ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ

Полезная модель относится к области электроники, а именно к источникам питания (драйверам) мощных светодиодов.
Известен источник питания для светодиодов, содержащий сетевой фильтр, два входа которого подключены к сети питания, а два выхода соединены с соответствующими входами выпрямителя, отрицательный выход которого соединен с общим входом ШИМ контроллера и с общим выходом оптопары, положительный выход выпрямителя подключен к электроду конденсатора, к электродам первого и второго резисторов, к общему входу оптопары и через дроссель к стоку силового транзистора и к аноду диода, катод которого соединен с другим электродом конденсатора, с катодом стабилитрона и через «n» последовательно соединенных светодиодов с другим электродом второго резистора, другой электрод первого резистора подключен к аноду стабилитрона, другой выход оптопары соединен с входом управления ШИМ контроллера, выход которого соединен с затвором силового транзистора, третий резистор. В качестве ШИМ контроллера применен корректор коэффициента мощности (ККМ), также введены датчик напряжения, датчик температуры, умножитель и блок управления, причем отрицательный выход выпрямителя соединен с входом датчика напряжения и с электродом третьего резистора, положительный выход выпрямителя подключен к другому входу датчика напряжения, к входу питания ККМ, к общим входам датчика температуры, блока управления и умножителя, выход датчика напряжения соединен с входом ККМ, другой электрод третьего резистора подключен к входу обратной связи по току ККМ и к истоку силового транзистора, катод стабилитрона соединен с входом умножителя, анод стабилитрона подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры, третий вход соединен с другим электродам второго резистора и с другим входом умножителя, выход которого подключен к четвертому входу блока управления, выход которого соединен с другим входом оптопары (см. патент РФ на изобретение №2385553, H05B 33/02, приоритет 16.11.2007 г.)
Недостатком такого источника является отсутствие гальванической развязки между питающей сетью и нагрузкой, а также ограниченное количество светодиодов для подключения.
Известен импульсный источник питания для мощных светодиодов, построенный на основе обратноходового преобразователя с ШИМ регулированием, содержащий сетевой фильтр, выпрямитель, сглаживающий конденсатор, изолирующий трансформатор, включенный для передачи выходной энергии первичной стороны на вторичную сторону, демпферный узел, включенный параллельно первичной обмотки изолирующего трансформатора, генератор импульсов, выход которого соединен с затвором силового ключа и предназначенный для прерывания входного постоянного напряжения для поддержания постоянной мощности в нагрузке. Выпрямляющее сглаживающее средство вторичной цепи подключено к нагрузке и через схемы управления по обратной связи управляет стабилизацией тока на светодиодах. (Дмитрий Макашов. Обратноходовой преобразователь стр.1 из 46,. monitor.espec.ws/download.php?id=80938, стp.12, рис.8
Недостатками данного устройства является низкий cos ф,, что приводит к большим нагрузкам на питающую сеть, а также необходимость использования электролитических конденсаторов в сглаживающих цепях, что приводит к уменьшению срока службы устройства, а также к ограничению входного напряжения.
Работа силового ключа в жестком режиме приводит к снижению общего КПД и интенсивному помехообразованию, что требует дополнительных мер по их фильтрации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является источник питания для мощных светодиодов, который содержит сетевой фильтр, выпрямитель, сглаживающий конденсатор, изолирующий трансформатор, включенный для передачи выходной энергии первичной стороны на вторичную сторону. Демпферный узел включен параллельно первичной обмотке трансформатора. Выход генератора импульсов соединен с затвором силового ключа, предназначенного для прерывания входного постоянного напряжения для поддержания постоянной мощности в нагрузке. Выпрямляющее сглаживающее средство вторичной цепи подключено к нагрузке и через схемы управления по обратной связи управляют стабилизацией тока на светодиоды. Светодиодный драйвер, основанный на микросхеме L6562A, с регулируемой яркостью, фирмы ST (STMicroelectronics образовалась в результате объединения итальянской компании SGS и французской Thomson в 1997 г.), 120 VAC input-Triac dimmable LED driver based on the L6562A http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/APPLICATION_NOTE/CD00185256.pdf Фиг.11, стр.17.
