ДРАЙВЕР СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП С РЕЗИСТИВНОЙ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ

Настоящее устройство относится к драйверам светодиодных ламп, работающим напрямую от выпрямленного диодным мостом сетевого напряжения переменного тока без AC-DC преобразователя, содержащим балластный элемент, определенным образом регулирующий ток в последовательной нагрузочной цепочке светодиодов, которые с помощью высоковольтных транзисторных ключей производят коммутацию секций светодиодов в цепочке, включая в путь протекания тока оптимальное число секций с точки зрения минимизации потерь на балластном элементе.
http://www.allledlighting.com/author.asp?section_id=455&doc_id=562107
http
://
www
.
google
.
com
/
patents
/
US
20120305951
Известен целый ряд технических решений для построения светодиодных ламп, работающих непосредственно от сетевого напряжения переменного тока без AC-DC преобразователя, основанных на включении последовательной цепочки из большого числа светодиодов в сеть через балластный резистор или конденсатор. Для работы такой лампы на обеих полуволнах сетевого напряжения используется диодный мост или используются две цепочки светодиодов, включенных встречно-параллельно. Обзор таких решений проводит Ed Rodriguez в публикации «Taking the Smoke and Mirrors Out of AC LEDS», Part 1, 12/10/2013 (). В обзоре отмечены присущие таким лампам недостатки: низкий коэффициент полезного действия (КПД), низкий коэффициент мощности, высокий уровень помех, возвращаемых в сеть. Там же приводится описание так называемых "multi-junction LED" - светодиодов содержащих большое число светодиодов соединенных в последовательные, последовательно - параллельные или встречно последовательно - параллельные цепочки на одном кристалле и имеющих конструктивное исполнение обычных светодиодов. Такие светодиоды были запатентованы южнокорейской фирмой Seoul Semiconductor, патент US 2012/0305951 A1, SAKAI et al., Pub. Date: Dec. 6, 2012 (). Они позволили значительно упростить реализацию светодиодных ламп такого типа, уменьшить их габариты и вес.
http://www.seoulsemicon.com/_upload/Goods_Spec/Acrich2
http://www.google.com/patents/US20130026924
Наиболее близкими к заявленному техническому решению являются светодиодные модули Acrich 2 фирмы Seoul Semiconductor, Южная Корея описанные, в частности, в Application Note, Designing with Acrich 2, август 2011 г. Опубликовано на официальном сайте фирмы Seoul Semiconductor (_Applicationnote.pdf). В них использованы запатентованные фирмой Seoul Semiconductor (патент US2013/0026924 A1, JONG et al., Pub. Date: Jan. 31, 2013 ) высоковольтные микросхемы Acrich IC и "multi-junction" светодиоды, оптимизированные под конкретное применение. Светодиоды включены в последовательную цепочку, которая разбита на четыре (для сетевого напряжения 230В) или на две (для сетевого напряжения 120В) секции с прямым падением напряжения около 60 В на рабочем токе. Драйвер светодиодов (микросхема Acrich IC), содержащая диодный мост для выпрямления сетевого напряжения, высоковольтные транзисторные ключи и схему управления ключами, с целью увеличения КПД устройства, по мере возрастания выпрямленного сетевого напряжения производит коммутацию секций светодиодов, включая в работу очередную секцию при достижении достаточного для ее работы уровня выпрямленного сетевого напряжения. На каждой ступени через светодиоды протекает свой фиксированный ток, выбранный для аппроксимации синусоидального тока через цепочки светодиодов. При спаде выпрямленного сетевого напряжения, секции светодиодов последовательно исключаются из работы.
