Устройство освещения

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании осветительных приборов, в конструкции которых задействованы энергосберегающие светодиодные модули. Технический результат заключается в повышении надежности и увеличении рабочего ресурса устройства. Устройство состоит из светодиодной матрицы, подсоединенной через регулирующий ключ к источнику напряжения стабилизированного переменного тока. Светодиодная матрица состоит из одной либо нескольких пар встречно-параллельно соединенных ветвей из последовательно включенных светодиодов, размещенных на общей теплоотводящей подложке. Подложка соединена со входом датчика температуры, выход которого подключен к одному из входов блока управления, который размыкает регулирующий ключ при превышении температуры подложки заданного уровня и замыкает его при снижении температуры до заданного уровня. Стабилизация температуры происходит с точностью, определяемой величиной дискретности интервалов n модулирующего сигнала. С помощью размыкания ключа можно прерывать подачу питающего светодиоды напряжения и тем самым снижать температуру их нагрева. За счет стабилизации температуры подложки светодиодного модуля обеспечивается надежная работа светодиодов при воздействии различных дестабилизирующих факторов, что является техническим результатом изобретения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании осветительных приборов широкого назначения, в конструкции которых задействованы энергосберегающие светодиодные модули.

Известны устройства освещения, содержащие светодиодную матрицу, соединенную с источником переменного напряжения стабильного тока, светодиоды которой установлены на общей подложке, выполняющей одновременно функции радиатора. Для обеспечения надежной работы светодиодов при воздействии внешних дестабилизирующих факторов (увеличения температуры, давления), ухудшающих теплоотдачу, радиаторы выполняют из керамики (Журнал «Полупроводниковая светотехника», №2, 2011 г.) или алюминия («Мощные светодиодные матрицы на анодированной алюминиевой подложке». «Температурные исследования надежности матриц мощных светодиодов». В.И.Мамушкин и др. УДК 621.315.592, 22.04.2010 г.).

Недостатком известных технических решений является низкая эффективность охлаждения светодиодов при воздействии внешних дестабилизирующих факторов (эксплуатации в замкнутых объемах, при пониженном атмосферном давлении, повышении температуры окружающей среды). При стабилизации тока и напряжения на светодиодном модуле в случае снижения эффективности теплоотвода подложки и, следовательно, светодиода увеличивается температура единичного его кристалла, следствием чего является снижение надежности всего светодиодного модуля. Таким образом, в большинстве случаев одновременное воздействие дестабилизирующих факторов приводит к неучтенному снижению эффективности теплоотвода и надежности работы светодиодного модуля.

Наиболее близким к изобретению является устройство освещения, содержащее светодиодную матрицу (модуль), подсоединенную к источнику напряжения стабилизированного переменного тока. Светодиодная матрица состоит из одной либо нескольких пар встречно-параллельно соединенных ветвей из последовательно включенных светодиодов, размещенных на общей подложке (Ж. «Рынок светотехники», №1, 2010 г., с.47). Для обеспечения достаточной надежности работы светодиодов подложка имеет теплоотводящую конструкцию радиатора.

Недостатками известного решения, равно как и вышеперечисленных, являются недостаточная надежность работы матрицы и малый рабочий ресурс светодиодов из-за низкой эффективности теплоотвода их подложки, т.к. с помощью использования подобной конструкции обеспечить эффективное охлаждение кристаллов светодиодов практически невозможно (тот же журнал, с.48). Недостаточное охлаждение кристаллов единичных светодиодов при стабилизации тока в случае одновременного воздействия дестабилизирующих факторов приводит к снижению надежности работы светодиодного модуля и всего устройства.

Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения, является повышение надежности и увеличение рабочего ресурса устройства за счет увеличения эффективности охлаждения светодиодов путем обеспечения постоянства температуры теплоотводящей подложки (при поддержании стабильного тока через светодиоды).

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве освещения, содержащем светодиодную матрицу, подсоединенную через регулирующий ключ к источнику напряжения стабилизированного переменного тока, светодиодная матрица состоит из одной либо нескольких пар встречно-параллельно соединенных ветвей из последовательно включенных светодиодов, размещенных на общей теплоотводящей подложке, соединенной со входом датчика температуры, выход которого подключен к одному из входов блока управления, размыкающего регулирующий ключ при превышении температуры подложки заданного уровня и замыкающего его при ее снижении до заданного уровня, причем это реализовано за счет того, что блок управления, работающий в режиме дискретной широтно-импульсной модуляции с дискретностью n интервалов периода Т модулирующего сигнала, выполнен с возможностью при превышении температуры подложки заданного уровня формирования выходного сигнала длительностью кТ/n путем поочередного подключения интервалов периода модулирующего сигнала до прихода сигнала с датчика температуры о полной компенсации превышения температуры подложки заданного уровня, где к, равный от 0 до n, - номер дискретного интервала периода Т модулирующего сигнала, при котором реализована полная компенсация превышения температуры подложки заданного уровня.

