ИСТОЧНИК СВЕТА, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СХЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ И СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ
LIGHT SOURCE, DRIVER CIRCUIT USE AND METHOD OF EXCITATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к твердотельному источнику света, к применению схемы возбуждения для возбуждения светоизлучающего элемента твердотельного источника света, к способу возбуждения светоизлучающего элемента твердотельного источника света и к соответствующей компьютерной программе.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Светоизлучающий элемент, такой как лазерный диод или, более точно, лазерный диод с вертикальным объемным резонатором (VCSEL), обычно обеспечен схемой возбуждения, которая подает мощность к светоизлучающему элементу, при этом он предназначен для запитывания мощностью, которая по существу постоянна, по меньшей мере в окрестности значения мощности, обеспечивающей максимальную эффективность. Такая обычная схема возбуждения может включать в себя, например, первичный каскад коррекции коэффициента мощности (PFC), соединенный с одним или больше конденсаторов, которые запасают энергию таким образом, что вторичный каскад может подавать на светоизлучающий элемент по существу неизменную мощность. Такая конструкция является дорогой из-за ограничений на характеристики, возможности и точность используемых компонентов.
Публикация WO 2011/008635 А1 раскрывает лампу на основе светоизлучающего диода (СД), имеющую один или больше светодиодов, блок управления регулятора освещения и преобразователь мощности.
Заявка US 2010/0026208 А1 раскрывает устройство, способ и систему для преобразования мощности для подачи мощности на нагрузку, такую как множество светоизлучающих диодов.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является предложение твердотельного источника света, применение схемы возбуждения для возбуждения светоизлучающего элемента твердотельного источника света, способа возбуждения светоизлучающего элемента твердотельного источника света и соответствующей компьютерной программы, которые могут быть реализованы с упрощенными компонентами и/или с сокращенными затратами.
В первом аспекте настоящего изобретения представлен твердотельный источник света, имеющий схему возбуждения и светоизлучающий элемент, в котором схема возбуждения выполнена для приема входного сигнала переменного тока и для подачи мощности с периодом переменного тока на светоизлучающий элемент, в котором светоизлучающий элемент имеет мощность максимальной эффективности и максимальную рабочую мощность, в котором схема возбуждения выполнена для направления мощности с входа по переменному току на светоизлучающий элемент при ограничении направленной мощности величиной верхней отсечки между мощностью максимальной эффективности и максимальной рабочей мощностью включительно, таким образом, что твердотельный источник света при испускании света может быть запитан непосредственно входным сигналом переменного тока, напрямую направленным схемой возбуждения в течение части периода переменного тока. Светоизлучающий элемент дополнительно имеет минимальную рабочую мощность, и при этом схема возбуждения выполнена для сохранения мощности с входа по переменному току, превышающей величину верхней отсечки, и для подачи сохраненной мощности на светоизлучающий элемент в дополнение к направленной мощности с входа по переменному току в течение периода, при котором мощность с входа по переменному току равна или меньше чем величина нижней отсечки.
Мощность направляется с входа по переменному току на светоизлучающий элемент, приводя к флуктуациям светового выхода светоизлучающего элемента, соответствующим флуктуациям мощности, поданной со входа по переменному току, хотя светоизлучающий элемент защищен от избытка подачи мощности ограничением обеспеченной мощности величиной вплоть до максимальной рабочей мощности светоизлучающего элемента. Это позволяет осуществлять более простую работу и возбуждение светоизлучающего элемента, хотя понятно, что в широком диапазоне приложений, в частности в приложениях с ограничениями по стоимостям, флуктуация или модуляция светового выхода является не таким уж значительным недостатком.
Например, существуют соображения по использованию лазерных диодов с вертикальным объемным резонатором (VCSEL) или их матриц в качестве лазерных источников для генерации инфракрасного (ИК) излучения. Это может быть использовано для приложения тепла при тепловой обработке в промышленных или бытовых установках. Во многих случаях такой нагрев не является чувствительным к флуктуациям мощности в частотном диапазоне сети питания. Упрощение и снижение стоимости для производства таких VCSEL-диодов для генерации инфракрасного излучения как пример испускания света дает возможность решить трудные целевые вопросы уменьшения стоимости в конкуренции с обычными тепловыми источниками (например, с обычными резистивными нагревательными элементами).
Хотя такие приложения являются многообещающими, необходимо заметить, что светоизлучающий элемент по настоящему изобретению не ограничен генерацией инфракрасного излучения, поскольку существуют другие приложения, использующие другие или перекрывающиеся диапазоны возможного и потенциального для использования излучения или света.
