Световой прибор с повышенной световой отдачей на основе светодиодов

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано при конструировании световых приборов. Целью данного изобретения является увеличение световой отдачи светового прибора на основе светодиодов. Указанная цель достигается тем, что светодиоды в каждой i-той цепочке подбираются по величинам их прямых напряжений, исходя из соотношения (I): , где U_Fij - фактическое значение величины прямого напряжения j-того светодиода i-той цепочки при токе lз и заданном значении температуры (Т_з); U_FM - максимально допустимое значение прямого напряжения U_F для типа светодиодов, используемых в световом приборе, при токе I_з и температуре Т_з; ΔU_ц - заданная величина не менее чем, на которую фактическое значение прямого напряжения на цепочке меньше, чем n·U_FM. Все стабилизаторы имеют максимальные значения коэффициента полезного действия (КПД) при значениях выходного напряжения (U_вых), удовлетворяющих соотношению (2):

, где U_вых0 - значение выходного напряжения стабилизатора, равное n·U_FM-ΔU_ц; ΔU_з - заданное значение максимально допустимой величины отклонения фактического значения величины U_вых стабилизатора, при котором он имеет максимальное значение КПД, от величины U_вых0. 2 ил.

 

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано при конструировании световых приборов с повышенной световой отдачей на основе светодиодов.

Известен световой прибор [1], содержащий источник света, в котором имеются ряд параллельно включенных светодиодных цепочек, каждая из которых содержит ряд последовательно включенных светодиодов, и вторичный источник питания (ВИП), в составе которого имеется один стабилизатор тока, к которому подключены все светодиодные цепочки. Этот стабилизатор обеспечивает протекание через световой прибор заданного значения тока.

Однако вследствие разброса по величине геометрических и электрофизических параметров, светодиоды имеют различные значения прямого напряжения при протекании через них одинакового тока (т.е. различные сопротивления). Поэтому светодиодные цепочки на их основе также будут иметь различные сопротивления. Поскольку в [1] не предусмотрено мер для обеспечения однородного распределения тока между параллельно включенными светодиодными цепочками, при работе в таком световом приборе через них будет протекать различный по величине ток.

Для создания светодиодом требуемого светового потока необходимо, чтобы через него протекал ток с заданным значением. При превышении этого значения тока зависимость светового потока светодиода от протекающего через него тока ослабевает. В результате этого отношение величины светового потока светодиода к величине тока, протекающего через него, снижается.

Вследствие этого, для обеспечения световым прибором требуемого светового потока общий ток, протекающий через него, должен быть увеличен. Это приведет к росту мощности, потребляемой световым прибором, т.е. снижению его светоотдачи.

Однородное распределение тока между светодиодными цепочками достигают в световом приборе [2], который содержит источник света, в котором имеются N параллельно включенных светодиодных цепочек (цепочек), каждая из которых состоит из последовательно включенных светодиодов. Кроме того, световой прибор содержит вторичный источник питания (ВИП), в котором имеется N линейных стабилизаторов тока (стабилизаторов) одного типа, обеспечивающих стабилизацию выходного тока с заданным значением тока (I_з). В данном световом приборе к каждому i-му стабилизатору подключена только одна i-тая цепочка. Поэтому ток, протекающий через каждую цепочку, имеет заданное значение (I_з) и остается постоянным в процессе его работы. Это позволяет световому прибору обеспечить требуемый световой поток при заданном значении протекающего через него тока.

Однако в [2] отсутствуют требования к светодиодам по величине прямого напряжения (U_F), в результате чего величины сопротивлений цепочек в таком световом приборе могут существенно различаться. Величина электрических потерь в линейных стабилизаторах тока очень сильно увеличивается при отклонении сопротивления нагрузки от оптимального значения. Вследствие этого величина электрических потерь в стабилизаторах будет большой, а светоотдача светового прибора низкой.

Известно, что в импульсных стабилизаторах тока величина потерь слабее зависит от сопротивления нагрузки, чем у линейных стабилизаторов. Поэтому их применение в световом приборе [2] вместо линейных стабилизаторов позволит снизить электрические потери, обусловленные разбросом сопротивлений цепочек. При использовании в световом приборе импульсных стабилизаторов тока входы всех стабилизаторов тока [3] подключаются параллельно к клеммам светового прибора, к которым подводится электропитание, а к выходу каждого i-го стабилизатора тока подключается только одна i-тая цепочка.

Максимально возможное значение прямого напряжения на цепочке (U_M) при заданных значениях тока (I_з) и температуры (Т_з) будет определяться из соотношения (1)

где U_FM - максимально допустимое значение прямого напряжения светодиодов данного типа при заданных значениях тока I_з и температуры Т_з.

