СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
LED LIGHTING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение описывает светодиодное (LED) осветительное устройство и способ возбуждения светодиодного осветительного устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Светодиоды находят все более широкое применение в качестве источников света и являются привлекательными из-за их длительного срока службы и низкого энергопотребления. Некоторое количество светодиодов - вместе с схемой возбуждения - может быть встроено в «модернизированную» электрическую лампу для замены менее энергоэффективного источника света, например, лампы накаливания. Лампа накаливания может возбуждаться прямо от переменного сетевого напряжения, например, 240 В. Галогенная лампа обычно возбуждается от трансформатора, который обеспечивает постоянное входное напряжение, например, 12 В или 24 В. Общепринятые лампы могут регулироваться по силе света с использованием различных технологий, таких как регулирование силы света с помощью фазовой отсечки. Например, лампа (лампы) накаливания осветительного прибора может регулироваться по силе света посредством регулятора силы света с фазовой отсечкой, встроенного в настенный переключатель для этого осветительного прибора. Подобным образом, источник питания для галогенного источника света может включать в себя трансформатор, а также регулятор силы света.
Существуют различные пути обеспечения того, чтобы светодиодная модернизированная лампа могла быть использована с существующими осветительными приборами. Например, возбудитель светодиодов может быть выполнен с возможностью преобразования входного сетевого сигнала переменного тока в соответствующие сигналы постоянного тока для его светодиодной нагрузки. Однако такие возбудители могут быть очень сложными и могут значительно увеличивать стоимость лампы.
Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение альтернативного способа регулирования силы света светодиодов осветительного устройства.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения достигается посредством светодиодного осветительного устройства по пункту 1 формулы изобретения; и посредством способа возбуждения светодиодного осветительного устройства по пункту 13 формулы изобретения.
Согласно настоящему изобретению, светодиодное осветительное устройство содержит светодиодную нагрузку с некоторым количеством светодиодов; входные контакты для соединения с источником питания, выполненным с возможностью подачи первичного входного напряжения на осветительное устройство; модуль подъема напряжения, выполненный с возможностью подъема первичного входного напряжения до уровня выше номинального рабочего напряжения на основе входного сигнала уровня регулирования силы света; и модуль регулирования силы света, выполненный с возможностью уменьшения тока через светодиоды (т.е. «тока светодиодов»), когда поднятое входное напряжение превышает уровень первичного входного напряжения.
Светодиодная нагрузка может содержать один или несколько светодиодных источников света, например, один или несколько светодиодных полупроводниковых приборов, установленных в любой подходящей конфигурации на монтажной плате. В контексте настоящего изобретения, выражение «уровень первичного входного напряжения» следует понимать как расчетное или номинальное напряжение светодиодной нагрузки, т.е. максимальное напряжение, которое следует прикладывать к светодиодной нагрузке. Например, светодиод может иметь прямое напряжение, равное около 3,0 В. Номинальное напряжение светодиодной нагрузки, содержащей три таких светодиода, будет равно 9 В. Источник питания должен подавать 9 В - «уровень первичного входного напряжения» - а также некоторое дополнительное напряжение, как будет объяснено ниже. В контексте настоящего изобретения можно считать, что источник питания является источником питания постоянного тока, выполненным с возможностью подачи постоянного напряжения на входные контакты светодиодного осветительного устройства.
Одно преимущество светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению состоит в том, что функция регулирования силы света может быть обеспечена для светодиодной нагрузки с относительно небольшими усилиями. Светодиодное осветительное устройство может быть соединено напрямую с любым подходящим источником питания постоянного тока, а также с уже существующим регулятором силы света посредством входного сигнала уровня регулирования силы света. Кроме того, как будет объяснено ниже, модуль регулирования силы света может быть выполнен с возможностью всегда обеспечивать то, чтобы ток светодиодов не превышал некоторого уровня возбуждения, что защищает светодиоды от теплового повреждения. Таким образом, светодиодное осветительное устройство согласно настоящему изобретению представляет собой привлекательную альтернативу для низковольтной замены или «модернизации» ламп, таких как лампы MR16, в сочетании с существующим регулятором силы света осветительного прибора. Модернизированная лампа должна быть совместимой с прибором, с которым она будет использоваться, и светодиодное осветительное устройство согласно настоящему изобретению может быть выполнено с возможностью обеспечения этой совместимости, но со значительно меньшими усилиями и затратами, чем в случае применения известных решений. Другое преимущество светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению состоит в том, что предлагаемые схемы могут быть реализованы в очень компактном виде, так что возможны даже миниатюрные модернизированные лампы - такие как свечеобразные лампы. Технология настоящего изобретения для регулирования в сторону уменьшения или уменьшения тока светодиодов в ответ на поднятое входное напряжение называется ниже «регулированием силы света с использованием обратного напряжения». Таким образом, светодиодное осветительное устройство согласно настоящему изобретению может быть выполнено с возможностью поддержки функции регулирования силы света без какой-либо нежелательной электромагнитной помехи (electromagnetic interference - EMI) или слышимого гудения, связанного со схемами регулирования силы света с использованием широтно-импульсной модуляции (pulse-width modulation - PWM).
