СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ

Полезная модель (ПМ) относится к светотехническим приборам и может быть использована в сигнальных, осветительных и других устройствах, основанных на применении группы излучающих светодиодов.
Известны осветительные устройства с применением группы светодиодов (СД). Например, в светильнике, описанном в Patent, USA, 5661645, 711 Peter A. Power supple vor light emitting diode array. Date of Patent 08.26.1997 имеются ряд параллельно включенных светодиодных цепочек, каждая из которых содержит ряд последовательно включенных СД и вторичный источник питания (ВИП). В составе ВИП имеется один стабилизатор тока, к которому подключены все светодиодные цепочки. Этот стабилизатор обеспечивает протекание через световой прибор заданного значения тока. Такой принцип включения СД требует их точного подбора по прямому падению напряжения.
Недостатком таких устройств является понижение надежности, обусловленное применением большого количества светодиодов. При таком включении СД при отказе одного СД в виде короткого замыкания (на практике - наиболее вероятный тип отказа светодиода) в цепочках светодиодов происходит перераспределение токов и через цепочку, содержащую короткозамкнутый СД протекает увеличенный ток, что еще больше снижает надежность этой цепи и светильника в целом.
Наиболее близким к предлагаемой ПМ, является устройство «Световой прибор с повышенной светоотдачей на основе светодиодов», Патент РФ 2378565 С1 F21S 8/00. В этом известном устройстве применены группы светодиодов, соединенные последовательно друг с другом и генератором тока. Эти светодиодные группы соединены параллельно. Недостатком этого устройства является применение большого количества генераторов тока, равное количеству групп, что увеличивает стоимость светильника и снижает его надежность.
Техническим результатом предлагаемой ПМ является увеличение надежности устройства и снижение его себестоимости.
Данный технический результат осуществляется за счет того, что в отличие от известной модели, состоящей из нескольких генераторов тока и последовательно включенных с ними групп светодиодов, оставлен один генератор тока, все светодиоды соединены последовательно и питаются от этого генератора тока стабилизированным током. Каждый светодиод зашунтирован защитным устройством. В светильник введен компаратор числа отказавших светодиодов.
Использование одного генератора тока снижает стоимость светильника и повышает его надежность. Использование защитных устройств, шунтирующих каждый светодиод, сохраняет возможность функционирования светильника при отказе отдельных светодиодов, что еще более увеличивает надежность светильника. Введение компаратора числа отказавших светодиодов позволяет решить задачу определения допустимого числа отказавших светодиодов. Расчеты надежности светильников, приведенные ниже, показывают, что надежность предлагаемого в ПМ светильника по сравнению с известными, возрастает в несколько раз.
На фиг.1 изображена схема включения светодиодного светильника полезной модели. На фиг.1 обозначены:
-Uп, +Uп - клеммы, к которым подводится питание светодиодного светильника повышенной надежности;
1 - супервизор питания;
2 - генератор тока;
3 - компаратор числа отказов;
4; индикатор порогового числа отказов;
5 - группа из N светодиодов; 5.1, 5.2…5.N - светодиоды, зашунтированные защитными устройствами.
Вспомогательный источник питания супервизора 1 не показан. Делители напряжения, согласующие уровни сигналов также не показаны.
На фиг.2 изображены диаграммы работы светильника:
2а - напряжение источника постоянного напряжения;
26 - сигнал на выходе S1 супервизора питания 1;
2в - напряжение на выходе генератора тока
2г - сигнал на выходе компаратора
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения питания Uп супервизор 1 после окончания переходных процессов входного напряжения (фиг 2а) в момент t1 формирует сигнал S1 (фиг.2б). Сигнал S1 разрешает работу генератора тока 2. На выходе генератора тока появляется напряжение (фиг.2б) равное N Uf. Здесь Uf - падение напряжения на одном светодиоде. На выходе компаратора числа отказов устанавливается состояние логической единицы. (фиг 2г). При отказе одного из светодиодов в виде короткого замыкания в момент t2 напряжение на выходе генератора тока 2 уменьшается на величину Uf (фигура 2в). Светильник при этом продолжает функционировать, но световой поток при этом уменьшается на величину 1/N.