Типичное значение прямого напряжения (U_FT) у светодиодов может быть существенно ниже, чем U_FM, поэтому фактическое значение напряжения на цепочке (U_ф) может быть существенно ниже, чем U_M.

Как правило, стабилизатор тока настраивают так, чтобы он имел максимальное значение коэффициента полезного действия (КПД) (β_mах) при максимальном значении U_вых (равном U_M).

Однако, так как величина электрических потерь в импульсных стабилизаторах тока при заданном значении тока зависит от величины их выходного напряжения, при больших значениях разницы между U_M и U_ф это приведет к недопустимо большому снижению величины β при работе на фактическую нагрузку, и вследствие этого недостаточно высокой величине светоотдачи светового прибора в реальных условиях его эксплуатации.

При этом также нужно учитывать, что светодиоды одного типа, имеющие различные значения прямого напряжения (U_F), при протекании через них одинакового по величине тока дают одинаковый световой поток. Поэтому светодиоды с меньшими значениями U_F имеют лучшую светоотдачу.

Исходя из вышеизложенного, с целью повышения световой отдачи был разработан световой прибор, представленный на фиг.1. Этот световой прибор состоит из источника света (I), содержащего N параллельно включенных светодиодных цепочек, каждая из которых состоит из n последовательно включенных светодиодов (1.1…N.n) и вторичного источника питания (ВИП) (II), содержащего N-стабилизаторов тока (1…N) одного типа, подключенных параллельно к клеммам (а, б), к которым подводится электропитание светового прибора с повышенной световой отдачей. При этом к каждому i-му стабилизатору тока подключена только одна i-тая цепочка, а светодиоды в каждой i-той цепочке подбираются по величинам их прямых напряжений исходя из соотношения (2):

где U_Fij - фактическое значение величины прямого напряжения j-го светодиода i-той цепочки при токе I_з и температуре Т_з;

ΔU_ц - заданная величина, не менее чем на которую фактическое значение прямого напряжения на цепочке меньше, чем n·U_FM,

при этом все стабилизаторы имеют максимальные значения коэффициента полезного действия (КПД) при значениях выходного напряжения (U_вых), удовлетворяющих соотношению (3):

где U_вых0 - значение выходного напряжения стабилизатора, равное n·U_FM-ΔU_ц;

ΔU_з - заданное значение максимально допустимой величины отклонения фактического значения величины U_вых стабилизатора, при котором он имеет максимальное значение КПД, от величины U_вых0.

Для экспериментальной проверки предлагаемого решения были разработаны и изготовлены световые приборы. Источником света в них служила светодиодная цепочка, содержащая восемь (n=8) последовательно включенных светодиодов фирмы Cree Inc. типа XREWHT-L1-000-00001. Для этого типа светодиодов величина U_FM при прямом токе, равном 350 мА, и температуре 25°С составляет 3,9 В. При этих же режимах измерения величина U_FT для светодиодов этого типа составляет 3,3 В.

Величина допустимой мощности, которая может отводиться от светового прибора, увеличивается при увеличении температуры кристалла светодиода. Однако при этом снижается срок службы светодиодов. Для светодиодов используемого типа достаточный срок службы (не менее 50 тыс. часов) достигается при температуре кристалла 80°С [4]. Исходя из этого световой прибор был сконструирован так, чтобы при его работе температура кристалла была близка, но не превышала этого значения. Поэтому для разрабатываемого прибора величина заданного значения температуры (Т_з) полагалась равной 80°С.

У светодиодов типа XREWHT-L1-000-00001 величина прямого напряжения снижается на 4·10^-3 В при увеличении температуры на один градус Цельсия. Следовательно, для них величины U_FM и U_FT (при значениях тока I_з и температуры Т_з) будут составлять 3,68 В и 3,08 В соответственно. С учетом этого величина ΔU_ц для светового прибора, разрабатываемого на основе предлагаемого решения, определялась из соотношения (4):

При этом максимальное значение прямого напряжения на светодиодной цепочке, в соответствии с предлагаемым решением (U_M1), будет определяться из соотношения

Из соотношений (1) и (5), соответственно, следует что величина U_м будет равна 29,44 В, а величина U_M1 равна 24,64 В.

С учетом этого были изготовлены две цепочки. В первой использовались светодиоды без отбора по величине U_F. Они имели значения U_F от 3,2 В до 3,9 В, при этом величина U_ф для нее (U_ф1) составляла 28,8 В. Во второй цепочке были светодиоды, отобранные по величине U_F так, что величина U_ф для нее (U_ф2) составляла 24,6 В.