Согласно настоящему изобретению, способ возбуждения светодиодного осветительного устройства содержит этап соединения светодиодного осветительного устройства с источником питания, выполненным с возможностью подачи первичного входного напряжения на осветительное устройство, которое имеет один или несколько светодиодов в качестве светодиодной нагрузки; этап подачи входного сигнала уровня регулирования силы света на светодиодное осветительное устройство для указания уровня регулирования силы света; этап подъема первичного входного напряжения до уровня выше номинального рабочего напряжения на основе входного сигнала уровня регулирования силы света; и этап уменьшения тока через светодиоды светодиодной нагрузки, когда поднятое входное напряжение превышает уровень первичного входного напряжения.
Преимущество способа согласно настоящему изобретению состоит в том, что он позволяет светодиодному осветительному устройству быть соединенным с существующим источником питания постоянного тока и существующим регулятором силы света, и позволяет регулировать силу света светодиодов очень прямым способом. Независимо от типа используемого регулятора силы света, способ регулирования силы света с использованием обратного напряжения согласно настоящему изобретению позволяет регулировать ток через светодиоды очень прямым способом для достижения желаемого уровня светового выхода.
Зависимые пункты формулы изобретения и нижеследующее описание раскрывают особенно предпочтительные варианты осуществления и признаки настоящего изобретения. Признаки вариантов осуществления могут быть объединены при необходимости. Признаки, описанные в контексте одной категории пунктов формулы изобретения, могут равным образом применяться к другой категории пунктов формулы изобретения.
Входной сигнал регулирования силы света может быть интерпретирован при необходимости для использования в качестве управляющего сигнала для обеспечения соответствующего поднятого напряжения. Например, регулятор силы света может работать на основе потенциометра, который доставляет входной сигнал уровня регулирования силы света в форме напряжения в диапазоне между низким напряжением и высоким напряжением, соответствующем диапазону регулирования силы света между низким установочным параметром регулирования силы света и высоким установочным параметром регулирования силы света. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, светодиодное осветительное устройство содержит схему сопряжения для преобразования входного сигнала уровня регулирования силы света в управляющий сигнал модуля подъема напряжения. Далее можно считать, что полный световой выход соответствует уровню регулирования силы света, равному 0%, в то время как нулевой световой выход соответствует уровню регулирования силы света, равному 100%. Полный световой выход достигается, когда ток светодиодов находится на своем номинальном уровне возбуждения; нулевой световой выход достигается, когда ток светодиодов уменьшается до уровня, при котором светодиоды являются по существу «выключенными». Способ согласно настоящему изобретению отличается от сравнимых известных способов регулирования силы света тем, что увеличенное входное напряжение приводит к уменьшенному световому выходу; а уменьшенное входное напряжение приводит к увеличенному световому выходу.
Модуль подъема напряжения может содержать любые схемы, которые способны преобразовывать входное напряжение в более высокое выходное напряжение. Например, входное напряжение может быть поднято с использованием любой из различных топологий режимов переключения, таких как повышающий преобразователь, обратноходовой преобразователь, преобразователь с несимметричной индуктивностью первичной обмотки, и т.д. Входное напряжение может быть приложено к входным штырям (положительному входному штырю и отрицательному входному штырю) модуля подъема напряжения, и более высокое выходное напряжение может быть обеспечено на выходных штырях (одном положительном выходном штыре и одном отрицательном выходном штыре) модуля подъема напряжения.
