Регулируемый импульсный источник питания для светодиодов с малыми пульсациями выходного тока

Полезная модель (ПМ) относится к устройствам преобразования входной энергии постоянного или переменного тока в энергию требуемого вида, в частности к импульсным источникам вторичного электропитания светодиодного освещения.
Работа импульсных источников питания для светодиодного освещения регламентируется рядом требований (СНиП 23-05-95). Одним из таких требований являются требования к величине пульсаций светового потока, создаваемого источником света. Причиной пульсаций светового потока являются пульсации выходного тока импульсных источников питания. В светодиодных осветительных приборах пульсации питающего светодиоды тока более заметно отражаются в пульсациях светового потока, так как светодиод является малоинерционным прибором по отношению к току питания. По этой причине пульсации выходного тока светодиодных импульсных источников питания должны быть минимальны.
В сфере освещения, в частности светодиодного освещения, существует потребность в регулируемых (dimmable) источниках света. Существует два способа управления световым потоком: посредством тиристорного регулятора электрической мощности, включаемого на входе источника питания светодиодов, и посредством подачи на источник питания светодиодов внешнего управляющего сигнала с широтно-импульсной модуляцией. И в том, и в другом случае в выходной ток источника питания привносятся дополнительные пульсации. Без принятия дополнительных мер уровень этих пульсаций, а следовательно, уровень пульсаций светового потока становится недопустимо большим.
Известен импульсный оптоизолированный стабилизированный источник постоянного тока для светодиодного светильника с малыми пульсациями выходного тока (Патент РФ №137169), состоящий из узла корректора коэффициента мощности, трансформатора, выпрямителя, накопительного конденсатора, узла управления, узла источника стабильного тока, отличающийся тем, что для достижения малых пульсаций выходного тока и высокого КПД при изменении сопротивления нагрузки в широких пределах применен источник стабильного тока на полевом транзисторе, охваченный отрицательной связью по напряжению сток-исток, чем обеспечивается постоянство напряжения сток-исток регулирующего полевого транзистора и как следствие постоянство мощности потерь при изменении сопротивления нагрузки в широких пределах.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявленной ПМ, являются:
- узел корректора коэффициента мощности, в заявленной ПМ - корректор коэффициента мощности;
- выпрямителя, в заявленной ПМ - выпрямитель;
- узел источника стабильного тока,. в заявленной ПМ - преобразователь постоянного напряжения в постоянное, работающий в режиме стабилизации выходного тока;
- способ включения источника стабильного тока на полевом транзисторе для достижения малых пульсаций выходного тока последовательно с сопротивлением нагрузки, в заявленной ПМ - последовательно с сопротивлением нагрузки, которым является кластер последовательно включенных светодиодов, включен активный фильтр пульсаций выходного тока.
Недостатком аналога является недостаточно большое подавление пульсаций тока нагрузки. На регулирующем элементе, полевом транзисторе, источника стабильного тока поддерживается постоянное напряжение. Уменьшение пульсаций тока нагрузки обеспечивается только за счет сглаживания во вторичной цепи аналога. Уменьшение пульсаций тока нагрузки ограничено физическими параметрами применяемых электронных компонентов и не может быть сколько угодно большим.
Из известных технических решений наиболее близким является драйвер светодиода для подачи управляющего тока на один или более светодиодов (Патент РФ №117766), содержащий:
- секцию выпрямления для приема напряжения переменного тока и преобразования его в выпрямленное напряжение и
- секцию однокаскадного понижающего преобразователя для преобразования выпрямленного напряжения в напряжение постоянного тока с уровнем, который пригоден для соединения с одним или более светодиодов для подачи на них управляющего тока,
отличающийся тем, что он дополнительно содержит секцию импульсного стабилизатора тока, соединенную с выходом секции однокаскадного понижающего преобразователя для предотвращения пульсаций подаваемого управляющего тока.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявленной ПМ, являются:
- секция выпрямления для приема напряжения переменного тока и преобразования его в выпрямленное напряжение, в заявленной ПМ - выпрямитель;
- секция однокаскадного понижающего преобразователя для преобразования выпрямленного напряжения в напряжение постоянного тока, в заявленной ПМ - преобразователь постоянного напряжения в постоянное;
- назначение однокаскадного понижающего преобразователя для преобразования выпрямленного напряжения в напряжение постоянного тока для соединения с одним или более светодиодов для подачи на них управляющего тока, заявленная ПМ - предназначена для питания постоянным током кластера последовательно включенных светодиодов;
- секция импульсного стабилизатора тока, в заявленной ПМ - преобразователь постоянного напряжения в постоянное, работающий в режиме стабилизации выходного тока.
