Интегральный светодиодный излучатель
INTEGRAL LED EMITTER

Техническое решение относится к светотехнике и позволяет осуществлять питание светодиодных светильников непосредственно от внешних бытовых электросетей.
Светодиоды в отличие от других излучающих свет приборов (электродуговых, люминесцентных ламп, ламп накаливания и т.д.) в общем случае не могут быть включены в бытовую сеть, поскольку являются «токовыми приборами». Для их нормальной и долговечной работы требуется выполнить ряд требований по электропитанию, главное из которых - обеспечение протекания через светодиод стабилизированного номинального тока. Ток должен быть постоянным и не зависеть от колебаний или изменений питающего напряжения.
Известны различные схемы питания светодиодов.
Наиболее простым решением для ограничения тока светодиода является резистор, включенный последовательно с светодиодом, однако такой вариант не слишком экономичен. Немалая часть подводимой мощности будет выделяться на этом резисторе в виде тепла. Чем меньше сопротивление резистора, тем больше он будет греться, так как напряжение на резисторе практически неизменно и приблизительно равно разности напряжения питания и падения напряжения на светодиоде, но и тем больше будет меняться ток светодиода при изменении его параметров, вызванных, например, изменениями температуры.
Другой способ питания — стабилизация тока через светодиод с помощью специальных устройств, называемых драйверами питания (LED drivers). Условно все эти драйверы можно разделить на простые - выполненные на одном - трёх транзисторах, и сложные - с применением специализированных микросхем.
Известны различные источники питания (драйверы) для светодиодов (см., например, патенты RU: 2518525, МПК H05B 33/08, опубликован 10.06.2014; 2462841, МПК H05B 33/08, H05B 37/02, опубликован 27.09.2012; 2385553, МПК H05B 33/02, опубликован 27.03.2010), содержащие большое количество радиоэлектронных компонентов, что делает их сложным в изготовлении.
В качестве наиболее близкого аналога принят светодиодный излучатель (см. патент RU 2550743, МПК H05B 37/02, опубликован 10.05.2015), содержащий N светодиодов и драйвер управления, положительный выходной полюс которого соединен с анодами светодиодов, причем в схему светодиодного излучателя введены N ключей и кольцевой генератор импульсов, имеющий N выходов, каждый из которых подключен к управляющим входам ключей, а катоды каждого из N светодиодов через силовые электроды ключей соединены с отрицательным выходным полюсом драйвера.
В данном светодиодном излучателе питание и управление N-м количеством светодиодов осуществляется с помощью всего лишь одного драйвера. Это снижает себестоимость и повышает технологичность и надежность устройства.
Однако само наличие драйвера в качестве источника питания светодиодов продолжает оставаться необходимым.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является возможность подключения и бесперебойной работы светодиодного излучателя непосредственно от электросети переменного тока.
Техническим результатом изобретения является возможность эксплуатации светодиодного излучателя с высоким КПД излучения напрямую от источников переменного тока без использования стабилизатора тока.
Технический результат достигается за счет того, что интегральный светодиодный излучатель содержит корпус с электрическими выводами для подключения к источнику питания и размещенные в корпусе и подключенные к электрическим выводам через выпрямитель светоизлучающий модуль и контроллер управления ключами, светоизлучающий модуль  представляет собой участок электрической цепи из последовательно соединенных N светодиодных элементов, каждый из которых содержит светодиодный блок  с определенным количеством светодиодов, последовательно соединенных внутри блока, и подключенный параллельно со светодиодным блоком ключ, контроллер имеет N+2 выводов, причем двумя выводами он соединен с электрическими выводами на корпусе, а каждый из остальных N выводов подключен к ключу соответствующего светодиодного элемента.
При этом светодиодный блок любого светодиодного элемента может содержать не менее двух параллельно соединенных участков электрической цепи, каждый - из одинакового количества последовательно соединенных светодиодов.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором показана электрическая схема светодиодного излучателя.
Интегральный светодиодный излучатель содержит корпус 1 с электрическими выводами 2 и размещенные в нем светоизлучающий модуль, состоящий из светодиодных элементов 3, включающих светодиодные блоки 4 и ключи 5, контроллер 6 и выпрямитель 7.
Работа заявляемого светодиодного излучателя происходит следующим образом.
Устройство через электрические выводы 2 подключают к источнику питания, например электросети однофазного переменного тока.
Разность потенциалов (далее, в общем случае, напряжение) на электрических выводах 2 излучателя изменяется от 0 до максимума по амплитуде два раза за период, направление тока меняется каждые полпериода.
