Драйвер для светодиодного светильника
DRIVER FOR LED LUMINAIRE

Настоящее изобретение относится к устройствам электропитания для светодиодных светильников, в частности к драйверам для светодиодных светильников для применения в области освещения.
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.
Другой подход к созданию драйвера для светодиодного светильника заключался в использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с использованием обратной связи для измерения тока матрицы светодиодов и активного управления током матрицы светодиодов.
Известна полезная модель по патенту № 128433 (МПК Н05В 33/02, 20.05.13), где решаются задачи предохранения светильника от скачков напряжения, повышения коэффициента мощности, исключения пульсации выходного тока на частоте до 1 кГц. Драйвер для светодиодного светильника, включающий в себя плату, на которой установлены сетевой выпрямитель, силовой ключ, диод, конденсаторы, блок анализа и стабилизации выходного тока посредством управления силовым ключом цепи стабилизации выходного тока, при этом на плате дополнительно установлены:
- разъем сетевого питания,
- защитный элемент от бросков напряжения,
- фильтр синфазных помех,
-
блок стабилизации выходного напряжения посредством управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ,
- высокочастотный понижающий трансформатор,
- силовой ключ (транзистора) цепи стабилизации выходного тока,
- резисторы измерения тока на светодиодной линейке,
-
блок анализа выходного напряжения и передачи сигнала управления (силовой ключ) блоку стабилизации напряжения,
- блок стабилизации выходного напряжения и силовой ключ соединены параллельно;
- диод и силовой ключ соединены последовательно между собой и параллельно с остальными элементами схемы; диод и один или два параллельно включенных конденсатора составляют выпрямительную цепь; блок анализа выходного напряжения включен параллельно выпрямительной цепи; блок анализа и стабилизации выходного тока, силовой ключ цепи стабилизации выходного тока включены в последовательную цепь.
Недостатками данного решения по сравнению с заявляемым изобретением являются низкая защита от микросекундных импульсных помех, которая выдерживает импульсы до 2 кВ, более низкий КПД (порядка 87%), ограничение по максимальной выдаваемой мощности до 70-80 Вт, а также невозможность работы на межфазном напряжении
Известно изобретение по патенту РФ №2735022 (Н05В 33/02, Н05В 37/02, 06.02.2020) из которого известен драйвер для светодиодного светильника, включающий в себя плату, на которой установлены сетевой выпрямительный диодный мост, силовые ключи, диоды, конденсаторы, фильтр подавления синфазных и дифференциальных помех, токоизмерительные резисторы, светодиодный модуль, узел анализа и управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ, высоковольтный конденсатор, узел электромагнитной совместимости, состоящий из блока защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии более 1500 В, включающий в себя варисторы, термистор и разрядник, расположенный на печатной плате, фильтра подавления синфазных и дифференциальных помех, включающего в себя дроссели и конденсаторы.
Недостатками известного решения по сравнению с заявляемым изобретением являются защита от микросекундных импульсных помех, которая выдерживает импульсы до 2 кВ, более низкий КПД (порядка 90%), ограничение по максимальной выдаваемой мощности до 60 Вт. невозможность работы на межфазном напряжении.
Техническим результатом является создание драйвера с функцией защиты от импульсных помех большой энергии (до 10кВ), повышение коэффициента мощности, возможность работы на межфазном напряжении, возможность точной ручной регулировки выходной мощности светильника, а также защитой от продолжительного воздействия повышенного напряжения.