В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, модуль подъема напряжения содержит повышающий преобразователь. В такой реализации, схема сопряжения может преобразовать входной сигнал уровня регулирования силы света в управляющий сигнал переключателя для управления переключателем повышающего преобразователя. Например, управляющий сигнал переключателя, полученный из входного сигнала уровня регулирования силы света, может устанавливать рабочий цикл переключателя повышающего преобразователя. В такой реализации, модуль подъема напряжения является активным только во время регулирования силы света, и остается неработающим, когда светодиодная нагрузка возбуждается на полной мощности (световой выход 100%). Преимущество этой реализации состоит в том, что может быть использован относительно дешевый серийный или стандартный источник питания.
Предпочтительно, модуль подъема напряжения выполнен с возможностью подъема первичного входного напряжения прямо пропорционально увеличению уровня регулирования силы света, т.е. поднятое напряжение увеличивается, когда уровень регулирования силы света увеличивается (т.е. при уменьшении желаемого уровня светового выхода). В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, модуль подъема напряжения выполнен с возможностью подъема первичного входного напряжения до максимального уровня подъема для входного сигнала уровня регулирования силы света, соответствующего максимальному уровню регулирования силы света. Другими словами, уровень регулирования силы света, равный 100%, (нулевой световой выход) приводит к увеличению напряжения до максимального уровня подъема, таким образом, модуль подъема напряжения не будет прикладывать напряжение, большее, чем этот максимальный уровень подъема, к модулю регулирования силы света. Напряжение от источника питания может быть, таким образом, увеличено в пределах «диапазона подъема» от уровня первичного входного напряжения до максимального уровня подъема. В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, модуль подъема напряжения выполнен с возможностью подъема первичного входного напряжения в пределах диапазона, равного 3 В. Например, серийный источник питания постоянного тока может обеспечить 12 В на его выходе. Светодиодная нагрузка осветительного устройства согласно настоящему изобретению может содержать 4 светодиода, каждый из которых имеет номинальное напряжение, равное 3 В. Модуль подъема напряжения обеспечивает увеличение напряжения вплоть до 3 В для модуля регулирования силы света, который, в свою очередь, реагирует на разницу между уровнем поднятого напряжения и уровнем первичного напряжения уменьшением тока светодиодов на величину, которая пропорциональна этой разнице. Например, если существует только малая разница между уровнем поднятого напряжения и уровнем первичного напряжения, то ток светодиодов будет уменьшен только на малую величину (что, соответственно, приводит к малому уменьшению светового выхода); если существует только большая разница между уровнем поднятого напряжения и уровнем первичного напряжения, то ток светодиодов будет уменьшен в соответствующей степени (что приводит к значительному уменьшению светового выхода). Предпочтительно, модуль регулирования силы света выполнен с возможностью уменьшения тока светодиодов до нуля по мере того, как поднятое входное напряжение приближается к максимальному уровню подъема, т.е. световой выход регулируется (уменьшается) на 100%.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, модуль регулирования силы света выполнен с возможностью поддержания тока светодиодов на максимальном или номинальном уровне возбуждения, когда поднятое входное напряжение не превышает уровня первичного входного напряжения. Максимальный или номинальный уровень возбуждения является, таким образом, наивысшим значением тока светодиодов, который будет проходить через светодиоды, соответствующим току, который может протекать через ту же самую светодиодную нагрузку при прямом возбуждении от того же самого источника питания. Другими словами, модуль подъема напряжения поднимает входное напряжение на ноль вольт, когда входной сигнал уровня регулирования силы света указывает на регулирование силы света, равное 0% (т.е. световой выход, равный 100%), таким образом, модуль регулирования силы света остается «неактивным», и ток светодиодов остается на номинальном уровне возбуждения.
Светодиодная нагрузка будет излучать свет, когда напряжение на светодиодной нагрузке превысит некоторый минимум. Ток светодиодов зависит от напряжения на светодиодах, и световой выход по существу следует за током светодиодов. В общем, входное напряжение не должно превышать расчетного уровня напряжения, поскольку избыточно высокий ток светодиода в конечном счете уменьшает срок службы светодиода. По этим причинам важно, чтобы ток светодиодов не превышал рекомендуемого уровня возбуждения. Это может быть обеспечено несколькими путями. В одном подходе, током светодиодов можно управлять относительно прямым способом с использованием полупроводникового переключателя, такого как биполярный транзистор (bipolar junction transistor - BJT), подключенный последовательно со светодиодной нагрузкой, и посредством приложения подходящего напряжения к базе BJT для регулирования величины тока, пропускаемого переключателем. Схема управления током регулирует напряжение базы BJT для обеспечения того, чтобы ток светодиодов оставался по существу постоянным для входного напряжения вплоть до расчетного или номинального уровня. В общепринятой схеме, когда входное напряжение превышает расчетное напряжение, ток светодиодов остается постоянным, и избыточная мощность рассеивается схемой управления током.
