ДРАЙВЕР СВЕТОДИОДНОЙ ЛАМПЫ И СПОСОБ Российский патент 2014 года по МПК H05B33/08 

Область техники

Настоящее изобретение в общем относится к системам освещения на основе светодиодов и к подаче питания на них, а в частности к схеме питания для светодиодных ламп.

Предшествующий уровень техники

На сегодняшний день цифровые технологии освещения, то есть освещение, основанное на полупроводниковых источниках света, таких как светодиоды, являются обоснованной альтернативой традиционным флуоресцентным лампам, СВЧ-лампам и лампам накаливания. Последние достижения в области технологий, связанных с ними, в сочетании со многими достоинствами этих технологий, такими как высокий уровень преобразования энергии и оптическая эффективность, долговечность, низкие эксплуатационные расходы, привели к развитию эффективных и надежных источников освещения широкого спектра с разнообразием световых эффектов. Новые высокопроизводительные, энергоэффективные и миниатюрные светодиодные источники освещения сочетают в себе долговечность и надежность традиционных светодиодов и более высокую яркость, что делает их удобными, в частности, для общего освещения.

Полупроводниковые источники света (LED) широко используются в системах аварийного освещения в связи с повреждением основного искусственного освещения, вызываемым прерыванием питания. Источник света для аварийного освещения может питаться от устройства подачи питания для аварийного освещения, использующего энергию от аккумуляторных батарей, энергоблоков, специально защищенных сетей электропитания или других видов заменяемых источников энергии. В соответствии с Правилами по технике безопасности Национальной ассоциации пожарной безопасности (101, разделы 5-9) «Для аварийного освещения путей эвакуации… требуется обеспечить аварийное освещение на пути эвакуации в случае отказа нормального освещения».

Источники питания светодиодов, называемые в данном документе «драйверами светодиодных ламп», отличаются от источников питания, называемых балластными сопротивлениями и используемых для питания газоразрядных ламп, например флуоресцентных ламп. Балластные сопротивления выполняют множество функций, включая зажигание газоразрядной лампы импульсом высокого напряжения, ограничение тока лампы, поскольку данные лампы имеют вольтамперную характеристику с отрицательным наклоном, и питание лампы требуемым током и напряжением. Светодиоды работают по-другому: отсутствует необходимость в зажигании импульсом высокого напряжения, а полное напряжение на нити светодиода значительно меньше, чем у флуоресцентной лампы аналогичного уровня яркости. Как бы то ни было драйверы светодиодных ламп дополнительно должны обеспечивать ограничение тока и в некоторой степени выполнять управление тока.

Управление тока светодиода включает две задачи: (1) ограничение тока с целью не допустить тепловой выход из строя и (2) регулирование тока для поддержания тока светодиода в определенном диапазоне. Тепловой выход из строя может возникнуть вследствие повышенной температуры светодиода. Прохождение тока через светодиод приводит к повышению температуры светодиода, что позволяет пропускать через светодиод больше тока, что дополнительно повышает температуру. Ограничение тока необходимо, чтобы не допустить тепловой выход из строя и выход светодиода из строя вследствие перегрева. Регулирование тока необходимо, чтобы учитывать колебания параметров светодиода и колебания входного напряжения драйвера светодиодной лампы.

Многие традиционные подходы к ограничению и регулированию тока являются неэффективными, сложными, ненадежными и/или дорогостоящими. Один из подходов заключается в соединении пассивного последовательного полного сопротивления, такого как резистор, последовательно с матрицей светодиодов. Данный подход прост, но неэффективен, так как резистор рассеивает энергию, как тепло. Другой подход заключается в применении активного последовательного линейного элемента, каким является транзистор, вместе с обратной связью. В данном подходе применяются линейные регуляторы тока, которые наряду с тем, что являются сложными, дополнительно неэффективны и дороги. Еще один подход заключается в использовании импульсных регуляторов, которые могут использовать обратную связь, они относительно эффективны, но сложны, дорогостоящи и ненадежны.