Максимальная рабочая мощность светоизлучающего элемента в данном контексте в наибольшей степени определяется фактором перегрева светоизлучающей структуры, и при этом следует заметить, что относящаяся к данному случаю максимальная рабочая мощность может быть выше допустимой рабочей мощности для непрерывной работы вследствие уменьшенной тепловой нагрузки флуктуирующего источника мощности по сравнению с постоянным или по существу постоянным источником мощности.
В соответствии с обычными топологиями есть первичный каскад, который входную мощность в мощность, сохраненную в буфере (например, в конденсаторе), при этом вторичный каскад подает мощность из буфера на нагрузку. Даже если в буферном напряжении есть определенная величина пульсаций (вследствие неидеальности исполнения и принципиальных ограничений), назначение таких топологий обычно состоит в обеспечении источника максимально возможной постоянной мощности.
В отличие от таких обычных топологий, настоящее изобретение обеспечивает, что в течение большой части периода постоянного тока (предпочтительно, большую часть времени) светоизлучающий элемент (или введенный вторичный каскад, связанный с этим светоизлучающим элементом) запитан непосредственно входным сигналом переменного тока, напрямую направленным схемой возбуждения, при этом, тем не менее, предотвращено, чтобы светоизлучающий элемент достигал мощности, превышающей требуемый уровень.
Кроме того, возможно, что на пике преобразователь заряжает небольшой буфер, при этом и преобразователь, и буфер могут быть более простыми и менее дорогостоящими, чем такие же элементы обычных схем. Затем сохраненная энергия может быть использована для подачи во вторичный каскад (или прямо на нагрузку, то есть, светоизлучающий элемент) во время низковольтной фазы входного сигнала переменного тока.
Подача мощности ниже минимальной рабочей мощности светоизлучающего элемента не приводит к появлению какого-либо светового выхода. Однако в вышеупомянутом варианте исполнения схема возбуждения направляет мощность с входа по переменному току, которая не была направлена на светоизлучающий элемент из-за того, что эта мощность с входа по переменному току повышалась выше величины верхней отсечки, и была направлена на временное сохранение, а затем подана на светоизлучающий элемент в том случае, когда мощность с входа по переменному току не имеет величины, превышающей величину нижней отсечки. Таким образом, при условии, что величина нижней отсечки и величина верхней отсечки установлены должным образом (то есть, количество энергии, сохраненной за то время, когда мощность превышает величину верхней отсечки, приблизительно равно количеству энергии, необходимой для поддержания работы в течение того времени, когда уровень мощности ниже, чем величина нижней отсечки, или чем максимальная рабочая мощность), мощность, поданная на светоизлучающий элемент, изменяется между величиной верхней отсечки и величиной нижней отсечки, обеспечивая продолжающуюся работу.
В предпочтительном варианте исполнения светоизлучающий элемент дополнительно имеет минимальную рабочую мощность, а схема возбуждения при этом выполнена для направления мощности с входа по переменному току на светоизлучающий элемент только тогда, когда направленная мощность равна или больше чем величина нижней отсечки.
Если направляемая мощность не превышает или недостаточно превышает минимальную рабочую мощность, необходимую для работы светоизлучающего элемента, то нет смысла в направлении такой недостаточной мощности на светоизлучающий элемент.
В модификации вышеупомянутых вариантов исполнения (определенных в п. 2 или в п. 3 формулы изобретения) величина нижней отсечки находится между минимальной рабочей мощностью и мощностью максимальной эффективности включительно.
Величина нижней отсечки не ограничена минимальной рабочей мощностью, но может быть также и выше такой минимальной рабочей мощности из соображений, связанных с конкретной реализацией настоящего изобретения.
В другой модификации вышеупомянутых вариантов исполнения (определенных в п. 2 или в п. 3) светоизлучающий элемент включает в себя множество светоизлучающих единиц, которые выполнены с возможностью быть запитанными мощностью посредством схемы возбуждения независимо один от другого, при этом минимальная рабочая мощность светоизлучающего элемента является минимальной рабочей мощностью одного или подмножества множества светоизлучающих единиц, и при этом схема возбуждения выполнена для подачи мощности только одному или подмножеству множества светоизлучающих единиц в течение периода, в котором мощность с входа по переменному току равна или меньше чем величина уменьшения.
Если светоизлучающий элемент содержит два или больше раздельно запитываемых светоизлучающих единиц, а имеющейся мощности не достаточно для работы всех светоизлучающих элементов (то есть, мощность больше не превышает величину уменьшения), эта модификация обеспечивает ограничение по подаче мощности только подмножеству светоизлучающих единиц, то есть, одна или больше светоизлучающих единиц из подачи мощности исключены. Это позволяет удлинить часть периода входа по переменному току, в течение которого мощность входа по переменному току может быть непосредственно использована для запитывания светоизлучающего элемента. Если дополнительно сохраняется мощность, превышающая величину верхней отсечки, а позже подается на светоизлучающий элемент в дополнение к направленной мощности с входа по переменному току, то компоненты, необходимые для сохранения и подачи сохраненной мощности, могут быть выполнены с менее строгими характеристиками и за меньшую стоимость. Это дополнительно может быть скомбинировано с повышением величины верхней отсечки по сравнению со случаем, когда всегда используется цельный светоизлучающий элемент, поскольку требуется меньше энергии для обеспечения дополнительной подачи мощности.
