Светодиодная лампа

 

Полезная модель относится к светотехническим устройствам и может быть использована при конструировании светодиодных осветительных приборов, применяемых в различных областях науки и техники, а также для освещения служебных, производственных и бытовых помещений.

Целью данной полезной модели является существенное снижение электрической мощности, рассеиваемой резистором в цепи управления рабочим током светодиодов, что приводит к заметному повышению КПД устройства, реализация контроля температуры основных элементов лампы и термозащиты, что предотвращает их тепловое повреждение; встраивание аварийного отключения лампы при выходе из строя элемента управления током; введение гальванической развязки между светодиодами и источником первичного сетевого напряжения, исключающей потенциальную опасность электротравматизма пользователя устройством.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что выпрямленное сетевое напряжение, прикладываемое к первичной обмотке импульсного трансформатора, с помощью коммутирующего элемента преобразуется в импульсное на вторичной обмотке, которое затем выпрямляется, сглаживается и подается на светодиоды, чем достигается гальваническая развязка между первичной и вторичной цепями преобразователя. Дополнительные узлы на первичной стороне преобразователя обеспечивают работу коммутирующего элемента в квазирезонансном режиме и поддерживают параметры коммутирующих импульсов так, чтобы рабочий ток светодиодов оставался стабильным при значительных колебаниях сетевого напряжения, а также выполняют ряд защитных функций и оптимизируют энергетический режим устройства.

Полезная модель относится к светотехническим устройствам и может быть использована при конструировании светодиодных осветительных приборов, применяемых в различных областях науки и техники, а также для освещения служебных, производственных и бытовых помещений.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является светодиодная лампа (см. патент РФ на полезную модель 113419), содержащая двухполупериодный выпрямитель, к выходу которого подключены цепь в виде ряда последовательно соединенных между собой единичных светодиодов и накопительный конденсатор, включенный параллельно этой цепи, при этом последовательно с этой цепью и включенным параллельно ей накопительным конденсатором включен управляемый источник тока, содержащий, в свою очередь, элемент управления током, резистор, фильтр низких частот, двухвходовую схему сравнения, инверсный усилитель и источник опорного напряжения, причем элемент управления током и резистор включены последовательно с единичными светодиодами и накопительным конденсатором, фильтр низких частот включен между общей точкой элемента управления током и резистора и первым входом схемы сравнения, выход двухвходовой схемы сравнения - к входу инверсного усилителя, выход инверсного усилителя - к управляющему входу элемента управления током, а второй вход двухвходовой схемы сравнения - к выходу источника опорного напряжения.

Основными недостатками рассмотренной светодиодной лампы являются: значительная электрическая мощность, рассеиваемая резистором в цепи управления рабочим током светодиодов, что приводит к существенному снижению КПД устройства; отсутствие контроля температуры основных элементов лампы и термозащиты, что может вызвать их тепловое повреждение; отсутствие аварийного отключения лампы при выходе из строя элемента управления током; гальваническая связь между светодиодами и источником первичного сетевого напряжения, создающая потенциальную опасность электротравматизма для пользователя устройством.

Задачами, решаемыми заявляемой полезной моделью, является устранение перечисленных выше недостатков.

