Источник оптического излучения

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных интегрированных источников оптического излучения с повышенным сроком службы, универсальных, предназначенных как для внутренней, так и для наружной установки, имеющих высокие коэффициенты полезного действия и мощности и низкие уровни электромагнитных помех и пульсаций светового потока. Полезная модель направлена на расширение области применения устройства.
Известен источник оптического излучения, содержащий однофазный мост на четырех диодах, входные выводы которого подключены к входным выводам источника через защитный элемент, а выходные выводы зашунтированы конденсатором, аналоговый контроллер постоянного тока, имеющий выводы REXT и GND, и вывод OUT, вывод OUT которого соединен с положительным выходным выводом моста через последовательную цепь из нескольких светодиодных матриц, вывод GND контроллера подключен к отрицательному выходному выводу моста, а вывод REXT соединен с выводом GND через резистор (SM2082B Single Channel LED Constant Current Driver (datasheet)// www.dianyua-nic.com).
Недостатком известного источника оптического излучения является узкая область применения. Источник имеет низкий коэффициент полезного действия, который может достигать величины не более 50-70%. В источнике используется линейный (параметрический) контроллер, в котором значительны потери на активных элементах, что обусловлено принципом его действия. Снижение пульсаций светового потока за счет увеличения емкости конденсатора приводят к снижению коэффициента мощности, возрастанию коэффициента гармоник и броска пускового тока, а также к росту эффективного входного тока. Все это увеличивает потери в устройстве и ведет к дальнейшему снижению коэффициента полезного действия. Высокий коэффициент гармоник потребляемого от питающей сети тока (около 150%) в известном источнике оптического излучения ухудшает электромагнитную совместимость устройства с сетью и приводит также и к росту электрических потерь в питающей сети.
Известен источник оптического излучения, содержащий однофазный мост на четырех диодах, входные выводы которого подключены к входным выводам источника через защитный элемент, а выходные выводы зашунтированы конденсатором, аналоговый контроллер постоянного тока, имеющий выводы CS, GND и вывод DRAIN, вывод DRAIN которого соединен с положительным выходным выводом моста через последовательную цепь из дросселя и нескольких светодиодных матриц, а вывод GND контроллера подключен к отрицательному выходному выводу моста непосредственно, вывод CS контроллера соединен с выводом GND через резистор, последовательная цепь зашунтирована встречно пятым диодом, а схема из нескольких светодиодных матриц зашунтирована вторым конденсатором (ВР2831А Non-isolated Buck Offline LED Driver // www.bpsemi.com)
Недостатком известного источника оптического излучения является узкая область применения. Источник также имеет сравнительно низкий коэффициент полезного действия, который может достигать величины не более 70-75%. В источнике используется импульсный контроллер, в котором относительно уменьшены потери на активных элементах, что обусловлено принципом его действия. Однако фильтрация выпрямленного напряжения и снижение пульсаций светового потока за счет увеличения емкости конденсатора приводят к снижению коэффициента мощности, возрастанию коэффициента гармоник и броска пускового тока, а также к росту эффективного входного тока. Все это увеличивает потери в устройстве и ведет к снижению коэффициента полезного действия. Известный источник имеет ухудшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью (высокие уровни электромагнитных помех и излучений, высокий коэффициент гармоник потребляемого от сети тока), что существенно ограничивает область его применения.
Известен источник оптического излучения, содержащий однофазный мост на четырех диодах, входные выводы которого подключены к входным выводам источника через защитный элемент, а выходные выводы зашунтированы конденсатором, аналоговый контроллер постоянного тока, имеющий выводы CS, GND и вывод DRAIN, вывод DRAIN которого соединен с положительным выходным выводом моста непосредственно, а вывод GND контроллера подключен к отрицательному выходному выводу моста через последовательную цепь из дросселя и нескольких светодиодных матриц, вывод CS контроллера соединен с выводом GND через резистор, последовательная цепь зашунтирована встречно пятым диодом, а схема из нескольких светодиодных матриц зашунтирована вторым конденсатором и вторым резистором (SM7315P LED Driver// www.dianyua-nic.com\SM7315P Datasheet PDF-GOSTON.htm).
Известный источник оптического излучения имеет аналогичные недостатки (относительно низкий коэффициент полезного действия, плохая электромагнитная совместимость с питающей сетью, броски пускового и рабочего тока, ограниченное число возможных типопредставителей известной конструкции) сужающие область его применения. Используемый в устройстве аналоговый контроллер постоянного тока относится к типу импульсных устройств.