В другой модификации вышеупомянутого варианта исполнения (определенной в п. 3) схема возбуждения выполнена для подачи мощности с входа по переменному току на нагрузку, иную чем светоизлучающий элемент, когда мощность с входа по переменному току не равна или больше чем величина нижней отсечки.
Уровень мощности, ниже величины нижней отсечки, считается недостаточным для работы светоизлучающего элемента. Тем не менее, поскольку эта мощность подается входом по переменному току, она может быть использована для возбуждения или для работы другой нагрузки или элемента, потребляемого электроэнергию.
Прерывание подачи мощности на светоизлучающий элемент в том случае, когда мощность с входа по переменному току равна или меньше величины нижней отсечки, и, в частности, подачи обеспеченной мощности с входа по переменному току на другую нагрузку, в таком случае может быть использовано для дальнейшего упрощения общей конструкции схемы твердотельного источника света тем, что обычно вводимый для развязки вторичный каскад может быть опущен.
В другой модификации вышеупомянутого варианта исполнения (определенной в п. 2) схема возбуждения включает в себя конденсатор для сохранения мощности с входа по переменному току, превышающей величину верхней отсечки.
Мощность, или, более конкретно, напряжение, обеспеченное входом по переменному току, используется для зарядки конденсатора, при этом сохраненная энергия затем легко освобождается из заряженного конденсатора в нужное время.
В предпочтительном варианте исполнения схема возбуждения выполнена для подачи части мощности с входа по переменному току, на нагрузку, иную, чем светоизлучающий элемент, в течение периода, в котором мощность с входа по переменному току превышает величину верхней отсечки.
В период времени, при котором мощность с входа по переменному току находится ниже величины верхней отсечки, то есть в тот период, в котором вход по переменному току обеспечивает больше мощности, чем мощность, направленная на светоизлучающий элемент, эта дополнительно обеспеченная мощность, вместо того, чтобы просто быть выброшенной, может быть использована для возбуждения или работы другого элемента, потребляемого электроэнергию.
В предпочтительном варианте исполнения светоизлучающий элемент включает в себя множество светоизлучающих единиц, которые выполнены с возможностью питания мощностью посредством схемы возбуждения независимо, при этом максимальная рабочая мощность светоизлучающего элемента является максимальной рабочей мощностью множества светоизлучающих единиц; и при этом схема возбуждения выполнена для подачи мощности только подмножеству множества светоизлучающих единиц в течение периода, в котором мощность с входа по переменному току равна или меньше дополнительной величины.
Если светоизлучающий элемент содержит две или больше раздельно запитываемые светоизлучающие единицы, и имеющаяся мощность ниже дополнительной величины, эта модификация обеспечивает ограничение по подаче мощности только на подмножество светоизлучающих единиц, то есть одна или больше светоизлучающих единиц исключены для подачи на них мощности. Однако, если имеющаяся мощность превышает дополнительную величину, эта дополнительно имеющаяся мощность тоже используется затем для дополнительного возбуждения остающихся светоизлучающих единиц. Это значит, что только во время пикового участка подачи мощности целиком работает весь светоизлучающий элемент, в то время как в противном случае одна или больше светоизлучающих единиц светоизлучающего элемента не возбуждены. Это позволяет дополнительно использовать пиковую мощность, а не подавать эту пиковую мощность на другую нагрузку (см. выше).
В предпочтительном варианте исполнения схема возбуждения включает в себя преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью, повышающий преобразователь или синхронный инвертор, выполненный таким образом, что он является управляемым в зависимости от того, направлен ли на светоизлучающий элемент выход преобразователя или инвертора и/или мощность с входа по переменному току. В частности, вышеупомянутые элементы могут быть включены параллельно диоду.
Было определено, что такие схемные элементы могут быть благоприятно использованы в контексте настоящего изобретения.
В предпочтительном варианте исполнения светоизлучающий элемент включает в себя лазерный излучающий элемент, предпочтительно лазерный диод, наиболее предпочтительно, чтобы светоизлучающий элемент включал в себя лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL).
В том, что касается VCSEL-лазера, существуют несколько приложений, такие как использование его для нагрева посредством инфракрасного излучения, которые могут выгодно использовать настоящее изобретение.