Их решение достигается тем, что в известной светодиодной лампе, содержащей последовательно соединенные двухполупериодный сетевой выпрямитель и фильтр низких частот, и светоизлучающий узел из N последовательно соединенных единичных светодиодов с включенным параллельно ему накопительным конденсатором, а также последовательно соединенные источник образцового напряжения, узел стабилизации тока, узел управления, а также резисторный датчик тока, дополнительно введены узел детектирования размагничивания, узел рабочего питания, узел термозащиты, узел контроля сетевого напряжения, узел стабилизации напряжения, узел ограничения тока, импульсный трансформатор, импульсный выпрямитель, коммутирующий элемент и узел пускового питания, при этом к выходу фильтра низких частот подключен вход импульсного трансформатора, второй выход которого подключен ко входу импульсного выпрямителя, а выход этого импульсного выпрямителя подключен к светоизлучающему узлу с параллельно ему включенным накопительным конденсатором, в то же время первый выход импульсного трансформатора соединен с входом узла пускового питания, объединенным с нагрузочным входом коммутирующего элемента, управляющий вход которого подключен к выходу узла управления, а нагрузочный выход коммутирующего элемента - ко входу резисторного датчика тока, объединенному со входом узла ограничения тока, выход которого соединен с пятым входом узла управления, дополнительно с первым входом узла управления соединен выход узла термозащиты, кроме того выход узла контроля сетевого напряжения соединен с вторым входом узла управления, а третий выход импульсного трансформатора соединен с объединенными вторыми входами узла контроля сетевого напряжения, узла стабилизации тока, узла стабилизации напряжения, а также входом узла рабочего питания и входом узла детектирования размагничивания, выход которого подключен к объединенным первым входам узла контроля сетевого напряжения, узла стабилизации тока и узла стабилизации напряжения, а их объединенные третьи входы соединены с выходом источника образцового напряжения, кроме того выход узла стабилизации напряжения соединен с четвертым входом узла управления, дополнительно четвертый выход импульсного трансформатора объединен с выходами накопительного конденсатора и светоизлучающего узла, и соединен с выходным изолированным общим проводом питания.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что выпрямленное сетевое напряжение, прикладываемое к первичной обмотке импульсного трансформатора, с помощью коммутирующего элемента преобразуется в импульсное на вторичной обмотке, которое затем выпрямляется, сглаживается и подается на светодиоды, чем достигается гальваническая развязка между первичной и вторичной цепями преобразователя. Дополнительные узлы на первичной стороне преобразователя обеспечивают работу коммутирующего элемента в квазирезонансном режиме и поддерживают параметры коммутирующих импульсов так, что рабочий ток светодиодов остается стабильным при значительных колебаниях сетевого напряжения, а также выполняют ряд защитных функций и оптимизируют энергетический режим устройства, поскольку резисторный датчик тока включен на первичной стороне преобразователя, где коммутируемый ток в соответствии с коэффициентом трансформации между первичной и вторичной обмотками примерно на порядок меньше рабочего тока светодиодов.

Функциональная схема заявляемой светодиодной лампы приведена на фиг.1, где обозначено: 1 - двухполупериодный выпрямитель (ДПВ); 2 - фильтр низких частот (ФНЧ); 3 - источник образцового напряжения (ИОН); 4 - узел детектирования размагничивания (УДР); 5 - узел рабочего питания (УРП); 6 - узел термозащиты (УТЗ); 7 - узел контроля сетевого напряжения (УКСН); 8 - узел стабилизации тока (УСТ); 9 - узел стабилизации напряжения (УСН); 10 - узел ограничения тока (УОТ); 11 - импульсный трансформатор (ИТ); 12 - узел управления (УУ); 13 - коммутирующий элемент (КЭ); 14 - резисторный датчик тока (РДТ) 15 - импульсный выпрямитель; 16 - узел пускового питания (УПП); 17 - накопительный конденсатор (НК); 18 - светоизлучающий узел (СИУ) из N последовательно соединенных единичных светодиодов.

