Светодиодный светильник (варианты)
Изобретение относится к области электротехники и светотехники и использования электрической энергии для освещения улиц, зданий и подземных сооружений. Задачей предлагаемого изобретения является снижение потерь энергии и повышение надежности работы светильника. Технический результат достигается тем, что светильник содержит инвертор, выполненный в виде преобразователя частоты, соединенного с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией, линия содержит n последовательно включенных первичных обмоток высокочастотных понижающих трансформаторов (n=1, 2, 3
k), последняя из первичных обмоток соединена с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, а вторичная обмотка каждого высокочастотного понижающего трансформатора соединена с мостовым выпрямителем, в диагональ моста которого включены последовательно m светодиодов (m=1, 2, 3r) или 1 параллельно включенных светодиодов (l=1, 2, 3p). В другом варианте светодиодного светильника, содержащего инвертор, который выполнен в виде преобразователя частоты и соединен с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки соединен однопроводной линией с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, в однопроводную линию включены последовательно n мостовых выпрямителей (n=1, 2, 3k), в диагональ каждого выпрямителя включены параллельно 1 светодиодов (l=1, 2, 3p) или последовательно m светодиодов (m=1, 2, 3r), а количество m последовательно включенных светодиодов, n мостовых выпрямителей и l параллельно включенных светодиодов связаны с амплитудой тока iл и напряжения Uл однопроводной линии следующими соотношениями:
Uл>nUмв; Uмв>kUсв ; iл>iсд,
где Uмв - напряжение на выходе мостового выпрямителя; Uсв - напряжение светодиода; iсд - ток светодиода. 2 н.п. ф-лы, 3 ил. 
Изобретение относится к области электротехники и светотехники и использования электрической энергии для освещения улиц, зданий и подземных сооружений.
Известен светильник, в котором вместо люминесцентной лампы используют светодиоды. Такой энергосберегающий светодиодный светильник имеет высокий КПД преобразования электрической энергии в световую 5070% (см. Шахтный светильник индивидуального использования. Патент 
2187039, опубл. 10.03.2002. Бюл. 22). Недостатками известного светильника являются потери электрической энергии в проводниках линии и высокая стоимость арматуры светильника, в которой закрепляют светодиоды. Другим недостатком является опасность короткого замыкания в проводах линии, что может вызвать взрыв горючего газа.
Известен солнечный светильник, содержащий солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с разомкнутым сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией, к линии присоединены параллельно одним из выводов n светильников (n=1, 2, 3n), каждый из светильников состоит из m параллельно включенных пар светодиодов (m=1, 2, 3m), а каждая пара светодиодов состоит из двух включенных встречно-параллельно светодиодов, второй вывод каждого светильника соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела.
В другом варианте солнечного светильника внутренний высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен однопроводной линией с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, последовательно с однопроводной линией включены n светильников n=1, 2, 3n, и каждый из n светильников состоит из m параллельно включенных пар светодиодов m=1, 2, 3m, и каждая пара светодиодов состоит из двух включенных встречно-параллельно светодиодов, а количество n последовательно включенных светильников и количество m параллельно включенных пар светодиодов связаны с амплитудой тока iл и напряжения Uл в однопроводной линии соотношением
Uл>n×Uсв; iл>2m×i сд,
где Uсв - напряжение светильника; iсд - ток светодиода.
В другом варианте солнечного светильника последовательно с однопроводной линией подключено i-комплектов светильников, i=1, 2, 3i, каждый комплект светильников состоит из n пар светильников n=1, 2, 3n, каждый светильник состоит из m последовательно включенных светодиодов, m=1, 2, 3m, светодиоды в каждой паре светильников соединены встречно.
Еще в одном варианте солнечного светильника внутренний высокопотенциальный вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с разветвленной сетью из однопроводных линий (k=1, 2, 3k), конец каждой однопроводной линии соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, последовательно с каждой однопроводной линией включено i (i=1, 2, 3i) светильников, состоит из m пар встречно-параллельно включенных светодиодов.
В другом варианте солнечного светильника последовательно с однопроводной линией включено i-комплектов светильников, i=1, 2, 3i, каждый комплект светильников состоит из n согласно параллельно включенных светильников и одного встречно-параллельно включенного выпрямляющего диода, n=1, 2, 3n, каждый светильник состоит из m последовательно включенных светодиодов, m=1, 2, 3m, а ток выпрямляющего диода iд и ток светодиода iсд связаны соотношением
iд =iсд.
