Драйвер для управления яркостью светоизлучателя

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в устройствах управления светоизлучателями, работающими в видимом и инфракрасном областях спектра.
Конструктивно светоизлучающие оптоэлектронные узлы включают в себя светоизлучатели (светодиоды или полупроводниковые лазеры) и устройства управления светоизлучателями - драйверами, осуществляющими функции преобразования напряжения питания, стабилизации питающего напряжения, электрической защиты элементов самого драйвера и светоизлучателя, а также регулирования яркости свечения - мощности излучения светоизлучателя.
Использование светоизлучателей в условиях различных уровней освещенности окружающей обстановки и наблюдаемых объектов требует подстройки излучения по яркости. Для уменьшения адаптационной и аккомодационной нагрузок на глаза оператора применяют режим стабилизации мощности излучения светоизлучателей при постоянном токе питания или используют диммирующие (импульсные) генераторы питания, стабилизирующие суммарный световой поток светоизлучателей за некоторый временной промежуток.
Известно устройство управления освещением по среднему значению тока по патенту РФ №2540401 от 05.02.2013 г., используемое в системах искусственного освещения с применением мощных светодиодов при питании от внешних источников постоянного тока. Стабилизация тока светодиодов осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Устройство имеет следующие недостатки.
1. Наличие балластного резистора в цепи питания светоизлучателя снижает КПД драйвера за счет прямых омических потерь, пропорциональных полному току потребления светоизлучателя.
2. Изобретение решает задачу достижения максимальной мощности излучения, но подстройка оператором яркости светоизлучателя в широком диапазоне для согласования с излучением окружающего фона или объекта устройством не обеспечивается.
3. Драйвер рассчитан на работу вблизи максимального напряжения питания светоизлучателя, что приводит к низкому КПД при работе в режиме малой мощности.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели - прототипом - является драйвер для управления яркостью светоизлучателя, названный «Генератор диммирующего сигнала», выполняющий функцию регулятора импульсного питания (https://svetodiodinfo.ru/svoimi-rukami/zamena-lamp-na-svetodiody-v-monitore.html).
Для удобства сравнения с заявляемым драйвером схема указанного драйвера-прототипа показана на фиг. 1 в виде блок-схемы, на которой обозначены составные части, также содержащиеся и в заявляемом драйвере: регулятор импульсного питания D1, задатчик длительности импульсов R1, задатчик напряжения R2.
Драйвер содержит регулятор импульсного питания D1 светоизлучателя - светодиода VD, задатчик длительности импульсов R1 и задатчик напряжения R2 (балластный резистор). Выход задатчика длительности импульсов R1 связан с управляющим входом регулятора импульсного питания D1. Напряжение от первичного источника питания Vex подается на вход D1, а с его выхода через задатчик напряжения R2 на светоизлучатель VD подается импульсное напряжение. Задатчик длительности импульсов R1 и задатчик напряжения R2 выполнены в виде переменных резисторов.
Прототип имеет следующие недостатки:
1. Драйвер рассчитан на широкий диапазон регулирования напряжения питания светоизлучателя и при работе в режиме малой мощности, необходимой для обеспечения малой яркости свечения, имеет чрезвычайно низкий КПД.
2. При вариациях напряжения первичного источника питания драйвер не обеспечивает стабилизацию яркостных режимов работы светоизлучателя, что вызывает энергетические потери за счет избыточного перерегулирования, а также необходимость дополнительной регулировки яркости оператором во время работы, что также увеличивает непроизводительные энергетические расходы.
3. Регулировка яркости светоизлучателя производится задатчиком напряжения - балластным резистором, включенным непосредственно в цепь питания светоизлучателя, что снижает КПД драйвера за счет прямых омических потерь пропорциональных полному току потребления светоизлучателя.
4. Драйвер не приспособлен для выбора оптимальной рабочей точки полупроводникового светоизлучателя, имеющего обратно-параболическую зависимость значения яркости от силы тока, что на большей части шкалы рабочих режимов отражается снижением КПД самого светоизлучателя.
Техническая проблема заключается в достижении следующего технического результата: повышение КПД драйвера во всем диапазоне регулирования яркости светоизлучателя при возможных вариациях напряжения первичного источника питания с обеспечением автоматической стабилизации яркости светоизлучателя.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Драйвер для управления яркостью светоизлучателя, как и прототип, содержит регулятор импульсного питания светоизлучателя, задатчик длительности импульсов, выходом связанный со входом управления регулятора импульсного питания светоизлучателя и задатчик напряжения питания светоизлучателя. В отличие от прототипа он дополнительно содержит источник вторичного питания малой мощности, источник вторичного питания большой мощности и реле управления, имеющее вход подключения к первичному источнику питания, причем входы управления упомянутых источников вторичного питания связаны с выходом задатчика напряжения питания светоизлучателя, входы питания источников вторичного питания связаны один - с прямым, а другой - с инверсным коммутируемым выходом реле управления, а выходы источников вторичного питания параллельно подключены ко входу регулятора импульсного питания светоизлучателя.