Известен источник оптического излучения, содержащий однофазный мост на четырех диодах, входные выводы которого зашунтированы варистором и подключены к входным выводам источника через защитный элемент, аналоговый контроллер постоянного тока, имеющий выводы VDD, GND и DRAIN, вывод DRAIN соединен с положительным выходным выводом моста через последовательно соединенные фильтр и последовательную цепь из нескольких светодиодов, соединенных электрически последовательно, зашунтированных конденсатором, и дросселя, зашунтированную встречно пятым диодом, вывод VDD контроллера подключен к отрицательному выходному выводу моста через второй конденсатор, а вывод GND контроллера соединен с отрицательным выходным выводом моста непосредственно (An9922V 3-Pin Switch-Mode 50 mA Average Current LED Lamp Driver//www.angstrem.ru).
Известный источник оптического излучения является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Используемый в источнике контроллер постоянного тока относится к типу импульсных устройств. Уровень выходного тока (50 мА) контроллера жестко задается внутренним устройством и параметрами микросхемы (чипа).
Недостатком известного источника оптического излучения является узкая область применения. Источник имеет низкий коэффициент полезного действия, который может достигать величины не более 70-75%. В источнике, как отмечено выше, также используется импульсный контроллер, в котором относительно снижены потери на активных элементах, что обусловлено принципом его действия. Однако фильтрация выпрямленного напряжения неудовлетворительная, а уровень пульсаций светового потока в известном устройстве достаточно высок. Известный источник оптического излучения не обеспечивает требований и по электромагнитной совместимости с питающей сетью. Снижение пульсаций светового потока за счет увеличения емкости конденсатора фильтра приводят к снижению коэффициента мощности, возрастанию коэффициента гармоник и броска пускового тока, а также к росту эффективного входного тока. Все это увеличивает потери в устройстве и ведет к снижению коэффициента полезного действия. Возможная номенклатура устройств по известной электрической схеме также ограничена.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения источника оптического излучения, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в источнике оптического излучения, содержащем однофазный мост на четырех диодах, входные выводы которого зашунтированы варистором, входной вывод подключен к входному выводу источника через защитный элемент, аналоговый контроллер постоянного тока, имеющий выводы VDD, GND и DRAIN, вывод DRAIN соединен с положительным выходным выводом моста через последовательно соединенные фильтр и последовательную цепь из соединения светодиодов, зашунтированного конденсатором, и дросселя, зашунтированную встречно пятым диодом, вывод VDD контроллера подключен к отрицательному выходному выводу моста через второй конденсатор, второй входной вывод моста подключен к второму входному выводу источника через второй фильтр, выходные выводы моста зашунтированы третьим конденсатором и резистором, а также встречно второй последовательной цепью из шестого, седьмого и восьмого диодов, общие точки соединения диодов второй последовательной цепи подключены к положительному и отрицательному выходным выводам моста, соответственно, через четвертый и пятый конденсаторы, соединение светодиодов выполнено из одного или нескольких светодиодов, или одной или нескольких светодиодных матриц, или одной или нескольких светодиодных линеек, соединенных электрически последовательно, или параллельно, или последовательно и параллельно, и зашунтировано вторым резистором, а вывод GND контроллера соединен с отрицательным выходным выводом моста через третий резистор.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения за счет, в том числе, повышения коэффициента полезного действия источника оптического излучения в результате изменения принципа функционирования, улучшения его технических характеристик и возможных вариантов конструктивного исполнения. Заявляемый источник оптического излучения может иметь высокий коэффициент мощности (более 92%) и низкий уровень радиопомех и излучений, обладает сравнительно низким коэффициентом гармоник потребляемого от сети тока (менее 27%), обеспечивает малые броски пускового тока (при включении источника оптического излучения они практически отсутствуют), а также амплитуду входного рабочего тока. Снижен на 40-55% уровень эффективного потребляемого устройством от сети тока (при выполнении на заданную мощность) и коммутационные потери в элементах, в частности, в диодах моста. В результате, коэффициент полезного действия источника оптического излучения возрастает (ориентировочно, на 5-7%). Улучшена электромагнитная совместимость источника оптического излучения с питающей сетью (снижены уровни электромагнитных помех и излучений, коэффициент гармоник потребляемого от сети тока). Снижены пульсации светового потока нового источника оптического излучения. В новом источнике возможна коррекция и изменение уровня выходного тока контроллера, что позволяет расширить номенклатуру устройств. Значительно увеличено число возможных вариантов конструктивного исполнения источника оптического излучения.
