Светодиодный световой прибор с источником питания повышенной надежности

Светодиодный световой прибор с источником питания повышенной надежности относится к устройствам электрического освещения, точнее к сетевым источникам питания светодиодных светильников.
Светодиоды, используемые в питаемых от сетей переменного тока светодиодных световых приборах весьма чувствительны к импульсным перенапряжениям в сетях, вызванных коммутационными процессами или молниями (далее - помехам). Поэтому в источниках их питания (далее - источниках) используются технические решения, защищающие светодиоды от воздействия помех со стороны питающей сети.
Светодиодный световой прибор с источником питания от сети переменного тока, содержащего группу последовательно соединенных светодиодов, включающий мостовой диодный выпрямитель, подключенный к сети через зашунтированный резистором токоограничивающий конденсатор, и сглаживающий конденсатор большой емкости, подключенный параллельно к выпрямителю на стороне выпрямленного напряжения. В этом источнике для подавления поступающих из сети перенапряжений параллельно выпрямителю со стороны переменного тока подключен дополнительный конденсатор (ПМ РФ №95214). Недостаток известного источника состоит в низкой эффективности защиты от перенапряжений. Амплитуда и длительность импульсов помех, являясь случайными величинами, варьируют в широчайшем диапазоне. Для поглощения энергии импульсов большой длительности емкость дополнительного конденсатора должна быть достаточно велика. Но при увеличении емкости растет и собственная индуктивность конденсатора, снижающая его способность шунтировать не менее опасные импульсы малой длительности. Тем более неспособен шунтировать короткие импульсы сглаживающий конденсатор, индуктивность которого особенно велика. Поэтому известный источник защищает светодиодные группы от импульсных перенапряжений только с определенными амплитудно-временными характеристиками, преимущественно коммутационного происхождения. Но светодиодные светильники предназначены для непрерывной многолетней службы. Рано или поздно в сети появляется импульсная помеха (чаще от удара молнии) с характеристиками, существенно отличающимися от тех, на которые рассчитаны параметры защитных элементов.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является светодиодный световой прибор с источником питания от сети переменного тока, содержащего, по меньшей мере, одну группу последовательно соединенных светодиодов, включающий мостовой диодный выпрямитель, подключенный к сети через заградительный дроссель, шунтирующий конденсатор, подключенный непосредственно к питающей сети, и сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения конденсатор большой емкости, подключенный параллельно к выпрямителю на стороне выпрямленного напряжения (ПМ РФ №107642). В случае, когда световой прибор содержит несколько параллельно включенных групп светодиодов, дополнительно, источник может включать выравнивающие резисторы, включенные последовательно с каждой из групп. Во избежание снижения к.п.д. источника сопротивление этих резисторов устанавливается небольшим, и подавить помеху или ограничить ток в достаточной для защиты светодиодов степени они не могут.
Как было сказано выше, защита посредством параллельно подключенного к сети конденсатора недостаточно эффективна. Главный же недостаток известного источника состоит в том, что последовательный помехоподавляющий элемент - дроссель включен только в один из сетевых проводов, а именно, в линейный. По-видимому, в предположении, что помеха приходит по двум сетевым питающим проводам.
В действительности, если учесть особенности конструктивного исполнения реальных, выпускаемых промышленностью, светодиодных световых приборов, короткоимпульсная помеха может дойти до светодиодов по паре: второй сетевой провод - заземляющий проводник. Корпус современных светодиодных осветительных приборов с питанием от сети обязательно заземляют отдельным проводником, присоединенным к заземляющему контуру здания или сооружения. Сами же приборы содержат соединенный с корпусом металлический радиатор для отвода выделяемого светодиодами тепла, а используемые в них светодиоды имеют специальные теплоотводящие выводы (см., например, ПМ РФ №119995 или №150815). Для улучшения теплоотвода электроизолирующий слой между этими выводами и радиатором выполняется как можно более тонким. Кроме того, значительной является емкость между плоскими проводниками печатной платы, подводящими питание к светодиодам, и ее заземленным металлическим основанием или радиатором, к которому она прикреплена с возможностью теплового контакта. По этим причинам общая емкость между светодиодами и землей оказывается достаточной для прохождения опасного для светодиодов тока короткоимпульсной помехи по цепи: «провод, соединяющий напрямую выпрямитель с сетью - открытая пара диодов выпрямителя - светодиоды и проводники печатной платы -распределенная между ними емкость на заземленный радиатор - заземляющий проводник».
Целью и техническим результатом предложенной полезной модели является повышение надежности защиты светодиодного прибора от импульсных помех, как коммутационного характера, так и вызванных молниевыми разрядами, поступающих из питающей сети.
