УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ LED Российский патент 2013 года по МПК H05B33/08 

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится к устройству возбуждения LED для подачи тока к цепи, по меньшей мере, одного LED, устройство содержит блок управления, выводы ввода мощности для подачи электропитания блоку управления, и выходные выводы, через которые блок управления приспособлен подавать упомянутый ток.

Уровень техники изобретения

US 2003/0227265 A1 раскрывает возбуждающую схему для LED-цепи упомянутого выше типа, в которой возбуждающая схема допускает регулировку яркости LED-цепей с помощью широтно-импульсной модуляции, подавая управляющий сигнал возбуждающей схеме, причем управляющий сигнал указывает требуемый, номинальный средний ток LED-цепи.

В более крупных конфигурациях LED-освещения, содержащих несколько устройств возбуждения LED, каждое из которых обеспечивает ток к одной или нескольким LED-цепям, зачастую желательна одновременная равномерная регулировка яркости из нескольких LED-цепей.

Большие LED-системы имеют тенденцию быть сложными и содержат много соединений. Они, следовательно, также зачастую являются более сложными для управления, чем меньшие LED-системы.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является преодоление или, по меньшей мере, смягчение этой проблемы и предоставление устройства возбуждения LED, которое упрощает проектирование, сборку или управление LED-системами, содержащими множество LED-цепей.

Принимая во внимание указанную выше и другие цели, предоставляется устройство возбуждения LED для подачи второго тока ко второй цепи, по меньшей мере, одного LED, причем устройство содержит блок управления; выводы подвода электропитания для подачи электропитания блоку управления; и выходные выводы, через которые блок управления приспособлен подавать упомянутый второй ток, устройство характеризуется тем, что устройство возбуждения LED содержит устройство восприятия для восприятия первого тока через первую цепь, по меньшей мере, одного LED; и что блок управления приспособлен управлять упомянутым вторым током на основе упомянутого первого тока.

Благодаря изобретению, возможно использовать уровень тока первого сегмента для получения управляющего сигнала другим сегментом. Это уменьшает необходимость предоставления отдельной кабельной проводки для отправки управляющих сигналов всем сегментам.

В частности, это может быть полезным при использовании ленточного кабеля, чтобы соединять несколько возбуждающих устройств параллельно, поскольку в ином случае потребуется больше проводников в ленточном кабеле для взаимного соединения цепочки сегментов с регулируемой яркостью, чем для цепочки сегментов с нерегулируемой яркостью. В этом раскрытии термин "сегмент" означает набор из устройства возбуждения LED и LED-цепи, которой устройство возбуждения LED предоставляет ток. Наличие различного числа проводников для продуктов с регулируемой яркостью и нерегулируемой яркостью увеличивает необходимость в различных механических архитектурах модулей в линейках продуктов с регулируемой и нерегулируемой яркостью. Меньшее число различных механических архитектур может давать в результате меньшие затраты на разработку, производство, логистику и/или складирование.

В одном варианте осуществления блок управления выполнен с возможностью управления упомянутым вторым током, чтобы он имел среднее значение, относительно времени, которое отклоняется от среднего по времени упомянутого первого тока менее чем на 15%. Обеспечивая уровень тока для второй цепи, который не отклоняется слишком сильно от уровня тока через первую цепь, возможно соединять более чем два сегмента последовательно с сохраненной функцией регулировки яркости. Предпочтительно, среднее по времени упомянутого второго тока соответствует среднему по времени упомянутого первого тока. Это может позволять взаимодействие, по существу, неограниченного числа сегментов, взаимодействующих для регулировки яркости гирляндной цепи. Также, в RGB LED-системах управление уровнями тока между сегментами важно для того, чтобы поддерживать постоянную цветовую точку между сегментами.

В одном варианте осуществления устройство возбуждения LED выполнено с возможностью подачи импульса второго тока упомянутой второй цепи из LED на основе обнаружения импульса первого тока через упомянутую первую цепь из LED. Этот вариант осуществления особенно хорошо подходит для устройств возбуждения LED, подающих ток с широтно-импульсной модуляцией в LED-цепь.

Предпочтительно, устройство возбуждения LED сконфигурировано, чтобы десинхронизировать импульс упомянутого второго тока относительно импульса упомянутого первого тока. Десинхронизируя импульсы, упомянутая первая и вторая LED-цепи одновременно не будут начинать потреблять электрическую мощность от какого-либо источника мощности, который совместно используют их соответствующие устройства возбуждения. В этом способе, токи перегрузки и электромагнитные помехи могут быть уменьшены, и может быть также возможным выбирать совместно используемый источник мощности, имеющий более низкую максимальную номинальную мощность.

