МОДИФИЦИРОВАННАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА С ШУНТИРУЮЩИМИ КОНДЕНСАТОРАМИ, ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ВЫПРЯМЛЯЮЩИМ ДИОДАМ, ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С БАЛЛАСТОМ
MODIFIED LED LAMP WITH BYPASS CAPACITORS, PARALLEL RECTIFYING DIODES FOR USING WITH BALLAST

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к светодиодной заменяющей лампе, пригодной для работы с балластом флуоресцентной лампы, в частности с высокочастотным балластом флуоресцентной лампы. Светодиодная заменяющая лампа оснащена такими же ламповыми контактами, как и у флуоресцентной лампы, так чтобы она могла быть напрямую соединена с балластом флуоресцентной лампы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Флуоресцентные лампы были очень удачным источником света. Они используются в огромном масштабе. На сегодняшний день, по сути, более 60% искусственного света генерируется флуоресцентными лампами. Однако в последние годы технология светодиодного освещения быстро развилась, и замена флуоресцентных ламп светодиодными заменяющими лампами становится привлекательной из-за высокой эффективности светодиодных ламп и их долгого срока службы.
На сегодняшний день на рынке есть различные светодиодные заменяющие лампы. Пример такой светодиодной заменяющей лампы раскрыт в US 2011121756.
Для правильной работы большинство этих заменяющих ламп требуют перемонтажа проводов в флуоресцентной лампе посредством удаления или обхода балласта. Однако наиболее простым способом модернизации флуоресцентного светильника является удаление флуоресцентной лампы и ее замена на светодиодную заменяющую лампу. В этом случае не требуется перемонтаж проводов или вскрытие светильника.
Светодиоды более эффективны, чем флуоресцентные лампы (выше отношение люмен/ватт). Кроме того, светодиоды, входящие в состав светодиодной заменяющей трубки, направляют большую часть света вниз, поэтому светодиодная заменяющая лампа имеет намного более высокую оптическую эффективность, чем флуоресцентная лампа, направляющая свой свет вокруг трубки. Как следствие, в случае, например, замены флуоресцентной лампы длиной 1,22 м (4 фута) с номинальной мощностью 32 Вт светодиодной заменяющей лампой, генерирующей такое же количество света на стол, расположенный под ней, энергопотребление светодиодной заменяющей лампы составит примерно 20-25 Вт, основываясь на сегодняшней эффективности светодиодов. В будущем, когда эффективность светодиодов увеличится, энергопотребление светодиодной заменяющей лампы еще снизится. Обработка этой разницы между мощностью, потребляемой светодиодной заменяющей лампой, и мощностью, потребляемой флуоресцентной лампой, для которой был разработан балласт флуоресцентной лампы, является ключевой задачей разработки светодиодной заменяющей лампы.
В светодиодной заменяющей лампе, раскрытой в US 2011121756, светодиодная заменяющая лампа оснащена выпрямителями и LC-фильтрами для генерирования постоянного тока из высокочастотного напряжения, выдаваемого балластом флуоресцентной лампы. Однако US 2011121756 не раскрывает каких-либо признаков для подтверждения того, что мощность, потребляемая светодиодной заменяющей лампой, ниже, чем мощность, выдаваемая высокочастотным балластом флуоресцентной лампы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение нацелено на то, чтобы предоставить светодиодную заменяющую лампу, содержащую сравнительно малое число компонентов, которая может быть напрямую присоединена к терминалам подсоединения лампы балласта флуоресцентной лампы, предпочтительно высокочастотному балласту флуоресцентной лампы, чтобы заменить флуоресцентную лампу и потреблять меньше мощности, чем флуоресцентная лампа, для которой был разработан высокочастотный балласт флуоресцентной лампы.