Указанные цель и технический результат достигаются тем, что в светодиодный световой прибор с питанием от сети переменного тока, содержащий мостовой диодный выпрямитель, подключенный к сети через заградительный дроссель, включенный последовательно в один из сетевых проводов, шунтирующий конденсатор, подключенный непосредственно к питающей сети, и сглаживающий конденсатор, подключенный параллельно к выпрямителю на стороне выпрямленного напряжения, а также светодиоды, дополнительно введен заградительный дроссель, включенный последовательно во второй сетевой провод.
Кроме того, оба дросселя светодиодного светового прибора выполнены на общем магнитопроводе (ферромагнитном сердечнике).
Кроме того, сглаживающий конденсатор светодиодного светового прибора подключен параллельно к выпрямителю на стороне выпрямленного напряжения и выполнен из двух соединенных последовательно конденсаторов, точка соединения которых заземлена.
Кроме того, конденсаторы светодиодного светового прибора, составляющие сглаживающий конденсатор, подключенные параллельно к выпрямителю на стороне выпрямленного напряжения, имеют общий корпус.
Кроме того, параллельно каждому из конденсаторов светодиодного светового прибора, составляющих сглаживающий конденсатор, подключенных параллельно к выпрямителю на стороне выпрямленного напряжения, подключены конденсаторы в тысячу и более раз меньшей емкости.
Благодаря введению дополнительного дросселя на входе источника питания, включенного во второй сетевой провод, импульсная помеха не может проникнуть в него и через него к светодиодам ни по одному из питающих сетевых проводов. Этим и достигается заявленный технический результат.
Благодаря выполнению на общем ферромагнитном сердечнике обмоток дросселей в обоих сетевых проводах стоимость предложенного источника питания превышает стоимость источника с одним дросселем на очень небольшую величину, что облегчает и ускоряет практическое внедрение предложенного помехоустойчивого источника.
Благодаря выполнению конденсатора, подключенного параллельно к выпрямителю на стороне выпрямленного напряжения, из двух соединенных последовательно конденсаторов, точка соединения которых заземлена, снижается обратное напряжение на светодиодах, возникающее из-за протекания высокочастотного тока импульсной помехи через емкости между светодиодами и заземленным радиатором. Этим достигается повышение надежности защиты светодиодов от импульсных помех.
Благодаря тому, что конденсаторы, составляющие сглаживающий конденсатор, имеют общий корпус (так называемый двухсекционный конденсатор), снижается индуктивность конденсатора и повышается тем самым его способность поглощать энергию короткоимпульсных помех.
Благодаря тому, что параллельно каждому из конденсаторов, составляющих сглаживающий конденсатор, подключены конденсаторы, в тысячу и более раз меньшей емкости, достигается эффективное поглощение энергии высокочастотной составляющей короткоимпульсных помех.
Существо полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предложенного светодиодного светового прибора с источником питания с раздельными защитными дросселями.
На фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема предложенного светодиодного светового прибора с источником питания с защитными дросселями, имеющими общий ферромагнитный сердечник, и с дополнительными элементами, улучшающими помехозащищенность и повышающими надежность источника.
Где:
1 - двухполупериодный однофазный выпрямитель,
2, 3 - проводники,
4, 5 - дроссели,
6 - светодиоды светового прибора,
7 - защитный конденсатор,
8 - резистор, с сопротивлением порядка единиц Ом,
9 - распределенные емкости,
10 - основание печатной платы,
11 - сглаживающий конденсатор,
12, 13 - конденсаторы, имеющие общий корпус,
14 - точка соединения конденсаторов 12, 13,
15 - заземляющий контур,
16 - резистор с сопротивлением порядка единиц Ом,
17, 18 - конденсаторы, емкость которых, по меньшей мере, в 1000 раз меньше емкости конденсаторов 12, 13.
Предложенный светодиодный световой прибор с источником питания повышенной надежности (фиг. 1) содержит двухполупериодный однофазный выпрямитель 1, вход которого подключен проводниками 2 и 3 к сети переменного тока через защитные дроссели 4 и 5, а выход (сторона выпрямленного напряжения) подключен к светодиодам 6 светового прибора. Светодиоды 6, как показано на чертежах, могут быть собраны в последовательную цепочку и световой прибор может содержать несколько таких включенных параллельно цепочек. Непосредственно на входе источника, параллельно нему включен защитный конденсатор 7 сравнительно небольшой, не свыше единиц микрофарад, емкости. Для ограничения тока в цепи этого конденсатора последовательно с ним может быть включен резистор 8 с сопротивлением порядка единиц Ом (фиг. 2). Благодаря установке защитных дросселей в разрыве обоих сетевых проводов 2 и 3, работоспособность и помехозащищенность светового прибора не зависит от того, какой из проводов является линейным, а какой - нейтралью. Это является важным достоинством предложенного источника, поскольку при монтаже световых приборов далеко не всегда есть возможность или желание установить какой из сетевых проводов является линейным, а какой - нейтралью.