Одним способом конфигурирования устройства возбуждения LED, чтобы десинхронизировать импульс упомянутого второго тока относительно импульса упомянутого первого тока, является использование устройства временной задержки, выполненного с возможностью задержки импульса упомянутого второго тока относительно импульса упомянутого первого тока на фиксированное время задержки. Предпочтительно, время задержки равно, по меньшей мере, 10 мкс, а более предпочтительно, по меньшей мере, 50 мкс, для того, чтобы гарантировать минимум пульсаций в линии мощности.

Другим способом конфигурирования устройства возбуждения LED, чтобы десинхронизировать импульс упомянутого второго тока относительно импульса упомянутого первого тока, является использование устройства временной задержки, выполненного с возможностью задержки импульса упомянутого второго тока относительно импульса упомянутого первого тока на случайное время задержки.

В одном варианте осуществления упомянутый первый и второй токи являются импульсными, и средний уровень тока упомянутого второго тока относительно времени управляется посредством управления средней амплитудой импульса, средней частотой импульса и/или средней продолжительностью импульса из источника случайного импульса. Коррелируя характеристики пульсации упомянутого второго тока с характеристиками импульсов из источника случайных импульсов, может быть получена эффективная десинхронизация импульсов упомянутого первого и второго токов.

В одном варианте осуществления блок управления выполнен с возможностью управления упомянутым вторым током, чтобы он имел пиковое значение, которое соответствует пиковому значению упомянутого первого тока. С помощью этой конфигурации возможно копировать длину оптической волны, испускаемой одним сегментом, в другой.

В одном варианте осуществления упомянутое устройство восприятия содержит резистор, который соединен последовательно с упомянутой первой LED-цепью, и измерительное устройство для измерения уровня напряжения на упомянутом резисторе. Этот вариант осуществления особенно хорошо подходит для регулировки яркости с помощью аналогового управления уровнем тока.

Необязательно, чтобы каждая LED-цепь гирляндной цепи содержала одинаковое число LED; число LED каждого сегмента может изменяться, в то же время все сохраняя надлежащее управление регулировкой яркости.

Краткое описание чертежей

Этот и другие аспекты настоящего изобретения теперь будут описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, показывающие предпочтительный в настоящее время вариант осуществления изобретения.

Фиг.1 показывает пример общей схемы устройства возбуждения LED.

Фиг.2 является схемой проводов, иллюстрирующей цепочку из двух экземпляров устройства возбуждения LED на фиг.1, каждое устройство возбуждает цепь из LED.

Фиг.3 - это принципиальная схема PWM-устройства возбуждения LED с функциональной возможностью регулировки яркости.

Фиг.4A - это набор графиков, иллюстрирующий синхронизированное PWM LED-возбуждение.

Фиг.4B - это набор графиков, иллюстрирующий несинхронизированное PWM LED-возбуждение.

Фиг.5 - это принципиальная схема PWM устройства возбуждения LED с возможностью регулировки яркости.

Фиг.6 - это принципиальная схема устройства возбуждения LED с возможностью регулировки яркости с помощью уровня тока.

Подробное описание

Работающие светоизлучающие диоды, LED, требуют специального обращения, поскольку электрическая мощность зачастую доступна как постоянное напряжение, а LED требуют управляемого тока. Это типично решается устройством возбуждения LED, которое преобразует напряжение в точно определенный, постоянный или переменный ток. Несколько LED, питаемых одним устройством возбуждения LED, зачастую соединяются последовательно, чтобы формировать строки или цепи, и несколько устройств возбуждения LED, причем каждое обеспечивает несколько LED током, могут быть соединены параллельно с одним источником напряжения.

Количество света, излучаемого от цепи LED, управляется устройством возбуждения LED, которое типично изменяет уровень оптического выхода, путем изменения уровня постоянного тока через цепь, или посредством широтно-импульсной модуляции, PWM. С помощью PWM возможно изменять средний ток через цепь без изменения пикового тока, что позволяет регулировать яркость LED без изменения сильно зависящей от тока длины волны излучаемого света.

