Осветительное устройство переменного тока с низкими пульсациями светового потока
AC LIGHTING DEVICE WITH LOW LIGHT FLUX PULSATIONS

Область техники.
Решение относится к светотехнике и может быть использовано при изготовлении источников света, подключаемых к сети переменного тока и используемых в составе светотехнического оборудования для наружного и внутреннего освещения.
Уровень техники.
К современным осветительным устройствам предъявляются жесткие требования по параметрам ЭМС и пульсациям светового потока. Традиционно в светодиодных осветительных устройствах применяют источники питания с преобразование частоты и стабилизированным выходным током. К их недостаткам относится высокая стоимость, сложность, невысокий срок службы. Фиг. 1. Традиционные схемы питания светодиодов непосредственно от сети переменного напряжения.
Фиг. 2. Схема с дополнительными накопительными конденсаторами.
Фиг. 3. Одноступенчатая схема с одним накопительным конденсатором.
Фиг. 4. Двухступенчатая схема с одним накопительным конденсатором.
Фиг. 5. Схема предложенного осветительного устройства.
Фиг. 6. Диаграмма токов и световых потоков в осветительном устройстве.
Известны схемотехнические решения [US 9,265103 В2, US 9,426,856 В2, US 8,519,636 В2], в которых реализовано питание светодиодов непосредственно от сети переменного напряжения (Фиг. 1а, 1б).
В таких схемах светодиодные цепочки LED1…LEDn последовательно подключаются к выпрямителю BR через источники тока (Фиг. 1а) или подключаются к общему источнику тока (Фиг. 1б) по мере нарастания выпрямленного напряжения. Аналогично, светодиодные цепочки LED1…LEDn отключаются от выпрямителя по мере спада выпрямленного напряжения. Форма тока потребления и токов через светодиодные цепочки для n=4 показана на Фиг. 1в.
Достоинством подобных схем является простота, компактность и надежность, отсутствие проблем с удовлетворением требований ЭМС, низкая стоимость. Основным недостатком, а в ряде случаев, и препятствием к применению является коэффициент пульсаций светового потока, равный 100%.
Продолжением схемотехнического решения, показанного на Фиг. 1а, является схема с дополнительными накопительными конденсаторами, подключенными параллельно каждой из светодиодных цепочек LED1…LEDn через разделительные диоды (Фиг. 2). Эта схема позволяет получить коэффициент пульсаций светового потока меньше 100%, при практической реализации эта величина может находиться в пределах 40-80%.
Принципиальный недостаток этой схемы - практическая невозможность получить коэффициент пульсаций светового потока, нормируемый современными стандартами на уровне 5-20%. Действительно, не трудно видеть, что конденсатор может зарядиться только до величины пикового напряжения на светодиодной цепочке, следовательно, его разряд через светодиоды начинается с этой точке и сопровождается экспоненциальным падением напряжения и, соответственно, тока через светодиоды. Поскольку светодиод имеет крутую ВАХ, малому изменению напряжения на конденсаторе соответствует большое изменение тока светодиодов, и как следствие, светового потока. Кроме того, величина емкости конденсатора С относится к величине пульсации напряжения на нем ΔU в логарифмической зависимости:
d
LED
0
где t - интервал разряда конденсатора, R динамическое сопротивление светодиодной цепочки, U - пиковое напряжение на конденсаторе, U - напряжение на конденсаторе к концу интервала разряда. Это означает, что значительное увеличение емкости приводит лишь к незначительному снижению величины пульсации (Фиг. 2). Для достижения приемлемых величин пульсаций светового потока требуются неоправданно большие и дорогостоящие конденсаторы, что сводит все достоинства схемы к нулю.
Известно осветительное устройство [US 10,244,596 В2], содержащее мостовой выпрямитель BR1 к которому подключена цепь последовательно включенных светодиодов LED1, источники тока CS1, CS2, накопительный конденсатор С1 и диод VD1 (Фиг. 3). В установившемся режиме конденсатор С1 заряжен до напряжения, превышающего сумму прямых падений напряжения на светодиодах цепочки LED1. Пока выпрямленное напряжение меньше напряжения на конденсаторе, последний разряжается через диод VD1, цепочку светодиодов LED1 и источник тока CS1. Когда выпрямленное напряжение становится больше напряжения на конденсаторе, диод VD1 закрывается и ток от сети начинает протекать через цепочку светодиодов LED1 и источник тока CS1. Когда выпрямленное напряжение достигает суммы прямых падений напряжения на светодиодах цепочки LED1 и напряжения на конденсаторе, конденсатор начинает заряжаться от сети через LED1 и источник тока CS1.