В соответствии с первым аспектом изобретения, представлена светодиодная заменяющая лампа, подходящая для работы с высокочастотным балластом флуоресцентной лампы, содержащая:
- светодиодную нагрузку, содержащую последовательно соединенные светодиоды,
- первую схему конца лампы, содержащую
- первый ламповый контакт и второй ламповый контакт для подсоединения к первому терминалу подсоединения лампы, входящему в состав высокочастотного балласта флуоресцентной лампы,
- первый выпрямитель, оснащенный по меньшей мере одним входным терминалом, соединенным с первым ламповым контактом, и первым и вторым выходными терминалами, соединенными с соответствующими концами светодиодной нагрузки, первый выпрямитель содержит по меньшей мере два диода, один из которых шунтирован первым конденсатором,
- вторую схему конца лампы, содержащую
- третий ламповый контакт и четвертый ламповый контакт для подсоединения ко второму терминалу подсоединения лампы, входящему в состав высокочастотного балласта флуоресцентной лампы,
- второй выпрямитель, оснащенный по меньшей мере одним входным терминалом, соединенным с третьим ламповым контактом, и первым и вторым выходными терминалами, соединенными с соответствующими концами светодиодной нагрузки, причем второй выпрямитель содержит по меньшей мере два диода, один из которых шунтирован вторым конденсатором,
при этом первый конденсатор и второй конденсатор образуют последовательное соединение, подсоединенное между вторым ламповым контактом и четвертым ламповым контактом.
Прежде всего отметим, что светодиодная заменяющая лампа согласно изобретению используется предпочтительно в комбинации с высокочастотным флуоресцентным балластом, но также может быть использована в комбинации с электромагнитным флуоресцентным балластом флуоресцентной лампы. При работе с электромагнитным балластом лампа будет генерировать больше света, но также будет потреблять больше мощности, чем при работе с высокочастотным балластом флуоресцентной лампы. Далее по тексту будем считать, что светодиодная заменяющая лампа используется в комбинации с высокочастотным флуоресцентным балластом.
Согласно изобретению, во время работы светодиодной заменяющей лампы первый и второй выпрямители выпрямляют высокочастотное переменное напряжение, подаваемое высокочастотным балластом флуоресцентной лампы, в напряжение постоянного тока, питающее светодиодную нагрузку. Последовательное соединение первого и второго конденсатора образует цепь, которая во время работы проводит переменный ток. Как следствие, только часть тока, генерируемого балластом флуоресцентной лампы, проводится светодиодной нагрузкой, так что мощность, потребляемая светодиодной заменяющей лампой, меньше мощности, подаваемой высокочастотным флуоресцентным балластом, а также меньше, чем номинальная мощность флуоресцентной лампы, для которой был разработан высокочастотный балласт флуоресцентной лампы. Как следствие, энергия экономится.
В соответствии с дополнительным аспектом изобретения, представлен способ питания светодиодной нагрузки от высокочастотного флуоресцентного балласта, содержащий следующие этапы:
- обеспечение светодиодной нагрузки, содержащей последовательное соединение светодиодов,
- обеспечение первой пары ламповых контактов и второй пары ламповых контактов и соединение каждой пары с терминалом подсоединения ламп высокочастотного флуоресцентного балласта,
- выпрямление напряжения, присутствующего между упомянутыми парами ламповых контактов,
- запитывание светодиодной нагрузки выпрямленным напряжением, и
- обеспечение емкостного соединения между ламповым контактом первой пары ламповых контактов и ламповым контактом второй пары ламповых контактов.
Согласно изобретению, в первом предпочтительном варианте осуществления светодиодной заменяющей лампы напряжение светодиодной нагрузки ниже, чем напряжение поддержания разряда флуоресцентной лампы, для которой был разработан высокочастотный балласт флуоресцентной лампы.
