каждая схема светоизлучающих диодов выполнена с возможностью генерирования света в ответ, по меньшей мере, на часть положительной половины напряжения переменного тока, а также в ответ, по меньшей мере, на часть отрицательной половины напряжения переменного тока. Такая схема светоизлучающих диодов предпочтительна для использования при запитывании напряжением переменного тока.
Пример такой схемы светоизлучающих диодов включает в себя две встречно-параллельно соединенные цепочки из одного или более последовательно соединенных светоизлучающих диодов. Другой пример включает в себя выпрямитель, соединенный последовательно с цепочкой из одного или более последовательно соединенных светоизлучающих диодов.
Отметим, что изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, изложенных в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Теперь этот и другие аспекты данного изобретения будут описаны подробнее со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный в настоящее время вариант осуществления изобретения:
фиг.1 изображает условную принципиальную схему первого варианта осуществления данного изобретения;
фиг.2 - более подробная принципиальная схема схемы СИДов в компоновке схемы, показанной на фиг.1;
фиг.3 - диаграмма, иллюстрирующая сигналы потока и тока в схеме, показанной на фиг.1;
фиг.4а - диаграмма, иллюстрирующая зависимость показателя мерцания от емкости и масштабного коэффициента;
фиг.4b - диаграмма, иллюстрирующая зависимость показателя мерцания от емкости и значения сопротивления;
фиг.5 - диаграмма, иллюстрирующая зависимость светового потока от емкости и масштабного коэффициента;
фиг.6 - условная принципиальная схема второго варианта осуществления данного изобретения;
фиг.7 - диаграмма, иллюстрирующая сигналы потока и сигналы тока в схеме, показанной на фиг.6.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показана схема 1, соответствующая варианту осуществлении данного изобретения.
Первая ветвь 2 схемы содержит первую схему 3 СИДов и первый фазосдвигающий элемент 4, в данном случае - конденсатор. Схема 3 СИДов в данном случае содержит по меньшей мере два СИДа 5, соединенных параллельно с обратной полярностью (встречно-параллельно), и балластный резистор 6, соединенный последовательно с этими СИДами. Вторая ветвь 12 схемы содержит вторую схему 13 СИДов (СИДы 15 и балластный резистор 16) и второй фазосдвигающий элемент 14, например второй конденсатор. Вторая ветвь 12 соединена параллельно с первой ветвью 2 таким образом, что конденсаторы 4, 14 и схемы 3, 13 СИДов располагаются в обратном порядке. Иными словами, следуя по ветвям от одного из узлов их взаимного соединения, отмечаем, что одна ветвь будет иметь конденсатор перед схемой СИДов, а другая ветвь имеет схему СИДов перед конденсатором.
Третья ветвь 22, содержащая третью схему 23 СИДов (СИДы и балластный резистор 26), подсоединена между двумя ветвями 2, 12, а именно между точкой 24, находящейся между первой схемой 3 СИДов и первым конденсатором 4, и точкой 25, находящейся между второй схемой 13 СИДов и вторым конденсатором 14. В проиллюстрированном случае, где схемы 3, 13 СИДов включают в себя балластные резисторы 6, 16, каждый соответствующий резистор 6, 16 должен находиться с той же стороны от точки 24, 25 соединения, что и сами СИДы 5, 15.
Параллельно первой и второй ветвям подсоединен источник 27 напряжения переменного тока, выполненный с возможностью возбуждения схемы.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, каждая схема 3, 13, 23 СИДов представляет собой модуль СИДов, работающих на переменном токе (СИДРПТ (ACLED)), содержащий несколько СИДов, соединенных встречно-параллельно и приспособленных для работы непосредственно от напряжения питающей сети. В качестве примера, показанного на фиг.2, модуль 31 может состоять из четырех последовательно соединенных пар встречно-параллельно соединенных СИДов 32 высокого напряжения. Каждая пара СИДов имеет балластный резистор 33. Модуль имеет два вывода 34 для подсоединения к напряжению переменного тока.
Типичный модуль СИДРПТ, предназначенный для срабатывания от напряжения 110 В, может иметь следующие параметры:
Параметр
Значение
Пороговое напряжение
95 В
Внутреннее сопротивление
450 Ом
Требуемый внешний балластный резистор
575 Ом
Конечно, можно было бы встроить внешний балластный резистор 6, 16, 26 в модуль СИДРПТ путем изменения внутреннего сопротивления. Тогда в качестве внешних компонентов требуются лишь конденсаторы 4, 14.