Однако данное устройство имеет недостатки, заключающиеся в том, что при работе импульсного источника питания в сеть генерируется широкополосные помехи, которые требуют применения эффективных фильтров, что ведет к удорожанию конструкции, так как дополнительные намоточные элементы приводят к существенному росту себестоимости. Работа импульсного источника питания при не отфильтрованном напряжении приводит к увеличению габаритных размеров изолируемого трансформатора и вынуждает переносить фильтрацию 100 Гц. на вторичную сторону, это вынуждает применять электролитические конденсаторы, которые сокращают срок службы и температурный диапазон устройства. Необоснованно завышенные требования для поддержания стабильности выходного тока приводят к усложнению и удорожанию схем стабилизации. Короткое замыкание нагрузки при работе на большое количество светодиодов, имеющее суммарное напряжение 50-200 B, вызывает повреждение измерительных цепей.
Поставленной задачей импульсного блока питания для светодиодов является повышение устойчивости к перепадам напряжения питающей цепи, повышение срока службы, расширение диапазона выходного напряжения, расширение температурного диапазона с одновременной коррекцией тока светодиодов в зависимости от температуры окружающего воздуха с одновременным снижением себестоимости и упрощением конструкции в целом
Поставленная задача решается тем, что импульсный источник питания для светодиодов содержит выпрямляющее сглаживающее средство первичной цепи, предназначенное для приема тока переменного напряжения, вырабатывания выпрямленного сглаженного напряжения и подачи этого выпрямленного сглаженного напряжения в качестве входного постоянного напряжения в изолирующий трансформатор, включенный для передачи выходной энергии первичной стороны на вторичную сторону, демферный узел, включенный параллельно первичной обмотке трансформатора, генератор импульсов, выход которого соединен с затвором силового ключа и предназначенный для прерывания входного постоянного напряжения для поддержания постоянной мощности в нагрузке, вспомогательный выпрямитель с линейным стабилизатором напряжения, включенный между изолирующим трансформатором и генератором импульсов, выпрямляющее сглаживающее средство вторичной цепи, подключенное к нагрузке и через элемент гальванической развязки к генератору импульсов.
Выпрямляющее сглаживающее средство первичной цепи содержит помехоподавляющий конденсатор, предохранитель, ограничительный резистор, выпрямительный диодный мост, который через фильтрующие конденсаторы с низкими потерями, дроссель и фильтрующий конденсатор с низкими потерями соединен с первичной обмоткой изолирующего трансформатора.
Выпрямляющее сглаживающее средство вторичной цепи содержит выпрямительный диод, и группу параллельно соединенных сглаживающих конденсаторов с низкими потерями, подключенных к нагрузке через дроссель защитного устройства.
Изолирующий трансформатор содержит дополнительную вторичную обмотку, которая через выпрямительный диод и сглаживающий конденсатор с низкими потерями, соединена с датчиком напряжения и тока во вторичной цепи и через элемент гальванической развязки соединена с генератором импульсов.
За счет фильтрующих конденсаторов с низкими потерями выпрямляющего сглаживающего средства первичной цепи оптимально распределяется емкость между первичной и вторичной стороной изолирующего трансформатора, что обеспечивает устойчивость к перепадам напряжения в электрической цепи (до 400 в). Такое решение дополнительно обеспечивает подавление помех импульсного источника питания светодиодов, что позволяет отказаться от использования дополнительно на входе высокочастотных фильтров, что приводит к значительному упрощению конструкции, и ее удешевлению.
За счет применения фильтрующих конденсаторов с низкими потерями в выпрямляющем сглаживающем средстве первичной цепи и вторичной цепи повышается срок службы импульсного блока питания для светодиодов.
Для питания генератора импульсов управляющей схемы в установившемся режиме служит вспомогательный выпрямитель с линейным стабилизатором напряжения на высоковольтном транзисторе, который позволяет значительно увеличить диапазон выходных напряжений.
Защитное устройство решает несколько главных задач: ограничение броска тока в случае короткого замыкания в нагрузке при работающем устройстве и подавлении возникающих при этом паразитных колебаний, дополнительную высокочастотную фильтрацию и разряд конденсаторов выпрямляющего сглаживающего средства вторичной цепи после выключения импульсного блока питания. Такое решение подключения обеспечивает устойчивость к перепадам диапазона выходных напряжений, повышение срока службы, с одновременным снижением себестоимости и упрощением конструкции в целом.