Недостатками данного технического решения являются:
- использование в нем специализированных высоковольтных микросхем Acrich IC, которые, в силу конкурентной политики фирмы Seoul Semiconductor, не поступают на свободный рынок электронных компонентов, ограничивает его применение в сторонних разработках;
- выбор светодиодов от сторонних производителей для формирования цепочек секций микросхем Acrich IC также затруднен;
- диапазон мощностей светодиодных модулей (до 8 Вт) ограничен жестко установленными значениями токов на каждой из областей переключения секций светодиодов и допустимой мощностью рассеивания микросхем Acrich IC;
- фиксированное число областей переключения секций светодиодов (четыре) у микросхем Acrich IC не позволяет увеличить КПД лампы путем увеличения количества переключаемых секций;
- ступенчатая аппроксимация синусоидального тока через цепочки светодиодов фиксированными значениями токов на каждой из четырех областей переключения секций, реализованная в микросхемах Acrich IC, ограничивает коэффициент мощности лампы на уровне 0,95;
Задачи, на выполнение которых направлено заявленное техническое решение, заключаются в облегчении выбора элементной базы при проектировании и оптимизации светодиодных ламп, особенно для светодиодных ламп большой мощности, упрощение увеличения числа переключаемых секций светодиодов, формирование тока через нагрузку, пропорционального действующему входному напряжению.
Технический результат заявленного технического решения в виде расширения номенклатуры светодиодных ламп по мощности, увеличение КПД и коэффициента мощности светодиодных ламп позволит получить экономию на электроэнергии, затрачиваемой на освещение и экономию за счет выбора меньшего сечения подводящих проводов при монтаже ламп. Причем, экономический эффект возрастает с увеличением мощности светодиодных ламп.
Отличительными признаками заявленного технического решения являются:
- простота схемного решения драйвера снимает необходимость использования труднодоступных комплектующих для производства ламп, позволяет легко расширить диапазон мощностей светодиодных ламп;
- для увеличения КПД драйвера, число секций в последовательной светодиодной цепочке может быть увеличено при сохранении общего числа светодиодов в цепочке. Требуется только один высоковольтный транзисторный ключ и один резистор на каждую дополнительную секцию;
- с целью увеличения коэффициента мощности, ток нагрузки драйвера за счет обратной связи поддерживается пропорциональным действующему значению выпрямленного входного напряжения независимо от числа включенных в работу секций, делая вольт - амперную характеристику устройства практически резистивной;
- за счет введения в петлю обратной связи схемы сдвига уровней напряжения управления высоковольтными транзисторными ключами включение (выключение) очередной секции светодиодов происходит автоматически: по мере нарастания (спада) тока через секцию происходит плавное без скачков переключение высоковольтных транзисторных ключей и, в то же время, без потери регулирования током в нагрузке пропорционально действующему значению выпрямленного входного напряжения.
Заявленная полезная модель поясняется прилагаемой функциональной схемой устройства, приведенной на фигуре 1. Для лучшего понимания принципа работы и взаимосвязей функциональных блоков на той же фигуре она совмещена со схемой электрической одного из возможных вариантов реализации заявленной полезной модели. В представленном схемой электрическом варианте нагрузочная светодиодная цепочка разбита на пять секций. Каждая секция (на схеме обозначена символом одного светодиода) может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных светодиодов обычных или "multi-junction". Высоковольтные транзисторные ключи в данной реализации - это пять n-канальных высоковольтных МОП транзисторов (MOSFET). Стабилизатор тока реализован на n-канальном транзисторе с управляющим переходом (JFET). Резистор в истоке JFET позволяет установить требуемый ток. Для стабилизатора можно использовать подходящую микросхему двухвыводного стабилизатора тока из серии J500 или аналогичную отечественного производства, например, К1351ЕТ1. Стабилизатор (ограничитель) напряжения реализован по очень распространенной схеме на в n-канальном высоковольтном МОП транзисторе (MOSFET) и на микросхеме регулируемого стабилитрона (микросхема TL431 или аналогичная отечественная К1156ЕР5), хотя для питания одного операционного усилителя (ОУ) может быть применена и более простая схема, вплоть до параметрического стабилизатора на одном резисторе и одном стабилитроне подходящего номинала. В качестве ОУ может использоваться практически любой, с однополярным питанием и с диапазоном синфазных напряжений, включающим потенциал земли, например, один канал LM358 или аналогичной отечественной К1464УД1, второй усилитель (канал) микросхемы можно использовать для усиления сигнала с шунта, при желании уменьшить потери на шунте.
Приведенная на фигуре 1, как пример, схема одного из возможных вариантов реализации устройства в соответствии с заявленной полезной моделью не может быть истолкована как ограничение области действия заявки только на эту схему.
Выбор конкретных типов транзисторов, микросхем, диодов, светодиодов и номиналов резисторов, а также конкретных вариантов реализации функциональных блоков достаточно очевиден и не является предметом обсуждения в рамках настоящей заявки.