При этом блок управления регулирующим ключом, работающий в режиме дискретной широтно-импульсной модуляции с дискретностью 4 интервалов периода Т модулирующего сигнала, может быть выполнен в виде резистивного делителя напряжения, присоединенного первым выводом к выходу резистивного датчика температуры, а вторым - к источнику опорного напряжения, величина которого соответствует заданному уровню температуры подложки, при этом вывод питания датчика температуры подключен к его источнику питания, точки соединения измерительных резисторов делителя напряжения, число которых соответствует дискретности 4 интервалов модулирующего сигнала, присоединены соответственно к измерительным входам четырех компараторов, входы задающего сигнала которых подключены к источнику опорного напряжения, выход первого компаратора, связанного с первым измерительным резистором, присоединен через первый инвертирующий элемент к первому входу элемента «ИЛИ», выход которого является выходом блока управления, при этом выходы второго, третьего и четвертого компараторов через соответствующие инвертирующие элементы присоединены соответственно к первым входам одного из трех элементов «И», выходы которых подключены к соответствующим входам элемента «ИЛИ», причем к вторым входам первого и третьего элементов «И» присоединен выход тактового генератора прямоугольных импульсов с частотой F₁, а ко второму и третьему входам второго и третьего элементов «И» - выход тактового генератора прямоугольных импульсов с частотой F₂=2F₁, при этом блок управления выполнен обеспечивающим формирование выходного сигнала С в соответствии с логической функцией:

, где

X1, Х2, X3, Х4 - сигналы на выходах компараторов 11-14,

T₁, T₂ - периоды частоты F₁ и F₂ тактового генератора прямоугольных импульсов.

В проанализированных патентных источниках информации не обнаружено сведений о методике поддержания заданной температуры подложки светодиодного модуля и, следовательно, температуры кристаллов единичных светодиодов путем прерывания подачи питания напряжения переменного тока с помощью дискретного широтно-импульсного управления, что говорит о соответствии технического решения критериям «изобретательский уровень» и «новизна».

На Фиг.1 представлена электрическая схема устройства освещения.

На Фиг.2 представлена электрическая схема блока управления (при дискретности модулирующего сигнала 4).

На Фиг.3 изображены диаграммы переключения элементов схемы.

Устройство (Фиг.1) состоит из светодиодной матрицы 1 (модуля), подсоединенной через регулирующий ключ 2 к источнику напряжения стабилизированного переменного тока 3. Светодиодная матрица состоит из одной либо нескольких пар встречно-параллельно соединенных ветвей из последовательно включенных светодиодов 4, размещенных на общей теплоотводящей подложке. Подложка соединена со входом датчика температуры 5, выход которого подключен к одному из входов блока управления 6. Блок управления 6 (Фиг.2) выполнен в виде резистивного делителя напряжения, присоединенного первым выводом к выходу резистивного датчика температуры 5, а вторым - к источнику опорного напряжения Uоп., величина которого соответствует заданному уровню температуры подложки. Вывод питания датчика температуры 5 подключен к его источнику питания +Е. Точки соединения измерительных резисторов 7-10 делителя напряжения, число которых соответствует дискретности 4 интервалов модулирующего сигнала, присоединены соответственно к измерительным входам четырех компараторов 11-14. Входы задающего сигнала компараторов подключены к источнику опорного напряжения Uоп. Выход первого компаратора 11 присоединен через первый инвертирующий элемент 15 к первому входу элемента «ИЛИ» 16, выход которого является выходом блока управления. Выходы компараторов 12-14 через инвертирующие элементы 17-19 присоединены соответственно к первым входам элементов «И» 20-22. К вторым входам элементов «И» 20 и 22 присоединен выход тактового генератора прямоугольных импульсов 23 с частотой F₂, задающей интервал дискретности, а ко второму и третьему входам элементов «И» 21 и 22 - выход тактового генератора прямоугольных импульсов с частотой F₁. Блок управления 6 формирует на выходе сигнал С, характеризующийся логической функцией:

, где

X1, Х2, X3, Х4 - сигналы на выходах компараторов 11-14,

T₁, T₂ - периоды частоты F₁ и F₂ тактового генератора прямоугольных импульсов, причем F₂=2F₁.

Естественно, что число сигналов X1…Xn на выходе компараторов соответствует величине дискретности n интервалов модулирующего сигнала.

Величина дискретности интервалов модулирующего сигнала может быть любой, причем от ее значения зависит структура блока управления 6, который должен реализовать формирование выходного сигнала в соответствии с заданной логической функцией C=f(n). Методика построения подобных схем широко известна (см. кн. В.И.Хандогин и др. Источники вторичного электропитания приборов СВЧ. М.: Радио и связь, 1989 г., с.114).

Устройство работает следующим образом.