Такой общепринятый подход управления связан с нежелательными высокими потерями. В светодиодном осветительном устройстве согласно настоящему изобретению, напротив, модуль регулирования силы света обеспечивает то, что ток светодиодов уменьшается, когда входное напряжение возрастает выше уровня первичного или номинального входного напряжения. Это может быть обеспечено несколькими путями. Например, микропроцессор может быть использован для контроля входного напряжения и для регулирования тока светодиодов согласно принципу «регулирования силы света с использованием обратного напряжения» настоящего изобретения. Однако в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, модуль регулирования силы света содержит схему управления током, содержащую вход опорного сигнала и вход переменного сигнала, и схема управления током выполнена с возможностью регулирования тока светодиодов посредством первого полупроводникового переключателя согласно разнице между опорным входным сигналом и переменным входным сигналом. Кроме того, модуль регулирования силы света содержит схему контроля напряжения, выполненную с возможностью генерирования переменного входного сигнала для схемы управления током на основе поднятого входного напряжения. С использованием этой предпочтительной реализации, детектируют увеличение напряжения выше уровня первичного напряжения, и ток светодиодов регулируют в сторону уменьшения в ответ на более высокое входное напряжение. Схема управления током и схема контроля напряжения могут быть спроектированы с использованием аналоговых компонентов, что обеспечивает предпочтительную компактную реализацию. Таким образом, с относительно небольшими усилиями и низкими затратами, возможно обеспечение светодиодного осветительного устройства, которое является совместимым с существующими схемами, например, с осветительным прибором, включающим в себя унаследованный высокочастотный трансформатор для галогенной лампы, регулятор силы света с фазовой отсечкой и т.д.
Предпочтительно, схема контроля напряжения выполнена с возможностью увеличения уровня напряжения переменного входного сигнала схемы управления током, когда входное напряжение превышает уровень первичного входного напряжения. Это может быть обеспечено с использованием любых подходящих схем. В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, схема контроля напряжения содержит программируемый шунтовой регулятор для выполнения этой функции. Программируемый шунтовой регулятор предпочтительно соединен через свой катод с положительным выходным штырем повышающего преобразователя. Соединение замкнутой обратной связи с опорным контактом шунтового регулятора и его анодом образовано делителем напряжения. Посредством соответствующего выбора значений резисторов, делитель напряжения может устанавливать верхний пороговый уровень, за пределами которого должно начинаться регулирование тока в сторону уменьшения. Далее, уровень первичного входного напряжения может также называться «уровнем запуска регулирования силы света», поскольку ток светодиодов уменьшается, когда входное напряжение превышает этот уровень, в результате чего световой выход будет регулироваться в сторону уменьшения.
Существуют различные возможные пути осуществления управления током светодиодов на основе опорного входного сигнала и управляющего входного сигнала. Однако в особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, регулятор тока содержит компаратор, выполненный с возможностью сравнения переменного входного сигнала с опорным входным сигналом и, причем, коэффициент усиления компаратора управляется входным напряжением. Например, может быть использован операционный усилитель с односторонним питанием, причем его положительный контакт питания соединен с положительным выходным штырем повышающего преобразователя. Амплитуда выходного сигнала операционного усилителя будет зависеть от разницы между его входными сигналами, а также от его коэффициента усиления, который, в этой конфигурации, определяется входным напряжением.
Во время «нормальной» работы светодиодного осветительного устройства, входное напряжение не будет превышать уровня первичного входного напряжения. Переменный входной сигнал регулятора тока будет, таким образом, обеспечивать меру тока через светодиоды посредством токочувствительного резистора. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, компаратор будет действовать при этих обстоятельствах для настройки напряжения вывода базы BJT для поддержания тока светодиодов по существу на постоянном уровне возбуждения. После превышения входным напряжением уровня первичного входного напряжения или уровня запуска регулирования силы света, компаратор будет действовать для настройки напряжения вывода базы BJT для уменьшения тока светодиодов. Например, для переключателя с NPN-транзистором, уменьшение напряжения вывода базы уменьшит ток через переключатель и, таким образом, также уменьшит ток светодиодов.