В предпочтительном варианте исполнения величина нижней отсечки и величина верхней отсечки установлены таким образом, чтобы эффективность светоизлучающего элемента при величине нижней отсечки соответствовала эффективности светоизлучающего элемента при величине верхней отсечки.
Таким образом, при использовании мощности, которая определена величиной нижней отсечки и величиной верхней отсечки, по меньшей мере обеспечена, ее эффективность.
В предпочтительном варианте исполнения величина верхней отсечки находится между значениями однократной и трехкратной величины мощности максимальной эффективности включительно.
Выбор правильной величины верхней отсечки сильно зависит от характеристики используемого в конкретном варианте исполнения светоизлучающего элемента, при этом, тем не менее, вышеуказанный диапазон, как ожидается, даст хорошие результаты.
В предпочтительном варианте исполнения величина нижней отсечки находится между значениями 0,2 и 1,0 от величины мощности максимальной эффективности включительно.
Выбор правильной величины нижней отсечки сильно зависит от характеристики используемого в конкретном варианте исполнения светоизлучающего элемента, при этом, тем не менее, вышеуказанный диапазон, как ожидается, даст хорошие результаты.
В предпочтительной модификации величина нижней отсечки и величина верхней отсечки установлены в соответствии с поддиапазонами вышеупомянутых диапазонов. Например, если величина нижней отсечки установлена таким образом, что она ближе к нижнему пределу соответствующего диапазона, то есть установлена, например, на 0,3 от величины мощности максимальной эффективности, то величина верхней отсечки, соответственно, также установлена ближе к нижнему пределу своего соответствующего диапазона, то есть установлена, например, на мощность максимальной эффективности (или на 1,1 мощности максимальной эффективности). Альтернативно, величина нижней отсечки может быть установлена, например, на 0,8 от мощности максимальной эффективности, в то время как величина верхней отсечки тогда будет установлена, например, на 3-кратную мощность максимальной эффективности.
Следует заметить, что в дополнение к или в качестве альтернативы рассмотрению эффективности мощности для установки величины верхней отсечки может быть использовано также рассмотрение максимально допустимого тока и/или напряжения, в частности, имея в виду срок службы светоизлучающего элемента и/или схемы возбуждения.
Кроме того, следует заметить, что настоящее изобретение не ограничено входом по переменному току, точно соответствующему синусоидальной кривой. При практических исполнениях сеть питания, обеспечивающая вход по переменному току, не соответствует точно синусоидальной кривой, а содержит также дополнительные (более высокие) гармоники.
Если форма кривой, которой соответствует вход по переменному току, по меньшей мере, приблизительно известна, то управление работой схемы возбуждения (и, таким образом, опосредованно - светоизлучающим элементом) может быть основано на временном принципе, то есть управление может быть основано на временном позиционировании в период входного сигнала переменного тока. В том случае временные моменты для остановки направления мощности с входа по переменному току и т.д. имеют лишь опосредованное отношение к текущей подаче мощности с входа по переменному току, что, в свою очередь, связано с временным позиционированием в период входа по переменному току.
Альтернативно или дополнительно управление может быть основано на фактическом определении текущей подачи мощности с входа по переменному току, после чего на основе такого измерения производится управление.
Возможной комбинацией является определение формы волны входа по переменному току, по некоторому количеству периодов, после чего информация о формы волны затем используется для управления работой схемы возбуждения на основе временного принципа.
Кроме того, нет также необходимости в том, чтобы твердотельный источник света вел себя по отношению к входу по переменному току как резистивная нагрузка. Другими словами, нет необходимости в том, чтобы ток повторял поданное напряжение.
Например, поведение мощности для 2,3-киловаттного устройства, включенного в соответствии с требованиями IEC/EN 61000-3-2 Класс А, может быть сделано таким, что ток будет расти быстрее - при наличии разрешенных гармоник - чем синусоидальная кривая первого порядка, достигая далее лишь величины небольшого максимума. Таким образом, ток остается на сравнительно высоком уровне более длительное время и в течение второй четверти периода падает быстрее. Соответственно, по сравнению с мощностью по входу, которая следует квадратичной синусной кривой, реально используемая мощность имеет пик меньшей величины, в то время как впадина между пиками - более узкая. Это значит, что временной период, во время которого реально используемая мощность находится ниже величины нижней отсечки, является более коротким по сравнению со случаем следования синусоидальной кривой.