Расширение температурного диапазона с одновременной коррекцией тока светодиодов в зависимости от температуры окружающего воздуха решается за счет подключения датчика напряжения и тока во вторичной цепи с гальванической развязкой.
Данная схема включения импульсного источника питания для светодиодов позволяет одновременно снизить себестоимость и упростить конструкцию в целом.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - блок-схема импульсного источника питания для светодиодов,
Фиг.4 - схема импульсного источника питания для светодиодов
Импульсный источник питания для светодиодов содержит выпрямляющее сглаживающее средство первичной цепи 1, изолирующий трансформатор 2, демпферный узел 3, генератор импульсов 4, силовой ключ 5, вспомогательный выпрямитель с линейным стабилизатором напряжения 6, выпрямляющее сглаживающее средство вторичной цепи 7, защитное устройство 8, датчик напряжения и тока 9, элемент гальванической развязки 10.
Выпрямляющее сглаживающее средство первичной цепи 1 содержит помехоподавляющий конденсатор С1, предохранитель и ограничительный резистор R3, выпрямительный диодный мост В1, который через фильтрующий конденсатор с низкими потерями С2, дроссель L1 и фильтрующий конденсатор с низкими потерями С3 соединен с первичной обмоткой изолирующего трансформатора 2
Выпрямляющее сглаживающее средство вторичной цепи 7 содержит выпрямительный диод D6, и группу параллельно соединенных сглаживающих конденсаторов с низкими потерями С13, С14, С15, С16, подключенных к нагрузке через дроссель L2 защитного устройства 8. Изолирующий трансформатор 2 содержит дополнительную вторичную обмотку, которая через выпрямительный диод D7 и сглаживающий конденсатор с низкими потерями С11, соединена с датчиком напряжения и тока во вторичной цепи 9 и через элемент гальванической развязки 10 соединена с генератором импульсов 4. Между изолирующим трансформатором 2 и генератором импульсов 4 введен вспомогательный выпрямитель с линейным стабилизатором напряжения 6.
Работает импульсный источник питания для светодиодов следующим образом.
Входное переменное напряжение сети поступает на вход выпрямляющего сглаживающего средства первичной цепи 1, в котором помехоподавляющим конденсатором С1 фильтруются импульсные помехи, возникающие в источнике питания, затем через выпрямительный диодный мост В1 оно выпрямляется, на выходе которого образуются положительные полуволны с амплитудой входного напряжения и с частотой повторения 100 Гц, которые фильтруются конденсатором С2 с низкими потерями, затем через дроссель L1, фильтруются конденсатором С3 с низкими потерями и через обмотку TR1 изолирующего трансформатора 2 подается на сток Q2 силового ключа 5.
Демпферный узел 3, соединенный параллельно первичной обмотки TR1 изолирующего трансформатора 2 и состоящий из D1, D2, R12, С10, служит для формирования оптимальной траектории переключения силового ключа 5. Через цепочку резисторов R7, R8 происходит заряд конденсатора С6 генератора импульсов 4, что обеспечивает его старт работы. Делитель генератора импульсов 4, состоящий из резисторов R4, R5, R6, соединенный с входом MUL (вывод 3) микросхемы генератора импульсов 4, задает максимальное значение тока, проходящего через силовой ключ 5, который задает величину падения напряжения на резисторах R17, R18, соединенных с входом CS (вывод 4) микросхемы генератора импульсов 4, при котором срабатывает компаратор микросхемы, ограничивающий ток в первичной цепи. Таким образом, ток через силовой ключ 5 пропорционален величине входного напряжения, при этом задается синусоидальная форма потребляемого тока и совпадение по фазе напряжения и тока. Этот же ток будет протекать и через вспомогательную обмотку TR1 изолирующего трансформатора 2, что приведет к тому, что в сердечнике изолирующего трансформатора 2 увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке изолирующего трансформатора 2 наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода D6 выпрямляющего сглаживающего средства вторичной цепи 7 появиться положительное напряжение. Через резистор R11, включенный между вспомогательной обмоткой изолирующего трансформатора 2 и выводом 5 микросхемы генератора импульсов 