Так как многие балласты ламп в той или иной мере выступают в роли источника постоянного тока, мощность в светодиодной заменяющей лампе может быть сделана меньше, чем у флуоресцентной лампы, для чего и был спроектирован балласт путем выбора напряжения на светодиодной нагрузке меньшим, чем напряжение поддержания разряда флуоресцентной лампы. Этот способ уменьшения мощности в светодиодной заменяющей лампе по отношению к мощности, потребляемой флуоресцентной лампой, может быть использован в комбинации с использованием конденсаторов, содержащихся в светодиодной заменяющей лампе, которые проводят часть тока, генерируемого высокочастотным балластом, так что он не протекает через светодиодную нагрузку. Эти два механизма уменьшения мощности, потребляемой светодиодной заменяющей лампой, обеспечивают две степени свободы для точной настройки схемы в светодиодной заменяющей лампе.
Согласно изобретению, в другом предпочтительном варианте осуществления светодиодной заменяющей лампы первый фильтрующий конденсатор подсоединен между выходными терминалами первого выпрямителя, а второй фильтрующий конденсатор подсоединен между выходными терминалами второго выпрямителя. Оба эти конденсатора служат для уменьшения высокочастотной пульсации, в выпрямленном напряжении, присутствующем на светодиодной нагрузке.
Согласно изобретению, еще в одном предпочтительном варианте осуществления светодиодной заменяющей лампы два ламповых контакта первой схемы конца лампы соединены через первую схему эмуляции нити накаливания, а два ламповых контакта второй схемы конца лампы соединены через вторую схему эмуляции нити накаливания. Схема эмуляции нити накаливания может быть просто резистором, имеющим такое же сопротивление, как и нить накаливания обычной флуоресцентной лампы. Наличие такой схемы эмуляции нити накаливания необходимо для некоторых балластов флуоресцентных ламп, оснащенных схемой обнаружения нити накаливания. Предпочтительно, чтобы каждая из первой схемы эмуляции нити накаливания и второй схемы эмуляции нити накаливания содержали предохранитель. В этом последнем случае светодиодная заменяющая лампа дополнительно эффективно защищена от неправильного подсоединения первой или второй пары ламповых контактов напрямую в сеть питания. Более предпочтительно первая схема эмуляции нити накаливания является последовательным соединением, содержащим два предохранителя, и первый выпрямитель содержит два диода и общий терминал этих двух диодов и подсоединен к терминалу между упомянутыми двумя предохранителями, а вторая схема эмуляции нити накаливания является последовательным соединением, содержащим два предохранителя, и второй выпрямитель содержит два диода, и общий терминал этих двух диодов подсоединен к терминалу между двумя предохранителями. В этой последней конфигурации предохранители дополнительно защищают светодиодную заменяющую лампу от слишком высокого тока.
Согласно изобретению, в следующем предпочтительном варианте осуществления светодиодной заменяющей лампы первый выпрямитель является полным мостовым выпрямителем, содержащим четыре диода и имеющим первый входной терминал и второй входной терминал, соединенные с соответствующими ламповыми контактами первой схемы конца лампы, и первый конденсатор подсоединен между первым входным терминалом и первым выходным терминалом первого выпрямителя, и первая схема конца лампы содержит третий конденсатор, подсоединенный между вторым входным терминалом и вторым выходным терминалом первого выпрямителя, и второй выпрямитель является полным мостовым выпрямителем, содержащим четыре диода и имеющим первый входной терминал и второй входной терминал, соединенные с соответствующими ламповыми контактами второй схемы конца лампы, и второй конденсатор подсоединен между первым входным терминалом и первым выходным терминалом второго выпрямителя, и при этом вторая схема конца лампы содержит четвертый конденсатор, подсоединенный между вторым входным терминалом и вторым выходным терминалом второго выпрямителя, при этом третий конденсатор и четвертый конденсатор образуют последовательное соединение, соединяющее второй ламповый контакт с третьим ламповым контактом.
Согласно изобретению, следующий предпочтительный вариант осуществления светодиодной заменяющей лампы содержит схемы эмуляции электрода, рассеивание мощности на этих схемах меньше, чем в вариантах осуществления светодиодной заменяющей лампы согласно изобретению, в которых выпрямители включают только два диода.