Вновь введенные элементы образуют импульсный обратноходовый преобразователь (см. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование.: Пер. с англ. - К.: «МК-Пресс», 2007, с.52-140), и при этом их назначение состоит в следующем:

ИТ 11 - преобразует входное выпрямленное сетевое напряжение в выходное импульсное для питания светодиодов, обеспечивает их гальваническую развязку;

ИОН 3 - вырабатывает образцовое напряжение, необходимое для стабилизации выходного импульсного напряжения и тока;

УДР 4 - обнаруживает размагничивание магнитопровода импульсного трансформатора по отсутствию импульсного тока в обмотках и вырабатывает управляющие сигналы для функционирования УКСН 7, УСТ 8, УСН 9;

УРП 5 - обеспечивает питание всех узлов преобразователя в рабочем режиме;

УТЗ 6 - контролирует тепловой режим КЭ 13 и СИУ 18, при возрастании рабочей температуры свыше 150°С через УУ 12 блокирует работу КЭ 13, после их остывания до 130°С работа импульсного преобразователя автоматически возобновляется;

УКСН 7 - контролирует сетевое напряжение, блокирует работу преобразователя при отклонении сетевого напряжения вне допустимых минимального и максимального значений, корректирует функционирование УСТ 8 и УСН 9 для компенсации колебаний сетевого напряжения в допустимых пределах;

УСТ 8 - при выходном токе более некоторого критического значения, в том числе и при замыкании в нагрузке, стабилизирует выходной ток преобразователя;

УСН 9 - при выходном токе менее некоторого критического значения, в том числе и при обрыве в нагрузке, стабилизирует выходное напряжение преобразователя;

УОТ 10 - в каждом коммутирующем импульсе контролирует максимальное значение тока, при превышении допустимого значения блокирует работу преобразователя;

УУ 12 - управляет работой КЭ 13, при этом обеспечивает коммутацию импульсного трансформатора в квазирезонансном режиме, когда импульсный ток в обмотках отсутствует, а напряжение минимально, что минимизирует коммутационные потери и повышает КПД, а также в целях безопасного функционирования преобразователя прекращает его работу при чрезмерном возрастании рабочего тока и при перегреве СИУ 18 или КЭ 13;

КЭ 13 - при воздействии УУ 12 по управляющему входу поочередно переходит в замкнутое и разомкнутое состояние, в замкнутом состоянии обеспечивает накопление энергии в импульсном трансформаторе, в разомкнутом - ее передачу в нагрузку;

РДТ 14 - преобразует пилообразный сигнал тока в импульсном трансформаторе в пилообразное напряжение, отслеживаемое в УОТ 10 и УУ 12, и предотвращает повреждение преобразователя при чрезмерном возрастании рабочего тока;

ИВ 15 - преобразует выходное импульсное напряжение в постоянное, используемое для питания светодиодов;

УПП 16 - при включении в сеть обеспечивает питание всех узлов преобразователя от выпрямленного сетевого напряжения до выхода в рабочий режим, когда УПП 16 отключается, и включается УРП 5, используя импульсное напряжение с дополнительной обмотки связи импульсного трансформатора;

НК 17 - сглаживает высокочастотные импульсы напряжения, поступающие от импульсного трансформатора 11, обеспечивает питание СИУ 18 стабилизированным постоянным током;

СИУ 18 - преобразует энергию постоянного тока в световое излучение.

Принцип функционирования светодиодной лампы поясняет фиг.2, где приведены диаграммы токов в импульсном трансформаторе и импульсного напряжения на его первичной обмотке. Интервал времени 0...t 1 (t5...t6) соответствует замкнутому состоянию КЭ 13, t1...t5 - разомкнутому. На вторичной обмотке трансформатора и на обмотке связи импульсное напряжение пропорционально показанному, при этом пропорциональность определяется коэффициентом трансформации между обмотками. Выходное напряжение преобразователя Uвыпр, сглаженное накопительным конденсатором, соответствует разности максимального значения импульсного напряжения Umax и его постоянной составляющей U=, как это показано на фиг.2. Величина выходного напряжения Uвыпр зависит от соотношения длительностей интервалов времени, соответствующих замкнутому и разомкнутому состоянию КЭ 13. УУ 12 изменяет это соотношение путем регулирования момента замыкания t0, t5 и размыкания t1 , t6 КЭ 13, и тем самым регулирует выходное напряжение преобразователя и ток в нагрузке.