Технический результат достигается тем, чтодрайвер для светодиодного светильника включает в себя плату, на которой установлены сетевой выпрямительный диодный мост, силовые ключи, диоды, конденсаторы, фильтр подавления синфазных и дифференциальных помех, токоизмерительные резисторы, светодиодный модуль, узел анализа и управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ, блок стабилизации выходного тока, высоковольтный конденсатор, блок электромагнитной совместимости, состоящий из блока защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии более 1500 В, включающий в себя варисторы, термистор и разрядник, расположенный на печатной плате, фильтра подавления синфазных и дифференциальных помех, включающего в себя дроссели и конденсаторы. При этом драйвер содержит блок активного корректора мощности, состоящий из катушки индуктивности, силового ключа, выпрямительного диода, токоизмерительных резисторов выходного конденсатора, узел анализа выходного напряжения и управления транзистором, причём выпрямительный диод и токоизмерительные резисторы включены последовательно с нагрузкой, а силовой ключ и выходной конденсатор параллельно, при этом драйвер дополнительно содержит блок питания микросхем подключенный параллельно выходу сетевого выпрямительного диодного моста, блок  стабилизации выходного тока, подключен к выходу блока активного корректора коэффициента мощности и дополнительно содержит токоизмерительные резисторы, силовой транзистор, выпрямительный диод, выходной конденсатор, катушку индуктивности и узел настройки выходного тока.
Кроме того, блок электромагнитной совместимости, дополнительно содержит узел защиты от продолжительного воздействия повышенного напряжения, выполненный в виде отдельного модуля и с возможностью присоединения к драйверу.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена структурная схема драйвера для светодиодного светильника;
на фиг. 2 представлен общий вид драйвера сверху;
на фиг. 3 представлен общий вид драйвера снизу;
на фиг. 4 представлен общий вид драйвера с модулем защиты от продолжительного воздействия повышенного напряжения.
Схема драйвера для светодиодного светильника включает следующие элементы, размещенные на печатной плате.
Блок 1 электромагнитной совместимости, включающий узел защиты от электромагнитных помех большой энергии 2, содержащий несколько параллельно соединённых термисторов с большой энергией рассеивания 3, включенных в схему последовательно в фазную линию. Параллельно входному напряжению включены два последовательно соединённых варистора 4, средняя точка которых подключена через разрядник 5 на провод заземления, также параллельно входному напряжению подключены последовательно соединённые варистор 6 и разрядник 7. Комбинация подключенных таким образом элементов позволяет достичь технического результата, а именно, защиту драйвера для светодиодного светильника от импульсных помех большой энергии до 10кВ.
Далее по схеме расположен узел 8 фильтра синфазных и дифференциальных помех, который представляет собой конденсатор 9 подключенный параллельно входному напряжению, синфазный дроссель 10, одна из обмоток которого расположена в линии фазы другая в линии нейтрали, ещё один выходной конденсатор 11 подключенный параллельно обмоткам, дифференциальный дроссель 12, выполненный в виде отдельных индуктивностей, расположенных в линиях фазы и нейтрали. Кроме того, параллельно выходному конденсатору 11 узла 8 фильтра подавления синфазной и дифференциальной помехи подключены два последовательно соединённых керамических конденсатора 13, средняя точка которых соединена с проводом заземления. Комбинация подключенных таким образом элементов позволяет достичь технического результата, а именно повышения коэффициента мощности драйвера.
Узел 14 защиты от продолжительного воздействия повышенного напряжения, в частном случае реализации, может быть выполнен в виде модуля к основному устройству, подключен к выходу узла 8 фильтра синфазных и дифференциальных помех и включает узел 15 анализа входного напряжения и силовой ключ 16, выход узла 15 анализа входного напряжения подключен к управляющему выходу силового ключа 16, который в свою очередь подключен последовательным соединением в линию нейтрали выпрямленного напряжения. Данные элементы позволяют достичь технического результата защиты от продолжительного воздействия повышенного напряжения.
К выходу блока 1 электромагнитной совместимости подключен АС/DC выпрямитель 17, а к его выходу подключен, блок питания микросхем 18. Также к выходу АС/DC выпрямителя 17 (сетевой выпрямительный диодный мост) подключен блок 19 активного корректора мощности, содержащий узел 20 анализа выходного напряжения и управления транзистором, токоизмерительные резисторы 21, силовой ключ 22, выпрямительный диод 23, выходной конденсатор 24, катушку индуктивности 25, причём токоизмерительные резисторы 21 расположены в линии отрицательного контакта, их выход подключен к узлу 20 анализа выходного напряжения и управления транзистором. В линии положительного контакта расположена катушка индуктивности 25, к её выходу, параллельно положительной и отрицательной линии, подключен силовой ключ 22, управляющий контакт которого подключен к узлу 20 анализа выходного напряжения и управления транзистором. К выходу катушки индуктивности 25 подключен силовой выпрямительный диод 23 и параллельно выходным контактам блока 19 активного корректора мощности подключен высоковольтный выходной конденсатор 24. Подключенные таким образом элементы, работающие в соответствии с алгоритмом повышающего преобразователя напряжения, позволяют достичь технического результата повышения коэффициента мощности.