Использование драйверов светодиодных ламп для аварийного освещения сопряжено с дополнительными проблемами. В аварийном состоянии входное напряжение драйвера светодиодной лампы часто обеспечено автономным источником напряжения или источником низкого напряжения, таким как аккумуляторная батарея или низковольтный резервный источник питания. Как бы то ни было, драйвер светодиодной лампы должен вырабатывать постоянный ток, достаточный для питания ряда последовательных светодиодов, даже несмотря на то, что входное напряжение драйвера светодиодной лампы ограничено низким напряжением. Входное напряжение необходимо повысить до напряжения, достаточного для питания светодиодов.

Один из подходов к созданию схемы драйвера светодиодной лампы заключался в использовании топологии строчной развертки. К сожалению, топология строчной развертки имеет ряд недостатков. Во-первых, топология строчной развертки включает в себя только один активный переключающий элемент и поэтому использует только один магнитный сердечник трансформатора строчной развертки в одном квадранте. Во-вторых, топология строчной развертки работает таким образом, что первичная обмотка и вторичная обмотка проводят ток в течение чередующихся фаз. В течение первой фазы первичная обмотка проводит ток, в то время как вторичная обмотка - нет, в результате чего в магнитном поле выходного трансформатора строчной развертки запасается энергия. В течение второй фазы эта запасенная энергия передается вторичной обмотке через сердечник трансформатора, что приводит к возникновению тока во вторичной обмотке, в то время как в первичной он отсутствует. В одно и то же время первичная и вторичная обмотки ток не проводят. Таким образом, топология строчной развертки не может быть саморезонансной схемой и должна включать в себя другие средства для управления частотой переключения. В-третьих, ток, протекающий по вторичной обмотке топологии строчной развертки, является прерывистым, что сужает возможности ограничения и регулирования тока.

Другой подход к созданию драйвера светодиодной лампы заключался в использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с использованием обратной связи для измерения тока матрицы светодиодов и активного управления током матрицы светодиодов. Несмотря на свою эффективность, данный подход является дорогостоящим для многих применений. Таким образом, желательно предусмотреть драйвер светодиодной лампы и способ, в которых бы были учтены хотя бы некоторые из перечисленных выше недостатков.

Краткое изложение существа изобретения

Соответственно, один из аспектов настоящего изобретения в целом направлен на драйвер светодиодной лампы, получающий энергию постоянного тока низкого напряжения и включающий в себя схему двухтактного трансформатора, оперативно подключенную для получения энергии постоянного тока низкого напряжения и выработки энергии переменного тока трансформатора, причем схема двухтактного трансформатора содержит переключатели, которые реагируют на управляющие сигналы; саморезонансную схему управления, соединенную со схемой двухтактного трансформатора, для генерирования управляющих сигналов; контроллер тока, оперативно подключенный для получения энергии переменного тока трансформатора и выработки управляемой энергии переменного тока; и преобразователь переменного тока в постоянный ток, оперативно подключенный для получения управляемой энергии переменного тока и выработки энергии постоянного тока высокого напряжения.

Другой аспект настоящего изобретения в основном направлен на саморезонансный драйвер светодиодной лампы, включающий в себя двухтактный трансформатор, который имеет первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, обмотку обратной связи, соединенную с первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой, и вторичную обмотку, соединенную с первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой;

первый переключатель, реагирующий на первый управляющий сигнал, поступающий с первого конца обмотки обратной связи;

второй переключатель, реагирующий на второй управляющий сигнал, поступающий со второго конца обмотки обратной связи, причем первый управляющий сигнал и второй управляющий сигнал выполнены для подключения замыканием первого переключателя и второго переключателя поочередно;

контроллер тока, оперативно соединенный со вторичной обмоткой; и

преобразователь переменного тока в постоянный ток, оперативно соединенный с контроллером тока;

при этом ток протекает по первой первичной обмотке в первом направлении, когда первый переключатель замкнут, и по второй первичной обмотке в противоположном направлении относительно первого направления, когда второй переключатель замкнут.