Фиг.1 показывает устройство 10 возбуждения LED, содержащее блок 12 управления, который обеспечивает ток i₂ через вторую цепь 14 из трех LED через выводы 16, 18. Устройство восприятия 20 обнаруживает ток i₁ через первую цепь 22 из LED и предоставляет сигнал регулировки яркости блоку 12 управления. Все устройство питается напряжением, подаваемым от источника напряжения через выводы 24, 26 ввода электропитания.

Фиг.2 иллюстрирует цепочку из множества устройств возбуждения LED, причем каждое устройство идентично устройству 10 возбуждения LED на фиг.1 и обеспечивает электрическим током цепь из LED. В этом примере показаны только два сегмента N и N-1 из устройства возбуждения LED и LED-цепи, хотя цепочка может содержать большое число сегментов. Два сегмента, показанных на чертеже, являются идентичными, даже если цепь N не показана полностью. Заштрихованные прямоугольники иллюстрируют пример разделения на физические модули устройств возбуждения и LED.

Устройства возбуждения LED сконфигурированы для регулировки яркости гирляндной цепи, т.е., уровень регулировки яркости цепи N управляется устройством N возбуждения LED на основе уровня регулировки яркости цепи N-1. Таким образом, для гирляндной цепи, содержащей большое число устройств возбуждения LED, необходимо только предоставлять сигнал управления уровнем регулировки яркости первому устройству возбуждения LED в цепочке (не показано). Все другие устройства возбуждения LED принимают свой сигнал регулировки яркости от предыдущей LED-цепи в цепочке. Модули соединяются через участки плоского ленточного кабеля 28, причем кабель 28 содержит четыре провода: два провода 30, 32 для предоставления электрической мощности устройствам возбуждения LED, и два провода 34, 36 для схемы LED-цепи. Два провода 34, 36 LED-цепи N-1 замкнуты в контур внутри модуля возбудителя сегмента N. Последняя LED-цепь (не показана) гирляндной цепи может быть замкнута с помощью оконечного модуля, просто замыкающего два провода 34, 36.

Принципиальная схема на фиг.3 иллюстрирует пример реализации устройства 10 возбуждения LED на фиг.1. Эта реализация устройства возбуждения LED особенно хорошо подходит для PWM-регулировки яркости. Оно содержит часть 12 предоставления тока для предоставления PWM-тока в LED-цепь 14 и часть 20 восприятия тока для восприятия присутствия PWM-тока через LED-цепь 44. Через провод 44 часть 20 восприятия тока предоставляет сигнал управления части 12 предоставления тока.

Различные реализации части 12 предоставления тока должны быть знакомы специалистам в области техники; в этом примере она реализована как понижающий преобразователь. Также, другие источники тока, такие как повышающие преобразователи, преобразователи Кука, обратноходовые преобразователи и т.д., могут быть использованы. Управляющая ИС (IC) 40 измеряет напряжение и ток через шунтирующий резистор 41 и управляет током через LED-цепь 14, переключая n-канальный полевой МОП-транзистор (MOSFET) 43. Входной штырек 42 управляющей IC 40 допускает включение тока, предоставляемого LED-цепи 14. Часть 20 восприятия тока устройства 10 возбуждения LED содержит p-канальный MOSFET 46 и ряд резисторов. Когда ток через LED-цепь 44 есть, напряжение на затворе p-канального MOSFET 46 является низким, и p-канальный MOSFET 46 соединяет разрешающий штырек 42 IC 40, через резистор 47 разделителя, с напряжением питания провода 30. Высокий потенциал на разрешающем штырьке 42 сохраняет ток к LED-цепи 14 включенным, т.е., модуляция тока, предоставляемого LED-цепи 14, сопровождает ток с широтно-импульсной модуляцией через LED-цепь 44. Отсутствие тока через LED-цепь 44 будет повышать потенциал на затворе p-канального MOSFET 46, прерывая соединение через MOSFET 46 между проводом 30 и штырьком 42, и понижая потенциал разрешающего входного штырька 42. Это в результате приводит к отключению тока LED-цепи 14.

Добавляя функцию задержки способом, хорошо известным по сути, к управляющей IC 40, достигаются дополнительные преимущества. Три верхних графика 60, 62, 64 на фиг.4A иллюстрируют PWM-ток, в зависимости от времени, предоставляемый тремя отдельными устройствами возбуждения LED. В этом случае все три устройства возбуждения LED принимают одинаковый PWM сигнал регулировки яркости параллельно. PWM сигнал регулировки яркости управляет пульсацией тока от устройств возбуждения LED, и импульсы тока, поэтому, будут синхронизированы. График 66 иллюстрирует общий ток, подаваемый на все три устройства возбуждения LED. Он изображает высокий пиковый ток, и значительное колебание из-за больших токов перегрузки в линии подачи к устройствам.