Данное устройство обладает существенными недостатками. Во-первых, начало потребления тока от сети определяется величиной напряжения на конденсаторе. Это приводит к тому, что угол отсечки потребляемого от сети тока оказывается слишком велик, что не позволяет удовлетворить существующим стандартам по ЭМС в части эмиссии гармонических составляющих тока. Кроме того, форма тока близка к прямоугольной, что дополнительно сказывается на увеличение амплитуды гармонических составляющих тока уже с 5-й гармоники.
Во-вторых, устройство обладаем низким КПД, поскольку, очевидно, что падение напряжения на источнике тока CS2 дважды за период выпрямленного напряжения достигает величины напряжения на конденсаторе при постоянном протекающем через него токе. Это устройство может применяться лишь при малых мощностях - от нескольких ватт до 10 Вт.
Известно осветительное устройство [US 10,187,945 В2], содержащее мостовой выпрямитель BR1 к которому через разделительный диод VD1 подключены цепочки последовательно включенных светодиодов LED1, LED2, накопительный конденсатор С1, дополнительные диоды VD2 - VD4 и схему управления (Фиг. 4).
Как и в предыдущем устройстве (Фиг. 3), начало потребления тока определяется величиной напряжения на конденсаторе С1, при достижении которого выпрямленным напряжением ток начинает протекать через LED1 и ключ SW1. Отличительной особенностью данного устройства является то, что заряд конденсатора происходит через светодиодную цепочку LED1 и начинается при значении выпрямленного напряжения равном или большем сумме напряжений на LED1 и С1. Когда выпрямленное напряжение снижается ниже напряжения на конденсаторе С1, последний разряжается через обе последовательные светодиодные цепочки LED1 и LED2. Как и в устройстве Фиг. 3, напряжение на конденсаторе близко к среднеквадратичному значению питающего напряжения, поэтому угол отсечки потребляемого от сети тока оказывается слишком велик, что не позволяет удовлетворить стандартам по ЭМС в части эмиссии гармонических составляющих тока. Вторым существенным недостатком, как и в предыдущем устройстве, является низкий КПД.
Заявленное решение решает задачу создания схемотехнической и конструкторской реализации осветительного устройства мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен ватт с питанием непосредственно от сети переменного напряжения.
Техническим результатом является снижение коэффициента пульсации светового потока, низкий коэффициент гармоник тока потребления, высокий КПД при низкой стоимости решения.
Раскрытие изобретения
Осветительное устройство состоит из n последовательно включенных блоков схемы, каждый из которых содержит группу светодиодов, источник прямого тока и накопительный конденсатор, также подключенный через свой источник тока и обеспечивающий протекание постоянного тока в интервалах, когда выпрямленного напряжения недостаточно для протекания прямого тока через светодиоды группы. При этом начало протекания тока прямого тока через следующий блок схемы автоматически приводит к отключению источников тока предыдущего блока.
Заявленное осветительное устройство может быть представлено следующей совокупностью признаков:
Осветительное устройство переменного тока с низкими пульсациями светового потока, включающее в себя двухполупериодный выпрямитель переменного тока, последовательно соединенные светодиоды, разбитые на группы от 1-й до n-й, причем анод первого светодиода первой группы подключен через выпрямительный диод к плюсу выпрямителя, отличается тем, что к катодам последних в группе k, 1≤k≤n, светодиодов подключены стоки полевых транзисторов, сконфигурированных в качестве источников прямого тока светодиодов, а их истоки через резисторы подключены к минусу выпрямителя через общий резистор обратной связи; к катодам последних в группе светодиодов через выпрямительные диоды подключены положительные электроды конденсаторов, отрицательные электроды конденсаторов подключены к стокам полевых транзисторов, сконфигурированных в качестве источников тока заряда конденсаторов, а их истоки через резисторы и параллельно включенные им диоды в прямом направлении подключены к истокам полевых транзисторов, сконфигурированных в качестве источников прямого тока, при этом положительные электроды конденсаторов подключены через диоды к анодам первых в группе светодиодов; все группы светодиодов соединены последовательно и разделены диодами, включенными в прямом направлении между катодами последних в группе светодиодов и анодами первых в следующей группе светодиодов.