Как видно на диаграмме (фиг.2), напряжение на разомкнутом КЭ 13 максимально на интервале t1...t2, когда в обмотках трансформатора присутствует ток, линейно снижающийся от максимального Imax до нулевого значения. Для снижения коммутационных потерь замыкание КЭ 13 выполняется на интервале t2 ...t5, когда в работе преобразователя наблюдается бестоковая пауза (магнитопровод трансформатора размагничен), причем в те моменты времени, когда напряжение минимально (t 3, t4, t5). Такую задачу выполняет УДР 4 - обнаруживает размагничивание магнитопровода трансформатора и подготавливает включение УКСН 7, УСТ 8 либо УСН 9, стабилизирующих выходное напряжение (УСН 9) или ток (УСТ 8), а также УКСН 7, компенсирующего нестабильность сетевого напряжения путем корректировки момента размыкания КЭ 13 через УУ 12.

Заявляемая светодиодная лампа функционирует следующим образом. При включении устройства переменное сетевое напряжение преобразуется в постоянное с помощью ДПВ 1, а затем сглаживается ФНЧ 2. Положительное напряжение прикладывается ко входу ИТ 11, отрицательное соединено с общим проводом преобразователя. С первого выхода ИТ 11 (первичной обмотки) выпрямленное сетевое напряжение поступает на нагрузочный вход разомкнутого КЭ 13, и одновременно на УПП 16, с выхода которого напряжение питания Uпит подается на все узлы устройства. В результате УУ 12 через управляющий вход замыкает КЭ 13, и в первичной обмотке ИТ 11 возникает линейно нарастающий ток, показанный пунктиром на фиг.2 (момент времени t0=0). При этом трансформатор накапливает энергию. Сигнал линейно нарастающего тока, пропорциональный соотношению числа витков в обмотках ИТ 11, с его вспомогательной обмотки обратной связи, индуктивно связанной с другими обмотками, подается на вход УДР 4, УКСН 7, УСТ 8, УСН 9. Положительная часть импульса Uвыпр выпрямляется в УРП 5 и после пуска используется для питания устройства. В рабочем режиме УПП 16 отключается.

Линейно нарастающий в первичной обмотке ИТ 11 ток отслеживается в перечисленных выше узлах и сравнивается с образцовым напряжением, формируемым ИОН 3. В зависимости от режима работы преобразователя (стабилизации выходного тока или напряжения) при достижении линейным сигналом тока заданного уровня Imax (фиг.2) один из узлов УСТ 8 или УСН 9 воздействует на УУ 12 и размыкает КЭ 13 (момент времени t1).

При размыкании КЭ 13 полярность импульсного напряжения на обмотках трансформатора 11 изменяется на противоположную, ИВ 15 открывается и обеспечивает передачу накопленной трансформатором энергии в СИУ 18 и включенный параллельно СК 17. Также открывается УРП 5 и обеспечивает питание всех узлов преобразователя в рабочем режиме. Ток в обмотках линейно убывает, как это показано сплошной линией на фиг.2, и по завершении передачи энергии в момент времени t2 импульсное напряжение на разомкнутом КЭ 13 переходит в затухающие колебания, по своей форме напоминающие ряд повторяющихся впадин (нижняя диаграмма фиг.2, моменты времени t3, t4, t5 ). УДР 4 при этом обнаруживает минимум импульсного напряжения, и через УСТ 8 либо УСН 9 (в зависимости от режима) и УУ 11 повторно замыкает КЭ 13 (момент времени t5). Затем процесс накопления энергии в трансформаторе и ее передачи в нагрузку циклически повторяется. Такой режим работы обратноходового импульсного преобразователя, примененного в заявляемой светодиодной лампе, называют квазирезонансным с переключением при нулевом токе (см. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование, с.168-179).

