Источник питания светодиодов

Полезная модель относится к области светотехники, в частности к источникам питания осветительных светодиодных приборов.
В настоящее время происходит бурное развитие нового направления техники, связанное с применением полупроводниковых светодиодов в освещении и при этом важно использовать традиционные электрические сети переменного напряжения.
Известен светодиодный источник света содержащий понижающий преобразователь напряжения, который через выпрямительный диодный мост соединен с по меньшей мере одним светодиодом, а между выпрямительным диодным мостом и светодиодом параллельно с ними включен емкостный фильтр, при этом понижающий преобразователь напряжения выполнен из цепочки последовательно соединенных конденсаторов, по крайней мере, один из которых, являющийся конденсатором отбора мощности, соединен с выпрямительным мостом. Патент RU79741, МПК Н05В 37/02, опубликован 2009 г.
Недостатком такого источника света является то, что используемая цепочка последовательно соединенных конденсаторов в преобразователе напряжения и токоограничивающий резистор, установленный параллельно светодиоду, могут только ограничить ток в случае короткого замыкания, но не обеспечивают надежность и безопасность работы устройства при аварийных ситуациях.
Известна схема подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока, содержащая группу последовательно соединенных светодиодов, подключенных параллельно к сглаживающему пульсации напряжения конденсатору, подсоединенному к диодному выпрямителю, который подсоединен последовательно к конденсатору, задающему рабочий ток, при этом конденсатор, задающий рабочий ток с подключенным параллельно ему разрядным резистором, вместе с токоограничивающим резистором последовательно подключены в сеть переменного тока, отличающаяся тем, что параллельно входу выпрямителя в цепь переменного тока подключен дополнительный конденсатор. Патент RU95214, МПК Н05В 37/00, опубликован 2010 г.
Недостатком описанной схемы является то, что мгновенное увеличение тока в цепи ограничивается только величиной активного сопротивления резистора и низким динамическим реактивным сопротивлением конденсатора, подключенного параллельно входу выпрямителя в цепь переменного тока, что не позволяет осуществить защиту от короткого замыкания.
Из уровня техники известен светодиодный выпрямительный мост, содержащий выпрямитель, конденсатор и светодиодные цепочки из двух последовательно соединенных светодиодов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены трансформатор, переменный резистор и источник стабилизированного напряжения, а выпрямитель выполнен на светодиодах, причем выводы переменного напряжения выпрямителя через трансформатор подключены к питающей сети, а выводы «+» и «-» выпрямителя соединены с параллельно соединенными конденсатором и входами «+» и «-» источника стабилизированного напряжения, к выходам которого подключены параллельно соединенные переменный резистор и группа параллельно соединенных светодиодных цепочек из двух светодиодов. Патент RU183081, МПК Н05В 33/08, Н05В 37/02, опубликован 2018 г.
В описанном устройстве проблема защиты от короткого замыкание решается за счет использования трансформатора, который работает на частоте напряжения питающей электрической сети и соответственно имеет большие габаритные размеры и не применим в небольших по размерам источниках питания для светодиодных приборов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является импульсный источник питания для светодиодного фонаря, содержащий входной фильтр, входной выпрямитель, блок управления, узел защиты по току, транзисторный ключ, выход которого через трансформатор соединен с мощным выходным выпрямителем и выходным фильтром, устройство коррекции, первый вход которого соединен с выходным фильтром, выход устройства коррекции через оптопару соединен с первым управляющим входом блока управления, второй управляющий вход блока управления связан с выходом узла защиты по току, а выход блока управления соединен с управляющим входом транзисторного ключа, отличающийся тем, что дополнительно содержит термореле с нормально-замкнутыми контактами, включенное последовательно между входом блока питания и входным фильтром. Патент RU127570, МПК Н05В 37/02, опубликован 2013 г.
В данном источнике питания отсутствует защита от короткого замыкания.
Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением является создание источника питания светодиодов повышенной степени надежности и безопасности работы устройства при аварийных ситуациях, в частности при коротком замыкании внутренней электрической схемы источника питания на заземленный корпус источника, особенно при ошибке подключения устройства в сеть переменного тока.