Осветительное устройство может отличаться следующими особенностями:
- количество светодиодов в n-й группе больше или равно сумме светодиодов в группах с 1-й по (n-1)-ю;
- n-я группа светодиодов является компенсационной;
- источники прямого тока и тока заряда конденсаторов групп с 1-й по n-ю выполнены на полевых транзисторах, биполярных транзисторах или транзисторах со статической индукцией;
- источники прямого тока и тока заряда конденсаторов групп с 1-й по (n-1)-ю соединены между собой таким образом, что постоянный ток заряда конденсатора k-ой группы автоматически отключает источник прямого тока k-ой группы;
- все источники тока с 1-го по n-й охвачены общей отрицательной обратной связью через резистор обратной связи;
- к схеме управления подключен датчик температуры, находящийся в тепловом контакте со светодиодами, а схема управления осуществляет термостабилизацию работы светодиодов за счет пропорционального изменения токов, протекающих через светодиоды в группах 1-й по n-ю;
- схема управления осуществляет регулировку светового потока за счет пропорционального изменения токов, протекающих через светодиоды в группах 1-й по n-ю;
- все элементы, включая светодиоды, размещены на общей печатной плате из теплопроводящего материала, например, алюминия.
Прямой ток через группы светодиодов от 1-й до (n-1)-й формирует кривую тока потребления, а ток через компенсационную n-ю группу изменяется обратно пропорционально токам через группы светодиодов от 1-й до (n-1)-й для стабилизации суммарного светового потока. При этом количество светодиодов в n-й группе больше или равно сумме светодиодов в группах с 1-й по (n-1)-ю.
Прямой ток и ток заряда 1 LEDn от 1-й до (n-1) группы увеличиваются с ростом номера группы, при этом ток заряда k-1 группы превышает прямой ток k-1 группы. Таким образом, количество ступеней тока потребления равно (2n-1). При этом устройство обеспечивает малый угол отсечки тока потребления и низкий коэффициент гармоник уже при п=3, что решает проблемы с ЭМС.
Устройство охвачено общей обратной связью через резисторы 1R2… (n-1) R2, nR1, Rfb, которая обеспечивает компенсационный режим стабилизации суммарного светового потока от 1-й до n-й группы за счет пропорционального снижения тока, протекающего через светодиоды n-й группы при увеличении прямого тока в группах с 1-й по k-ю при протекании прямого тока и тока заряда в (k+1)-й группе. Таким образом, световой поток Ф LEDn от светодиодов n-й группы изменяется обратно пропорционально изменениям светового потока в группах от 1-й до (n-1), в результате чего суммарный световой поток Ф LEDE осветительного устройства остается постоянным (Фиг. 6).
Конденсаторы групп с 1-й по до (n-1)-ю подзаряжаются дважды за период выпрямленного напряжения в течение коротких интервалов, при этом пиковое напряжение на транзисторе ИТ3 k-й группы не превышает напряжения на конденсаторе (k+1)-й группы, что значительно снижает потери мощности в источниках тока заряда и увеличивает КПД.
Устройство не содержит индуктивных компонентов (трансформаторов, дросселей), не нуждается ф сетевых фильтрах, что значительно снижает его стоимость по сравнению с традиционными аналогами.