Для удешевления и упрощения конструкции источника питания обмотки дросселей могут быть размещены на общем ферромагнитном сердечнике, как показано на фиг. 2.
Пунктиром на чертеже показаны распределенные емкости 9 между светодиодами 6 и соединенным с корпусом светового прибора заземленным проводящим радиатором (основанием печатной платы) 10.
Параллельно выходу выпрямителя 1 подключен сглаживающий конденсатор 11, состоящий из двух соединенных последовательно конденсаторов 12 и 13. Он служит для сглаживания выпрямленного напряжения. Конденсатор 11 может быть выполнен двухсекционным, когда конденсаторы 12 и 13 имеют общий корпус (фиг. 2), либо конденсаторы 12 и 13 могут быть выполнены в отдельных корпусах (фиг. 1). С точки зрения целей сглаживания это один конденсатор, емкостью вдвое меньшей емкости каждого из составляющих его конденсаторов 12 и 13. Точка 14 соединения этих конденсаторов подключена к корпусу прибора и, через него, к заземляющему контуру 15 здания или сооружения. Двухсекционное исполнение конденсатора 12 предпочтительнее, поскольку у него меньше собственная индуктивность и, благодаря этому, больше способность поглощать короткоимпульсные помехи. Емкость конденсатора 11 выбирается из условия получения достаточного уровня сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, но не менее тысячекратной величины суммарной распределенной емкости 9. Для ограничения броска зарядного тока при включении источника, последовательно с конденсатором 11 может быть включен резистор 16 с сопротивлением порядка единиц Ом.
Конденсатор 11 должен удовлетворять двум противоречивым требованиям. С одной стороны, его емкость должна быть достаточно велика для эффективного сглаживания выпрямленного напряжения. С другой стороны, его индуктивность должна быть достаточно мала для эффективного поглощения энергии короткоимпульсной помехи. Для устранения этого противоречия параллельно каждому из составляющих конденсатор 11 конденсаторов 12 и 13 подключены конденсаторы 17 и 18, емкость которых, по меньшей мере, в 1000 раз меньше емкости конденсаторов 12 и 13. Конденсаторы малой емкости, обладая в силу конструктивных особенностей малой индуктивностью, эффективно шунтируют высокочастотную составляющую импульса помехи. А низкочастотную подавляют конденсаторы 12 и 13.
Выполнение сглаживающего конденсатора из двух, соединенных последовательно, позволяет, заземляя точку их соединения, снизить почти до нуля уровень помех и перенапряжений, прикладываемых к светодиодам по цепочке «один из проводов 2 или 3 -диоды выпрямителя 1 - распределенные емкости 9 - земля 15».
Работает предложенный светодиодный световой прибор с источником питания следующим образом.
Импульсное напряжение помехи из питающей сети может быть приложено между одним из проводов 2 и 3 и землей, а может быть приложено между этими проводами. Во втором случае часть энергии импульса помехи, в основном, ее низкочастотная составляющая, поглощается конденсатором 7. Распространению высокочастотных составляющих помехи в сторону выпрямителя 1 препятствуют заграждающие дроссели 4 и 5. Благодаря тому, что дроссели установлены в разрыв (последовательно) каждого из проводов 2 и 3, защита обеспечивается независимо от того, как пришла помеха, по одному проводу или обоим.
В источниках питания мощных световых приборов дроссели 4 и 5, а также диоды выпрямителя 1 рассчитанные на большие токи, обладают заметными собственными емкостями, через которые наиболее высокочастотная составляющая импульсов помех попадает на стороны выпрямленного напряжения, то есть на светодиоды. В этом случае часть энергии помехи может быть поглощена сглаживающим конденсатором 11, а наиболее высокочастотная ее составляющая поглощается малоиндуктивными конденсаторами 17 и 18.
Защиты предложенного источника питания повышенной надежности оказывается достаточно, чтобы обеспечить требования ГОСТ Р 51317.4.5-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии требования и методы испытаний», согласно которым светильники должны выдерживать испытательные микросекундные импульсы большой энергии, амплитуда которых в зависимости от назначения светильника может находиться находится в диапазоне от 0,5 до 4 кВ.