Схема подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока
Владельцы патента RU 2602415:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (RU)
Использование: для подключения светового прибора в сеть переменного тока. Сущность изобретения заключается в том, что схема включения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока содержит n (n=2, 3, …) последовательно соединенных СИД, диодный выпрямитель, положительный выход которого подключен к аноду первого СИД, первый резистор, одним выводом подключенный к отрицательной выходной клемме диодного выпрямителя, при этом в схему введены n управляемых ключей, причем первый ключ подключен параллельно второму СИД, второй ключ подключен параллельно третьему СИД, …, n-1 ключ - параллельно n-му СИД, первый вывод n-го ключа подключен к катоду n-го СИД, а второй вывод - ко второму выводу первого резистора, контроллер с процессором и двумя АЦП, резисторный делитель напряжения из последовательно соединенных второго и третьего резисторов, включенный параллельно выходу диодного выпрямителя, дифференциальные входы первого АЦП подключены к первому резистору, дифференциальные входы второго АЦП подключены к третьему резистору, а n выходов процессора подключены соответственно к управляющим входам первого, второго, …, n-го управляемых ключей. Технический результат: обеспечение возможности увеличения светового потока, уменьшения эмиссии гармоник в электрическую сеть и увеличения значения коэффициента мощности устройства. 2 ил.
Изобретение относится к светотехнике, в частности к электронным устройствам включения в сеть переменного тока световых приборов, в которых в качестве источников света использованы группы светоизлучающих полупроводниковых светодиодов (СИД).
Известно устройство питания светодиодов от сети переменного тока [1]. Устройство содержит две параллельно соединенные цепи, подключенные к источнику переменного напряжения, первая цепь содержит два встречно-параллельно включенных СИД, вторая цепь содержит последовательно соединенные конденсатор и два встречно-параллельно включенных СИД.
Потребление тока происходит короткими импульсами в моменты времени, соответствующие максимальному значению питающего переменного синусоидального напряжения, приложенного к СИД, что приводит к малому значению светового потока устройства, сопровождается эмиссией гармоник в электрическую сеть и порождает реактивную мощность, которая уменьшает значение коэффициента мощности [2].
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство питания светодиодов от сети переменного тока [3].
Устройство содержит n (n=2, 3, …) последовательно соединенных СИД. Анод первого СИД подключен к первому выводу сглаживающего пульсации напряжения первого конденсатора и к положительной выходной клемме диодного выпрямителя. Катод n-го СИД подсоединен ко второму выводу первого конденсатора и через первый резистор - к отрицательной клемме диодного выпрямителя. Входные клеммы диодного выпрямителя последовательно соединены с вторым токоограничивающим конденсатором и вторым резистором и подключены к сети переменного напряжения. Параллельно входным клеммам диодного выпрямителя подключен третий конденсатор, а параллельно второму конденсатору подключен третий разрядный резистор.
Задачами, на достижение которых направлено предлагаемое решение, являются увеличение светового потока, уменьшение эмиссии гармоник в электрическую сеть и увеличение значения коэффициента мощности устройства.
Это достигается тем, что в схему включения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока, содержащую n (n=2, 3, …) последовательно соединенных СИД, диодный выпрямитель, положительный выход которого подключен к аноду первого СИД, первый резистор, одним выводом подключенный к отрицательной выходной клемме диодного выпрямителя, введены n управляемых ключей, причем первый ключ подключен параллельно второму СИД, второй ключ подключен параллельно третьему СИД, …, n-1 ключ - параллельно n-му СИД, первый вывод n-го ключа подключен к катоду n-го СИД, а второй вывод - ко второму выводу первого резистора, контроллер с процессором и двумя АЦП, резисторный делитель напряжения из последовательно соединенных второго и третьего резисторов, включенный параллельно выходу диодного выпрямителя, при этом дифференциальные входы первого АЦП подключены к первому резистору, дифференциальные входы второго АЦП подключены к третьему резистору, а n выходов процессора подключены соответственно к управляющим входам первого, второго, …, n-го управляемых ключей.
Функциональная схема устройства приведена на фиг. 1, на которой обозначено: 1 - контроллер; 2, 3 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП); 4 - диодный выпрямитель; 5.1, 5.2, …, 5.n - управляемые ключи; 6.1, 6.2, …, 6.n - СИД; 7 - первый резистор; 8, 9 - второй и третий резисторы.
На фиг. 2, а и 2, б приведены эпюры соответственно напряжения на выходе диодного выпрямителя 4 и тока, протекающего через цепь последовательно соединенных СИД 6.1, 6.2, …, 6.n, n-го управляемого ключа и первого резистора 7.
Устройство, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом.
