Секвентальный драйвер светодиодов

Известны схемы секвентальных источников питания (ИП) для светодиодов (драйверов), выпускаемые разными компаниями (Supertexinc, SeoulSemiconductor, Magnachip, TexasInstruments и др.).
Целью данных ИП являются упрощение схемы питания светодиодов, снижение стоимости драйвера источника и повышение надежности. Типовая схема приведена на фиг. 1.
Данные драйверы подключаются непосредственно к сети после выпрямителя, и потому драйверы такого типа называются ACdirectdrivers. Эти драйверы могут быть одноступенчатые и многоступенчатые (на фиг. 1 показан одностадийный драйвер питания светодиодов, а на фиг. 2 - типовая четырехступенчатая схема однотактного драйвера. U1 - микросхема с источниками тока).
Основным недостатком описываемых драйверов является 100% пульсация светового потока от светодиодов вследствие изменения тока светодиодов. Кроме того, в схемах с малым количеством ступеней увеличиваются гармонические искажения формы потребляемого тока, что может превышать нормы, установленные стандартами. Поскольку в секвентальном драйвере светодиоды подключаются последовательно, группы светодиодов могут иметь разные токи и время свечения, то при объединении всех групп светодиодов в ограниченном пространстве мерцание излучаемого света не наблюдается, но если группы светодиодов размещены на заметном для наблюдателя расстоянии друг от друга, то переключение групп светодиодов может быть заметно на глаз или при проведении видео- и фотосъемки. На фиг. 3 показана типовая схема снижения пульсаций тока светодиодов однотактного секвентального драйвера. I1 - источник тока. Параллельно светодиодам включен конденсатор, который разряжается через светодиоды тогда, когда напряжение на выходе выпрямителя снижается ниже, чем напряжение на конденсаторе. Аналогичная схема приведена для многоступенчатого включения (фиг. 4): типовая схема снижения пульсаций тока светодиодов в четырехступенчатой схеме секвентального драйвера. I1-I4 - источники тока.
Есть несколько недостатков схем снижения пульсаций при включении конденсатора параллельно светодиодам, что ограничивает возможности снижения пульсаций, даже при применении большой по значению емкости:
1. Заряд емкости происходит током, ограниченным стабилизатором тока (зависит от установленного тока для светодиодов), при этом возможен недостаточный заряд конденсатора вследствие малого интервала времени заряда.
2. Предельное значение напряжения заряда конденсатора определяется падением напряжения на светодиодах при максимальном значении тока светодиодов, а напряжение разряда только до напряжения на светодиодах при минимальном значении тока светодиодов, что обычно является недостаточным для достижения приемлемых значений пульсаций тока через светодиоды.
3. Для того чтобы получить приемлемый (требуемый) уровень пульсаций тока через светодиоды и как следствие приемлемый уровень пульсаций видимого излучения, необходимо применять конденсаторы большой емкости, что приводит к большой пиковой выделяемой тепловой мощности на драйвере в момент включения источника питания, что может привести к выходу из строя драйвера.
4. Ток разряда конденсатора не проходит через стабилизатор тока и поэтому отличается от тока стабилизатора, что приводит к флуктуациям тока светодиода и, соответственно, излучению света.
В настоящем изобретении предлагается несколько вариантов снижения пульсаций тока (и, соответственно, светового потока) светодиодов.
На фиг. 5 показана схема снижения пульсаций тока светодиодов с применением второго стабилизатора тока. Конденсатор С может быть заряжен до пикового напряжения, поступающего с моста. Для максимального снижения пульсаций светодиоды не должны выключаться независимо от мгновенного значения напряжения с выпрямителя (5). Если напряжение с выпрямителя (5) больше напряжения на конденсаторе, то светодиоды питаются от напряжения выпрямителя (5), если напряжение с выпрямителя (5) падает ниже, чем напряжение на конденсаторе, то питание идет от напряжения на конденсаторе. Принципиальное отличие этой схемы от схемы фиг.3 состоит в том, что в любом варианте ток через диоды определяется источником тока (1) и равен I1. Источник тока (2) нужен для обеспечения тока заряда I2 (ток заряда конденсатора I2 выбирается таким, чтобы обеспечить напряжение на конденсаторе выше, чем напряжение падения на светодиодах, в течение того периода времени, когда напряжение с выхода выпрямителя меньше, чем напряжение падения на светодиодах), иными словами, таким чтобы обеспечить непрерывную работу стабилизатора тока I1. Чем больше ток заряда конденсатора, тем быстрее заряжается конденсатор, выше гармонические искажения формы потребляемого тока.
На фиг. 6 приведена схема с отдельными стабилизаторами тока светодиодов и накопительных конденсаторов для многоступенчатых секвентальных источников. В частности, приведена типовая схема снижения пульсаций тока светодиодов в 4-ступенчатой схеме секвентального драйвера с использованием активной схемы подавления пульсаций. I1-I4 - источники тока.
Питание схемы осуществляется от пульсирующего напряжения выпрямителя, но в каждой группе установлен собственный накопительный конденсатор с собственным регулятором тока заряда конденсатора и адаптивным источником тока светодиодов. Применение в этой схеме адаптивных источников тока снижает в несколько раз требования к емкости конденсаторов, необходимой для получения заданного уровня пульсаций видимого излучения светодиодов (тока светодиодов). Пульсации видимого излучения светодиодов (тока светодиодов) могут быть установлены на сколь угодно низком уровне. Типовое значение около 1%. Адаптивные источники тока I1-I4 подстраиваются под среднее значения тока через соответствующие группы светодиодов, тем самым обеспечивая постоянный ток через светодиоды и постоянный ток разряда конденсаторов С1-С4.
На фиг. 6А приведена схема адаптивного источника тока светодиодов с типовым диапазоном пульсаций тока светодиодов 1-3%: пример схемы активного подавления пульсаций тока светодиодов с адаптивной настройкой под среднее значение тока.
Данная схема используется авторами патента и отличается простым схемным решением и очень низкой стоимостью. Принцип работы схемы заключается в подавлении пульсирующего напряжения на накопительном конденсаторе источника тока светодиодов, например С4 на фиг. 6.
LED
VT1
BEVT1
Предположим, что на конденсаторе С4 (фиг. 6) напряжение пульсаций равно UC4, средний ток через светодиоды LEDp+1-LEDr (фиг. 6) равен I, напряжение насыщения транзистора VT1 равно U, напряжение на базе транзистора VT1 равно U. В этом случае резисторы R1, R2 выбираются таким образом, чтобы:
Напряжение в точке С равно:
Данные формулы приведены без учета тока базы транзистора VT1.
AB
BEVTI
В процессе работы схемы пульсирующее напряжение в точке С сглаживается конденсатором С1 и таким образом схема обеспечивает постоянный ток, равный I=(Uc- U)/R3.
На фиг. 7 приведена схема одностадийного драйвера с питанием накопительного конденсатора от дополнительного источника с PFC и одной цепью светодиодов.
Диод, включенный в схему, выполняет роль электронного переключателя, переключая светодиоды на питание от конденсатора, когда напряжение с выпрямительного моста становится меньше, чем напряжение на конденсаторе.