Осветительное устройство (Фиг. 5) содержит двухполупериодный выпрямитель переменного тока BR, последовательно соединенные светодиоды, разбитые на группы от 1-й до n-й LED1…LEDn и питающиеся выпрямленным напряжением, управляемые источники прямого тока на транзисторах 1VT2…nVT2, соединенные с катодами последних светодиодов в группах от 1-й до n-й группы с одной стороны и с минусом выпрямителя переменного тока с другой стороны, конденсаторы С1…Cn, соединенные через выпрямительные диоды 1VD1…nVD1 с катодами последних светодиодов в группах от 1-й до n-й группы а также с анодами первых светодиодов в группах от 1-й до n-й группы через выпрямительные диоды 1VD2…nVD2 с одной стороны и управляемыми источниками тока заряда на транзисторах 1VT1…nVT1 с другой стороны, схему управления, задающую требуемые значения токов источников тока, формирующую сигналы управления включением или отключением источников прямого тока и источников тока заряда конденсаторов и обеспечивающую последовательное подключение групп при увеличении или отключение групп при уменьшении выпрямленного напряжения.
В установившемся режиме конденсаторы С1…Cn заряжены до напряжения UkCl, несколько превышающего прямое падение напряжения ULED_k на светодиодах соответствующей группы к, например:
Когда выпрямленное напряжение достигает величины напряжения на конденсаторе 1С1, начинает протекать ток от плюса выпрямителя BR через светодиоды 1-й группы LED1, транзистор источника прямого тока (ИПТ) 1VT2, резисторы 1R2, Rfb к минусу выпрямителя. При этом ИПТ обеспечивает постоянство тока через светодиоды при изменении выпрямленного напряжения.
Когда выпрямленное напряжение достигает величины, равной сумме напряжений на конденсаторе 1С1 и прямого падения на светодиодах LED1, транзистор ИПТ 1VT2 закрывается и одновременно открывается транзистор источника тока заряда (ИТЗ) 1VT1. Ток протекает от плюса выпрямителя BR через светодиоды 1-й группы LED1, диод 1VD1, конденсатор 1С1, транзистор 1VT1, диод 1VD3, резисторы 1R2, Rfb к минусу выпрямителя. При этом конденсатор 1С1 заряжается постоянным стабилизированным током от сетевого напряжения.
Процесс аналогично продолжается, пока выпрямленное напряжение не достигнет величины, равной сумме напряжений на светодиодах от LED1 до LED (n-1) и конденсаторе пС1. В этот момент все транзисторы ИПТ 1VT2… (n-1) VT2 и 1VT1… (n-1) VT1 ИТЗ закрыты, открываются транзисторы ИПТ nVT2 и ИПЗ nVTl, через светодиоды групп от 1-й до (n-1)-й протекает ток, равный сумме токов заряда конденсатора пС1 и прямого тока n-й группы LEDn, пока выпрямленное напряжение не снизится ниже сумму напряжений на светодиодах от LED1 до LED(n-1) и конденсаторе пС1. В этот момент транзистор ИПЗ nVT1 закрывается и конденсатор nC1 начинает разряжаться от положительного электрода через диод nVD2, группу светодиодов LEDn, транзистор ИПТ nVT2, резистор nR1, антипараллельный диод транзистора nVT1 к минусовому электроду. При этом ИПТ поддерживает постоянный ток через группу LEDn. Одновременно, через группы светодиодов от 1-й до (n-1)-й протекает ток заряда конденсатора (n-1)C1. Далее, при снижении выпрямленного напряжения ниже сумме напряжений на светодиодах от LED1 до LED (n-1) и конденсаторе (n-1)С1, заряд конденсатора (n-1)С1 прекращается и прямой ток через группы светодиодов от 1-й до (n-1)-й протекает через ИПТ на транзисторе (n-1)VT1. При дальнейшем снижении выпрямленного напряжения происходит последовательное отключение ИТЗ и ток через светодиодные группы продолжает поддерживается за счет разряда соответствующих конденсаторов через ИПТ групп.
Когда выпрямленное напряжение падает ниже величины напряжения на конденсаторе 1С1, все группы светодиодов питаются от соответствующих конденсаторов групп от 1-й до n-ю. Этот процесс повторяется с периодом выпрямленного сетевого напряжения.