Ток светодиодов может регулироваться любым подходящим способом, когда входное напряжение превышает уровень запуска регулирования силы света. Например, ток светодиодов может быть уменьшен пошаговым способом, когда входное напряжение увеличивается выше уровня запуска регулирования силы света. В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, ток светодиодов уменьшают по существу линейно, когда входное напряжение поднимается выше уровня запуска регулирования силы света. Таким образом, ток светодиодов непрерывно уменьшается, когда поднятое напряжение непрерывно увеличивается.
Предпочтительно, регулятор тока и устройство контроля напряжения выполнены с возможностью обеспечивать уменьшение тока светодиодов до нуля по мере того, как поднятое входное напряжение приближается к максимальному значению. Другими словами, выше некоторого уровня поднятого напряжения, светодиодная нагрузка полностью уменьшает силу света и не излучает свет.
Светодиодное осветительное устройство согласно настоящему изобретению предпочтительно реализовано в виде модернизированной светодиодной лампы с соединителем для вставки в патрон осветительного прибора, питаемого энергией от источника питания постоянного тока. Соединитель может быть любым стандартным соединителем, таким как двухштырьковый, байонетный или резьбовой соединитель. Например, светодиодное осветительное устройство согласно настоящему изобретению может быть реализовано в виде лампы MR 16 с соединителем GU 10 для замены галогенной лампы.
Источник питания для светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению должен подавать напряжение для возбуждения светодиодов, а также достаточное «запасное» напряжение для удовлетворительного регулирования тока. Модуль регулирования силы света светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению может потребовать около 0,5-1,0 В, а также следует учитывать потери напряжения в электропроводке и в любых диодах обратной полярности. В общем, следует обеспечить дополнительное или запасное напряжение, равное 3 В.
Эффективность светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению будет зависеть в большой степени от источника питания и количества светодиодов, используемых в светодиодной нагрузке. Например, при использовании серийного источника питания на 24 В и последовательности из шести светодиодов, каждый из которых имеет прямое напряжение, равное 3 В, 18,0 В (шесть раз по 3,0 В) источника питания могут быть эффективно использованы для светового выхода. Номинальное или расчетное напряжение светодиодной нагрузки является верхним пороговым уровнем. Таким образом, в приведенном выше примере, верхний пороговый уровень или уровень запуска регулирования силы света составляет 18,0 В. Остальное дополнительное напряжение, равное 3,0 В, может быть использовано модулем регулирования силы света для осуществления им регулирования тока. Эффективность такой схемы составляет 75% (18, деленное на 24).
При использовании семи светодиодов на 3,0 В, общее напряжение светодиодов составляет 21,0 В (семь раз по 3,0 В). Эффективность в этом случае является предпочтительно высокой и равной 87,5% (21, деленное на 24). В этом примере, верхний пороговый уровень или уровень запуска регулирования силы света составляет 21,0 В.
Другие цели и признаки настоящего изобретения станут понятными из нижеследующего подробного описания, приведенного в сочетании с сопутствующими чертежами. Следует понимать, однако, что чертежи разработаны исключительно в целях иллюстрации, а не для определения пределов настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 является схемой первого варианта осуществления светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2 показывает график, иллюстрирующий работу светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 3 является схемой второго варианта осуществления светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 4 показывает возможный вариант осуществления модуля регулирования силы света светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 5 является схематичным представлением светодиодного осветительного устройства настоящего изобретения, реализованного в виде модернизированной лампы;
Фиг. 6 является схематичным представлением третьего варианта осуществления светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению.
На чертежах, одинаковые ссылочные позиции везде относятся к одинаковым объектам. Объекты в схемах не обязательно приведены в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PS
hi
lo
PS
hi
lo
Фиг. 1 является блок-схемой одного варианта осуществления светодиодного осветительного устройства 1 согласно настоящему изобретению. Схема показывает светодиодное осветительное устройство 1, соединенное с источником 2 питания постоянного тока, который подает постоянное напряжение U с фиксированным или первичным уровнем напряжения. Выходные контакты источника 2 питания соединены с входными контактами 14, 14 светодиодного осветительного устройства 1. Светодиодное осветительное устройство 1 содержит светодиодную осветительную нагрузку 10, которая в этом случае состоит из последовательности или последовательной компоновки мощных светодиодов 100. Светодиоды предпочтительно все имеют одинаковое номинальное или расчетное напряжение. Как уже описано выше, светодиоды 100 будут излучать световой выход 100% при подаче на них достаточно высокого напряжения, т.е. напряжения, по меньшей мере в n раз большего номинального напряжения светодиода, для последовательности из n светодиодов 100. В этом варианте осуществления предполагается, что постоянное напряжение U, приложенное к входными контактам 14, 14 светодиодного осветительного устройства 1, является достаточно высоким для достижения светового выхода 100%, а также обеспечивает дополнительное напряжение, равное нескольким вольтам, для регулирования тока.