4, контроллер микросхемы получает информацию о завершении очередного цикла передачи энергии из индуктивности в нагрузку. Как только напряжение на выводе 5 микросхемы генератора импульсов 4 становится равным нулю, внутренний компаратор микросхемы дает команду на открытие силового ключа 5 и начала очередного цикла накопления в соответствии с выбранным законом регулирования генератора импульсов 4. Для питания генератора импульсов 4 управляющей схемы в установившимся режиме, служит вспомогательный выпрямитель с линейным стабилизатором напряжения 6, выполненный на С4, С5, R9, D4, Q1, D5, что позволяет значительно расширить диапазон выходного напряжения. Таким образом, на одной микросхеме генератора импульсов 4 реализуется два устройства: силовой преобразователь и корректор мощности. Напряжение с диода D6 выпрямляющего сглаживающего средства вторичной цепи 7 подается в нагрузку через фильтрующие конденсаторы с низкими потерями С13, С14, С15, С16 и последовательно включенный дроссель L2, при этом вытекающий ток образует в стабилизаторе напряжения и тока 9 на резисторах R24, R25, R26 падение напряжения, пропорциональное величине тока. Это напряжение через элемент гальванической развязки 10 поступает на вход управления генератора импульсов 4, при этом замыкается обратная связь, которая поддерживает постоянную мощность, потребляемую светодиодами в условиях изменения напряжения входной сети в пределах от 85 до 400 B. В результате чего при работе импульсного источника питания для светодиодов форма потребляемого тока из сети питания совпадает с формой сетевого напряжения, при этом коэффициент cos ф близок к единице, чем обеспечивается высокое качество эксплуатации данного источника при массовом использовании. Применяемая в генераторе импульсов импульсного источника питания светодиодов микросхема корректора коэффициента мощности (ККМ) работает в новом для нее режиме, как источник постоянной мощности. При повышении температуры окружающего воздуха элементы R24, R25, R26, R27 датчика напряжения и тока 9 и элемент гальванической развязки 10 воздействуют на вход генератора импульсов 4, уменьшая мощность потребления нагрузки и ограничивая рост температуры. При обрыве нагрузки происходит синхронный рост напряжения на выходных фильтрующих конденсаторах с низкими потерями С13, С14, С15, С16 выпрямляющего сглаживающего средства вторичной цепи 7 и конденсаторе С11 датчика напряжения и тока 9, при этом пропорциональность определяется отношением числа витков дополнительной вторичной и вспомогательной обмоток изолирующего трансформатора 2. Рост напряжения на конденсаторе С11 датчика напряжения и тока 9 происходит, пока ток не начнет протекать через стабилитрон D8 датчика напряжения и тока 9 и, соответственно, светодиода OKI элемента гальванической развязки элемента 10, ограничивая тем самым напряжение на безопасном для элементов выходного фильтра уровне. При коротком замыкании в нагрузке дроссель L2 защитного устройства 8 ограничивает амплитуду разрядного тока фильтрующих конденсаторов с низкими потерями С13, С14, С15, С16 выпрямляющего сглаживающего средства вторичной цепи 7 на безопасном для измерительных цепей уровне, а элементы R28, R29, С17, D9 защитного устройства 8 подавляют возникающие при этом колебания, предотвращая возможность повреждения светодиодов всплеском напряжения обратной полярности. Продолжительное короткое замыкание вызовет падение напряжения на выходе вспомогательного выпрямителя с линейным стабилизатором напряжения 6 до величины, при которой происходит выключение генератора импульсов 4. После этого будет происходить заряд конденсатора С6 генератора импульсов 4 и попытка запуска. Этот процесс будет циклически повторяться, пока не будет устранена причина перегрузки.
Таким образом, предлагаемый импульсный источник питания для светодиодов запитывается от сети питания 80-400 B, 50 Гц, имеет приемлемый коэффициент cos ф, обеспечивает стабилизацию тока светодиодов при широких диапазонах изменений напряжения сети питания и температуры. Имеет защиту от перегрева, от обрыва и короткого замыкания в цепи светодиодов, от перегрузки по току силового ключа и гарантированную работу в пределах 100000 ч.