Схема комбинированного включения светодиодов

Полезная модель  относится к области светотехники, в частности к схеме управления светодиодным источником света.
Как известно, схемы с использованием светодиодов питаются напряжением постоянного тока. Для выпрямления переменного тока от сети используют преобразователи мощности или выпрямители на основе мостовой схемы. Использование схем с пассивным ограничением тока, протекающего через светодиоды, характеризуется низким КПД и, как следствие, высоким нагревом ограничивающих ток элементов. Использование линейных стабилизаторов тока характеризуется низкими показателями коэффициента мощности и высокой эмиссией гармонических составляющих тока. Использование схем импульсных преобразователей также требует применения фильтров подавления электромагнитных помех.
Известна схема управления яркостью светодиодного модуля с прямым питанием переменным током (патент РФ №2607464, опубликовано 10.01.2017 г.), принятая за наиболее близкий аналог, которая содержит:
- блок выпрямления и N каскадов схем постоянного тока для управления светодиодом, при этом схема постоянного тока i-го каскада для управления светодиодом содержит i-й блок отбора напряжения, i-й блок переключения и i-й модуль светодиодного источника света, где N - натуральное число, большее 1, и i=2, 3, …, Ν;
- причем блок выпрямления принимает напряжение переменного тока, выпрямляет принимаемое напряжение переменного тока и выдает напряжение постоянного тока;
- первый вывод i-го блока отбора напряжения и входной вывод i-го модуля светодиодного источника света подключены к первому выходному выводу блока выпрямления, если i равно 1, и подключены к выходному выводу (i-1)-го модуля светодиодного источника света, если i не равно 1; второй вывод i-го блока отбора напряжения заземлен, и вывод делителя напряжения i-го блока отбора напряжения подключен ко второму входному выводу i-го блока переключения;
- первый входной вывод i-го блока переключения соединен с выходным выводом i-го модуля светодиодного источника света, а выходной вывод i-го блока переключения и второй выходной вывод блока выпрямления заземлены;
- i-й блок переключения принимает через i-й модуль светодиодного источника света i-e напряжение включения и через вывод делителя напряжения i-го блока отбора напряжения принимает i-e напряжение выключения, и
- когда i-e напряжение включения возрастает до достижения i-го порога напряжения включения i-го блока переключения, i-й блок переключения включается и модули светодиодного источника света, с первого по i-й, непрерывно излучают свет, при этом входной вывод и выходной вывод схем постоянного тока для управления светодиодом, от (i+1)-го по N-й каскад, являются короткозамкнутыми;
- а когда принимаемое i-e напряжение выключения возрастает до достижения i-го порога напряжения выключения i-го блока переключения, i-й блок переключения выключается, и если i меньше N, (i+1)-e напряжение включения (i+1)-го блока переключения возрастает до достижения (i+1)-го порога напряжения включения, так что модули светодиодного источника света, с первого по (i+1)-й, излучают свет, и если i равно N, модули светодиодного источника света, с первого по N-й, прекращают излучать свет.
Рассмотренная схема дополнительно может содержать входной блок защиты, входной вывод которого подключен к напряжению переменного тока, а выходной вывод соединен с входным выводом блока выпрямления.
Такое выполнение модуля светодиодного источника света с прямым питанием переменным током обеспечивает отсутствие мерцания в случае колебаний напряжения переменного тока, что повышает КПД светодиодного источника света.
Техническим результатом полезной модели является дальнейшее повышение КПД схемы и обеспечение неограниченного наращивания  суммарной потребляемой мощности последовательно включенных групп светодиодов за счет использования блоков контроля тока, включенных параллельно к каждой группе светодиодов.
Технический результат достигается при использовании схемы комбинированного включения светодиодов, содержащей
i
i
- блок выпрямления и N каскадов схем постоянного тока для управления светодиодом, при этом схема постоянного тока i-го каскада для управления светодиодом содержит M блоков контроля постоянного тока, включенных параллельно и содержащих в свою очередь коммутатор и линейный регулятор тока, где N - натуральное число, М – натуральное число, i=1, 2, …, Ν; причем
- блок выпрямления принимает напряжение переменного тока, выпрямляет принимаемое напряжение переменного тока и выдает напряжение постоянного тока;
- входной вывод i-го модуля светодиодного источника подключен к первому выходному выводу блока выпрямления, если i равно 1, и подключен к выходному выводу (i-1)-го модуля светодиодного источника света, если i больше 1;
- выходной вывод i-го модуля светодиодного источника света подключен к первым Mi входам блоков контроля постоянного тока i-го каскада, включенных параллельно друг другу и делящих между собой ток, протекающий через i-тый модуль светодиодного источника света;
- первый Mi выходной вывод блоков контроля постоянного тока i-го каскада подключен ко второму выходному выводу блока выпрямления;
i
- второй Mi выходной вывод блоков контроля постоянного тока i-го каскада подключен ко вторым M входам блоков контроля постоянного тока (i+1)-го каскада.
Заявляемая схема так же, как и в случае с наиболее близким аналогом, дополнительно может содержать входной блок защиты, входной вывод которого подключен к напряжению переменного тока, а выходной вывод соединен с входным выводом блока выпрямления.