Были также разработаны и изготовлены два типа стабилизаторов тока, у которых величина выходного тока равнялась I_з и составляла 350 мА. Величина ΔU_з принималась равной 1 В. Она определялась в первую очередь разбросом номинальных значений параметров элементной базы, используемой при изготовлении стабилизатора тока, а также условиями его эксплуатации.

С учетом этого у первого из них максимальное значение КПД достигалось при

U_вых1=30 В и составляло 91%. Это соответствует любым светодиодам типа XREWHT-L1-000-00001.

Второй из них имел аналогичное максимальное значении КПД 91% при U_вых2=24,6 В, что соответствует предлагаемому решению.

Зависимости величины β от U_вых при токе 350 мА для них приведены на фиг.2.

Из этих зависимостей видно, что при величине U_вых в диапазоне (20÷26) В, что соответствует предлагаемому решению, величина β для второго источника на (3÷4)% выше, чем у первого.

С использованием этих источников света и стабилизаторов тока были изготовлены два световых прибора. В первом были использованы первая цепочка и первый стабилизатор тока, а во втором - вторая цепочка и второй стабилизатор тока. На этих приборах была измерена входная (потребляемая световым прибором) мощность. Для первого при U_ф1=28,8 В она составила

при этом ,как видно из фиг.2β_1, равнялась 0,905.

Для второго при U_ф2=24,6 В она составила

при этом, как видно из фиг.2 β_2, равнялась 0,910.

Также были измерены световые потоки, которые составили у первого светового прибора Ф₁=880 лм, а второго Ф₂=876 лм, с учетом этого светоотдача у первого светового прибора

составила 78,99 лм/Вт, а у второго

составила 92,60 лм/Вт.

Для оценки увеличения светоотдачи у светового прибора только за счет оптимизации конструкции стабилизатора тока был собран световой прибор, в котором использованы вторая цепочка и первый стабилизатор тока. Величина КПД этого стабилизатора тока при U_ф=24,6 В составила 87,5%, величина входной мощности такого светового прибора составила 9,84 Вт, а величина его светоотдачи 89,02 лм/Вт.

Из полученных результатов следует, что использование предлагаемого решения позволило практически при одинаковом световом потоке у световых приборов

(Ф₁ и Ф₂) на 17,2% увеличить светоотдачу светового прибора за счет снижения мощности потерь в стабилизаторе тока и светодиодах. При этом только за счет оптимизации конструкции стабилизатора тока светоотдача увеличилась на 3,9%. Что свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого решения.

Литература

1. Patent, United States, 5661645, 7 // Peter A. Power supply for light emitting diode array. - Date of Patent 08.26.1997.

2. Patent, United States, 6621235 B2 // Chin Chang. Integrated LED driving device with current sharing for multiple LED strings. - Date of Patent 09.16.2003.

3. Электронные компоненты. Полупроводниковая светотехника // Каталог продукции ПРОСОФТ. - Выпуск 3, 08. - 2007.

4. www.cree.com/xlamp

Световой прибор с повышенной световой отдачей (световой прибор), состоящий из источника света, содержащего N параллельно включенных светодиодных цепочек и световой арматуры, в состав которой входит вторичный источник питания (ВИП), содержащий N стабилизаторов тока (стабилизаторов) одного типа, обеспечивающих стабилизацию выходного тока с заданным значением (I_з), при этом выходы всех стабилизаторов подключены параллельно к клеммам светового прибора, к которым подводится электропитание, а к каждому i-му стабилизатору подключена только одна i-я цепочка, отличающийся тем, что, с целью повышения его световой отдачи, светодиоды в каждой i-й цепочке подбираются по величинам их прямых напряжений, исходя из соотношения (I):

где U_Fij - фактическое значение величины прямого напряжения j-го светодиода i-й цепочки при токе I_з и заданном значении температуры (Т_з);
U_FM - максимально допустимое значение прямого напряжения U_F для типа светодиодов, используемых в световом приборе, при токе I_з и температуре (Т_з);
ΔU_ц - заданная величина не менее чем на которую фактическое значение прямого напряжения на цепочке меньше, чем n·U_FM,
при этом все стабилизаторы имеют максимальные значения коэффициента полезного действия (КПД) при значениях выходного напряжения (U_вых), удовлетворяющих соотношению (2):

где U_вых0 - значение выходного напряжения стабилизатора, равное n·U_FM-ΔU_ц;
ΔU_з - заданное значение максимально допустимой величины отклонения фактического значения величины U_вых стабилизатора, при котором он имеет максимальное значение КПД, от величины U_вых0.