Чтобы дополнительно повысить плавность изменения результирующего суммарного потока, а значит, и показателя мерцания, мощность первой и второй схем СИДов можно снизить по сравнению с третьей, промежуточной схемой СИДов. Такое снижение величины или масштабирование мотивировано тем, что первая и вторая схемы СИДов будут излучать свет одновременно в течение одного периода, тогда как лишь третья схема СИДов будет излучать свет в течение второго периода времени. В качестве практической реализации это могло бы соответствовать наличию разного количества соединенных последовательно отдельных СИДов, приходящегося на цепочку. Тогда при одном и том же токе возбуждения потребляется меньшая мощность, и поэтому вырабатывается меньше света.
На фиг.3 показаны сигналы тока 35a, 35b (внизу) и потока 36 (вверху), являющиеся результатом моделирования схемы, показанной на фиг.1, с использованием конденсаторов емкостью 1100 нФ, СИДРПТ с вышеупомянутыми техническими характеристиками в качестве третьей схемы 23 СИДов, и масштабного коэффициента 0,6. Диаграмма потока также демонстрирует средний поток 37 и отдельный сигнал 38, указывающий поток выше среднего. Это можно рассматривать как иллюстрацию показателя мерцания, что будет обсуждаться ниже. В этом варианте осуществления ток 35а в первой и второй схемах 3, 13 СИДов является опережающим напряжение 39 питающей сети приблизительно на 30°, а ток 35b в третьей схеме 23 СИДов является запаздывающим приблизительно на 40°.
На фиг.4a показан показатель мерцания для различных рабочих точек. Показатель мерцания определен в соответствии со способом расчета, разработанным Светотехническим Инженерным Обществом Северной Америки (СИОСА), и характеризуется как интегральный поток выше среднего потока, деленный на суммарный интегральный поток.
Для построения диаграммы изменяли значение емкости конденсатора, а также относительное прямое напряжение и сопротивление первой и второй схем СИДов (т.е. масштабирование). Некоторые комбинации имеют низкий показатель мерцания, например 13%. Обычный СИДРПТ имел бы показатель мерцания 0,48, так что этот вариант осуществления данного изобретения обеспечивает почти 4-кратное улучшение.
На фиг.4b продемонстрирован показатель мерцания для различных рабочих точек в пределах другого диапазона параметров. Для построения этой диаграммы изменяли значение емкости конденсатора, а также сопротивление балластных резисторов в первой и второй схемах СИДов, поддерживая фиксированное значение масштаба 0,5 и не вводя дополнительный балластный резистор в третьей схеме СИДов. Некоторые комбинации имеют даже меньший показатель мерцания по сравнению с фиг.4а, например 5,2%.
Выбор емкости и масштабного коэффициента также влияет на суммарную светоотдачу, как показано на фиг.5. Вообще говоря, масштабирование первой и второй схем СИДов оказывает незначительное влияние на суммарный поток, так что этот параметр можно выбирать в соответствии с желаемым показателем мерцания. Тогда подходящее значение емкости можно выбрать исходя из желаемого потока и допустимого объема для конденсатора.
Выбор емкости и масштабного коэффициента также будет влиять на кпд всей схемы, определяемый как отношение между электрической мощностью, подводимой к СИДу, и суммарным потреблением мощности. Для рабочей точки, характеризующейся емкостью 1100 нФ и масштабным коэффициентом 0,6 (что приводит к наименьшему показателю мерцания для выбранного диапазона параметров), кпд составляет 78%, что является типичным значением для обычных схем. Рассеяние мощности довольно точно сбалансировано между схемами СИДов. Первая и вторая схемы СИДов получают входную мощность по 2,9 Вт каждая, а третья схема СИДов получает 3,2 Вт.
Если балластный резистор 26 третьей схемы 23 СИДов исключен, то кпд увеличивается до 85%. В качестве недостатка отметим, что тогда показатель мерцания немного увеличивается до 14,7 и потери больше не сбалансированы (3,1 Вт для каждой из первой и второй схем СИДов, 4,04 Вт для третьей схемы СИДов). Вместе с тем, специалист в данной области техники сможет найти еще лучшую рабочую точку с повышенным кпд, характеризующуюся сбалансированной нагрузкой и улучшенным мерцанием. Некоторые возможные рабочие точки с улучшенной рабочей характеристикой мерцания уже показаны на фиг.4b.
В альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг.6, только один модуль 40 СИДРПТ используется для всех схем СИДов. Один вывод первого фазосдвигающего элемента 41 (в данном случае - конденсатора) подсоединен между первыми двумя парами СИДов 42a, 42b, а другой вывод соединен с одним из выводов 43 СИДРПТ. Точно так же второй фазосдвигающий элемент 41 (в данном случае - опять конденсатор) подсоединен между последними двумя парами СИДов 45a, 45b и ко второму выводу 46. Таким образом, первая ветвь образована первой парой 42a СИДов и первым конденсатором 41, вторая ветвь образована четвертой парой 45b СИДов и вторым конденсатором 44, а третья ветвь образована второй и третьей парами 42b, 45a СИДов. В проиллюстрированном случае в первой и второй ветвях также предусмотрены дополнительные балластные резисторы 47a, 47b.
Поскольку третья ветвь имеет вдвое больше пар СИДов (две), чем первая и вторая ветви СИДов (одну), схема имеет масштабный коэффициент 0,5 в предположении, что во всех парах СИДов используются СИДы одного и того же типа. Выбирая емкость 370 нФ, получаем результирующий показатель мерцания 23% и кпд балласта 77%. На фиг.7 показаны сигналы 51, 52 тока для пар 42a и 42b СИДов, соответственно, суммарный ток 53 питающей сети и сигнал 54 суммарного светового потока для реальной испытуемой схемы.
Следует отметить, что, по сравнению с обычным СИДРПТ, показанным на фиг.2, требуются лишь два дополнительных вывода, подсоединяемые проводами 49a, 49b к их соответствующим точкам соединения.
Резисторы и/или фазосдвигающие элементы, в данном случае конденсаторы, могут быть управляемыми. Такая управляемость может, например, предусматривать изменение физических свойств, таких как размер, расстояние и т.д., для конденсатора/резистора, и/или может предусматривать специально выделенный управляющий вход, и/или может предусматривать несколько конденсаторов/резисторов разного размера и средства выбора, например второй конденсатор, который может быть соединен параллельно или последовательно с первым конденсатором или резистором посредством одного или более управляемых переключателей, и/или может предусматривать приложение управляющего напряжения к конденсатору/резистору посредством подходящей развязывающей цепочки для выгодного регулирования углов фазы емкостных токов, например, с целью оптимизации коэффициента мощности систем лампочек в целом. Управляемость конденсаторов/резисторов можно использовать, например, во время изготовления устройств (например, лазерной подгонки габаритов конденсаторов/резисторов), или во время изготовления светильников, состоящих из одного или более устройств, или во время эксплуатации для достижения желаемой рабочей точки.
В альтернативном варианте или в сочетании с вышеуказанными вариантами, управляемыми могут быть схемы СИДов. Управление может предусматривать, например, регулирование проводки схемы светоизлучающих диодов посредством лазерной подгонки и т.д.
Специалист в данной области техники понимает, что данное изобретение никоим образом не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, рассмотренными выше. Наоборот, в рамках объема притязаний прилагаемой формулы изобретения возможны многие модификации и изменения. Например, схемы СИДов можно модифицировать, причем необязательно на основании схемы согласно фиг.2. Кроме того, в компоновку схемы можно вводить дополнительные компоненты, такие как дополнительные резисторы, конденсаторы и/или индукторы.
Одну или более деталей устройства можно монолитно встроить в одну или более деталей из полупроводникового материала или материала другого типа; в одном модуле или разных модулях могут присутствовать разные количества переходов, а также не исключены многие другие отличающиеся варианты осуществления и воплощения. Одна или более деталей устройства 1 могут быть выполнены как единое целое с одной или более другими деталями устройства 1. Одна или более деталей устройства 1 могут содержать один или более паразитных элементов, и/или их работа может быть основана на присутствии этих одного или более паразитных элементов. Напряжение переменного тока может составлять 110 вольт, 220 вольт, 12 вольт или быть равным любому другому значению напряжения переменного тока. Кроме того, изобретение не ограничивается излучением белого света, и, в соответствии с приложением, может быть выбрано излучение цветного света СИДами.