Блок 26 стабилизации выходного тока, подключенный к выходу блока 19 активного корректора коэффициента мощности, включает узел 27 анализа тока через светодиодный модуль и управления транзистором, силовой транзистор 28, токоизмерительные резисторы 29, выпрямительный (силовой) диод 30, выходной конденсатор 31, катушку индуктивности 32, узел настройки выходного тока 33. Причём токоизмерительные резисторы 29 включены последовательно со светодиодным модулем 34 в линии отрицательного напряжения, выходной сигнал с резисторов 29 поступает на узел 33 настройки выходного тока, сигнал с которого в свою очередь поступает на узел 27 анализа тока и управления транзистором. Наличие узла 33 настройки выходного тока позволяет достичь технического результата возможность точной ручной регулировки выходной мощности светильника. Силовой транзистор 28 последовательно соединен в положительной линии блока, управляющий электрод подключен к узлу 27 анализа выходного тока и управления транзистором. Выпрямительный (силовой) диод 30 включен положительным электродом к выходному электроду транзистора 28, отрицательным электродом к токоизмерительным резисторам 29. Последовательно светодиодному модулю 34 включена катушка индуктивности 32 в положительной линии напряжения. Параллельно светодиодному модулю 34 включен выходной конденсатор 31.
Схема драйвера для светодиодного светильника включает следующие элементы, размещенные на печатной плате:
АС/DC выпрямителя 17 (сетевой выпрямительный диодный мост), силовые ключи (22; 28), диоды (23; 28), конденсаторы 9, 11, фильтр 8 подавления синфазных и дифференциальных  помех, токоизмерительные резисторы (21; 29), светодиодный модуль 34, узел (20; 27) анализа и управления силовым ключом по алгоритму ЧИМ/ШИМ, высоковольтный конденсатор (24; 31), блок 1 электромагнитной совместимости, состоящий из блока 2 защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии, включающий в себя варисторы 4, 6, термистор 3 и разрядник 5, 7, расположенный на печатной плате, фильтра 8 подавления синфазных  и дифференциальных помех, включающего в себя дроссели 10, 12 и конденсаторы 9, 11, 13.
Кроме того, драйвер содержит блок 19 активного корректора мощности, состоящий из катушки индуктивности 25, силового ключа 22, выпрямительного диода 23, токоизмерительных резисторов 21, выходного конденсатора 24, узел 20 анализа выходного напряжения и управления транзистором, причём выпрямительный диод 23 и токоизмерительные резисторы 21 включены последовательно с нагрузкой, а силовой ключ 22 и выходной конденсатор 24 параллельно, при этом драйвер дополнительно содержит блок 18 питания микросхем подключенный параллельно выходу АС/DC выпрямителя 17 (сетевого выпрямительного диодного моста), блок 26  стабилизации выходного тока, дополнительно содержащий узел 33 настройки выходного тока, расположенный между токоизмерительными резисторами 29  и узлом 27 анализа тока через светодиодный модуль, включающий в себя фильтры, усилительный элемент, подстрочный резистор.
Блок 1 электромагнитной совместимости и защиты дополнительно содержит узел 14 защиты от продолжительного воздействия повышенного напряжения, выполненный в виде отдельного модуля, с возможностью присоединения к основному драйверу.
Драйвер для светодиодного устройства работает следующим образом.
.
Переменное напряжение сети 220В поступает на элементы блока 1 электромагнитной совместимости Данный блок состоит из узла 2 защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии, а также узла 8 фильтра подавления синфазных и дифференциальных помех, включающего в себя синфазные 10 и дифференциальные 12 дроссели и конденсаторы 9, 11, 13.