Принятие во внимание приведенных выше возможностей в поведении твердотельного источника света по отношению к входу по переменному току позволяет произвести дополнительное снижение ограничений на используемые в схеме возбуждения компоненты.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлено использование схемы возбуждения для возбуждения светоизлучающего элемента твердотельного источника света, в котором схема возбуждения выполнена для приема входного сигнала переменного тока и для подачи мощности с периодом переменного тока на светоизлучающий элемент, при этом светоизлучающий элемент имеет мощность максимальной эффективности и максимальную рабочую мощность, схема возбуждения выполнена для направления мощности с входа по переменному току на светоизлучающий элемент при ограничении направленной мощности величиной верхней отсечки между мощностью максимальной эффективности и максимальной рабочей мощностью включительно, таким образом, что твердотельный источник света при испускании света может быть запитан непосредственно входным сигналом переменного тока, напрямую направленным схемой возбуждения в течение части периода переменного тока. Светоизлучающий элемент дополнительно имеет минимальную рабочую мощность, и при этом схема возбуждения выполнена для сохранения мощности с входа по переменному току, превышающей величину верхней отсечки, и для подачи сохраненной мощности на светоизлучающий элемент в дополнение к направленной мощности с входа по переменному току в течение периода, при котором мощность с входа по переменному току равна или меньше чем величина нижней отсечки.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен способ возбуждения светоизлучающего элемента твердотельного источника света, при этом светоизлучающий элемент имеет мощность максимальной эффективности, максимальную рабочую мощность и минимальную рабочую мощность; способ включает в себя: получение входного сигнала переменного тока, подачу мощности с периодом переменного тока на светоизлучающий элемент и направление мощности с входа по переменному току на светоизлучающий элемент при ограничении направленной мощности величиной верхней отсечки между мощностью максимальной эффективности и максимальной рабочей мощностью включительно, таким образом, что твердотельный источник света при испускании света может быть запитан непосредственно входным сигналом переменного тока, напрямую направленным схемой возбуждения в течение части периода переменного тока, сохранение мощности с входа по переменному току, превышающей величину верхней отсечки, и подачу сохраненной мощности на светоизлучающий элемент в дополнение к направленной мощности с входа по переменному току в течение периода, при котором мощность с входа по переменному току равна или меньше чем величина нижней отсечки.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена компьютерная программа для возбуждения светоизлучающего элемента твердотельного источника света; эта компьютерная программа содержит средство на основе программных кодов для инициирования выполнения вышеупомянутого способа, когда эта компьютерная программа прогоняется на компьютере, управляющем твердотельным источником света.
Следует понимать, что твердотельный источник света по п. 1 формулы изобретения, использование схемы возбуждения п. 12, способ возбуждения светоизлучающего элемента по п. 14 и компьютерная программа по п. 15 имеют подобные и/или идентичные предпочтительные варианты исполнения, в частности, как они определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительным вариантом исполнения изобретения может быть также любая комбинация зависимых пунктов или вышеприведенных вариантов исполнения с соответствующим независимым пунктом.
Эти и другие объекты изобретения будут очевидны и осмысленны при ознакомлении с описанными далее вариантами исполнения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На нижеследующих чертежах:
Фиг. 1 показывает пример обычной схемы возбуждения;
Фиг. 2 показывает первый иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 3 показывает второй иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 4 показывает третий иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 5 показывает четвертый иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 6 показывает пятый иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 7 показывает шестой иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 8 показывает относительное напряжение, поданное на светоизлучающий элемент, его световой выход и эффективность;
Фиг. 9 показывает иллюстративное соотношение между входным напряжением переменного тока, входной мощностью переменного тока, рассеиваемой мощностью прямого напряжения и буферным напряжением;
Фиг. 10 показывает схематичную иллюстрацию варианта исполнения твердотельного источника света в соответствии с настоящим изобретением, и
Фиг. 11 показывает условную блок-схему, иллюстрирующую вариант исполнения способа в соответствии с настоящим изобретением.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ
Фиг. 1 показывает пример обычной схемы возбуждения. Эта схема возбуждения содержит входную сторону (слева), диодный мостик 1, включающий в себя четыре диода, к которой подсоединен усилительный преобразователь 2, который управляется блоком 3 управления для подзарядки его конденсатора 4 до необходимого напряжения. Есть также вторичный каскад 5, который включает в себя ключи 6, которые также управляются блоком 3 управления, при этом справа находится выход схемы. Специалист в данной области хорошо знаком с принципом построения и работы такой обычной схемы возбуждения, поэтому дальнейшее ее обсуждение здесь может быть опущено.
При дальнейшем обсуждении показанных схем их входная сторона всегда расположена слева, а выход расположен справа. Такое расположение схемы не должно пониматься как ограничивающее.