В солнечном светильнике в качестве естественной емкости использована емкость однопроводной линии. В солнечном светильнике изолированное проводящее тело, представляющее естественную емкость, выполнено в виде металлизированных корпусов светильников.
Недостатком известного светильника является потеря высокочастотной энергии в однопроводной линии на зарядку собственной емкости светодиодов. Другим недостатком является необходимость подбора числа последовательно и параллельно включенных светодиодов согласования тока и напряжения в линии с током и напряжением, потребляемым светильниками. Еще одним недостатком является необходимость попарного согласно встречного включения светодиодов, что снижает надежность светильника и приводит к выходу из строя при отказе встречно-параллельно включенного диода или светодиода.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение потерь энергии и повышение надежности работы светильника.
Технический результат достигается тем, что светильник содержит инвертор, выполненный в виде преобразователя частоты, соединенного с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией. Линия содержит n последовательно включенных первичных обмоток высокочастотных понижающих трансформаторов (n=1, 2, 3k), последняя из первичных обмоток соединена с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, а вторичная обмотка каждого высокочастотного понижающего трансформатора соединены с мостовым выпрямителем, в диагональ моста которого включены последовательно m светодиодов (m=1, 2, 3r) или l параллельно включенных светодиодов (l=1, 2, 3p).
В другом варианте светодиодного светильника, содержащего инвертор, который выполнен в виде преобразователя частоты и соединен с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки соединен однопроводной линией с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, в однопроводную линию включены последовательно n мостовых выпрямителей (n=1, 2, 3k), в диагональ каждого выпрямителя включены параллельно l светодиодов (l=1, 2, 3p) или последовательно m светодиодов (m=1, 2, 3r), а количество m последовательно включенных светодиодов, n мостовых выпрямителей и l параллельно включенных светодиодов связаны с амплитудой тока iл и напряжения Uл однопроводной линии следующими соотношениями:
Uл>nUмв; Uмв>kUсв ; iл>iсд,
где Uмв - напряжение на выходе мостового выпрямителя; Uсв - напряжение светодиода; iсд - ток светодиода.
Устройство солнечного светильника, схемы подключения и принцип работы поясняют на фиг.1-3. На фиг.1 представлена общая схема подключения светильников через понижающие высокочастотные трансформаторы к однопроводной линии. На фиг.2 представлены два последовательно подключенных светильника, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных светодиодов, включенных в диагональ мостового выпрямителя. На фиг.3 представлены два последовательно включенных светильника, каждый из которых состоит из двух параллельно соединенных светодиодов, включенных в диагональ мостового выпрямителя.
На фиг.1 электрическая энергия подается на вход и преобразователя 1, а затем через резонансные конденсаторы 2 на низковольтную обмотку 3 повышающего трансформатора 4. Низкопотенциальный вывод 5 высоковольтной обмотки 6 соединен с землей 7. Высоковольтная обмотка 6 высокочастотного резонансного трансформатора 4 своим высоковольтным выводом 8 соединена однопроводной линией 9 со светильниками 10 через понижающие высокочастотные трансформаторы 11 и мостовые выпрямители 12. Светодиоды 10 светильников включены в диагональ мостового выпрямителя 12. Однопроводная линия 9 в конце соединена с естественной емкостью 13. Благодаря этому осуществляется подача электрической энергии к светильникам и их работа.
На фиг.2 электрическая энергия сети или автономного источника энергии подается на вход преобразователя 1, а затем на низковольтную обмотку 3 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 4. Низкопотенциальный вывод 5 высоковольтной обмотки 6 соединен с землей 7. Высоковольтная обмотка 6 высокочастотного резонансного трансформатора 4 своим высоковольтным выводом 8 соединена с однопроводной линией 9 через мостовые выпрямители 12 с последовательно соединенными светильниками. Каждый светильник выполнен из двух последовательно соединенных светодиодов 10, включенных в диагональ мостового выпрямителя 12. В конце однопроводной линии мостовой выпрямитель 12 соединен одним выводом с однопроводной линией 9, а другим выводом с естественной емкостью 13 в виде изолированного проводящего тела.
На фиг.3 каждый светильник выполнен из двух параллельно соединенных светодиодов 10, включенных на выходе мостового выпрямителя 12.
Согласно формуле изобретения каждый светильник содержит k последовательно или l параллельно включенных светодиодов 13, где k=1, 2, 3p, l=1, 2, 3p.
В простейшем варианте изобретения каждый светильник содержит по одному светодиоду 13.