Еще один аспект настоящего изобретения рассматривает способ питания светодиодных ламп энергией постоянного тока, низкого напряжения, причем способ содержит этапы, на которых: обеспечивают трансформатор, который имеет первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку и вторичную обмотку, соединенную с первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой; получают энергию постоянного тока низкого напряжения в помощью трансформатора; устанавливают саморезонансное управление для поочередного переключения тока между первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой, вырабатывают энергию переменного тока трансформатора на вторичной обмотке; управляют энергией переменного тока трансформатора для получения управляемой энергии переменного тока; и преобразуют управляемую энергию переменного тока в энергию постоянного тока высокого напряжения.

Вышеперечисленные и другие признаки и преимущества данного изобретения станут более понятны из следующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления, приведенных вместе с сопровождающими чертежами. Подробное описание и чертежи носят чисто иллюстративный характер, а не ограничивают объем изобретения, определенный прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

Под использованным в данном документе для раскрытия сущности настоящего изобретения термином «светодиод» следует понимать любой электролюминесцентный диод или другой вид системы на основе инжекции/объединения носителей заряда, которая способна генерировать излучение под действием электрического сигнала. Таким образом, термин «светодиод» включает в себя (но не ограничивается) различные полупроводниковые структуры, которые излучают свет в ответ на ток, светоизлучающие полимеры, органические светодиоды (OLED), электролюминесцентные полосы и тому подобное. В частности, термин светодиод относят к светоизлучающим диодам всех видов (включая полупроводниковые светодиоды и органические светодиоды (OLED)), которые могут быть сконфигурированы с возможностью излучать в одном или более диапазонах: инфракрасном диапазоне спектра, ультрафиолетовом диапазоне спектра и различных частях видимого диапазона спектра (обычно, включая длины волн излучения примерно от 400 нм до 700 нм). Некоторые примеры светодиодов включают в себя (но не ограничиваются) различные виды инфракрасных светодиодов, ультрафиолетовых светодиодов, красных светодиодов, голубых светодиодов, зеленых светодиодов и белых светодиодов (рассмотрены дополнительно ниже). Следует иметь в виду, что светодиоды могут быть сконфигурированы (и/или управляемы) с возможностью генерировать излучение с различной шириной полосы частот (например, с полной шириной на половине максимума или длительностью на уровне половины амплитуды) для данного диапазона спектра (например, в узкой полосе частот, в широкой полосе частот) и с разнообразием доминирующих длин волн, определяющих основной цветовой тон.

К примеру, одна из реализаций светодиода, выполненная с возможностью генерировать почти чистый белый цвет (например, белый светодиод), может содержать несколько кристалликов, излучающих соответственно в различных диапазонах спектра электролюминесценции, что при смешении позволяет получить почти чистый белый свет. В другой реализации светодиод белого свечения может быть связан с люминофорным материалом, который преобразует первый спектр электролюминесценции в другой второй спектр. В одном из примеров такой реализации электролюминесценция с относительно короткой длиной волны и узкой полосой частот спектра «накачивает» люминофорным материалом, который в свою очередь излучает свет с большей длиной волны в более широком диапазоне спектра.

Следует понимать, что термин «светодиод» не ограничивает физический и/или электрический тип исполнения светодиода. К примеру, как отмечалось выше, светодиодом может называться отдельное светоизлучающее устройство с множеством кристалликов, сконфигурированных с возможностью излучать в различных диапазонах спектра (например, которыми можно (или нельзя) управлять отдельно). Дополнительно к светодиодам можно отнести люминофор, который считается нераздельной частью светодиода (например, некоторые виды белых светодиодов). В целом, термином «светодиод» могут называться корпусные светодиоды, бескорпусные светодиоды, светодиоды поверхностного монтажа, светодиоды с бескорпусным монтажом кристаллов, светодиоды в Т-образном корпусе, светодиоды с корпусом в форме звезды, светодиоды с блоком питания, светодиоды с корпусным элементом и/или оптическим элементом (например, с диффузионной линзой) и т.д.