Для правильной работы устройства должны выполняться условия:
Схема управления устанавливает необходимые уровни токов в устройстве, осуществляет стабилизацию токов по сигналу обратной связи с датчика тока Rfb, может реализовывать функции управления световым потоком (диммирования), стабилизации мощности потребления в зависимости от изменения напряжения питания, температурной стабилизации и защиты от перегрева. 2. Осветительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит схему управления, задающую требуемые значения токов источников тока, формирующую сигналы управления включением или отключением транзисторов источников прямого тока и источников тока заряда конденсаторов и обеспечивающую последовательное подключение групп светодиодов при увеличении или отключение групп светодиодов при уменьшении выпрямленного напряжения,
В интервале, на котором выпрямленное напряжение больше или равно сумме прямых падений напряжений светодиодов групп от 1-й до k-й, но меньше суммы прямых падений напряжений светодиодов групп от 1-й до k-й и напряжения на конденсаторе k-й группы, через светодиоды групп от 1-й до k-й протекает постоянный прямой ток от первичной сети, равный току k-ой группы, а через светодиоды групп от (k+1)-й до n-й протекает постоянный прямой ток от накопительных конденсаторов каждой из групп через источники прямого тока, обеспечивающие индивидуальные токи в группах от (k+1)-й до n-й; в интервале, на котором выпрямленное напряжение больше или равно суммы прямых падений напряжений светодиодов групп от 1-й до k-й и напряжения на конденсаторе k-й группы но меньше суммы прямых падений напряжений светодиодов групп от 1-й до (k+1)-й через светодиоды групп от 1-й до k-й протекает ток заряда конденсатора k-ой группы через источник тока заряда, при этом источник прямого тока k-ой группы отключен; в интервале на котором выпрямленное напряжение меньше суммы прямых падений напряжений светодиодов k-й группы через светодиоды k-й группы протекает постоянный ток разряда соответствующего конденсатора k-й группы; ток, протекающий через конденсаторы n-й группы обратно пропорционален токам групп от 1-й до (n-1)-й, при этом осуществляется компенсация изменения светового потока от групп с 1-й до (n-1)-ю за счет соответствующего обратного изменения светового потока n-й группы, а суммарный световой поток светодиодов групп от 1-й до n-ю постоянен во времени и не зависит пульсаций выпрямленного напряжения, при этом мощность осветительного устройства не ограничена.
При увеличении выпрямленного напряжения от нуля до амплитудного значения прямой ток, протекающий через источники прямого тока и светодиоды групп от 1-й до n-й пропорционален выпрямленному напряжению, а переменный ток, потребляемый от первичной сети пропорционален сетевому напряжению.
Ток заряда конденсатора k-ой группы равен или больше прямого тока k-ой группы.
Конденсатор k-й группы заряжается до напряжения, превышающего сумму прямых напряжений на светодиодах k-й группы на величину, достаточную для поддержания постоянного тока в интервале его разряда через светодиоды k-й группы.
В интервале, на котором выпрямленное напряжение больше или равно сумме прямых падений напряжений светодиодов групп от 1-й до k-й и напряжения на конденсаторе k-й группы через светодиоды групп от 1-й до k-й протекает ток заряда конденсатора k-ой группы через источник тока заряда до тех пор, пока пиковое значение напряжения на нем не достигнет величины, необходимой для поддержания постоянного тока в интервале разряда конденсатора k-ой группы через источник прямого тока и светодиоды k-ой группы.
Ток заряда конденсатора тока k-ой группы равен или меньше прямого тока k-ой группы.
Схема управления контролирует включение или отключение источников тока заряда конденсаторов и прямого тока групп в соответствии с изменением выпрямленного напряжения.
Суммы прямых падений напряжений светодиодов в группах светодиодов с 1-й по (n-1)-ю равны или увеличиваются с ростом номера группы.
Ток, протекающий через светодиоды n-й группы обратно пропорционален токам, протекающим в группах с 1-й по (n-1) так, что увеличение светового потока k-й группы за счет увеличения соответствующего прямого тока k-й группы светодиодов компенсируется уменьшением светового потока n-й группы за счет уменьшения соответствующего прямого тока n-й группы светодиодов.
Ток разряда конденсатора в интервале автономного питания k-ой группы светодиодов протекает от положительного электрода конденсатора через светодиоды k-й группы, источник прямого тока, стабилизирующий постоянный ток светодиодов и диод, шунтирующий транзистор источника тока заряда, к отрицательному электроду конденсатора.