Светильник работает следующим образом. Электрическую энергию от сети или других источников энергии преобразуют по частоте в преобразователе частоты, повышают по напряжению с помощью повышающего трансформатора 4 и создают резонансные колебания тока и напряжения в первичной обмотке 3, вторичной обмотке 6 и в однопроводной линии 9 с частотой f0=1200 кГц, равной частоте преобразователя частоты и напряжением 0,530 кВ, которые перезаряжают емкость однопроводной линии 9 и естественную емкость 13.
Трансформаторы 11 (фиг.1) понижают напряжение однопроводной линии 9 до величины, безопасной для нормальной работы мостовых выпрямителей 12 и светильников 10.
Пример исполнения светодиодного светильника.
Преобразователь частоты 1 мощностью 1 кВт подключен к низковольтной обмотке 3 резонансного трансформатора 4, высоковольтный вывод 8 которого подключен к однопроводной линии 9 длиной 1 км, состоящей из последовательно включенных мостовых выпрямителей со светодиодными светильниками 10, например, на основе светодиодов XLamp® XR-E LED со светоотдачей 90 лм/Вт, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга. Последний мостовой выпрямитель со светильником вторым выводом подключен к естественной емкости или заземлен. Напряжение каждого светильника 3,3 В. Выходное напряжение резонансного трансформатора 3,3 кВ, ток каждого светильника 300 мА. Частота тока в линии 5 кГц.
Работа светодиодов на постоянном токе приводит к снижению потерь на перезарядку емкости светодиодов по сравнению с прототипом, где светодиоды включены в высокочастотную линию.
Повышение надежности работы светильника связано с тем, что в отличие от прототипа, где выход из строя одного светодиода в результате обрыва или увеличения сопротивления приводит к отказу параллельно включенного светодиода или диода и всей линии, в предлагаемом светодиодном светильнике при обрыве или увеличении сопротивления одного светодиода включенный с ним параллельно светодиод продолжает работать, и также продолжают работать все светодиоды в линии.
Предложенные способ и устройство для питания светодиодных светильников позволяют создать распределенный светильник с равномерным освещением дорог под однопроводной линией за счет снижения расстояния между светильниками и размещения светодиодов непосредственно на однопроводной линии.
Стоимость светильника снижается за счет размещения источника питания светодиодов в начале линии, а не на каждом светильнике и снижении сечения медного провода с 10 мм2 до 1 мм2.
За счет использования высокочастотной электрической энергии в резонансном режиме и мостового выпрямителя осуществляется работа светильников с высоким КПД, равным 7075%, с передачей энергии от источника энергии к светильнику по однопроводной линии с малыми потерями в проводнике. При питании светильника по однопроводной линии исключается возможность короткого замыкания, так как отсутствуют проводники с разностью потенциалов между ними, как это имеет место в обычной электрической сети. В качестве источника электрической энергии может быть использована солнечная батарея, ветровая электростанция, бензоэлектрический агрегат и любой другой источник энергии.
Формула изобретения
1. Светодиодный светильник, содержащий инвертор, выполненный в виде преобразователя частоты, соединенного с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией, со светильниками, отличающийся тем, что линия содержит n последовательно включенных первичных обмоток высокочастотных понижающих трансформаторов (n=1, 2, 3k), последняя из первичных обмоток соединена с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела или заземлена, а вторичная обмотка каждого высокочастотного понижающего трансформатора соединена с мостовым выпрямителем, в диагональ моста которого включены последовательно m светодиодов (m=1, 2, 3r) или 1 параллельно включенных светодиодов (l=1, 2, 3р).
2. Светодиодный светильник, содержащий инвертор, который выполнен в виде преобразователя частоты и соединен с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки соединен однопроводной линией со светильниками и естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, отличающийся тем, что в однопроводную линию включены последовательно n мостовых выпрямителей (n=1, 2, 3k), а в диагональ каждого выпрямителя включены параллельно l светодиодов (l=1, 2, 3p) или последовательно m светодиодов (m=1, 2, 3r), а количество m последовательно включенных светодиодов, n мостовых выпрямителей и l параллельно включенных светодиодов связаны с амплитудой тока iл и напряжения Uл однопроводной линии следующими соотношениями Uл>nU мв; Uмв>kUсв; iл>i сд, где Uмв - напряжение на выходе мостового выпрямителя; Uсв - напряжение светодиода; iсд - ток светодиода.
РИСУНКИ