При отказе i-гo светодиода в момент ti напряжение на выходе генератора тока 2 уменьшается на величину iUf (фиг.2в). Световой поток при этом уменьшается на величину i/N. При отказе m-го светодиода в момент tm напряжение на входе компаратора 3 становится ниже опорного напряжения, на выходе компаратора устанавливается состояние логического нуля (фиг.2г). Этим сигналом включается индикатор порогового числа отказов светодиодов, сигнализируя о том, что число отказов светодиодов превысило заданный уровень. Оператор при этом принимает решение о прекращении или дальнейшей эксплуатации светильника. Выходной сигнал компаратора числа отказов может быть использован также для дистанционного контроля исправности светильника.
Генератор тока 1 может быть реализован в виде стабилизатора напряжения, в цепь стабилизации которого введен сигнал, пропорциональный току светодиодов.
Каждый светодиод 5.i шунтируется защитным устройством. Защитное устройство может иметь вольтамперную характеристику тиристорного типа, если вероятность обрыва в светодиоде сравнима с вероятностью короткого замыкания, или зенеровского типа, если вероятность обрыва в светодиоде значительно меньше вероятности короткого замыкания. Современные светодиоды обычно снабжены такими устройствами.
При обрыве в светодиоде напряжение на нем увеличивается, срабатывает защитное устройство. Если применено защитное устройство тиристорного типа, то при его срабатывании напряжение на нем падает, что эквивалентно короткому замыканию светодиода. При использовании светодиодов с малой вероятностью обрыва и появлении обрыва, ток протекает через зенеровский диод, но так как вероятность такого события мала, им можно пренебречь.
При коротком замыкании любого из светодиодов ток, протекающий через светодиоды, остается прежним. Светоотдача светильника при этом падает в 1/N раз. При большом количестве светодиодов, например N=100 светоотдача упадет на 1%, что не заметно для глаза. Поэтому критерием отказа такого светильника является отказ не одного светодиода, а отказ такого количества светодиодов, при котором светоотдача падает на определенную величину, например, на 10%. Надежность такого светильника рассчитывается по так называемой «схеме гибели», приведенной в «Справочнике по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики». Б.Козлов, И.Ушаков М. Советское радио» 1975 [3]. Светильник считается работающим до тех пор. пока не откажет m-й светодиод. Здесь m/N - принятый критерий отказа. Например, при m=10 и N=100 критерием отказа является выход из строя 10% светодиодов и соответственно 10% уменьшение светового потока светильника. Определение количества отказавших светодиодов производится путем измерения падения напряжения на группах светодиодов и сравнения его с опорным напряжением компаратором числа отказов.
В предлагаемой ПМ компаратор числа отказов 3 может быть реализован различными способами, например, он может быть реализован на микросхеме оптрон-компараторе FOD 2712. Напряжение с выхода генератора тока 2 подается через делитель напряжения на вход оптрон-компаратора (на фиг.1 делитель напряжения не показан). Коэффициент деления делителя напряжения подбирается таким, чтобы компаратор срабатывал при снижении напряжения на выходе генератора тока до определенного уровня, например, на 10%.
∗
-4
В исходном состоянии напряжение на выходе генератора тока 3 определяется количеством светодиодов, током стабилизации генератора тока, и температурным коэффициентом прямого напряжения на светодиодах. Температурный коэффициент прямого падения напряжения на светодиодах составляет (4-5)10. При изменении температуры на 10°С изменение напряжения на светодиоде не превышает 0,5%, то есть достаточно стабильно. Ток стабилизации может быть реализован также достаточно стабильным. Поэтому напряжение на выходе генератора тока определяется количеством исправных светодиодов и при их отказах скачкообразно уменьшается, как показано на фигуре 3в.
Индикатор 4 может быть реализован в виде светодиода другого цвета, например, красного, зашунтированного выходным транзистором компаратора 3 и включенного последовательно со светодиодами 5.
Увеличение надежности предлагаемого светильника подтверждается расчетами его надежности. Для примера приведем сравнительный расчет надежности двух светильников: известного светильника с последовательно-параллельным включением светодиодов и предлагаемого светильника с последовательным включением светодиодов.
Расчет надежности светильников с последовательно-параллельным включением светодиодов
Светильник содержит источник питания (ИП) и блок светодиодов, состоящий из N-светодиодов (LED). Светодиоды включены параллельными группами. В каждой группе светодиоды соединены последовательно. Все светодиоды подобраны по величине прямого напряжения. Отказ светильника является следствием отказа или источника питания или светодиодного блока.
Σ
Поэтому интенсивность отказов светильника (λ)
Σ
λ=Σλi=λип+λсб,
здесь λип - интенсивность отказов ИП, λсб - интенсивность отказов светодиодного блока.