Фиг. 2 показывает первый вариант исполнения схемы возбуждения 200 в соответствии с настоящим изобретением. Подобно схеме возбуждения по фиг. 1, схема возбуждения 200 включает в себя диодный мост 201. Соединенная с этим диодным мостом 201, схема возбуждения 200 дополнительно включает в себя преобразователь 202 с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью (SEPIC) с последовательным диодом 216 и с диодом 207, включенным параллельно схеме 202 SEPIC и диоду 216. Схема 202 SEPIC управляется блоком 3 управления. Есть вторичный каскад схемы возбуждения 200, подключенный к выходу схемы 202 SEPIC и к диоду 207, который соответствует вторичному каскаду 5 обычной схемы возбуждения по фиг. 1, введенный главным образом для развязки светоизлучающего элемента (не показан). Поэтому этот вторичный каскад здесь более подробно не рассматривается.
Схема 202 SEPIC содержит два индуктивных элемента - 211 и 212, имеющих общий сердечник, ключ 213, конденсатор 214 и диод 215, который питает буферный конденсатор 204, при этом уровень напряжения на конденсаторе 204 ниже по сравнению с напряжением конденсатора 4 по фиг. 1.
Мощность с входа через диод 207 передается непосредственно на вторичный каскад 205, соединенный на выходной стороне со светоизлучающим элементом (не показан).
Управление производится посредством диодов 207 и 216, а также соответствующей установкой уровня напряжения на буферном конденсаторе 204. Уровень напряжения на буферном конденсаторе управляется таким образом, чтобы этот уровень был равен выпрямленному входному напряжению переменного тока в тот момент, когда входная мощность переменного тока достигает величины нижней отсечки (см. описываемый ниже момент времени t4 на фиг. 9).
Фиг. 9 показывает иллюстративное соотношение между входным напряжением переменного тока, входной мощностью переменного тока, направленной мощностью и буферным напряжением для примера по фиг. 2. Начиная в момент времени t1, входная мощность передается непосредственно на вторичный каскад 205 (и таким образом, в конечном счете, прикладывается к светоизлучающему элементу как направленная мощность). Мощность входного сигнала переменного тока указана короткими пунктирными линиями, в то время как мощность, поданная на светоизлучающий элемент, показана штрихпунктирной линией. Заряд на буферном конденсаторе 204 (показан сплошной линией) является постоянным. В момент времени t2 переменный входной сигнал мог бы иметь большую мощность (то есть, превышающую верхний уровень 901 отсечки), и вторичный каскад управляется таким образом, чтобы удержать выходную мощность на верхнем уровне 901 отсечки. Входной сигнал переменного тока, превышающий верхний уровень 901 отсечки, используется для зарядки буферного конденсатора 204. В момент времени t3 первичный каскад (то есть, схема 202 SEPIC) останавливается, и снова вся мощность, подаваемая входным сигналом переменного тока, идет на светоизлучающий элемент. В момент времени t4 входной сигнал переменного тока находится ниже величины 902 нижней отсечки (то есть, рассматривается как больше недостаточный для минимально полезного выхода), и диод 216 на выходной стороне схемы 202 SEPIC соединяет буферный конденсатор 204 со вторичным каскадом 205, чтобы подавать запасенную ранее энергию, в то время как схема 202 SEPIC управляется с тем, чтобы "накачать" имеющуюся мощность в буфер, чтобы сохранить необходимую форму входного тока. В момент t5 входной сигнал переменного тока достигает величины 902 нижней отсечки, и через диод 207 этот входной сигнал переменного тока подается на вторичный каскад 205 (в то время как диод 216 снова становится непроводящим). Вторая половина цикла полного периода поданного напряжения переменного тока (показано длинными пунктирными линиями) соответствует первой, а управление в моменты времени t5, t6, t7 и t8 соответствует управлению в моменты времени t1, t2, t3 и t4 соответственно. Энергия, показанная в заштрихованной области (то есть, избыточная мощность во время ограничения рассеиваемой мощности), подается на светоизлучающий элемент в течение периода, при котором входная мощность переменного тока не превышает величины 902 нижней отсечки (на фиг. 9 показана стрелкой).
Следует заметить, что соотношения по уровню между напряжением входа по переменному току, мощностью входа по переменному току, направленной мощностью и буферным напряжением показаны не в масштабе, и приведены лишь в иллюстративных целях.
Фиг. 3 показывает второй иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения 300 в соответствии с настоящим изобретением. Схема возбуждения 300 включает в себя первичный каскад (включающий в себя диодный мост 301, схему 302 SEPIC и диоды 307, 316) и вторичный каскад 305, при этом первичный каскад схемы возбуждения 300 соответствует описанному выше первичному каскаду схемы возбуждения 200. Если нет необходимости в развязке с сетью питания, то вторичный каскад 305 может быть выполнен гораздо более простым, при этом в противном случае управление соответствует управлению вторичного каскада вышеописанной схемы возбуждения 200.