Регуляторы импульсного питания светоизлучателя и задатчик длительности импульсов могут быть основаны на широтно-импульсной модуляции (ШИМ-регуляторы) или на частотно-импульсной модуляции (ЧИМ-регуляторы). В качестве источников вторичного питания также могут использоваться ШИМ-источники или ЧИМ-источники.
Источник вторичного питания большой мощности обеспечивает мощность питания светоизлучателя в диапазоне от 1 до 100% от максимально допустимого значения, а источник вторичного питания малой мощности - в диапазоне от 0,01% до 1% от максимально допустимого значения, т.е. приблизительно на два порядка ниже, чем максимально допустимая мощность питания светоизлучателя.
В драйвере может использоваться реле, срабатывающее по значению входного тока потребления или по значению входной мощности потребления, а задатчик напряжения питания светоизлучателя и задатчик длительности импульсов могут быть резистивными или цифровыми.
Драйвер может использоваться с различными светоизлучателями, например, со светодиодом, полупроводниковым лазером.
На фиг. 1 приведена блок-схема драйвера - прототипа. Заявляемый драйвер проиллюстрирован примером конкретного выполнения, приведенным на фиг. 2, на котором представлена блок-схема драйвера, подключенного к первичному источнику питания и светоизлучателю - светодиоду.
Драйвер управления яркостью светоизлучателя содержит реле управления Р1, ШИМ-источник вторичного питания большой мощности, обеспечивающий мощность питания светоизлучателя от 1 до 100% от максимально допустимого значения, V1, ШИМ-источник вторичного питания малой мощности, обеспечивающий мощность питания светоизлучателя от 0,01% до 1% от максимально допустимого значения V2, ШИМ-регулятор импульсного питания D1, задатчик напряжения R2 и задатчик скважности импульсов R1.
Выход задатчика скважности импульсов R1 связан с входом управления ШИМ-регулятора импульсного питания D1 (вывод 3). Входы управления ШИМ-источников вторичного питания V1 (вывод 2), и V2 (вывод 2), связаны с выходом задатчика напряжения R2. Вход ШИМ-источника вторичного питания V1 (вывод 1) связан с неинвертирующим выходом Р1 (вывод 2), а вход ШИМ-источника вторичного питания V2 (вывод 1) - с инвертирующим выходом реле управления Р1 (вывод 3). Выходы ШИМ-источников вторичного напряжения питания V1 (вывод 3) и V2 (вывод 3), параллельно подключены к входу ШИМ-регулятора импульсного питания D1 (вывод 1). В процессе работы драйвер подключен к первичному источнику питания Vex через вход реле управления Р1 (вывод 1), а светодиод VD - к выходу ШИМ-регулятора импульсного напряжения питания D1 (вывод 2).
Драйвер работает следующим образом.
В соответствии с текущим значением полного тока потребления драйвера, потребляемого из первичного источника питания Vex, реле управления Р1 подает питание, либо на ШИМ-источник вторичного питания большой мощности V1 (вывод 1), либо на ШИМ-источник вторичного питания малой мощности V2 (вывод 1), которые осуществляют поддержание стабильного напряжения питания на ШИМ-регуляторе импульсного питания D1 (вывод 1). Амплитудное напряжение импульсного питания светодиода VD устанавливается в соответствии со значением напряжения, определяемым задатчиком величины напряжения R2 через управляющие входы ШИМ-источников вторичного питания V1 (вывод 3) и V2 (вывод 3). Управление яркостью светодиода VD осуществляется через вход управления ШИМ-регулятора импульсного питания D1 (вывод 3), значение скважности импульсов которого устанавливается задатчиком скважности импульсов R1.
В случае изменения напряжения первичного источника питания, ШИМ-источники вторичного питания V1 и V2 поддерживают неизменной рабочую точку светодиода VD при любом значении скважности, что обеспечивает поддержание требуемой яркости при высоком КПД и не требует дополнительной подстройки яркости оператором.
ШИМ-источник вторичного питания малой мощности V2 поддерживает работу светодиода VD в фазе малой яркости излучения, а ШИМ-источник вторичного питания большой мощности V1 - в фазе высокой яркости, обеспечивая высокий КПД источников питания в любом случае. Кроме этого, драйвер позволяет устанавливать высокую точность настройки при расширении диапазона регулирования, вплоть до четырех порядков изменения яркости.
Регулировка яркости светодиода VD производится задатчиком напряжения R2, не являющимся балластным резистором, что не создает прямых омических потерь и не снижает КПД драйвера.
Оптимизация КПД драйвера осуществляется следующим образом. При включении драйвера оператор устанавливает максимальное значение скважности импульсов задатчиком скважности импульсов R1 и задает освещенность видимого пространства, создаваемую светоизлучателем, немного превышающую оптимальную освещенность, путем подстройки задатчика напряжения R2. После чего снижает освещенность до оптимальной уменьшением скважности импульсов на R1. Это позволяет установить рабочую точку светодиода VD с оптимизированным КПД светодиода VD относительно требуемого уровня яркости.
Проведенная авторами экспериментальная проверка заявляемого драйвера показала, что драйвер, по сравнению с прототипом, имеет более высокий КПД (не менее 90%) во всем диапазоне регулирования яркости светоизлучателя, в том числе при вариациях напряжения первичного источника питания, и обеспечивает стабильную яркость светоизлучателя.