Расширение области применения источника оптического излучения обусловлено новыми принципами устройства и новой конструкцией источника, новой электрической схемой, реализацией входной цепи контроллера постоянного тока, новыми элементами и связями, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого источника оптического излучения являются существенными.
На чертеже приведена электрическая схема источника оптического излучения.
Источник оптического излучения содержит однофазный мост на четырех диодах 1-4, входные выводы которого зашунтированы варистором 5, входной вывод подключен к входному выводу источника через защитный элемент 6, аналоговый контроллер постоянного тока 7, имеющий выводы VDD, GND и DRAIN, вывод DRAIN соединен с положительным выходным выводом моста через последовательно соединенные фильтр 8 и последовательную цепь из соединения светодиодов 9, зашунтированного конденсатором 10, и дросселя 11, зашунтированную встречно пятым диодом 12, вывод VDD контроллера подключен к отрицательному выходному выводу моста через второй конденсатор 13, второй входной вывод моста подключен к второму входному выводу источника через второй фильтр 14, выходные выводы моста зашунтированы третьим конденсатором 15 и резистором 16, а также встречно второй последовательной цепью из шестого 17, седьмого 18 и восьмого 19 диодов, общие точки соединения диодов второй последовательной цепи подключены к положительному и отрицательному выходным выводам моста, соответственно, через четвертый 20 и пятый 21 конденсаторы, соединение светодиодов выполнено из одного или нескольких светодиодов, или одной или нескольких светодиодных матриц, или одной или нескольких светодиодных линеек, соединенных электрически последовательно, или параллельно, или последовательно и параллельно, и зашунтировано вторым резистором 22, а вывод GND контроллера соединен с отрицательным выходным выводом моста через третий резистор 23.
Источник оптического излучения в установившемся режиме работает следующим образом.
Светодиод 9 (или светодиоды, светодиодная матрица или линейка, или соединение светодиодов, светодиодных матриц, светодиодных линеек или группы перечисленных элементов, соединенных электрически последовательно, или параллельно, или последовательно и параллельно), генерирует оптическое излучение в диапазоне видимого света или в инфракрасном, или в ультрафиолетовом частях спектра. Аналоговый контроллер 7 (совместно с дросселем 11) стабилизирует ток через светодиод 9, что необходимо для его нормальной работы. При этом уровень номинального (стабилизированного) тока через светодиод 9 задается внутренней структурой и параметрами чипа и может корректироваться и изменяться (в сторону снижения) с помощью третьего резистора 23 (вывод GND контроллера 7). Аналоговый контроллер 7 работает по принципу импульсного (модулируемого) устройства. Импульсное выходное напряжение контроллера 7 прикладывается с нагрузочной цепи (последовательная цепь из дросселя 11 и одного (9) или нескольких светодиодов, или светодиодных матриц, или светодиодных линеек, соединенных электрически последовательно, или параллельно, или последовательно и параллельно). Дроссель 11 предназначен для ограничения нагрузочного тока (через светодиод 9). После окончания очередного импульса (в интервале паузы) ток через нагрузочную цепь (11, 9, 10, 22, 12) протекает за счет энергии, накопленной в электромагнитном поле дросселя 11 в интервале действия импульса напряжения, и замыкается через пятый диод 12. Конденсатор 10 заряжается за счет избытка энергии дросселя 11 и разряжается через светодиод 9 и второй резистор 22. Конденсатор 10, таким образом, выполняет функцию выходного фильтра устройства. Конденсатор 10 разряжается через второй резистор 22 до нулевого напряжения после выключения источника (когда напряжение на конденсаторе 10 становится ниже порогового или прямого напряжения светодиода 9), что обеспечивает безопасную эксплуатацию устройства. Одновременно конденсатор 10 и второй резистор 22 представляют собой фильтр радиопомех.
Нагрузочная цепь (последовательная цепь из дросселя 11 и одного (одной, 9) или нескольких светодиодов, или светодиодных матриц, или светодиодных линеек, соединенных электрически последовательно, или параллельно, или последовательно и параллельно), может подключаться к соответствующему (положительному) выводу моста (1-4) со стороны вывода DRAIN контроллера 7.