В выключенном состоянии ключи 5.1, …, 5.n разомкнуты, что предотвращает выход СИД из строя при включении устройства. При включении устройства контроллер 1 с помощью АЦП 2 определяет момент перехода пульсирующего напряжения на выходе диодного выпрямителя 4 через ноль и подает логические сигналы на управляющие входы управляемых ключей 5.1, 5.2, … 5.n таким образом, чтобы управляемые ключи перешли в замкнутое состояние. К выходным клеммам диодного выпрямителя 4 оказывается подключена цепь из последовательно соединенных СИД 6.1, замкнутого ключа 5.n и резистора 7. Светится СИД 6.1. С увеличением значения напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 возрастает значение тока, протекающего по цепи последовательно соединенных СИД 6.1 - замкнутый ключ 5.n - резистор 7. Ток в цепи контролируется контроллером 1 с помощью АЦП 3 по падению напряжения на резисторе 7. При достижении тока в цепи максимального значения для выбранного типа СИД контроллер 1 изменяет логический сигнал на управляющем входе управляемого ключа 5.1 таким образом, чтобы управляемый ключ 5.1 перешел в разомкнутое состояние. К выходным клеммам диодного выпрямителя 4 оказывается подключена цепь из последовательно соединенных СИД 6.1, 6.2, замкнутого ключа 5.n и резистора 7. Светятся СИД 6.1 и 6.2. При дальнейшем увеличении напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 контроллер последовательно размыкает ключи 5.2; 5.3 и т.д., поочередно подключая светодиоды СИД 6.3; 6.4 и т.д. После достижения напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 максимального мгновенного значения напряжения и, соответственно, тока, протекающего по цепи СИД 6.1; 6.2; … 6.n-1, замкнутый ключ 5.n, резистор 7, напряжение и ток уменьшаются. При достижении тока в цепи минимального значения для выбранного типа СИД контроллер 1 изменяет логический сигнал на управляющем входе управляемого ключа 5.n-1 таким образом, чтобы управляемый ключ 5.n-1 перешел в замкнутое состояние. При дальнейшем уменьшении напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 контроллер последовательно замыкает ключи 5.n-2; 5.n-3 и т.д., поочередно выключая светодиоды СИД 6.n-2; 6.n-3 и т.д.
В результате за половину периода переменного питающего напряжения с максимальной яркостью светятся один, два, три, …, n-1, n, n-1, …, три, два, один СИД, обеспечивая максимальное значение светового потока. Ток в цепи СИД меняется от минимального до максимального значения с частотой в 4n раз большей частоты питающего переменного напряжения.
По предлагаемой функциональной схеме (фиг. 1) был изготовлен макет устройства, содержащий четыре последовательно соединенных СИД, причем анод первого СИД подключен к положительной выходной клемме диодного выпрямителя, первый резистор одним выводом соединенный с отрицательной выходной клеммой диодного выпрямителя, а входные клеммы диодного выпрямителя подключены источнику переменного напряжения, четыре управляемых ключа, причем первый ключ подключен параллельно второму СИД, второй ключ подключен параллельно третьему СИД, третий ключ - параллельно четвертому СИД, первый вывод четвертого ключа подключен к катоду четвертого СИД, а второй вывод - ко второму выводу первого резистора, контроллер с процессором и двумя АЦП, дифференциальные входы первого из них подключены к первому резистору, дифференциальные входы второго АЦП подключены к третьему резистору делителя напряжения из второго и третьего резисторов, подключенному между положительной и отрицательной выходными клеммами двухполупериодного диодного выпрямителя, а четыре выхода процессора подключены соответственно к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого управляемых ключей.
Экспериментальные измерения показали, что по отношению к устройству-прототипу предлагаемое устройство имеет на 42% большее значение светового потока, имеет на 90% меньшее значение третьей гармоники и имеет большее значение коэффициента мощности, равное 0,91.
Дополнительное преимущество заявляемого устройства заключается в повышенной надежности, поскольку контроллер может быть запрограммирован так, что при превышении тока через СИД максимального рабочего значения размыкается ключ 5.n, отключая СИД от диодного выпрямителя 4 до момента перехода пульсирующего напряжения на выходе диодного выпрямителя 4 через ноль.
Выполненные патентные исследования и анализ других источников информации показали, что предлагаемое техническое решение является новым, имеет изобретательский уровень, поскольку не является очевидным из уровня техники. Возможность промышленного производства и достижения положительного эффекта доказаны экспериментально.
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения:
1. Пат. US 8269408 В2 Led based structure with embedded capacitor / Helio optoelectronics corporation (TW), 11.01.2011.
2. Махлин А. Особенности проектирования блока питания для светодиодных ламп // Полупроводниковая светотехника. - 2011. - №1. - С. 31.
3. Пат. №95214 РФ, МПК H05B 37/00 СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ СВЕТОДИОДНОГО СВЕТОВОГО ПРИБОРА В СЕТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА // Кумин Александр Михайлович (RU) - №2009146804/22, Заявл. 17.12.2009, опубл. 10.06.2010 - прототип устройства.
Схема включения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока, содержащая n (n=2, 3, …) последовательно соединенных СИД, диодный выпрямитель, положительный выход которого подключен к аноду первого СИД, первый резистор, одним выводом подключенный к отрицательной выходной клемме диодного выпрямителя, отличающаяся тем, что в схему введены n управляемых ключей, причем первый ключ подключен параллельно второму СИД, второй ключ подключен параллельно третьему СИД, …, n-1 ключ - параллельно n-му СИД, первый вывод n-го ключа подключен к катоду n-го СИД, а второй вывод - ко второму выводу первого резистора, контроллер с процессором и двумя АЦП, резисторный делитель напряжения из последовательно соединенных второго и третьего резисторов, включенный параллельно выходу диодного выпрямителя, при этом дифференциальные входы первого АЦП подключены к первому резистору, дифференциальные входы второго АЦП подключены к третьему резистору, а n выходов процессора подключены соответственно к управляющим входам первого, второго, …, n-го управляемых ключей.