Фиг.4B показывает те же токи, что и фиг.4A, но для конфигурации, в которой импульсы PWM-тока являются десинхронизированными. Благодаря десинхронизации, импульсы PWM-тока распределены во времени, и подаваемый пиковый ток и выбросы тока, следовательно, значительно уменьшаются. В этом примере десинхронизация достигается посредством наличия функции задержки в управляющей IC 40 каждого устройства 10 возбуждения LED. И, поскольку каждое устройство N возбуждения LED вдоль гирляндной цепи добавляет временную задержку к обнаруженному импульсу от устройства N-1 возбуждения LED, нет необходимости обеспечивать каждое устройство возбуждения каким-либо индивидуальным, предварительно установленным временем задержки, или каким-либо индивидуальным сигналом десинхронизации.

Фиг.5 является другим чертежом схемы, способной выполнять PWM-регулировку яркости. Здесь, подобно фиг.3, p-канальный MOSFET 46 работает как инвертер. Функция устройства возбуждения LED, описываемого этим чертежом, отличается от функции устройства возбуждения LED на чертеже, показанном на фиг.3, главным образом, в том, что разрешающий сигнал от p-канального MOSFET 46 не используется, чтобы управлять сигналом переключения от управляющей IC 40 к n-канальному MOSFET 43. Вместо этого, когда разрешающий сигнал становится низким, он прерывает ток через LED-цепь, закорачивая третий MOSFET 68. Когда MOSFET 68 закорочен, источник тока будет приводить выходное напряжение к очень низкому значению; таким образом, несмотря на тот факт, что ток все еще протекает, потребление мощности в выключенном состоянии будет низким. Поддержание тока в выключенном состоянии полезно с точки зрения EMI.

Другое отличие в том, что переключающий MOSFET, обозначенный позицией 43 на фиг.3, встроен в управляющую IC 40 на фиг.5.

Принципиальная схема на фиг.6 иллюстрирует пример реализации устройства 10 возбуждения LED на фиг.1. Эта реализация особенно хорошо подходит для регулировки яркости с помощью уровня тока, т.е., регулировки яркости посредством управления уровнем тока, а не циклом включения тока, даже если она может успешно использоваться также и для регулировки яркости с помощью циклов включения тока. Она содержит часть 12 предоставления тока для предоставления тока LED-цепи 14 и часть 20 восприятия тока для измерения тока через LED-цепь 44. Через провод 48 часть 20 восприятия тока предоставляет управляющий сигнал части 12 предоставления тока. В этом примере часть 20 восприятия тока устройства возбуждения LED содержит шунтирующий резистор 70 последовательно с LED-цепью 44 и операционный усилитель 72, выполненный с возможностью измерения напряжения, а следовательно, и тока, через шунтирующий резистор 70. Выходной сигнал операционного усилителя 72 подается в управляющую IC 40 через провод 48, и управляющая IC 40 регулирует уровень тока через LED-цепь 14 до значения тока, измеренного частью 20 восприятия.

Опять же, следует заметить, что это решение регулировки яркости гирляндной цепи может быть применено во всех видах топологий LED-возбудителей. Центральной идеей является измерение или восприятие уровней тока или циклов включения с широтно-импульсной модуляции в предыдущем сегменте (N-1) в цепочке сегментов устройств возбуждения LED с ассоциированными LED-цепями, и управление током через следующий сегмент (N) на основе воспринятого тока через предыдущий. Например, каждое устройство возбуждения LED может копировать тот же уровень регулировки яркости в следующий сегмент, и, таким образом, такая же регулировка яркости будет получена для нескольких сегментов без необходимости разделять проводку для распространения сигнала регулировки яркости.