PS
LED
boost
Светодиодное осветительное устройство 1 содержит повышающий преобразователь 11, который выполнен с возможностью подъема входного напряжения U до уровня выше уровня первичного входного напряжения согласно входному сигналу 30 уровня регулирования силы света, и модуль 12 регулирования силы света, выполненный с возможностью уменьшения тока I светодиодов через светодиодную нагрузку 10, когда поднятое напряжение U превышает уровень первичного входного напряжения.
boost
PS
boost
PS
boost
max
boost
Принцип работы светодиодного осветительного устройства 1 показан на фиг. 2. Здесь, график 20 показывает световой выход [%] в зависимости от напряжения U, приложенного к модулю 12 регулирования силы света. Вплоть до уровня V первичного входного напряжения, световой выход составляет 100%, или полный световой выход. Когда напряжение U, приложенное к модулю 12 регулирования силы света, увеличивается выше уровня V первичного входного напряжения, световой выход начинает уменьшаться. Когда напряжение U, приложенное к модулю 12 регулирования силы света, приближается к максимуму V, световой выход приближается к нулю. Другими словами, для уменьшения светового выхода светодиодной нагрузки, напряжение U, приложенное к модулю 12 регулирования силы света, увеличивается. Это является принципом «регулирования силы света с использованием обратного напряжения» настоящего изобретения.
LED
Повышающий преобразователь 11 и модуль 12 регулирования силы света предпочтительно выполнены с возможностью соответствия друг другу по характеристикам, например, таким образом, чтобы повышающий преобразователь 11 был выполнен с возможностью увеличения напряжения в пределах некоторого интервала 200 или диапазона 200, и модуль 12 регулирования силы света (который возбуждается от выходного контакта повышающего преобразователя 11) был выполнен с возможностью уменьшения тока I светодиодов в пределах полного диапазона регулирования силы света от уровня возбуждения (световой выход 100%) до выключения (световой выход 0%).
boost
boost
PS
boost
max
В иллюстративном варианте осуществления, показанном на фиг. 1, преобразователь 13 уровня регулирования силы света преобразует входной сигнал 30 уровня регулирования силы света в управляющий сигнал 300 для повышающего преобразователя 11. Одна возможная реализация показана на фиг. 3. Здесь, повышающий преобразователь 11 содержит хорошо известную схему из индуктора L, переключателя S, диода D, и конденсатора C. Переключатель S обычно реализуют с использованием MOSFET, поскольку этот тип транзистора может переключаться очень быстро. Посредством управления частотой, с которой переключатель S открывается и закрывается (т.е. посредством управления его рабочим циклом), во время непрерывного режима работы повышающего преобразователя 11, можно устанавливать уровень выходного напряжения U, которое может быть накоплено на конденсаторе C. Предпочтительно, преобразователь 13 уровня регулирования силы света преобразует установочный параметр регулирования силы света (от 0% до 100%) в рабочий цикл (от 0 до 1). При рабочем цикле, равном 0, выходное напряжение U будет по существу соответствовать уровню V первичного входного напряжения; при рабочем цикле, равном 1, выходное напряжение U будет находиться на максимальном уровне V.
sense
Фиг. 4 является принципиальной схемой, показывающей возможный вариант осуществления модуля 12 регулирования силы света светодиодного осветительного устройства согласно настоящему изобретению. Модуль 12 регулирования силы света содержит схему 17 контроля напряжения и схему 16 управления током. Светодиодная нагрузка 10 соединена последовательно с первым полупроводниковым переключателем Q1 и токочувствительным резистором R. В этом иллюстративном варианте осуществления, первый полупроводниковый переключатель Q1 является NPN BJT, и его вывод базы соединен с выходом схемы 16 управления током.