Согласно изобретению, еще в одном предпочтительном варианте осуществления светодиодной заменяющей лампы светодиодная заменяющая лампа оснащена прозрачной цилиндрической ламповой колбой, окружающей светодиодную нагрузку и первую и вторую схемы конца лампы, и содержит первый ламповый наконечник, оснащенный двумя ламповыми контактами, содержащимися в первой схеме конца лампы, и второй ламповый наконечник, оснащенный двумя ламповыми контактами, содержащимися во второй схеме конца лампы. Ламповая колба и ламповые наконечники служат для защиты светодиодной нагрузки и первой и второй схем конца лампы от пыли и грязи, тем самым продлевая срок службы лампы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах Фиг. 1-3 показаны схематичные изображения первого варианта осуществления, второго варианта осуществления и третьего варианта осуществления светодиодной заменяющей лампы по изобретению, а Фиг. 4 показывает мощность лампы как функцию от общей емкости последовательных соединений, содержащих шунтирующие конденсаторы и шунтирующих лампу.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На Фиг. 1 LV - это прозрачное цилиндрическое стекло или пластиковая ламповая колба, соединенная с ламповым наконечником LC1 с первого конца и ламповым наконечником LC2 со второго конца. Ламповый наконечник LC1 оснащен двумя ламповыми контактами LP1 и LP2, а ламповый наконечник LC2 оснащен ламповыми контактами LP3 и LP4. Ламповые контакты LP1 и LP2 подсоединены соответственно к первому входному терминалу и второму входному терминалу полного мостового выпрямителя, образованного диодами D1-D4. В этом варианте осуществления этот полный мостовой выпрямитель образует первый выпрямитель. Также ламповые контакты LP1 и LP2 соединены посредством схемы эмуляции электрода, образованной предохранителем F1. Диод D4 и диод D2 выпрямителя шунтированы конденсатором C1 и конденсатором С3 соответственно. Таким образом, конденсатор С1 соединяет первый входной терминал и первый выходной терминал первого выпрямителя, а конденсатор С3 соединяет второй входной терминал и второй выходной терминал первого выпрямителя. Первый выходной терминал первого выпрямителя соединен со вторым выходным терминалом первого выпрямителя при помощи фильтрующего конденсатора Cf. Ламповые контакты LP1 и LP2, предохранитель F1, диоды D1-D4, конденсаторы С1, С3, Cf вместе образуют первую схему конца лампы. Первая схема конца лампы смонтирована на печатной плате PCB1.
Ламповые контакты LP3 и LP4 соединены с первым входным терминалом и вторым входным терминалом полного мостового выпрямителя, образованного диодами D5-D8. В этом варианте осуществления этот полный мостовой выпрямитель образует второй выпрямитель. Также ламповые контакты LP3 и LP4 соединены посредством схемы эмуляции электрода, образованной предохранителем F2. Диод D8 и диод D5 второго выпрямителя шунтируются конденсатором С2 и конденсатором С4 соответственно. Таким образом, конденсатор С2 соединяет первый входной терминал и первый выходной терминал второго выпрямителя, а конденсатор С3 соединяет второй входной терминал и второй выходной терминал второго выпрямителя. Первый выходной терминал второго выпрямителя соединен со вторым выходным терминалом второго выпрямителя при помощи фильтрующего конденсатора Cfʹʹ. Ламповые контакты LP3 и LP4, предохранитель F2, диоды D5-D8, конденсаторы С2, С4 и Cfʹʹ вместе образуют вторую схему конца лампы. Вторая схема конца лампы смонтирован на печатной плате PCB3.
Выходные терминалы первого выпрямителя и выходные терминалы второго выпрямителя соединены при помощи проводников. LS - это светодиодная нагрузка, образованная цепочкой светодиодов, которая подсоединена между выходными терминалами первого выпрямителя, а также к выходным терминалам второго выпрямителя. Светодиодная нагрузка LS смонтирована на печатной плате PCB2.