Фиг. 4 показывает третий иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения 400 в соответствии с настоящим изобретением. Схема возбуждения 400 подобна тому, что приведено на фиг. 2 (снова включая в себя развязывающий вторичный каскад 405), при этом схема SEPIC на фиг. 2 замещена повышающим преобразователем 402. Схема возбуждения 400 включает в себя диодный мост 401, в котором, подобно варианту по фиг. 2, установлены диоды 407 и 416. Повышающий преобразователь 402 включает в себя индуктивный элемент 411, диод 414 и ключ 413, с выходом на буферный конденсатор 404. Во время работы схема возбуждения 400, - для того чтобы избежать диода 414 - становится проводящей; напряжение на буферном конденсаторе 404 должно быть выше, чем напряжение входа по переменному току. Для того чтобы предотвратить подачу напряжения с буферного конденсатора 404 на вторичный каскад, здесь дополнительно установлен еще один ключ 417.
Обратимся к циклограмме на фиг. 9 - между точками t1 и t2 ключи 413 и 417 открыты, в то время как ключи 406 непосредственно работают при выпрямленном входе по переменному току. Между моментами t2 и t3 ключи 406 продолжают свою работу, в то время как блок 403 управления накладывает ограничение на рассеиваемую мощность прямого напряжения. Ключ 413 управляется для накопления энергии в буферном конденсаторе (см. заштрихованную область на фиг. 9). Между моментами t3 и t4 ключи 413 и 417 открыты, в то время как ключи 406 снова работают непосредственно при выпрямленном входе по переменному току. Между точками t4 и t5 ключ 417 закрыт, в то время как ключи 406 управляются таким образом, чтобы, несмотря на довольно высокое напряжение, дальше подается лишь малая мощность, при этом ключ 413 управляется на получение мощности.
Следует заметить, что диод 416 может быть исключен.
Фиг. 5 показывает четвертый иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения 500 в соответствии с настоящим изобретением. Схема возбуждения 500 содержит идею показанной на фиг. 3 схемы возбуждения 300 (упрощенный вторичный каскад 505) и схемы возбуждения 400 по фиг. 4 (использование повышающего преобразователя 502, включающего в себя индуктивный элемент 511, ключ 513 и диод 414, соединенный с буферным конденсатором 404). Вместо введенного на фиг. 4 дополнительного ключа в схеме возбуждения 500 имеются два понижающих ключа 518, 519. Обратимся к циклограмме на фиг. 9 - между моментами t1 и t4 вторичный каскад (понижающий преобразователь) 505 работает с переключением ключа 519, в то время как ключ 518 - открыт. Переключение ключей 518, 519 обеспечено управляемым образом с высокой частотой, что специалистам будет понятно.
Фиг. 6 показывает пятый иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения 600 в соответствии с настоящим изобретением. Схема возбуждения 600 следует тому же подходу, что и схема возбуждения по фиг. 5 (снова включая в себя диодный мост 601, повышающий преобразователь 602, подающий напряжение на буферный конденсатор 604 с диодом 607, включенным параллельно повышающему преобразователю 602), при этом верхний ключ 606' полумоста развязывающего вторичного каскада 605 дополнен соответствующим ключом 618. Вновь обращаясь к циклограмме на фиг. 9, - между точками t1 и t4 половина моста работает с переключающимися ключами 606 и 606', в то время как ключ 618 - открыт, при этом между точками t4 и t5 переключаются ключи 606 и 618. а ключ 606' открыт.
Фиг. 7 показывает шестой иллюстративный вариант исполнения схемы возбуждения 700 в соответствии с настоящим изобретением. Схема возбуждения 700 включает в себя, аналогично ранее описанным схемам возбуждения, диодный мост 701 и запитываемый от этого диодного моста 701 вторичный каскад 705. В отличие от ранее обсуждавшихся иллюстративных вариантов исполнения, схема возбуждения 700 включает в себя повышающий преобразователь 702, который не подсоединен выходной стороной к светоизлучающему элементу (то есть, через вторичный каскад). Этот повышающий преобразователь включает в себя дополнительный выход на другую нагрузку (не показана), который подает напряжение (или энергию), накопленную в соединенном с этим повышающим преобразователем буферном конденсаторе 704.
Возможны варианты исполнения, в которых - в дополнение к светоизлучающему элементу - есть другие нагрузки, на которые может быть подана мощность cо входа переменного тока, не переданная на светоизлучающий элемент. Соответствие требованиям Международной электротехнической комиссии IEC (в части гармонических составляющих), притом, что не вся полученная мощность направляется на светоизлучающие элементы, становится возможным, если не направленная мощность подается на другие нагрузки. В случае схемы возбуждения 700 мощность, превышающая величину верхней отсечки, передается на другую нагрузку (не показана), при этом, в то время как входа по переменному току не превышает величины нижней отсечки, мощность входа по переменному току также подается на другую нагрузку (не показана). В течение этого времени светоизлучающий элемент не обеспечивается никакой мощностью.