boost
Схема 16 управления током содержит операционный усилитель 160 и второй полупроводниковый переключатель Q2. Вход 161 опорного сигнала операционного усилителя 160 соединен с постоянным напряжением, т.е. опорным уровнем (указанным символом источника напряжения). Положительный контакт питания операционного усилителя 160 соединен с положительным выходным контактом повышающего преобразователя, который прикладывает поднятое входное напряжение U к модулю 12 регулирования силы света. Отрицательный контакт питания операционного усилителя 160 соединен с заземлением.
sense
sense
LED
boost
PS
sense
Размер токочувствительного резистора R определяет стандартный или номинальный ток возбуждения светодиода. Токочувствительный резистор R помогает в регулировании тока I светодиодов до по существу постоянного уровня возбуждения во время нормальной работы осветительного устройства, т.е. когда поднятое входное напряжение U не является большим, чем уровень V первичного входного напряжения. Для этой цели, токочувствительный резистор R соединен через узел N с входом 162 управления схемы 16 управления током, т.е. с входом 162 переменного сигнала операционного усилителя 160.
boost
LED
boost
LED
Узел N также соединен со схемой 17 контроля напряжения, которая реализована с использованием программируемого шунтового регулятора 170. Поскольку входное напряжение U является меньшим, чем уровень, установленный схемой R1, R2 делителя напряжения, напряжение на узле N (и, таким образом, «уровень управления током» входа 162 управления операционного усилителя 160) будет изменяться только в ответ на изменение тока I светодиодов. Операционный усилитель 160 реагирует на любую небольшую разницу между напряжениями на входе 161 опорного сигнала и входе 162 управления настройкой напряжения вывода базы второго транзисторного переключателя Q2, в результате чего непрямо настраивается напряжение вывода базы первого полупроводникового переключателя Q1. Таким образом, поскольку входное напряжение U находится на номинальном уровне для этой светодиодной нагрузки 10, ток I светодиодов будет оставаться на по существу постоянном уровне возбуждения, и световой выход будет также оставаться по существу постоянным на уровне 100%. Верхний пороговый уровень или уровень запуска регулирования силы света является номинальным или расчетным напряжением для светодиодной нагрузки 10.
sense
in
sense
sense
LED
LED
Поведение замкнутого контура схемы, содержащей токочувствительный резистор R, операционный усилитель 160 и второй транзисторный переключатель Q2, всегда старается поддерживать напряжение на входе 162 управления равным напряжению на входе 161 опорного сигнала или «уровню управления током». Другими словами, поведение замкнутого контура обеспечивает коррекцию напряжения на уровне управления током, чтобы сделать его равным опорному напряжению. Когда входное напряжение U увеличивается выше порогового напряжения, шунтовый регулятор 170 схемы 17 контроля напряжения будет увеличить свой проходящий ток. Этот проходящий ток будет увеличивать напряжение на узле N, поскольку он создает дополнительное падение напряжение (указанное стрелкой) на резисторе R4 и токочувствительном резисторе R. Другими словами, шунтовый регулятор 170 будет повышать напряжение на входе 162 управления выше опорного уровня. В результате, ток через токочувствительный резистор R должен уменьшиться для приведения напряжения на входе 162 управления обратно к опорному уровню. Увеличенное напряжение на входе 162 управления операционного усилителя 160 увеличивает напряжение на базе второго транзисторного переключателя Q2 таким образом, что это обеспечивает больший сток тока, в результате чего уменьшается напряжение на выводе базы первого транзисторного переключателя Q1 и уменьшается ток I светодиодов. Уменьшение тока I светодиодов приводит к уменьшенному или отрегулированному в сторону уменьшения световому выходу. Схема 16 управления током эффективно реагирует на изменение падения напряжения между узлом N и заземлением, как указано стрелкой, и старается поддерживать напряжения на входе 161 опорного сигнала и входе 162 управления на одинаковом уровне.
sense
LED
LED
LED
in
Резистор R4 выбирают таким образом, чтобы он был большим, чем токочувствительный резистор R, для обеспечения того, чтобы малый ток, протекающий через шунтовый регулятор 170, создавал большое падение тока I светодиодов. Таким образом, общий ток через схему будет уменьшаться. Процесс уменьшения тока I светодиодов, когда входное напряжение увеличивается, будет продолжаться до тех пор, пока первый транзисторный переключатель Q1 не будет по существу выключен, что приведет к световому выходу 0% (регулирование силы света на 100%). В то время как ток светодиодов регулируется в сторону уменьшения посредством «регулирования силы света с использованием обратного напряжения», рассеяние мощности первого транзистора Q1 будет также уменьшаться, и упадет до 0 Вт, когда ток I светодиодов достигнет 0 мА. Уровень запуска регулирования силы света, т.е. уровень входного напряжения U, при котором начинается «регулирование силы света» светодиодной нагрузки 10, может быть установлен посредством выбора подходящих значений резисторов R1, R2, R3, R4.