При подключении источника электропитания 3 к входным выводам на светодиодную матрицу 1 подается переменное напряжение типа «меандр». Светодиоды 4 ветвей модуля поочередно попарно загораются (регулирующий ключ 2 замкнут, на выходе блока 6 формируется сигнал «C₁» 24 (Фиг.3)). При этом температура окружающей среды, например 25°C, и подложки светодиодов, например 70°C, не превышают заданный допустимый уровень.

При увеличении температура окружающей среды, например, до 35°C и соответственном увеличении температуры подложки светодиодов до уровня, превышающего допустимый, с датчика температуры 5 поступает сигнал на резистивный делитель 7-10 блока управления. При этом срабатывает компаратор 14, формирующий сигнал Х4 (25), который согласно логической функции определяет выходной сигнал С₂ (26) блока управления 6 с дискретностью Т/n. Дальнейшее увеличение температуры подложки приводит к последовательному срабатыванию компараторов 13, 12, 11 (сигналы 27, 28, 29) и формированию на выходе блока управления 6 сигналов С₃ (30), С₄ (31). Данный процесс будет продолжаться до прихода сигнала с датчика 5 о полной компенсации превышения температуры подложки. Естественно, что максимальный сигнал на размыкание ключа соответствует величине периода Т, при которой номер дискретного интервала периода T₁ (32) модулирующего сигнала равен n.

При снижении температуры подложки процесс повторяется в обратную сторону. Стабилизация температуры происходит с точностью, определяемой величиной дискретности n модулирующего сигнала, т.е. частотой F₂ (33), которая задается тактовым генератором 23.

Таким образом, с помощью размыкания ключа 2 можно прерывать подачу питающего светодиоды 4 напряжения и тем самым снижать температуру их нагрева. Естественно, что светодиоды не перестают гореть, т.к. частота дискретной модуляции F₂ отличается от частоты питающего переменного напряжения более чем на порядок.

За счет стабилизации температуры подложки светодиодного модуля на постоянном уровне устройство обеспечивает надежную работу светодиодов при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Благодаря высокой надежности работы светодиодного модуля устройство освещения может найти широкое применение в различных областях.

1. Устройство освещения, содержащее светодиодную матрицу, подсоединенную через регулирующий ключ к источнику напряжения стабилизированного переменного тока, светодиодная матрица состоит из одной либо нескольких пар встречно параллельно соединенных ветвей из последовательно включенных светодиодов, размещенных на общей теплоотводящей подложке, соединенной со входом датчика температуры, выход которого подключен к одному из входов блока управления, размыкающего регулирующий ключ при превышении температуры подложки заданного уровня и замыкающий его при ее снижении до заданного уровня, причем это реализовано за счет того, что блок управления, работающий в режиме дискретной широтно-импульсной модуляции с дискретностью n интервалов периода Т модулирующего сигнала, выполнен с возможностью при превышении температуры подложки заданного уровня формирования выходного сигнала длительностью кТ/n путем поочередного подключения интервалов периода модулирующего сигнала до прихода сигнала с датчика температуры о полной компенсации превышения температуры подложки заданного уровня, где к, равный от 0 до n - номер дискретного интервала периода Т модулирующего сигнала, при котором реализована полная компенсация превышения температуры подложки заданного уровня.

2. Устройство освещения по п.1, отличающееся тем, что блок управления регулирующим ключом, работающий в режиме дискретной широтно-импульсной модуляции с дискретностью 4 интервалов периода Т модулирующего сигнала, выполнен в виде резистивного делителя напряжения, присоединенного первым выводом к выходу резистивного датчика температуры, а вторым - к источнику опорного напряжения, величина которого соответствует заданному уровню температуры подложки, при этом вывод питания датчика температуры подключен к его источнику питания, точки соединения измерительных резисторов делителя напряжения, число которых соответствует дискретности 4 интервалов модулирующего сигнала, присоединены соответственно к измерительным входам четырех компараторов, входы задающего сигнала которых подключены к источнику опорного напряжения, выход первого компаратора, связанного с первым измерительным резистором, присоединен через первый инвертирующий элемент к первому входу элемента «ИЛИ», выход которого является выходом блока управления, при этом выходы второго, третьего и четвертого компараторов через соответствующие инвертирующие элементы присоединены соответственно к первым входам одного из трех элементов «И», выходы которых подключены к соответствующим входам элемента «ИЛИ», причем к вторым входам первого и третьего элементов «И» присоединен выход тактового генератора прямоугольных импульсов с частотой F₁, а ко второму и третьему входам второго и третьего элементов «И» - выход тактового генератора прямоугольных импульсов с частотой F₂=2F₁, при этом блок управления выполнен обеспечивающим формирование выходного сигнала С в соответствии с логической функцией:
,
где X1, Х2, Х3, Х4 - сигналы на выходах компараторов 11-14;
T₁, T₂ - периоды частоты F₁ и F₂ тактового генератора прямоугольных импульсов.