Интенсивность отказов источника питания равна
λип=1/Тср,
Здесь Тср - среднее время наработки на отказ источника питания. При использовании источника питания для LED источника типа LPC-20-350 (Изготовитель Mean Well), среднее время наработки на отказ источника питания типа LPC-20-350 при 25°С и 100% нагрузке равно (см Data Sheet) Тср=786500 часов
Средняя интенсивность отказов источника питания равна
-6
λип=1/Тср=1/786500ч=1,27 10
Расчет интенсивности отказов светодиода
Интенсивность отказов светодиодов. В отчете фирмы LUMILED (LUXEON) «Report reliability LED» для светодиода HPWx-MHxx типа «Пиранья» с рассеиваемой мощностью порядка 200 мВт фирмы LUMILEDS (LUXEON), приведена зависимость интенсивности отказов от температуры при номинальном токе.
Таблица 1.
Интенсивность отказов светодиодов HPWx-MHxx
Ток, мА
Температура окружающей среды, °С
Температура кристалла, °С
MTBF,
Интенсивность отказов, 10<sup>6</sup>/час
70
85
124
1333000
0,75
70
75
114
1844000
0,54
70
65
104
2596000
0,39
70
55
94
3723000
0,27
70
45
84
5449000
0,18
70
35
74
81510000
0.12
70
25
64
12589000
0,08
-6
По таблице 1 интенсивность отказов при температуре окружающей среды 25°С и температуре кристалла 64°С λб=0,08 10
Критерий отказа светодиодного блока. При коротком замыкании одного из светодиодов при их последовательно-параллельном включении происходит перераспределение токов между группами. Как показали расчеты с реальными вольтамперными характеристиками светодиодов при количестве светодиодов в группе равном 15 в зависимости от количества групп от 2-х до 16, ток в группе с короткозамкнутым светодиодом увеличивается в 2-2,5 раза. Так как стоимость светодиодов составляет существенную часть стоимости светильника его режим работы принимают близким к номинальному (с определенным коэффициентом запаса). Увеличение тока светодиода выше номинального значения резко увеличивает интенсивность отказов светодиодов в этой группе. По этим причинам за критерий отказа светодиодного блока можно принять отказ одного из светодиодов.
При количестве светодиодов N=100 интенсивность отказов светодиодного блока составит
N
-6
-6
λ=Nλб=100·0,08 10=8·10
Интенсивность отказов светильника из 100 светодиодов и источника питания LPC-20-350 равна
N
-6
-6
-6
λс=λ+λип=8·10+1,27·10=9,27·10
Среднее время наработки на отказ
-6
Тср=1/λс=1/9,27·10=108000 часов
Расчет надежности светильника при последовательном включении светодиодов.
Так же, как и в предыдущем случае, светильник содержит источник питания и блок светодиодов, соединенных последовательно. Надежность источника питания такая же, как и в предыдущем расчете. Количество светодиодов и их надежность приняты равными для обеих вариантов.
Светодиоды зашунтированы стабилитронами. Поэтому при последовательном включении светодиодов и отказе любого из светодиодов светильник продолжает работать, количество работающих светодиодов уменьшается на число отказавших светодиодов. При условии стабилизации тока питания светодиодов световой поток светильника будет снижаться в (N-m)/N раз. В расчетах примем допускаемое снижение светового потока 10%
(N-m)/N=0,9
Или m/N=0,1
Рассматриваемая система подпадает под так называемую «схему гибели», приведенную Б.Козловым, И.Ушаковым в «Справочнике по расчету надежности».
Средняя наработка на отказ определяется формулой
Здесь Λi=(N-i)λ,
Где λ - интенсивность отказов одного светодиода, N - число светодиодов в светильнике, - допускаемое число отказавших светодиодов.
При условиях: N>>l; m<<N
Можно записать Т=(m+1)/Nλ
Или интенсивность отказов светодиодов при критерии отказов m из N
-6
При m=10; N=100; λ=0,08·10 1/ч
Интенсивность отказов светильника равна
Среднее время наработки на отказ равно
-6
Тcр=1/λc=1/1,997 10=500751 час
Вывод: в данном примере надежность светильника с последовательным включением светодиодов выше надежности системы с параллельно включенными светодиодами в 500751/108000=4,6 раза.
Библиография
1 Patent, United States, 5661645, 711 Peter A. Power supple vor light emitting diode array. Date of Patent 08.26.1997
2 Патент РФ 2378565 С1 F21S 8/00
3 Б.Козлов, И.Ушаков Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М. Советское радио» 1975