Работа светодиодной заменяющей лампы, показанной на Фиг. 1, заключается в следующем.
Когда ламповые контакты LP1-LP4 подсоединены к терминалам подсоединения лампы высокочастотного балласта флуоресцентной лампы, оснащенного обнаружением наличия лампы, схема обнаружения наличия лампы попытается обнаружить наличие электрода лампы. В случае стандартной флуоресцентной лампы, подсоединенной к высокочастотному балласту флуоресцентной лампы, нити накаливания лампы проводят ток запуска. Если лампа не подсоединена, ток запуска не потечет, и высокочастотный балласт флуоресцентной лампы не выдаст высокочастотное напряжение на терминалы подсоединения лампы. В случае светодиодной заменяющей лампы, показанной на Фиг. 1, ток запуска будет проведен предохранителями, поэтому высокочастотный балласт флуоресцентной лампы будет выдавать высокочастотное напряжение на терминалы подсоединения лампы, а также, следовательно, и на ламповые контакты. Это напряжение выпрямляется первым и вторым выпрямителями, и выпрямленное напряжение присутствует между выходными терминалами каждого из выпрямителей, на фильтрующих конденсаторах Cf и Cfʹʹ и на светодиодной нагрузке. Выпрямленное напряжение вызывает протекание постоянного тока через светодиодную нагрузку LS. В то же время последовательное соединение конденсатора С1 и конденсатора С2 проводит переменный ток, который течет между ламповыми контактами LP2 и LP4, а последовательное соединение конденсаторов С3 и С4 проводит переменный ток, который течет между ламповыми контактами LP1 и LP3. Как следствие, не весь ток, генерируемый высокочастотным балластом флуоресцентной лампы, проводится светодиодной нагрузкой, часть этого тока проводится конденсаторами С1-С4. Кроме того, напряжение светодиодной нагрузки, как правило, выбирается ниже, чем для флуоресцентной лампы, для которой был разработан высокочастотный балласт флуоресцентной лампы.
Таким образом, светодиодная нагрузка потребляет мощность, которая меньше номинальной мощности флуоресцентной лампы, для которой был разработан балласт флуоресцентной лампы. Так как светодиоды производят больше света для заданной потребленной мощности, чем флуоресцентная лампа, и светодиодная заменяющая лампа имеет гораздо более высокую оптическую эффективность, следовательно, она производит такую же интенсивность света на поверхности стола, расположенного под лампой, но потребляет гораздо меньше энергии, чем флуоресцентная лампа. Таким образом, светодиодная заменяющая лампа предоставляет возможность экономии энергии.
Второй вариант осуществления светодиодной заменяющей лампы показан на Фиг. 2. На Фиг. 2 компоненты и части схемы, соответствующие компонентам и частям схемы, содержащимся в варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, помечены теми же обозначениями.
Отличие между вариантом осуществления, показанным на Фиг. 1, и вариантом осуществления, показанным на Фиг. 2, состоит в том, что первый и второй выпрямители, входящие в состав последнего варианта, содержат только два диода (D1, D2 и D8, D6 соответственно). Кроме того, только диод D2 и диод D8 шунтированы конденсаторами С1 и С2 соответственно. Кроме фильтрующих конденсаторов Cf и Cfʹʹ ни один другой конденсатор не содержится в светодиодной заменяющей лампе. Вариант осуществления на Фиг. 2 дешевле, чем на Фиг. 1, так как он содержит меньше компонентов.
Работа светодиодной заменяющей лампы на Фиг. 2 очень похожа на работу лампы на Фиг. 1. Отличие состоит в том, что рассеивание мощности на предохранителях F1 и F2 может быть больше, чем в варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, потому что для некоторых конфигураций ламп предохранителям нужно проводить выходной ток балласта.