Недостатком прототипа является недостаточное подавление пульсаций подаваемого управляющего тока одного или более светодиодов.
Задачей предлагаемой ПМ является снижение уровня пульсаций выходного тока регулируемого импульсного источника питания для светодиодов.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве к выходу преобразователя постоянного напряжения в постоянное, работающего в режиме стабилизации выходного тока, подключен дополнительно введенный блок выделения переменной составляющей тока питания кластера светодиодов, выход которого соединен с входом дополнительно введенного блока масштабирования и привязки к постоянному уровню сигнала переменной составляющей тока питания светодиодов, выход блока масштабирования и привязки соединен с управляющим входом активного фильтра пульсаций выходного тока, причем переменная составляющая выходного сигнала блока масштабирования и привязки находится в противофазе с пульсациями выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянное, работающего в режиме стабилизации выходного тока.
Для достижения технического результата в регулируемом импульсном источнике питания для светодиодов с малыми пульсациями выходного тока, предназначенном для питания постоянным током кластера последовательно включенных светодиодов и содержащем выпрямитель, корректор коэффициента мощности, преобразователь постоянного напряжения в постоянное, работающий в режиме стабилизации выходного тока, причем выход преобразователя постоянного напряжения в постоянное, работающего в режиме стабилизации выходного тока, предназначен для подключения кластера последовательно включенных светодиодов, активный фильтр пульсаций выходного тока, включенный последовательно с кластером последовательно включенных светодиодов, к выходу преобразователя постоянного напряжения в постоянное, работающего в режиме стабилизации выходного тока, подключен дополнительно введенный блок выделения переменной составляющей тока питания кластера светодиодов, выход которого соединен с входом дополнительно введенного блока масштабирования и привязки к постоянному уровню сигнала переменной составляющей тока питания светодиодов, выход блока масштабирования и привязки соединен с управляющим входом активного фильтра пульсаций выходного тока, причем переменная составляющая выходного сигнала блока масштабирования и привязки находится в противофазе с пульсациями выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянное, работающего в режиме стабилизации выходного тока.
Заявленная ПМ представлена на чертеже (Фиг. 1) - регулируемый импульсный источник питания для светодиодов с малыми пульсациями выходного тока.
На Фиг. 1 представлена структурная схема регулируемого импульсного источника питания для светодиодов с малыми пульсациями выходного тока. Структурная схема содержит выпрямитель 1, к выходу которого подключен корректор коэффициента мощности 2. Выходное постоянное напряжение выхода корректора коэффициента мощности 2 преобразовывается в постоянное напряжение питания необходимой величины преобразователем постоянного напряжения в постоянное 3, причем преобразователь постоянного напряжения в постоянное 3 работает в режиме стабилизации выходного тока. К выходу преобразователя постоянного напряжения в постоянное 3 подключен кластер последовательно включенных светодиодов 4. Последовательно с кластером последовательно включенных светодиодов 4 подключен активный фильтр пульсаций выходного тока 5. Кластер последовательно включенных светодиодов 4 и активный фильтр пульсаций выходного тока 5 являются нагрузкой регулируемого импульсного источника питания для светодиодов с малыми пульсациями выходного тока. К выходу преобразователя постоянного напряжения в постоянное 3 подключен блок выделения переменной составляющей 6 тока питания кластера светодиодов, выход которого соединен с входом блока масштабирования и привязки к постоянному уровню 7 сигнала переменной составляющей тока питания светодиодов. Выходной сигнал блока масштабирования и привязки к постоянному уровню 7 подключен к активному фильтру пульсаций выходного тока 5 в качестве управляющего сигнала.