Источник оптического излучения подключается к входным выводам через защитный элемент 5 (предохранитель, резистор или индуктивность, а также их комбинации, по любой известной схеме на дискретных элементах или микросборках, например, на основе одной или нескольких индуктивностей и резисторов). Элемент 5 защищает источник оптического излучения от короткого замыкания и любых аварийных нарушений электрического режима. Кроме того, защитный элемент 5 (резистор, индуктивность) может ограничивать бросок пускового тока, а также амплитуды бросков рабочих токов, возникающих при заряде третьего 15, четвертого 20 и пятого 21 конденсаторов. Защитный элемент 5 (при соответствующей известной реализации) дополнительно выполняет функцию системы помехоподавления и снижения коммутационных потерь на активных элементах устройства. Для снижения уровня радиопомех и излучений при работе источника оптического излучения может быть использован второй фильтр 14. Второй фильтр 14 выполняется по любой известной электрической схеме сетевого фильтра, например, на основе индуктивностей (дросселей) и емкостей или их комбинаций, а также резисторов (П- или Г-образная схемы, единичный элемент).
Варистор 5 включается в устройство для защиты источника оптического излучения от импульсных перенапряжений или грозовых разрядов.
Однофазный мост (диоды 1-4) может быть реализован на дискретных элементах или иметь интегральное исполнение (например, MBS10F или КЦ407). Принцип работы устройства при этом остается неизменным. Однофазный мост (диоды 1-4) выпрямляет (преобразует) переменное питающее (сетевое) напряжение в знакопостоянное с пульсацией на частоте 100 Гц (при сетевом напряжении частотой 50 Гц). Для фильтрации выпрямленного напряжения используются, в том числе, третий конденсатор 15 и резистор 16.
Четвертый 20 и пятый 21 конденсаторы заряжаются через седьмой диод 18 до напряжения, равного половине амплитуды выходного напряжения моста (диоды 1-4) или, что то же самое, до половины амплитуды сетевого питающего (переменного) напряжения. Заряд четвертого 20 и пятого 21 конденсаторов осуществляется по последовательной схеме включения, что снижает амплитуды токов заряда и обеспечивает работу устройства с высоким коэффициентом мощности. При разряде (через шестой 17 и восьмой 19 диоды) на нагрузку (светодиод 9) четвертый 20 и пятый 21 конденсаторы работают параллельно. Указанное энергетически выгодно. Коэффициент гармоник (искажения) потребляемого устройством от сети тока, при этом, лежит в пределах 20-27%. Напряжение на выходных выводах моста (1-4) не снижается до величины менее 50% амплитудного значения, что обеспечивает нормальную работу контроллера 7.
Технические решения по устройству входной цепи контроллера 7 (выпрямитель (1-4), последовательная цепь (шестой, седьмой и восьмой диоды, 17-19), четвертый 20 и пятый 21 конденсаторы) применимы для любых типов контроллеров постоянного тока (линейных, «конденсаторных» и импульсных) аналогичного назначения (например, SM7307, SM7315P, fr5CA, ВР1361, ВР2812, ВР2831А, ВР2833А, ZONOPO8062, ACS1004, GM9910, 9910М1К и других, выводы одинакового функционала, при этом, могут иметь отличающиеся обозначения у разных производителей).
Третий конденсатор 15 может иметь сравнительно малую емкость (по сравнению с четвертым 20 и пятым 21 конденсаторами) и выполняет совместно с резистором 16 также функцию помехоподавляющего фильтра и узла для снижения коммутационных потерь в диодах 1-4 моста. Одновременно через резистор 16 происходит разряд третьего 15, четвертого 20 и пятого 21 конденсаторов при выключении устройства, что обеспечивает безопасную эксплуатацию. Третий конденсатор 15 (при малой величины емкости) практически не оказывает влияния на фильтрацию выпрямленного напряжения и при его работе не снижается коэффициент мощности устройства и не возрастает величина коэффициента гармоник потребляемого от сети тока.
Второй конденсатор 13 фильтрует напряжение питания контроллера 7. Этот конденсатор (13) также имеет сравнительно небольшую емкость. Четвертый 20 и пятый 21 конденсаторы (при их применении), как правило, выполняют основную функцию по фильтрации выходного напряжения моста (1-4).
Для снижения уровня электромагнитных помех и излучений в схему источника оптического излучения может быть установлен дополнительный фильтр 8. Он также реализуется по любой из известных электрических схем фильтров, например, на основе индуктивностей (дросселей) и емкостей или их комбинаций, а также резисторов (П- или Г-образная схемы, единичные элементы).
С помощью третьего резистора 23 возможно более точно устанавливать выходной ток контроллера 7 или снижать уровень выходного тока (7) в достаточно широких пределах.