Технический эффект - повышение надежности и безопасности работы источника питания светодиодов при аварийной ситуации, в частности при коротком замыкании внутренней электрической схемы источника питания на заземленный корпус источника при работе в электрических сетях с глухо заземленной или изолированной нейтралью и при ошибке подключения устройства в сеть переменного тока.
Поставленная задача решается за счет того, предлагаемый источник питания светодиодов содержит входной фильтр, входной выпрямитель, блок управления, по меньшей мере одно полупроводниковое ключевое устройство, выход которого через устройство с индуктивно связанными обмотками соединен с выходным выпрямителем и выходным фильтром, устройство коррекции, первый вход которого соединен с выходным фильтром, выход устройства коррекции через оптопару соединен с первым управляющим входом блока управления, выход блока управления соединен с управляющим входом полупроводникового ключевого устройства, отличающийся тем, что дополнительно содержит два предохранителя находящиеся на проводниках, которые подключены к фазному и нулевому проводу питающей электрической сети. В качестве устройства с индуктивно связанными обмотками может быть использован трансформатор, дроссель по меньше мере с двумя обмотками. В качестве полупроводникового ключевого устройства может быть использован биполярный транзистор, полевой транзистор, тиристор, биполярный транзистор с изолированным затвором.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство содержит два предохранителя, на внутренних проводниках электрической схемы устройства, один из которых через клемму подключается к фазному проводнику питающей электрической сети, а другой - к нулевому проводнику.
Такая схема позволяет, обеспечивает надежную работу устройства в случае короткого замыкания на корпус при аварийной ситуации и при ошибке подключения устройства в сеть переменного тока.
При использовании в сети нескольких электрических устройств, например, таких как светильники, наличием в каждом из светильников внутреннего предохранителя FU, подключенного к фазному проводу питающей электрической сети, обеспечивается надежность функционирования всей системы освещения. При наступлении аварийной ситуации (короткого замыкания внутренней схемы устройства на заземленный корпус устройства), с большей вероятностью, можно предположить, что в конкретном устройстве сработает локальный предохранитель FU и отключит от сети одно конкретное устройство (фиг. 1).
Таким образом, будет отключено одно устройство, а вся система в целом будет функционировать.
Однако при монтаже устройств может быть допущена ошибка подключения сетевых проводов и предохранитель FU может оказаться подключенным не к фазному проводу, а к нулевому (фиг. 2).
В этом случае при наступлении аварийной ситуации ток будет проходить, через внутренний проводник устройства, не защищенный предохранителем FU. Вследствие такой ошибки сработает общий автоматический выключатель и отключит группу устройств. Подобная реакция на аварийную ситуацию приведет к тому, что будет невозможно подключить к электрическому питанию группу устройств до тех пор, пока не будет найдено и отключено аварийное устройство, которое стало причиной общего отключения. Применительно к освещению можно сказать, что вследствие подобной ситуации помещение полностью останется без света и шансы отыскать аварийное устройство среди многих подобных устройств, в темноте очень невелики.
Поэтому улучшить безопасность и надежность системы может использование в источнике питания двух предохранителей, находящихся на фазном и нулевом проводниках. Тогда не нужно будет уделять особое внимание строго определенному способу подключения сетевых проводов.
Рассматривая электрические сети с изолированной нейтралью можно констатировать, что на корпусе устройства вследствие аварийной ситуации, может появиться любой потенциал: нулевой, фазный, потенциал другой фазы. Поэтому использование в устройствах, работающих в таких сетях, двух предохранителей является насущной необходимостью.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схема движения тока при коротком замыкании на корпус, когда предохранитель установлен на фазном проводе;
фиг. 2 - схема движения тока при коротком замыкании на корпус, когда предохранитель установлен на нулевом проводе;
фиг. 3 - структурная схема источника питания светодиодов.
На фиг. 3 представлена структурная схема источника питания светодиодов.
