Единичная светодиодная лампа
Полезная модель относится к светотехническим устройствам и может быть использована при конструировании светодиодных осветительных приборов, применяемых в различных областях: быту, офисах, производстве, науки и техники. Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение КПД, уменьшение размеров, массы, габаритов и стоимости. Для достижения вышеуказанного технического результата предлагается новая конструкция единичной светодиодной лампы, содержащую основание с токопроводящими площадками, входными клеммами или цоколем и единичные светодиоды, выводы которых закреплены на токопроводящих площадках основания и соединены между собой последовательно в цепь, подключенную к входным клеммам или цоколю основания через последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель, балластный конденсатор С1 и токоограничительный резистор R1. К цепи последовательно соединенных светодиодов параллельно подключен фильтрующий конденсатор С2. Емкость балластного конденсатора определяется из выражения 
где n - количество светодиодов, UHL - напряжение на единичном светодиоде, IHL - номинальный прямой ток через светодиод. US - действующее напряжение питающей сети, f - частота питающей сети. Емкость фильтрующего конденсатора определяется из выражения 
где 
- коэффициент допустимых пульсаций, выраженный в процентах, а сопротивление токоограничительного резистора определяется из выражения 
где USmax - амплитудное напряжение питающей сети, IVDSpeak - допустимый максимальный однократный импульс тока через двухполупериодный выпрямитель.
Полезная модель относится к светотехническим устройствам и может быть использована при конструировании светодиодных осветительных приборов, применяемых в различных областях: быту, производстве, науке и технике.
На рисунке 1 представлена электрическая принципиальная схема лампы [Свидетельство на полезную модель RU 
74520, Единичная светодиодная лампа], предназначенной для работы в качестве осветительного устройства. Схема содержит основание с токопроводящими площадками (на рисунке не показаны), входными клеммами или цоколем US, последовательно соединенные и подключенные к токопроводящим площадкам основания, единичные светодиоды HL1, HL2
HLn. В свою очередь цепь из последовательно соединенных светодиодов HL1, HL2HLn подключена к входным клеммам или цоколю US основания через последовательно соединенные со светодиодами HL1, HL2HLn двухполупериодный выпрямитель (диодный мост) VDS1, балластный (гасящий) конденсатор С1 и токоограничительный резистор R1. Причем емкость гасящего конденсатора С1 определяется из выражения:
где: С1 - емкость гасящего конденсатора,
IHL - величина тока, протекающего через светодиоды, численное значение которого не превышает предельно допустимое значение тока светодиодов лампы,
f - частота промышленной сети,
US - напряжение промышленной сети,
UHL - падение напряжения на единичном светодиоде,
n - количество единичных светодиодов.
Для ограничения тока, протекающего через диодный мост служит токоограничительный резистор R1, численное значение сопротивления которого определяется из выражения:
где: R1 - величина сопротивления токоограничительного резистора,
US - напряжение промышленной сети,
IVDSmax - величина тока, протекающего через диодный мост, численное значение которого не должно превышать предельно допустимое значение тока для диодного моста.
Для уменьшения пульсаций величины тока, протекающего через последовательно соединенные светодиоды, за счет возможных колебаний напряжения промышленной сети, параллельно цепи из последовательно соединенных светодиодов HL1, HL2HLn включен фильтрующий (накопительный) конденсатор С2, емкость которого определяется из выражения:
где: С2 - емкость фильтрующего конденсатора,
f - частота промышленной сети,
R1 - сопротивление токоограничительного резистора.
Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Прототип позволяет работать при случаях, когда напряжение на светодиодах значительно меньше величины питающего напряжения сети (например 220 В), т.к. формула (1) для расчета емкости балластного конденсатора не учитывает сдвиг фаз между током и напряжением в реактивном элементе. Величина сопротивления ограничительного резистора рассчитана исходя из величины максимального тока диодного моста, величина которого значительно меньше чем максимальный однократный импульс тока через диодный мост, следовательно, на ограничительном резисторе рассеивается значительная активная мощность и снижается КПД лампы в целом. Расчет фильтрующего конденсатора проведен по эмпирической формуле (2), в которой учтено сопротивление токоограничительного резистора (тогда как основные пульсации возникают в результате разряда фильтрующего конденсатора током, протекающем через светодиоды) и приводит к неоправданно завышенному значению его емкости, что увеличивает габариты, массу и стоимость устройства в целом.
Заявляемая полезная модель описывает электрическую схему лампы, которая устраняет вышеперечисленные недостатки, имеет оптимальные номиналы компонентов и позволяет разместить все компоненты в корпусе лампы.
Поставленная задача решается использованием других электрических компонентов схемы с номиналами емкостей и сопротивлений, определяемыми исходя из оптимальных условий, руководствуясь формулами из электротехнической литературы и соответствующими нормативными документами.