Поставленные задачи решаются за счет того, что заявленный драйвер светодиодных ламп включает с себя:
- диодный мост для выпрямления сетевого напряжения;
- N высоковольтных транзисторных ключей, управляемых напряжением (по числу секций в последовательной цепочке светодиодов) для коммутации секций;
Ш
- резисторный шунт R (как вариант, с дополнительным усилителем напряжения) для измерения тока, протекающего через с вето диоды;
- резистивный делитель R1, R2 для измерения выпрямленного сетевого напряжения;
- операционный усилитель (ОУ) с однополярным питанием для регулирования тока, протекающего через светодиоды;
- стабилизатор (ограничитель) напряжения для питания ОУ;
СМ
- схему сдвига уровней (стабилизатор тока и Ν-1 резистор R) для задания смещения уровней управляющего напряжения на входах управления высоковольтных транзисторных ключей.
Сетевое напряжение через входные контакты L и N подается на вход диодного моста. Отрицательный выход диодного моста подключен к общему проводу драйвера.
P
Выпрямленное сетевое напряжение с положительного выхода диодного моста поступает на делитель напряжения на резисторах R1 и R2, вход стабилизатора (ограничителя) напряжения и через контакт V на цепочку последовательно соединенных светодиодов - в нагрузку драйвера.
Выход стабилизатора (ограничителя) напряжения подключен к выводу положительного питания ОУ. Вывод отрицательного питания ОУ подключен к общему проводу драйвера.
Ш
P
СМ
СМ
СМ
Выходы высоковольтных транзисторных ключей соединены вместе и подключены к токосъемному резистору (шунту) R. Другой вывод шунта подключен к общему проводу драйвера. N входов высоковольтных транзисторных ключей подключены к N отводам секций цепочки последовательно соединенных светодиодов - нагрузки драйвера, по порядку, начиная с верхней секции, подключенной к контакту V. Входы управления высоковольтных транзисторных ключей подключены к отводам схемы сдвига уровня напряжения, состоящей из двухвыводного стабилизатора тока и N-1 резисторов R. Вывод для вытекающего тока стабилизатора тока подключен к общему проводу драйвера, вывод для втекающего тока - к первому резистору R и ко входу управления первым высоковольтным транзисторным ключом. Отвод от соединения первого и второго резистора подключен к входу управления вторым высоковольтным транзисторным ключом и так далее. Вход управления N-ым высоковольтным транзисторным ключом подключен к верхнему выводу цепочки (резистору R с номером N-1) и к выходу ОУ. Инвертирующий вход ОУ подключен к верхнему выводу шунта (как вариант, через дополнительный усилитель), ненвертирующий вход ОУ подключен к выходу делителя напряжения R1, R2.
Ш
СД
Ш
СД
P
P
Л
Р
СД
Ш
P
Ш
На входы ОУ поступают сигналы о токе, протекающем через светодиоды и транзисторные ключи (с R на инвертирующий) и о напряжении в сети (с делителя R1, R2 на неинвертирующий). Выходное напряжение ОУ поступает на входы управления высоковольтных транзисторных ключей со сдвигом уровней на каждом из входов, задаваемым схемой сдвига уровней напряжения, замыкая петлю обратной связи. Обратная связь обеспечивает регулирование тока через светодиоды I таким образом, что R×I=V×R2/(R1+R2), где V - выпрямленное диодным мостом сетевое напряжение. Это дает практически резистивную вольт - амперную характеристику с сопротивлением R=V/I=R×(R1+R2)/R2 и, как следствие, коэффициент мощности устройства очень близкий к единице. Переключение секций в последовательной цепочке светодиодов по мере нарастания выпрямленного сетевого напряжения V благодаря сдвигу управляющего напряжения на входах высоковольтных транзисторных ключей производится плавно и автоматически. Как только очередная секция светодиодов начинает проводить ток, суммарный ток через R возрастает, обратная связь отрабатывает это возрастание, уменьшая управляющее напряжение, что, из-за сдвига управляющего напряжения ключей, приводит к плавному закрытию ключа текущей секции и плавному нарастанию тока в следующей секции светодиодов.