Фиг. 8 показывает иллюстративное относительное напряжение, поданное на светоизлучающий элемент, его световой выход и эффективность. Абсцисса графика по фиг. 8 относится к мощности в ваттах, поданной на лазерный диод с вертикальным объемным резонатором (VCSEL) как пример светоизлучающего элемента. Напряжение указано пунктирной линией и приводится только лишь для полноты картины. Световой выход (мощность) светоизлучающего элемента указана штрихпунктирной линией. Эффективность указана точечной линией. Можно видеть, что лазер VCSEL имеет максимальную эффективность в районе входной мощности 90 Вт, при этом, как понял автор изобретения, приемлемым для работы лазера VCSEL является также весь диапазон от 50 до 150 Вт, в то время как работа на мощности ниже 45 Вт и выше 160 Вт представляется нежелательной. Было определено, что по сравнению с обычной техникой для работы лазера VCSEL с мощностью, флуктуирующей между 50 и 150 Вт, размер первичного каскада схемы возбуждения может быть уменьшен до 1/4.
Фиг. 10 показывает схематичную иллюстрацию варианта исполнения твердотельного источника света в соответствии с настоящим изобретением. Твердотельный источник света, как показано на фиг. 10, включает в себя схему возбуждения 100, включающую в себя блок 3 управления и дополнительные элементы 102 схемы, например, как описанные выше со ссылками на фиг. 2-7. Твердотельный источник света дополнительно включает в себя светоизлучающий элемент 150, содержащий несколько светоизлучающих единиц 160, на которые мощность может подаваться раздельно. Схема возбуждения 100 получает мощность от входа по переменному току и подает мощность на светоизлучающий элемент 150 по настоящему изобретению.
Фиг. 11 показывает условную блок-схему, иллюстрирующую вариант исполнения способа в соответствии с настоящим изобретением. Этот способ включает в себя этапы получения (этап 8) входного сигнала переменного тока и подачу мощности на светоизлучающий элемент, а также передачу (этап 9) мощности с входа по переменному току на светоизлучающий элемент при ограничении рассеиваемой мощностью прямого напряжения на величине верхнего уровня отсечки между мощностью максимальной эффективности и максимальной рабочей мощности включительно.
Специалисты в данной области при практической работе с заявленным изобретением в результате изучения чертежей, описания и приложенных пунктов формулы изобретения смогут придумать и реализовать другие варианты исполнения.
Следует заметить, что в описанных здесь иллюстрациях схем диоды могут быть заменены адекватно управляемыми переключателями, хотя практическое воплощение легче всего может быть реализовано с использованием диодов.
Следует заметить также, что фактические величины максимальной рабочей мощности, мощности максимальной эффективности и минимальной рабочей мощности, а также, соответственно, значения верхней и нижней отсечки, величины редукции и дополнительной величины для данного варианта исполнения не обязательно являются постоянными. Рабочие моменты и условия, такие как окружающая температура также могут оказывать влияние на характеристики твердотельного источника света, что может отразиться на поведении величин, установленных в соответствии с настоящим изобретением, во времени.
В проиллюстрированных и описанных выше вариантах исполнения присутствует полноволновой выпрямитель в виде мостового выпрямителя, использующего четыре диода (диодный мост). Следует заметить, что выпрямитель может быть также выполнен посредством других элементов, с которыми специалисты также знакомы.
В приложенных пунктах формулы изобретения слово "содержащий" не исключает наличия других компонентов или этапов, а признак единственного числа не исключает множества.
Указание, что какая-то величина находится между нижним пределом и верхним пределом включительно, должно пониматься таким образом, что данная величина может иметь любое значение внутри заданного диапазон, включая значения нижнего предела и верхнего предела.
Одна единица или устройство может выполнять функции нескольких позиций, упомянутых в пунктах формулы изобретения. Тот простой факт, что некоторые элементы упоминаются во взаимно различных пунктах формулы изобретения, не означает, что для получения положительного эффекта не может быть использована комбинация этих элементов.
Операции, такие как переключение, вычисление величин мощности, сравнение величин мощности, а также управление или выбор элементов светоизлучающего элемента и/или схемы возбуждения могут быть реализованы посредством задания программных кодов в компьютерных программах и/или специализированными аппаратными средствами.
Компьютерная программа может быть сохранена или распространена на соответствующем носителе, таком как оптический носитель информации или твердотельный носитель, поставленный совместно или как часть другой аппаратуры, но может быть распространена в других формах, таких как посредством интернета или посредством других проводных или беспроводных телекоммуникационных систем.