Фиг. 5 является схематичным представлением светодиодного осветительного устройства 1 согласно настоящему изобретению, реализованного в виде модернизированной лампы. Здесь, светодиоды 100 светодиодной нагрузки установлены в корпусе 50 лампы с отражателем. Схемы управления - модуль 11 подъема напряжения и модуль 12 регулирования силы света - светодиодного осветительного устройства 1 расположены соответствующим образом в основании корпуса 50. Модернизированная лампа может иметь подходящий соединительный интерфейс 51, показанный в этом примере в виде двухштырькового соединителя 51. Схемы управления светодиодного осветительного устройства 1 согласно настоящему изобретению могут быть очень компактными, таким образом, возможны модернизированные миниатюрные лампы.
boost
Фиг. 6 является схематичным представлением осветительного прибора 6, содержащего несколько модернизированных свечеобразных ламп 60. Каждая модернизированная свечеобразная лампа 60 может содержать миниатюрный корпус 60, окружающий один или несколько светодиодов 100 и схемы управления, содержащие модуль 12 регулирования силы света, расположенный в основании корпуса 60 лампы. В этом варианте осуществления, обычный повышающий преобразователь 11 расположен в физически отдельной схеме 61 возбуждения, которая выполнена с возможностью преобразования входного сетевого сигнала переменного тока в подходящий входной сигнал постоянного тока, который, в свою очередь, может быть поднят по напряжению до выходного напряжения U в ответ на входной сигнал 30 регулирования силы света для осветительного прибора 6 в виде канделябра. Преобразователь 13 сигнала регулирования силы света преобразует входной сигнал 30 регулирования силы света в управляющий сигнал переключателя повышающего преобразователя 11. Входной сигнал 30 регулирования силы света может быть беспроводным сигналом, исходящим от ручного регулятора 7, такого как смартфон и т.д., с программным «регулятором» 3 силы света, инсталлированным в качестве приложения регулирования силы света. Технология управления светодиодами, описанная в контексте настоящего изобретения, может быть в высокой степени миниатюризирована, особенно по сравнению с известными регулируемыми по силе света свечеобразными лампами, работающими от сетевого напряжения. Эта миниатюрная реализация может обеспечивать очень привлекательную конструкцию лампы. При дополнительной разработке, блок 61 силового преобразователя может быть расположен незаметно в центральном местоположении осветительного прибора, например, в подвесном устройстве люстры.
Хотя настоящее изобретение было раскрыто в форме предпочтительных вариантов осуществления и их вариантов, следует понимать, что множественные дополнительные модификации и изменения могут быть реализованы в этом отношении, не выходя за рамки объема настоящего изобретения. Например, принцип «регулирования силы света с использованием обратного напряжения» может быть использован с источником питания, который имеет номинальное выходное напряжение выше уровня «регулирования силы света на 100%», описанного выше, т.е. источник питания подает напряжение, которое превышает сумму напряжения светодиодов, дополнительного напряжения и диапазона управления - для семи светодиодов на 3 В, источник питания на 28 В обеспечивает 21,0 В для светодиодов, 3,0 В для дополнительного напряжения, и несколько вольт для управления током. Полное регулирование силы света (световой выход 0%) может быть при 27,0 В. Для регулирования силы света до некоторого уровня светового выхода, выходное напряжение должно быть отрегулировано в сторону уменьшения (с использованием подходящей схемы уменьшения напряжения, такой как понижающий преобразователь, обратноходовой преобразователь, и т.д.). Например, для регулирования силы света до 70%, напряжение может быть отрегулировано в сторону уменьшения приблизительно до 25,0 В. Такой вариант осуществления может потребовать нестандартного источника питания, что может увеличить общую стоимость. Схема уменьшения напряжения может быть активной в режиме без регулирования силы света, что увеличивает энергопотребление.
Для ясности следует понимать, что использование единственного числа везде в этой заявке не исключает множественного числа, а слово «содержащий» не исключает других этапов или элементов. Упоминание одного «блока» или одного «модуля» не исключает использования более одного блока или модуля.