При наличии в составе напряжения сети 220В  мкс. и.п. в узле 2 защиты от микросекундных импульсных помех большой энергии происходит срабатывание последовательно соединенных термистора 3, разрядника 5, 7 и варистора 4, 6, и посредством этого происходит снижение амплитуды мкс.и.п. Остаточное напряжение мкс.и.п. сглаживается на дросселях 10, 12 и конденсаторах 9, 11 в узле 8 фильтра  синфазных и дифференциальных помех и далее поступает на второй каскад блока защиты от микросекундных импульсных помех, где происходит срабатывание варистора 36 и последующее снижение амплитуды мкс. и.п. до безопасного, для работы драйвера напряжения.
Блок 1 электромагнитной совместимости содержит узел 14 защиты от продолжительного воздействия повышенного напряжения, который может быть выполнен в виде модуля к основному устройству 35. Модуль включает узел 15 анализа входного напряжения, который при превышении заданного порога формирует импульс на вход силового ключа 16, который закрывается и предотвращает работу драйвера при повышенном входном напряжении. В данном режиме драйвер может находиться продолжительное время. После снижения входного напряжения до допустимого порога силовой ключ открывается и драйвер продолжает работу в нормальном режиме.
При прохождении напряжения сети через блок 1 электромагнитной совместимости происходит подавление помех из сети, которые могут повлиять на работу драйвера, а также для подавления помех, создаваемых драйвером в сеть 220В до установленных норм, для предотвращения влияния на сторонние приборы, подключенные к той же сети что и драйвер.
Далее переменное напряжение выпрямляется посредством AC/DC выпрямителя 17, представляющего собой сетевой выпрямительный диодный мост. Далее выпрямленное напряжение подаётся на блок 19 активного корректора мощности, который представляет собой повышающий импульсный преобразователь. Основной задачей активного корректора мощности является слежение за формой входного напряжения драйвера и использование тока из сети 220 в соответствии с этой формой для поддержания коэффициента мощности на уровне более 0.9. Выходное напряжение данного блока выше выпрямленного входного напряжения и является постоянной величиной. Выбор выходного напряжения данного блока выше фазного напряжения сети позволяет использовать драйвер при межфазном включении. Применение такого решения позволяет достичь технического результата возможности работы на межфазном напряжении. Данное напряжение подается на вход блока 26 стабилизации выходного тока.
Блок 18 питания микросхем, подключенный параллельно выходу сетевого выпрямительного диодного моста 17, необходим для обеспечения качественного питания цифровых и аналоговых микросхем драйвера в условиях пониженного входного напряжения, повышенного входного напряжения и задиммированного состояния драйвера, данный блок представляет собой понижающий импульсный преобразователь.
Блок 26 стабилизации выходного тока отвечает за стабилизацию тока через светодиодный модуль 34. Данная функция достигается за счёт измерения падения напряжения на токоизмерительных резисторах 29 и подачи данного напряжения на узел 33 настройки выходного тока. Данный узел содержит усилительный элемент с изменяющимся коэффициентом усиления, построечный резистор, который позволяет масштабировать напряжение на токоизмерительных резисторах 29, фильтр нижних частот входного и выходного сигнала, перед подачей на узел 27 анализа тока через светодиодный модуль и управления транзистором. Таким образом достигается технический результат возможности точной ручной регулировки выходной мощности светильника. Узел 27 анализа тока через светодиодный модель и управления транзистором, на основе сигнала от узла 33 настройки выходного тока, формирует управляющие воздействия для силового транзистора 28. Транзистор открывается и закрывается в импульсном режиме поддерживая среднее значение тока через светодиодный модуль 34 на заданном уровне. Катушка индуктивности 32, включенная последовательно со светодиодным модулем 34 сглаживает импульсы тока до постоянного значения с коэффициентом пульсаций не более 1%. Данный узел поддерживает значение выходного тока драйвера на заданном режиме. Режим работы драйвера может задаваться с помощью ручной регулировки узла 33 настройки выходного тока, либо с помощью ШИМ сигнала 37 с коэффициентом заполнения от 0 до 100% что соответствует 0-100% яркости светильника.