На чертежах одинаковые ссылочные позиции в основном относятся к одинаковым элементам на разных видах. Дополнительно нет необходимости в изменении масштаба чертежей, так как акцент сделан на иллюстрацию принципов изобретения, что не характерно.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1-2 изображают соответственно структурную схему и принципиальную схему драйвера светодиодной лампы в соответствии с некоторыми вариантами воплощения настоящего изобретения;

Фиг.3 изображает принципиальную схему защиты от перенапряжений для драйвера светодиодной лампы, показанного на Фиг.1-2; и

Фиг.4 изображает блок-схему последовательности операций способа питания светодиодных ламп постоянного тока низкого напряжения в соответствии с различными вариантами воплощения настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Ссылаясь на Фиг.1, драйвер 20 светодиодной лампы получает энергию 23 постоянного тока низкого напряжения от источника 22 постоянного тока и вырабатывает на выводах 32 постоянного тока энергию 31 постоянного тока высокого напряжения для матрицы 34 светодиодов. Как определено в данном документе, низкое напряжение и высокое напряжение - относительные понятия, относящиеся к напряжению питания постоянного тока драйвера 20 светодиодной лампы, а не к абсолютному значению напряжения: напряжение питания 23 постоянного тока низкого напряжения на источнике 22 постоянного тока ниже, чем напряжение питания 31 постоянного тока высокого напряжения на выводах 32 постоянного тока, необходимое для питания матрицы 34 светодиодов. Для работы матрицы 34 светодиодов необходима энергия постоянного тока.

Драйвер 20 светодиодной лампы включает в себя схему 24 двухтактного трансформатора, оперативно включенную для получения энергии 23 постоянного тока низкого напряжения от источника 22 постоянного тока и выработки энергии 27 переменного тока трансформатора; саморезонансную схему 26 управления, оперативно подключенную к схеме 24 двухтактного трансформатора, для генерирования управляющих сигналов 35; контроллер 28 тока, оперативно включенный для получения энергии 27 переменного тока трансформатора и выработки управляемой энергии 29 переменного тока; и преобразователь 30 переменного тока в постоянный ток, оперативно включенный для получения управляемой энергии 29 переменного тока и выработки энергии 31 постоянного тока высокого напряжения на выводах 32 постоянного тока.

Схема 24 двухтактного трансформатора включает в себя переключатели 25, которые реагируют на управляющие сигналы 35, поступающие от саморезонансной схемы 26 управления. Кроме того, драйвер 20 светодиодной лампы может включать в себя схему 36 защиты от перенапряжений, подключенную к выводам 32 постоянного тока.

Драйвер 20 светодиодной лампы использует схему 24 двухтактного трансформатора, чтобы повысить напряжение, полученное от источника 22 постоянного тока низкого напряжения, до уровня, достаточного для приведения в действие последовательного ряда светодиодов в матрице 34 светодиодов. Схема 24 двухтактного трансформатора является недорогим, простым и эффективным средством для повышения напряжения, получаемого от источника 22 постоянного тока низкого напряжения. Такую схему 24 двухтактного трансформатора можно назвать преобразователем или инвертором, поскольку она преобразует энергию 23 постоянного тока низкого напряжения источника 22 постоянного тока на первичной стороне схемы 24 двухтактного трансформатора в энергию 27 переменного тока трансформатора на вторичной стороне схемы 24 двухтактного трансформатора. Напряжение на вторичной стороне схемы 24 двухтактного трансформатора приблизительно равно сумме напряжений на контроллере 28 тока, преобразователе 30 переменного тока в постоянный ток и матрице 34 светодиодов.