В зависимости от величины сетевого напряжения и нагрузки включение КЭ 13 может происходить и на третьей впадине (момент времени t5), как это показано на фигуре, и на второй (t4), и на первой (t3). При очень малой нагрузке (перегорании светодиодов) преобразователь начинает работать в режиме формирования пачек коммутирующих импульсов. При малой нагрузке работой КЭ 13 управляет УСН 9, т.е. преобразователь функционирует в режиме стабилизации выходного напряжения. При увеличении нагрузки после некоторого критического значения тока наступает режим стабилизации тока, обеспечиваемый УСТ 8. Если ток становится чрезмерно большим при коротком замыкании в светодиодах или накопительном конденсаторе, УОТ 10 обнаруживает превышение заданного порога пилообразным сигналом тока на РДТ 14 и воздействуя на УУ 12, вызывает в каждом коммутирующем импульсе принудительное выключение КЭ 13, предохраняя его от повреждения. Жесткий энергетический режим устройства контролируется также УТЗ 6, и при опасном повышении температуры КЭ 13 или СИУ 18 работа преобразователя прекращается. После остывания перегревшихся элементов работа преобразователя автоматически возобновляется.

Таким образом, в заявляемой светодиодной лампе реализованы все необходимые для экономичной и безопасной эксплуатации светодиодов функции: стабилизация тока; гальваническая развязка; защита от замыканий и обрывов в нагрузке; тепловая защита; оптимизированное переключение преобразователя в квазирезонансном режиме.

Светодиодная лампа, содержащая последовательно соединенные двухполупериодный сетевой выпрямитель и фильтр низких частот и светоизлучающий узел (СИУ) из N последовательно соединенных единичных светодиодов с включенным параллельно ему накопительным конденсатором (НК), а также последовательно соединенные источник образцового напряжения, узел стабилизации тока, узел управления, а также резисторный датчик тока, отличающаяся тем, что дополнительно введены узел детектирования размагничивания, узел рабочего питания, узел термозащиты, узел контроля сетевого напряжения, узел стабилизации напряжения, узел ограничения тока, импульсный трансформатор (ИТ), импульсный выпрямитель, коммутирующий элемент и узел пускового питания, при этом к выходу фильтра низких частот подключен вход импульсного трансформатора, второй выход которого подключен ко входу импульсного выпрямителя, а выход импульсного выпрямителя подключен к светоизлучающему узлу с параллельно ему включенным накопительным конденсатором, в то же время первый выход импульсного трансформатора соединен с входом узла пускового питания, объединенным с нагрузочным входом коммутирующего элемента, управляющий вход которого подключен к выходу узла управления, а нагрузочный выход коммутирующего элемента - ко входу резисторного датчика тока, объединенному со входом узла ограничения тока, выход которого соединен с пятым входом узла управления, дополнительно с первым входом узла управления соединен выход узла термозащиты, кроме того выход узла контроля сетевого напряжения соединен с вторым входом узла управления, а третий выход импульсного трансформатора соединен с объединенными вторыми входами узла контроля сетевого напряжения, узла стабилизации тока, узла стабилизации напряжения, а также входом узла рабочего питания и входом узла детектирования размагничивания, выход которого подключен к объединенным первым входам узла контроля сетевого напряжения, узла стабилизации тока и узла стабилизации напряжения, а их объединенные третьи входы соединены с выходом источника образцового напряжения, кроме того выход узла стабилизации напряжения соединен с четвертым входом узла управления, дополнительно четвертый выход ИТ 11 объединен с выходами НК 17 и СИУ 18 и соединен с выходным изолированным общим проводом питания.



 

Похожие патенты:

Светодиодные лампы относятся к светотехнике полупроводникового типа, работающей на основе светодиодов различных излучающих цветов в оптическом диапазоне спектра, и применяются в качестве альтернативной замены лампам накаливания, галогенным и люминисцентным аналогам. Применяются в качестве бытового, промышленного освещения, а также в составе светосигнальной и специальной осветительной аппаратуры.
Наверх