Светоизлучающий модуль и контроллер 6 подключены к электрическим выводам 2 через выпрямитель 7, преобразующий входной переменный ток в постоянный. Для преобразования могут использоваться различные выпрямительные схемы, например диодный мост (на чертеже). Подключение контроллера 6 к электрическим выводам 2 позволяет ему с заданной частотой измерять мгновенное значение напряжения на входе в светоизлучающий модуль. Каждый из блоков 4 соответствующего светодиодного элемента 3 в светоизлучающем модуле содержит определенное количество последовательно соединенных светодиодов, причем это количество рассчитывается таким образом, чтобы сумма падений напряжений на участке цепи, образованном различными комбинациями последовательных соединений светодиодных блоков 4, перекрывала весь диапазон изменений напряжения на входе в светодиодный модуль (от 0 до максимума) с дискретностью, равной величине падения напряжения на единичном светодиоде (например, порядка 3 В для синих светодиодов).
Для расчета количества светодиодов в каждом из светодиодных блоков 4 возможно применение различных систем счисления. Применение какой-либо определенной системы счисления влияет (при условии заданного максимального напряжения в сети питания) только на общее количество светодиодов, используемых в конструкции излучателя, и количество N светодиодных блоков 4. Так, для максимальном напряжении на входе ≈325 В при использовании двоичной системы счисления необходимо 127 светодиодов (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64), а количество светодиодных блоков 4: N=7; при использовании десятичной – 199 светодиодов, а N=19 (9 светодиодных блоков, содержащих по 1 светодиоду, 9 блоков – по 10 светодиодов, 1 блок - 100 светодиодов).
Контроллер 6 осуществляет управление ключами 5 светодиодных элементов 3, размыкая или замыкая их, обеспечивая тем самым в каждый момент времени включение в цепь комбинации светодиодных блоков 4, соответствующей мгновенному напряжению на входе в светоизлучающий модуль.
Для увеличения светоизлучения какие-либо из светодиодных блоков 4 могут содержать две или более параллельных ветки из одинакового количества соединенных последовательно светодиодов.
max
В качестве примера рассмотрим описание работы в течение одного полупериода интегрального светодиодного излучателя с использованием синих светодиодов, количество которых для светодиодных блоков 4 рассчитано по двоичной системе счисления, например, от бытовой электросети однофазного переменного тока с действующим напряжением 230 В (соответственно U ≈325 В). Для такой сети излучатель должен будет содержать минимум N=6 светодиодных элементов 3, включающих параллельно соединенные с ключами 5 светодиодные блоки 4, содержащие последовательно соединенные светодиоды (в количестве 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64).
В начале периода напряжение на входе в светоизлучающий модуль составляет 0 В и начинает расти. Ключи 5 всех светодиодных блоков 4 за исключением блока, содержащего один светодиод, замкнуты по командам, поступившим через соответствующие управляющие выводы контроллера 6. Ключ светодиодного блока, содержащего один светодиод, разомкнут.
Разомкнутое состояние ключа 5 обеспечивает включение соответствующего ему (подключенного параллельно) светодиодного блока 4 в цепь (ток протекает через него); замкнутое – отключает соответствующий блок 4 от цепи (ток течет через замкнутую ключом перемычку, через блок 4 ток не течет, поскольку на выходах из блока в этот момент отсутствует достаточная разность потенциалов).
С ростом напряжения на входе в светоизлучающий модуль замкнутый в цепь блок 4, содержащий один светодиод, начинает светить (с момента, когда напряжение достигает нижнего порога рабочей зоны напряжения питания, ≈2,5 В, для синего светодиода).
Напряжение на входе продолжает расти, изменение его мгновенного значения «отслеживается» контроллером 6. В момент, когда это значение приближается к верхнему порогу рабочей зоны напряжения питания (≈3,5 В, для синего светодиода), контроллер 6 через соответствующие управляющие выводы меняет состояние ключей 5, замыкая ключ блока, содержащего один светодиод, и размыкая ключ блока, содержащего два светодиода.
При дальнейшем росте, а затем и падении напряжения на входе светоизлучающего модуля контроллером 6 при помощи размыканий/замыканий определенных ключей 5 производятся включения в цепь/отключения от цепи соответствующих светодиодных блоков 4, так что в каждый момент времени общее количество последовательно включенных в цепь светодиодов такое, что их суммарное напряжение питания равно мгновенному напряжению на входе в светоизлучающий модуль.
Например, когда значение напряжения на входе равно:
- 70 В, в цепь подключены светодиодные блоки 4, содержащие восемь и шестнадцать светодиодов (суммарное напряжение питания ≈72 В);
- 200 В - светодиодные блоки 4, содержащие один, два и шестьдесят четыре светодиода (≈201 В);
- 283 В - светодиодные блоки 4, содержащие один, два, четыре, восемь, шестнадцать и шестьдесят четыре светодиода (≈285 В).
Заявляемый интегральный светодиодный излучатель технологичен в изготовлении, может быть запитан напрямую от сети переменного тока и эксплуатироваться таким образом в течение длительного времени, обеспечивая высокий КПД излучения.