Отличием схемы полезной модели от наиболее близкого аналога является отсутствие в ней блоков отбора напряжения, что позволяет упростить схемотехнику светодиодного модуля и дает потенциал для увеличения электрической прочности схемы без использования дополнительных компонентов.
Каскад – часть схемы, содержащая светодиодный модуль и блоки контроля постоянного тока (БКТ), управляющие этим модулем.
БКТ в зависимости от протекающего через него тока управляет коммутатором                (i-1)- го каскада, если i=2, 3…N, где N – натурального число: при превышении силы тока над заданным, коммутатор (i-1)-го каскада размыкается, и ток течет через светодиодные модули от 1 до i-го каскада и БКТ i-го каскада; при снижении силы тока, протекающего через блок контроля постоянного тока, ниже заданного, коммутатор (i-1)-го каскада замыкается, и ток светодиодных модулей от 1 до (i-1)-го каскада протекает через БКТ               (i-1)-го каскада.
Каждый из Mi блоков контроля постоянного тока может иметь индивидуальную настройку порога срабатывания по протекающему через него току.
Преимуществом предлагаемой схемы комбинированного включения светодиодов является то, что использование большего числа блоков переключения модуля светодиодного источников света, включенных параллельно друг другу, позволяет снизить требования к мощности каждого переключателя, сохранив общую мощность схемы и мощность отдельного светодиодного источника света. Кроме того, параллельное включение переключателей позволяет повысить общий КПД схемы, за счет снижения падения напряжения на скоммутированном переключателе.
i
i
На фиг. 1 представлена заявляемая схема комбинированного включения светодиодов, содержащая N каскадов светодиодных модулей и Mблоков контроля постоянного тока, включенных параллельно, где N - натуральное число, М – натуральное число, i=1, 2, …, Ν.
На фиг. 2 изображен график зависимости напряжения U от времени t, отображающий работу заявляемой схемы комбинированного включения светодиодов.
i
Согласно фиг. 1 схема комбинированного включения светодиодов и наращивания суммарной потребляемой мощности групп светодиодов состоит из блока защиты (1), блока выпрямления (2) и N каскадов, содержащих N светодиодных модулей (светодиодных источников света) (3) и M БКТ (4), включенных параллельно. БКТ (4) в свою очередь содержит коммутатор и линейный регулятор тока.
i
В каждом i-том каскаде может использоваться Mi параллельных схем управления БКТ (4), где N - натуральное число, М – натуральное число, i=1, 2, …, Ν.
В схеме постоянного тока i-го каскада для управления светодиодным модулем (3) входной конец i-го модуля светодиодного источника света (3) напрямую или не напрямую принимает выходное напряжение блока выпрямления (2).
Когда коммутаторы БКТ (4)  i каскадов замкнуты, светодиодные источники света (3) с номером от 1 до i функционируют и излучают свет, потребляя ток, равный сумме токов, заданных всеми БКТ (4) i-го каскада, а светодиодные источники света (3) с номером выше i выключены или работают на токе ниже порогового при условии достаточности напряжения на выходе блока выпрямления (2).
Коммутаторы каскада N могут быть использованы для защиты светодиодных модулей (3) и БКТ (4) от значимого превышения напряжения. Отключение коммутатора каскада N приведет к выключению всех светодиодных модулей (3) до момента возврата входного напряжения к допустимому уровню.
Согласно фиг. 2 до момента t1, коммутаторы БКТ (4) первого каскада замкнуты, а светодиодный источник света (3) первого каскада начинает излучать свет по мере приближения напряжения с блока выпрямления (2) к прямому напряжению светодиодного источника света (3). В момент t1 происходит стабилизация тока, протекающего через светодиодный источник света (3) первого каскада, до момента t2. В момент t2 происходит отключение коммутатором БКТ (4) тока первого каскада и дальнейшая стабилизация для обоих модулей осуществляется БКТ (4) второго каскада.
В момент tN происходит включение БКТ (4) последнего каскада N, и при дальнейшем росте напряжения ток, протекающий через все светодиодные модули (3), не изменяется.
При необходимости стабилизации мощности светодиодного модуля (3) БКТ (4) каскада N могут выполняться как зависимые от превышения напряжения с блока выпрямления (2) над суммой прямых напряжений светодиодных модулей (3) с первого по N.
С ростом напряжения ток, задаваемый БКТ (4)  N-го каскада, должен уменьшаться.
В момент t’N ток, протекающий через каскад N, становится меньше заданного, происходит включение коммутатора БКТ (4)  (N-1) каскада, и светодиодные источники света (3) с номерами от 1 до (N-1) продолжают регулироваться им. С продолжением уменьшения входного напряжения светодиодный модуль (3) последнего каскада N выключается. В момент t'2 ток, протекающий через второй каскад, становится меньше заданного, происходит включение БКТ (4) первого каскада, который регулирует светодиодный источник (3) первого каскада.
Опытным путем установлено, что комбинированное включение четырех светодиодов с параллельными схемами управлением обеспечивает снижение эмиссии светильником гармонических составляющих тока на 3,1% и более высокий КПД на 6% схемы в целом, в сравнении с общеизвестными и рекомендуемыми схемами производителей.