Устройство питания сверхмощных светодиодов

Полезная модель относится к электронным устройствам вторичного питания, в частности, к источникам питания сверхмощных светодиодов и может найти применение в энергосберегающих и экологических светильниках.

Техническая задача полезной модели - повышение надежности устройства питания сверхмощных светодиодов за счет снижения величины коммутирующих токов транзисторных ключей и включения их в момент минимального напряжения на стоках.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее фильтр сетевой, выпрямитель, корректор фактора мощности, блок низковольтного питания, два транзисторных ключа, трансформатор, дроссель, резистор обратной связи, вводится контроллер, с обвязкой в виде резисторов и конденсатора, выпрямительные диоды и сглаживающий конденсатор с соответствующими связями.

В варианте использования устройства питания сверхмощных светодиодов без автономного корректора фактора мощности для повышения коэффициента мощности устройства вводится резистор для создания зависимости величины порогового напряжения компаратора от синусоидальной формы сетевого напряжения.

Полезная модель относится к электронным устройствам вторичного питания, в частности, к источникам питания сверхмощных светодиодов и может найти применение в энергосберегающих и экологических светильниках.

Известны устройства питания сверхмощных светодиодов, основанные на принципе, передачи тока, запасенного в дросселе на обратном ходе - при выключенном коммутирующем транзисторе [1]. Известны также устройства питания сверхмощных светодиодов с однотактным каскадом понижения напряжения на прямом токе [2], [3]. В этих устройствах к силовым транзисторам, участвующим в формировании тока сверхмощного светодиода в соответствии с циклограммой работы предъявляются повышенные требования, поскольку мощность, рассеиваемая на полевом транзисторе пропорциональна квадрату тока, протекающего через него.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сути является устройство питания люминесцентной лампы [4], содержащее фильтр сетевой, выпрямитель, корректор фактора мощности, блок низковольтного питания, коммутатор, два транзисторных ключа, трансформатор, дроссель, конденсатор поджига, элемент ИЛИ, резистор обратной связи, одновибратор, генератор и блок защиты с соответствующими связями.

Однако известное техническое решение имеет существенный недостаток в том, что при изменении величины питающего напряжения и токов, запасаемых в реактивных элементах, циклограмма не отслеживает изменяющиеся параметры, и наступает катастрофический отказ.

Техническая задача полезной модели - повышение надежности устройства питания сверхмощных светодиодов за счет снижения величины коммутирующих токов силовых транзисторов и включения их в момент минимального напряжения на стоках.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее фильтр сетевой, выпрямитель, корректор фактора мощности, блок низковольтного питания, два транзисторных ключа, трансформатор, дроссель, резистор обратной связи, вводится контроллер, с обвязкой в виде резисторов и конденсатора, выпрямительные диоды и сглаживающий конденсатор с соответствующими связями.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:

- На Фиг.1 приведена структурная схема устройства питания сверхмощных светодиодов с активным корректором фактора мощности.

- На. Фиг.2 приведена структурная схема устройства питания сверхмощных светодиодов без активного корректора фактора мощности.

- На Фиг.3 приведена структурная схема контроллера.

Устройство содержит: фильтр сетевой 1 (Фиг1, 2), выпрямитель 2, корректор фактора мощности 3 (Фиг.1) или резистор 3R1 (Фиг.2), контроллер 4 (Фиг.1, 2), резистор обратной связи R1, блок низковольтного питания 5, трансформатор ТР, коммутирующие транзисторы Т1 и Т2, а также резисторы R2R7, конденсаторы C1С3 и диоды D1, D2, обеспечивающие функционирование схемы.

Основные функции питания светодиода выполняет автогенератор тока на основе схемы Push-Pull (двухтактная коммутация обмотки трансформатора со средней точкой).

Рассмотрим работу автогенератора в установившемся режиме. Ток, протекающий в первичной цепи (I) трансформатора ТР (Фиг.1, 2), замыкается через открытый транзистор (Т1), резистор обратной связи R1 и конденсатор [5] 3С3 (фиг.1) либо конденсатор С1 (Фиг.2). Этот ток возрастает пропорционально току вторичной обмотки (III или IV) трансформатора ТР (Фиг.1, 2), протекающему через дроссель DR1 и светодиод LED. Соответственно, на резисторе обратной связи R1 возникает напряжение отрицательной полярности относительно выхода СОМ контроллера 4, возрастающее до величины порога U-, заданного резисторами R2, R3, R4 и напряжением Vref, после чего контроллер 4 выключает оба коммутирующих транзистора (Т1 и Т2).

Порог «U-» выключения транзисторов Т1 и Т2 определяется по формуле:

U-=(Vref/(R2+R3+R4))*(R2+R3).

Интегрирующая цепочка R2, C2 предназначена для фильтрации помех, возникающих от переключения коммутирующих транзисторов Т1 и Т2

Ток, запасенный в реактивных элементах (ТР, DR1, С1) разряжается на светодиод LED. При этом напряжение на резисторе обратной связи R1, меняет полярность, формируясь в положительной полярности относительно выхода СОМ контроллера 4, и затем снижается до нуля. Когда величина напряжения положительной полярности превысит порог, заданный резисторами R5, R6 и напряжением Vref, включается, закрытый в предыдущем такте коммутации, транзистор Т2. Однако, несмотря на открытое состояние этого транзистора, ток в цепи, продолжает течь в противоположном направлении по мере разрядки реактивных элементов, замыкаясь через параллельный встречный диод транзистора Т2. После того, как этот ток снизится до нуля, он меняет направление и начинает возрастать через открытый транзистор Т2. Все процессы повторяются.