Электрическая принципиальная схема предлагаемой светодиодной лампы соответствует рисунку 1. Схема содержит основание с токопроводящими площадками (на рисунке не показаны), входными клеммами или цоколем, последовательно соединенные и подключенные к токопроводящим площадкам основания единичные светодиоды HL1, HL2HLn. В свою очередь цепь из последовательно соединенных светодиодов HL1, HL2HLn подключена к входным клеммам или цоколю US основания через последовательно соединенные со светодиодами HL1, HL2HLn двухполупериодный выпрямитель (диодный мост) VDS1, балластный конденсатор С1 и токоограничительный резистор R1. Параллельно цепи из последовательно соединенных светодиодов HL1, HL2HLn подключен фильтрующий конденсатор С2.
Устройство работает следующим образом. Переменное напряжение сети US подается на последовательно включенные светодиоды HL1HLn через
последовательно соединенные конденсатор С1, мостовой выпрямитель VDS1 и резистор R1.
Цепь из последовательно соединенных светодиодов HL1, HL2....HLn можно представить активной цепью с сопротивлением:
где: n - количество светодиодов,
UHL - напряжение на единичном светодиоде,
IHL - номинальный прямой ток через светодиод.
Следовательно, емкость балластного конденсатора С1 как реактивного сопротивления можно вычислить по формуле [А.С.Касаткин, М.В.Немцов. Электротехника: Учеб. для вузов - 6-е изд. перераб. - М.: Высш. шк., 1999. - 542 с.: ил.]:
где: US - действующее напряжение питающей сети,
f - частота питающей сети.
Конденсатор С1 является реактивным сопротивлением, следовательно, не потребляет энергии. Вследствие этого, основная доля энергии рассеивается только на светодиодах, что свидетельствует о высоком коэффициенте полезного действия светодиодной лампы.
По требованию санитарных норм [Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03] интенсивность мерцания света (так называемый стробоскопический эффект) не должен превышать значения от 5 до 20% в зависимости от места освещения. Интенсивность мерцания светодиода пропорциональна пульсациям тока через него, поэтому в схему введен конденсатор С2, который является фильтрующим. Степень разряда С2 определяется, в основном, сопротивлением цепи последовательно соединенных светодиодов R (а не R1, как в прототипе), следовательно, минимальную емкость С2 можно вычислить по формуле:
где - коэффициент допустимых пульсаций, выраженный в процентах. Коэффициент 2 перед f появился вследствие того, что для двухполупериодных (в том числе мостовых) выпрямителей частота пульсаций в 2 раза выше, чем частота питающей сети. Наличие конденсатора С2 приводит к тому, что в момент включения возникает импульс тока, заряжающий конденсатор С2. Для ограничения пускового тока в схему введен токоограничительный резистор R1, сопротивление которого рассчитывается по формуле:
где: USmax - амплитудное напряжение питающей промышленной сети, которое больше действующего значения питающей сети US и равно 
[А.С.Касаткин, М.В.Немцов. Электротехника: Учеб. для вузов - 6-е изд. перераб. - М.: Высш. шк., 1999. - 542 с.: ил.],
IVDSpeak - допустимый максимальный однократный импульс тока через диодный мостовой выпрямитель.
Вследствие того, что такой параметр, как допустимый максимальный однократный импульс тока имеет величину значительно превосходящую параметр предельно допустимого значения тока через выпрямитель (например 30 А и 0,8 А для модели MB6S фирмы VISHAY), то можно сделать однозначный вывод, что сопротивление резистора R1, рассчитанное по формуле (7) гораздо меньше, чем рассчитанное по формуле (2), что приводит к существенному повышению КПД лампы в целом.
Единичная светодиодная лампа, содержащая основание с токопроводящими площадками, входными клеммами или цоколем, и единичные светодиоды, выводы которых закреплены на токопроводящих площадках основания и соединены между собой последовательно в цепь, подключенную к входным клеммам или цоколю основания через последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель, балластный конденсатор С1, токоограничительный резистор R1, причем к цепи последовательно соединенных светодиодов параллельно подключен фильтрующий конденсатор С2, отличающаяся тем, что емкость балластного конденсатора определяют из выражения
,
где n - количество светодиодов,
UHL - напряжение на единичном светодиоде,
IHL - номинальный прямой ток через светодиод,
US - действующее напряжение питающей сети,
f - частота питающей сети, емкость фильтрующего конденсатора определяют из выражения
,
где - коэффициент допустимых пульсаций, выраженный в процентах, а сопротивление токоограничительного резистора определяют из выражения
,
где USmax - амплитудное напряжение питающей сети,
IVDSpeak - допустимый максимальный однократный импульс тока через двухполупериодный выпрямитель.