Специалисты в данной области техники признают, что настоящее изобретение ни в какой степени не ограничено предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Наоборот, множество модификаций и вариантов возможно в пределах прилагаемой формулы изобретения. Например, необязательно, чтобы законченное устройство возбуждения LED по пункту 1 содержалось в одном физическом модуле. Различные части устройства могут быть разделены между различными модулями, которые, когда соединены, получают ту же функцию, что и заявленная. Изобретение не ограничивается ни LED, излучающими видимый свет, ни LED, излучающими свет в широком диапазоне частот оптического спектра. Все узкополосные LED, включая в себя любой тип оптического обратноходового и вынужденного излучения, такие как диодные лазеры, находятся в рамках формулы, как и LED, излучающие свет в IR и UV-областях. Изобретение не применяется только к формирователям, работающим в режиме переключения. Все линейные формирователи, такие как диссипативные или резистивные формирователи, могут быть использованы, чтобы реализовать изобретение. Другие средства для обнаружения тока через LED-цепь, отличные от описанных подробно выше, могут быть использованы, чтобы реализовать изобретение, и охватываются прилагаемой формулой изобретения. В качестве примера, ток через LED-цепь может измеряться с помощью устройства восприятия Холла или может быть обнаружен косвенно с помощью фотодиода, обнаруживающего свет, излучаемый LED-цепью или ее частью.

Ссылочные знаки в формуле не предназначены, чтобы ограничивать рамки, а присутствуют, чтобы упрощать понимание формулы изобретения.

Изобретение относится к регулировке яркости гирляндной цепи и может быть применено ко всем видам топологий LED-формирователей. Технический результат заключается в упрощении устройства. Центральной идеей является измерение или восприятие уровней тока или циклов включения с широтно-импульсной модуляции в предыдущем сегменте (N-1) в цепочке сегментов из устройств возбуждения LED с ассоциированными LED-цепями и управление током через следующий сегмент (N) на основе воспринятого тока через предыдущий. Например, каждое устройство (10) возбуждения LED может копировать тот же уровень регулировки яркости в следующий сегмент, и, таким образом, такая же регулировка яркости может быть получена для нескольких сегментов без необходимости раздельной проводки для распределения сигнала регулировки яркости. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство возбуждения LED для подачи тока в цепь, содержащую по меньшей мере один LED, причем устройство содержит устройство восприятия для восприятия первого тока через первую цепь, содержащую по меньшей мере один первый LED, модуль управления, выводы ввода мощности для подключения источника мощности к модулю управления и выходные выводы для подачи второго тока во вторую цепь, содержащую по меньшей мере один второй LED, причем модуль управления конфигурируется управлять упомянутым вторым током на основе упомянутого первого тока.

2. Устройство возбуждения LED по п.1, в котором модуль управления выполнен с возможностью управлять упомянутым вторым током, чтобы он имел среднее значение относительно времени, которое отклоняется от среднего по времени упомянутого первого тока менее чем на 15%.

3. Устройство возбуждения LED по п.2, в котором модуль управления выполнен с возможностью управлять упомянутым вторым током, чтобы он имел среднее значение относительно времени, которое соответствует среднему значению упомянутого первого тока.

4. Устройство возбуждения LED по п.1, в котором устройство выполнено с возможностью подавать импульс второго тока в упомянутую вторую цепь на основе обнаружения импульса первого тока через упомянутую первую цепь.

5. Устройство возбуждения LED по п.4, в котором устройство возбуждения LED сконфигурировано десинхронизировать упомянутый импульс упомянутого второго тока относительно упомянутого импульса упомянутого первого тока.

6. Устройство возбуждения LED по п.5, в котором устройство возбуждения LED сконфигурировано десинхронизировать упомянутый импульс второго тока относительно упомянутого импульса первого тока с помощью устройства временной задержки, выполненного с возможностью задерживать упомянутый импульс второго тока относительно упомянутого импульса первого тока на фиксированное время задержки, по меньшей мере, 10 мкс.

7. Устройство возбуждения LED по п.5, в котором устройство возбуждения LED сконфигурировано десинхронизировать упомянутый импульс второго тока относительно упомянутого импульса первого тока с помощью устройства временной задержки, выполненного с возможностью задерживать упомянутый импульс второго тока относительно упомянутого импульса первого тока на случайное время задержки.

8. Устройство возбуждения LED по п.1, в котором упомянутый второй ток является импульсным, и его средним относительно времени управляют посредством управления средней амплитудой импульса, средней частотой импульса или средней продолжительностью импульса от источника случайных импульсов.

9. Устройство возбуждения LED по п.1, в котором модуль управления управляет упомянутым вторым током, чтобы он имел пиковое значение, которое соответствует пиковому значению упомянутого первого тока.

10. Устройство возбуждения LED по п.1, в котором упомянутое устройство восприятия содержит резистор, соединенный последовательно с упомянутой первой LED-цепью, и измерительное устройство для измерения уровня напряжения на упомянутом резисторе.