Таким образом, амплитуда тока светодиода Im(LED) зависит от величины порога U-, при котором выключаются коммутирующие транзисторы Т1 и Т2, величины сопротивление резистора обратной связи R1 и соотношения витков первичной и вторичной обмоток трансформатора ТР:

Im(LED)=(U-/R1)*(N(I)/N(III)), где N(I), N(III) число витков обмотки I и II.

Частота коммутации для заданных обмоток трансформатора ТР и порога U- зависит от величины индуктивности дросселя DR1 и напряжения шины питания на средней точке коммутируемых обмоток трансформатор ТР.

В устройстве без активного корректора фактора мощности (Фиг.2) шина питания на средней точке коммутируемых обмоток трансформатор ТР представляет собой выпрямленное и не сглаженное конденсатором С1 сетевое напряжение. Это напряжение без сглаженных провалов между полуволнами через резистор 3R1 подается на вход IN1- формируя тем самым порог, зависящий от синусоидального напряжения сетевого питания.

Контроллер (Фиг.3) включает: три компаратора Comp1, Comp2, Соmp3, RS триггер 4М1, счетный триггер 4М2, элементы OR 4M2, 4М3, элементы NOR с выходными усилителями мощности 4М5, 4М6, резисторы 4R14R6, транзистор 4Т1 и стабилитрон ZD1.

Компаратор Соmp3, резисторы 4R14R4 и транзистор 4Т1 предназначены для подачи низковольтного питания на элементы схемы контроллера. Напряжение на выводе Vcc увеличивается по мере заряда емкости 5С2 (Фиг.1, 2) от шины высокого напряжения через резистор R7. Когда величина этого напряжения сформирует на «плюсовом» входе компаратора Соmp3 (Фиг.3) напряжение U больше напряжения на стабилитроне ZD1 (U_ZD1 ), транзистор 4Т1 откроется и напряжение Vcc поступит на схему контроллера. В дальнейшем, питание контроллера будет поддерживаться от обмотки V трансформатора ТР (Фиг1, 2) через блок низковольтного питания 5.

U=Vcc/(4R2+4R3*4R4/(4R3+4R4))

Компаратор Comp1 (Фиг.3) предназначен для выключения силовых транзисторов T1, T2 (Фиг 1, 2) через выходы 01, 02 (Фиг.3) и переключения счетного триггера 4M2. При этом выходы 01 и 02 остаются в низком состоянии в трех случаях:

1) питание на элементы контроллера не подано, и низкий уровень поддерживается резисторами 4R5, 4R6, подключенными к шине СОМ;

2) компаратор Comp1 переключился в высокое состояние по причине превышения порога током, протекающим через резистор R1 (фиг.1, 2). Далее высокий уровень компаратор Comp1 (Фиг.3) инвертируется элементами М5, М6 - NOR и на выходах 01 и 02 формируется низкий уровень, закрывающий транзисторы Т1 и Т2 (Фиг.1, 2);

3) RS триггер 4М1 (Фиг.3) импульсом с выхода компаратор Comp1 установлен в высокое состояние по выходу Q, которое передается через элементы 4М3, 4М4 (OR) и инвертируется элементами 4М5, 4М6 (NOR). На выходах 01 и 02 формируется низкий уровень, закрывающий транзисторы Т1 и Т2 (Фиг.1, 2).

Компаратор Соmp2 (Фиг.3) предназначен для включения одного из двух силовых транзисторов через выходы 01, 02 после превышения порогового уровня U+ на компараторе Соmp2.

Пороговый уровень U+ задается резисторами R5, R6 (Фиг.1, 2):

U+=(Vref/(R5+R6))*R6.

Уровень U+ не влияет на ток светодиода и на частоту коммутации транзисторов Т1 и Т2, а влияет на уровень помехоустойчивости устройства к импульсным помехам.

Источники информации:

1. Datasheets HV9910

2. Datasheets MBI6901, MBI6902

3. Datasheets TPS42011

4. Патент BY 6572 C1 Int.cl. H05B 41/16 30.12.2004

5. Datasheets MC34262

Устройство питания сверхмощных светодиодов, содержащее последовательно соединенные фильтр сетевой, выпрямитель, корректор фактора мощности и резистор обратной связи, подключенный к общей шине, а также блок низковольтного питания, трансформатор, первичная обмотка которого подключена к стокам двух транзисторных ключей, а ее средняя точка - к выходу блока корректора фактора мощности; дроссель, первые выводы независимых обмоток которого подключены соответственно к выходным концам первой вторичной обмотки, средний вывод которой связан с первой обкладкой сглаживающего конденсатора и первым выводом светодиода, второй вывод которого подключен ко второй обкладке сглаживающего конденсатора и первым выводам выпрямительных диодов, вторые выводы которых подключены соответственно ко вторым выводам независимых обмоток дросселя; выходы второй вторичной обмотки трансформатора подключены к соответствующим входам блока низковольтного питания, отличающееся тем, что содержит резисторы, конденсаторы и контроллер, причем: первый конденсатор подключен между двумя выходами выпрямителя, первый выход которого через седьмой резистор связан с входом Vcc контроллера и первым выходом низковольтного блока питания; второй выход выпрямителя подключен к первым выводам первого и второго резисторов; второй вывод второго резистора связан с первым выводом второго конденсатора, входом IN2+ контроллера и через четвертый резистор с входом IN1- контроллера и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого подключен к входу Vref контроллера и через пятый резистор к входу IN2- контроллера и первому выводу шестого резистора; выходы O1 и O2 контроллера подключены соответственно к затворам транзисторных ключей; вторые выводы первого резистора, второго конденсатора, шестого резистора, блока низковольтного питания, выводы IN1+ и СОМ контроллера, истоки транзисторных ключей объединены общей шиной.