Устройство питания светодиодов содержит клеммы подключения к электрической питающей сети 110/220/380 В, 50/60 Гц 1, предохранитель 2, предохранитель 3, входной фильтр 4, входной выпрямитель 5, блок коррекции коэффициента мощности 6, блок управления 7, устройство защиты 8, полупроводниковое ключевое устройство 9, с которым соединена цепь смягчения перегрузки 10 и первичная обмотка устройства с индуктивно связанными обмотками 11. Выход полупроводникового ключевого устройства 9 через устройство с индуктивно связанными обмотками 11 соединен с выходным выпрямителем 12, выходным фильтром 13, который через ключевое устройство защиты от сверхтока 14 и датчик выходного тока 15 соединен с клеммами для подключения нагрузки 16. Блок уменьшения пульсаций тока и защиты от режима короткого замыкания нагрузки (КЗН) 17 соединен с ключевым устройством защиты от мгновенного сверхтока 14 и датчиком выходного тока 15. Блок защиты от перегрузки 18 соединяет минусовую клемму нагрузки 16 и выходной фильтр 13. Первый вход устройства коррекции 19 соединен с выходным фильтром 13, второй вход с минусовой клеммой для подключения нагрузки 16, выход устройства коррекции соединен через оптопару 20 с первым входом блоком управления 7, выход которого соединен с управляющим входом полупроводникового ключевого устройства 9. Первый вход устройства защиты 8 соединен с выходом входного фильтра, а второй - с выходом блока коррекции коэффициента мощности 6.
Входной фильтр 4 может содержать защитные компоненты, такие как варисторы, термисторы, газоразрядные компоненты, защитные диоды, седакторы, выполняющие функцию защиты от импульсной помехи.
Блок управления 7 обладает функцией защиты от перегрузки по току, напряжению и температуре.
Устройство защиты 8 осуществляет функцию вторичной защиты и дает сигнал выключения блоку управления при возникновении недопустимых значений выпрямленного напряжения питающей электрической сети. Например, вследствие воздействия импульсной помехи из питающей электрической сети или пониженного напряжения питающей электрической цепи.
В качестве полупроводникового ключевого устройства 9 может быть использован биполярный транзистор, биполярный транзистор с изолированным затвором, полевой транзистор или тиристор. Количество полупроводниковых ключевых устройств определяется выходной мощностью источника и электрической схемой высокочастотного преобразователя. При большой мощности источника возможно использование нескольких параллельно включенных полупроводниковых ключевых устройств управляемых с одного выхода блока питания 7.
Также несколько полупроводниковых ключевых устройств могут быть использованы для получения высокочастотного напряжения при использовании схем полумостового, мостовой или пушпульного инверторов, а также схем обратноходового или прямоходового импульсных преобразователей. Тогда при подключении полупроводниковых ключевых устройств к устройству с индуктивно связанными обмотками дополнительно могут быть использованы конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы и диоды, а блок управления будет управлять каждым полупроводниковым ключевым устройством через отдельный выход.
В качестве устройства с индуктивно связанными обмотками 11 может быть использован трансформатор или дроссель по меньшей мере с двумя обмотками.
Устройство коррекции 19 содержит одну или несколько схем сравнения параметров тока или/и напряжения нагрузки с эталонными значениями.
Источник питания может дополнительно содержать стабилизированный источник напряжения для питания устройства коррекции и оптопары.
Источник питания работает следующим образом:
Переменное напряжение питающей электрической сети 110/220/380 В, 50/60 Гц через клеммы 1, предохранители 2 и 3, входной фильтр 4 подается на входной выпрямитель 5. Предохранители 2 и 3 через клеммы 1 подсоединены к фазному и нулевому проводу питающей электрической сети. Входной фильтр 4 осуществляет фильтрацию импульсной помехи и не пропускает ее как по направлению от электрической сети к внутренней схеме источника питания светодиодов, так и наоборот. С входного выпрямителя 5 пульсирующее постоянное напряжение подается на блок коррекции мощности 6, который выполняет функцию не только нормализации входного потребляемого тока с точки зрения коэффициента мощности, но и сглаживания пульсаций напряжения для получения постоянного напряжения приемлемого для успешной работы других блоков схемы.