Кроме того, здесь только одно последовательное соединение конденсатора С1 и конденсатора С2, проводящее переменный ток между ламповыми контактами.
Третий вариант осуществления светодиодной заменяющей лампы согласно изобретению показан на Фиг. 3. Для соответствующих компонентов и частей схемы опять используются те же обозначения.
Вариант осуществления, показанный на Фиг. 3, отличается от варианта, показанного на Фиг. 2, тем, что предохранитель F1 был заменен на последовательное соединение двух предохранителей F1 и F1ʹ, а предохранитель F2 был заменен на последовательное соединение двух предохранителей F2 и F2ʹ. Общий терминал предохранителей F1 и F1ʹ соединен с общим терминалом диодов D1 и D2, а общий терминал предохранителей F2 и F2ʹ соединен с общим терминалом диодов D8 и D6.
Работа варианта осуществления, показанного на Фиг. 3, очень похожа на работу вариантов осуществления на Фиг. 1 и Фиг. 2. Важное отличие состоит в том, что предохранители, входящие в варианты осуществления, показанные на Фиг. 1 и Фиг. 2, предотвращают повреждение только в случае, когда напряжение сети питания напрямую подключено между ламповыми контактами LP1 и LP2 или между ламповыми контактами LP3 и LP4. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 3, помимо этого существует защита от слишком высокого тока в светодиодной заменяющей лампе.
Фиг. 4 показывает мощность в ваттах, потребленную светодиодной заменяющей лампой, как функцию от общей эффективной емкости в нанофарадах, шунтирующей лампу. Эта общая эффективная емкость для варианта осуществления на Фиг. 1 является емкостью параллельного соединения конденсаторов С1 и С2, соединенных последовательно, с одной стороны, и конденсаторов С3 и С4, соединенных последовательно, с другой стороны. В вариантах осуществления, показанных на Фиг. 2 и Фиг. 3, эта общая емкость является емкостью последовательного соединения конденсаторов С1 и С2. Эта кривая была получена для резонансной катушки индуктивности Lr=2 мГн, резонансного конденсатора Cr=8,2 нФ, рабочей частоты 45 кГц и ламповой нагрузки, сымитированной резистором с сопротивлением 1 кОм.
Можно видеть, что мощность, потребляемая светодиодной заменяющей лампой, может быть отрегулирована в широком диапазоне посредством регулировки общей емкости.
В заключении, светодиодная заменяющая лампа согласно изобретению предлагает много важных преимуществ: светодиодная заменяющая лампа содержит малое число компонентов, она дешева, симметрична, сравнительно проста в производстве и очень хорошо подходит для существенной экономии энергии. Кроме того, емкость, шунтирующая лампу, реализована в виде конденсаторов, шунтирующих выпрямительные диоды. Эти конденсаторы включены в состав схемы концов лампы таким образом, что для шунтирующей емкости не требуется дополнительного соединения между печатными платами. Как следствие, согласно изобретению светодиодная заменяющая лампа имеет важное преимущество в том, что у нее есть всего три пути соединения между концами лампы: два соединения между выходными терминалами первого выпрямителя и выходными терминалами второго выпрямителя и светодиодная нагрузка. Так как соединения между печатными платами уязвимы, желательно минимизировать их число. Светодиодная заменяющая лампа согласно изобретению подходит для упрощенной замены флуоресцентных ламп, что означает, что нет необходимости в перемонтаже проводов светильника или вскрывать его: необходимо лишь подключить светодиодную заменяющую лампу к терминалам подсоединения лампы балласта флуоресцентной лампы.
Несмотря на то что изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и приведенном выше описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться пояснительными или приведенными для примера и не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления.
Вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты специалистами в данной области техники из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения и осуществлены при реализации заявленного изобретения. В формуле изобретения термин «содержит» не исключает других элементов или шагов, а формы единственного числа не исключают множественного числа. Единственный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких пунктов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт того, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для извлечения пользы.