Последовательно с седьмым диодом 18 может быть установлен дополнительный диод, дополнительный резистор, а также дополнительный дроссель (или любая комбинация указанных дополнительных элементов), что улучшает технические характеристики устройства.
В схеме источника оптического излучения (для вариантов его реализации) могут отсутствовать (по отдельности или в любой комбинации) варистор 5, фильтр 8, конденсатор 10, второй фильтр 14, третий конденсатор 15, резистор 16, вторая последовательная цепь (элементы 17-19) одновременно с четвертым 20 и пятым 21 конденсаторами, второй 22 и третий 23 резисторы. Принцип функционирования устройства при этом не изменяется (изменяются количественные характеристики режима работы источника). Таким образом, входные выводы моста (1-4) могут быть не зашунтированы или зашунтированы варистором 5 и подключены к входным выводам источника только через защитный элемент 6 или через защитный элемент 6 и второй фильтр 14, а выходные выводы будут зашунтированы третьим конденсатором 15 и резистором 16 или зашунтированы встречно второй последовательной цепью из шестого 17, седьмого 18 и восьмого 19 диодов, общие точки соединения диодов (17-19) второй последовательной цепи подключены к положительному и отрицательному выходным выводам моста, соответственно, через четвертый 20 и пятый 21 конденсаторы, и резистором 16, или третьим конденсатором 15, второй последовательной цепью из шестого 17, седьмого 18 и восьмого 19 диодов, общие точки соединения диодов (17-19) второй последовательной цепи подключены к положительному и отрицательному выходным выводам моста, соответственно, через четвертый 20 и пятый 21 конденсаторы, и резистором 16, соединение светодиодов 9 может быть не зашунтировано или зашунтировано конденсатором 10 и вторым резистором 22, а вывод DRAIN контроллера 7 соединен с положительным выходным выводом моста (1-4) через последовательную цепь из соединения светодиодов 9 и дросселя 11 или соединен через фильтр 8 и рассмотренную последовательную цепь, вывод GND контроллера соединен с отрицательным выходным выводом моста непосредственно или через третий резистор 23. При отсутствии перечисленных выше элементов схемы (5, 8, 10, 14-23 или комбинаций элементов) получаемые устройства также относятся к заявляемому техническому решению и могут быть предназначены и использованы в конкретной области применения.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения источника оптического излучения.
Повышается коэффициент полезного действия источника оптического излучения за счет изменения принципа функционирования, улучшения его технических характеристик и возможных вариантов конструктивного исполнения. Действительно, заявляемый источник оптического излучения имеет высокий коэффициент мощности (более 92%) и низкий уровень радиопомех и излучений (не превышающий установленные нормы), обладает сравнительно низким коэффициентом гармоник потребляемого от сети тока (менее 27%), обеспечивает малые броски пускового тока (при включении источника оптического излучения они практически отсутствуют), а также амплитуду входного рабочего тока. Коэффициент гармоник устройства, выбранного за прототип, достигает 150%. Высшие гармоники потребляемого тока в прототипе являются источниками дополнительных электрических потерь. В новом источнике снижен на 40-55% уровень эффективного потребляемого от сети тока (при выполнении на заданную мощность) и коммутационные потери в элементах, в частности, в диодах моста.
В результате, коэффициент полезного действия нового источника оптического излучения увеличивается, ориентировочно, на 5-7%, что расширяет область его применения.
Новый источник оптического излучения может более эффективно использоваться как для внутренней, так и для наружной установки в системах повышенного качества оптического излучения, а также в закрытых светильниках ограниченного объема в различных системах освещения, либо в специальных генераторах (источниках) инфракрасного или ультрафиолетового излучения.
Дополнительно, может быть снижен коэффициент пульсаций светового потока и расширена, таким образом, область применения нового источника оптического излучения. Заявляемый источник соответствует современным требованиям к техническим характеристикам подобных устройств.
Значительно может быть уменьшен уровень электромагнитных помех и излучений и улучшена электромагнитная совместимость нового источника оптического излучения с питающей сетью.
Выходной ток устройства может устанавливаться, а также регулироваться (изменением резистора между выводом GND контроллера и отрицательным выходным выводом моста) в широких пределах.
Номенклатура типоисполнений источников оптического излучения по новой схеме значительно расширяется. Каждое типоисполнение может представлять собой оптимальное по конструкции и достаточно технологичное изделие, что снижает, в частности, конечную цену изделий и расширяет область применения.