Далее постоянное напряжение с помощью полупроводникового ключевого устройства 9 преобразуется в импульсное или переменное напряжение высокой частоты (>5000 Гц) и подается на первичную обмотку устройства с индуктивно связанными обмотками 11. Поскольку устройство с индуктивно связанными обмотками 11 обладает индуктивностью, то прерывание тока в его обмотках может привести к выходу из строя полупроводникового ключевого устройства 9. Для предотвращения этого служит цепь смягчения перегрузки 10. Управление полупроводниковым ключевым устройством 9 осуществляет блок управления 7. Блок управления 7 обладает встроенными функциями защиты от перегрузки по току, напряжению и от повышенной температуры. Информация об отклонении тока и/или напряжения нагрузки от нормируемых значений поступает в блок управления 7 по цепи обратной связи через оптопару 20. Информация о повышенной температуре поступает от внутреннего температурного датчика встроенного в схему блока управления 7. Устройство защиты 8 осуществляет функцию дополнительной защиты и дает блоку управления 7 сигнал на отключение полупроводниковых ключевых устройств 9 при обнаружении недопустимых значений выпрямленного напряжения питающей электрической сети или постоянного напряжения, получаемого после блока коррекции коэффициента мощности 6. Также устройство защиты 8 может давать блоку управления 7 сигнал на отключение полупроводниковых ключевых устройств 9 при обнаружении недопустимой температуры электронных компонентов схемы.
Напряжение высокой частоты с вторичной обмотки устройства с индуктивно связанными обмотками 11 с помощью выходного выпрямителя 12 и выходного фильтра 13 преобразуется в постоянное напряжение, которое также через ключевое устройство защиты от мгновенного сверхтока 14, датчик выходного тока 15 и клеммы подключения нагрузки 16 подается на светодиоды. Поскольку светодиоды имеют практически вертикальную вольт-амперную характеристику, то небольшое увеличение напряжения на светодиодной нагрузке может привести к достаточно большому увеличению тока, что является нежелательным как с точки зрения надежности, так и требований к качеству светового потока. Хотя выходной фильтр 13 осуществляет достаточно хорошую фильтрацию напряжения, но не всегда может выполнить это удовлетворительно. Окончательная очистка напряжения от пульсаций для питания светодиодов осуществляется ключевым устройством защиты от мгновенного сверхтока 14, который под управлением блока уменьшения пульсаций и защиты от режима КЗН 17 и датчика тока 15, выполняет функции линейного стабилизатора. Блок уменьшения пульсаций и защиты от режима КЗН 17 с помощью датчика тока 15 определяет текущее значения тока нагрузки и управляет внутренним сопротивлением ключевого устройства защиты от мгновенного сверхтока 14, что позволяет практически полностью избавиться от пульсаций выходного напряжения.
Кроме этого блок уменьшения пульсаций и защиты от режима КЗН 17 с помощью датчика тока 15 осуществляет защиту схемы от режима короткого замыкания нагрузки путем размыкания ключевого устройства защиты от мгновенного сверхтока 14.
Также уменьшение пульсаций выходного напряжения может осуществляться с помощью схемы понижающего импульсного преобразователя. В данном случае выходной фильтр 13 будет содержать дроссель, ключевое устройство защиты от мгновенного сверхтока 14 будет работать в импульсном режиме, а блок защиты от перегрузки 18 будет защищать его от выхода из строя.
Устройство коррекции 19 анализирует напряжение на ключевом устройстве защиты от мгновенного сверхтока 14. Если напряжение высокое значит, количество энергии, поступающее в изолированную часть источника, является избыточным и его необходимо уменьшить, что и происходит путем подачи через оптопару 20 в блок управления 7 информации для уменьшения длительности импульсов напряжения. Если же напряжение на ключевом устройстве защиты от мгновенного сверхтока 14 низкое, значит необходимо увеличить количество энергии и соответственно увеличить длительность импульсов.
Кроме этого устройство коррекции 19 осуществляет защиту источника от высокого напряжения на клеммах подключения нагрузки 16 в режиме холостого хода, когда нагрузка не подключена, но устройство работает. Без этой функции, поскольку ток в нагрузке отсутствует, будет происходить неконтролируемое увеличение выходного напряжения, до тех пор, пока не выйдут из строя электронные компоненты источника из-за превышения их максимального рабочего напряжения.