При подключении устройства к питающему напряжению переменного тока выпрямитель 1 преобразовывает переменное напряжение в постоянное пульсирующее напряжение. Корректор коэффициента мощности 2, подключенный к выходу выпрямителя 1, корректирует форму потребляемого от питающей сети тока по входу устройства и вырабатывает на своем выходе постоянное напряжение. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное 3 преобразовывает выходное напряжение корректора коэффициента мощности 2 в постоянное напряжение требуемой величины для питания кластера светодиодов 4. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное 3 работает в режиме стабилизации выходного тока.
Блок выделения переменной составляющей 6 вырабатывает на своем выходе сигнал переменного напряжения, подобный по форме пульсациям напряжения на выходе преобразователя постоянного напряжения в постоянное 3. В блоке масштабирования и привязки к постоянному уровню 7 выходной сигнал блока 6 суммируется с постоянным напряжением. Выходной сигнал блока 7 является управляющим сигналом для активного фильтра пульсаций выходного тока 5. Переменная составляющая управляющего сигнала находится в противофазе с составляющей пульсаций в составе выходного тока источника. Так как форма переменной составляющей управляющего сигнала подобна форме пульсаций напряжения на выходе преобразователя постоянного напряжения в постоянное 3, происходит вычитание переменных составляющих и, соответственно, уменьшение пульсаций в выходном токе устройства.
При равенстве амплитуд переменных составляющих в составе выходного тока, создаваемых выходом преобразователя постоянного напряжения в постоянное 3 и совместным действием блоков 6, 7, 5, происходит подавление пульсаций. Имеющаяся погрешность в подавлении пульсаций связана с задержкой распространения электрического сигнала через блоки 6, 7, 5. Наиболее опасными пульсациями светового потока считаются пульсации с частотами до 300 Гц. Современные электронные компоненты и уровень достигнутых схемотехнических решений позволяют создавать импульсные устройства и их цепи управления с рабочими частотами до десятков мегагерц. Таким образом, задержка распространения электрического сигнала через блоки 6, 7, 5, обратно пропорциональная величине в десятки мегагерц, значительно меньше величины периода пульсаций, обратно пропорционального 300 Гц, и, следовательно, пульсации выходного тока эффективно подавляются.
Заявленная ПМ и прототип имеют совпадающий признак - стабилизатор тока питания светодиодов.
Стабилизатор тока в прототипе включен последовательно с питаемыми светодиодами и его целью применения является уменьшение уровня пульсаций тока питания светодиодов. Импульсный стабилизатор тока по принципу действия и конструкции подобен предшествующим блокам преобразования входного напряжения переменного тока в конструкции прототипа и, соответственно, имеет сходное с ними по величине значение собственных выходных пульсаций. По этой причине величина пульсаций выходного тока в прототипе определяется суммой выходных пульсаций импульсного стабилизатора тока и пульсаций однокаскадного понижающего преобразователя для преобразования выпрямленного напряжения в напряжение постоянного тока. Величина этой суммы зависит от соотношения мгновенных фаз выходных пульсаций импульсного стабилизатора тока и пульсаций однокаскадного понижающего преобразователя. Прототип не имеет общего генератора, управляющего работой устройства, рабочие частоты импульсного стабилизатора тока и однокаскадного понижающего преобразователя взаимно асинхронны, и, следовательно, в выходной цепи прототипа периодически, с частотой биений между рабочими частотами импульсного стабилизатора тока и однокаскадного понижающего преобразователя, происходит увеличение пульсаций при равенстве фаз указанных частот.
В заявленной ПМ стабилизация тока осуществлена в преобразователе постоянного напряжения в постоянное, а с целью уменьшения пульсаций тока питания светодиодов применен активный фильтр. Подавление пульсаций в ПМ реализовано посредством активного фильтра, осуществляющего противофазное активное регулирование выходного тока. Активный фильтр вносит в цепь питания светодиодов пульсации, подобные по форме и противоположные по фазе пульсациям на выходе преобразователя постоянного напряжения в постоянное. В выходной цепи ПМ происходит вычитание пульсаций, вносимых преобразователем постоянного напряжения в постоянное, и подобных им по форме пульсаций, вносимых активным фильтром. В заявленной ПМ указанный процесс является непрерывным и не зависит, как в прототипе, от соотношения рабочих частот отдельных импульсных блоков устройства. Таким образом, в сравнении с прототипом заявленная ПМ обеспечивает меньший уровень пульсаций в цепи питания светодиодов.