Контроллер 28 тока получает энергию 27 переменного тока трансформатора и передает управляемую энергию 29 переменного тока. В одном из вариантов осуществления контроллером 28 тока является токоограничивающий конденсатор, который последовательно соединен с матрицей 34 светодиодов. Ток, протекающий через конденсатор, является переменным и поэтому должен сохранять баланс заряда конденсатора. Следовательно, ток на выходе конденсатора также является переменным. Преобразователь 30 переменного тока в постоянный ток преобразует управляемую энергию 29 переменного тока в энергию 31 постоянного тока высокого напряжения, которую можно использовать для питания матрицы 34 светодиодов.

Источник 22 постоянного тока может быть аккумуляторной батареей или другим источником постоянного тока низкого напряжения. Напряжение источника 22 постоянного тока ниже напряжения, необходимого для питания матрицы 34 светодиодов, включающей в себя последовательный ряд светодиодов на выводах 32 постоянного тока. Когда источником 22 постоянного тока является аккумуляторная батарея, оперативно включенная с возможностью выработки энергии 23 постоянного тока низкого напряжения, а матрица 34 светодиодов оперативно включена для получения энергии 31 постоянного тока высокого напряжения, драйвер 20 светодиодной лампы можно использовать как отдельный источник света для аварийного освещения.

Схема 24 двухтактного трансформатора включает в себя переключатели 25 для переключения направления тока, протекающего по схеме 24 двухтактного трансформатора. В одном из вариантов осуществления схема 24 двухтактного трансформатора включает в себя два переключателя, каждый из которых поочередно пропускает приблизительно 50% периода T, который равен величине, обратной частоте переключения. Один из переключателей пропускает ток по первой первичной обмотке схемы 24 двухтактного трансформатора для того, чтобы инициировать магнитный поток сердечника в одном направлении, а другой переключатель пропускает другие полпериода тока по второй первичной обмотке 24 двухтактного трансформатора, инициируя магнитный поток сердечника в другом направлении. Данная двухтактная топология в высокой степени использует полезную магнитную проницаемость трансформатора. Также двухтактная топология функционирует в саморезонансном режиме, потому что первичная и вторичная обмотки схемы 24 двухтактного трансформатора проводят ток одновременно. Работа в саморезонансном режиме позволяет использовать простую, экономичную и эффективную саморезонансную схему 26 управления. Саморезонансная схема 26 управления может быть либо внутренней, либо внешней по отношению к схеме 24 двухтактного трансформатора.

Саморезонансная схема 26 управления обеспечивает управляющие сигналы на переключателях 25 для инициирования положительной обратной связи и установления генерации с положительной обратной связью. Частота переключения вычисляется по формуле f=(1/(2 $$\pi$$ √LC)), где L и C - соответственно общие индуктивность и емкость схемы, определяемые в основном схемой вторичной обмотки и в меньшей степени включающие в себя общую индуктивность и емкость вторичной обмотки трансформатора. Частотный параметр можно выбрать, чтобы облегчить выбор значения индуктивности и размера катушки индуктивности, размеров и конструкции трансформатора и емкости и размера конденсатора, необходимых для передачи матрице светодиодов достаточных величин напряжения и тока из диапазона значений напряжений аккумуляторной батареи с учетом показателей эффективности и стоимости. Значения параметров элементов саморезонансной схемы 26 управления и остальных параметров элементов драйвера светодиодной лампы выбирают так, чтобы обеспечить переключение на высокой частоте, что способствует применению малогабаритных и эффективных катушек индуктивности и трансформаторов. Переключение на высокой частоте также позволяет применять в контроллере 28 тока малогабаритные, недорогие конденсаторы.

Регулирование тока выполняется контроллером 28 тока по методу пассивного последовательного импеданса с использованием простейшего конденсатора, последовательно соединенного с матрицей 34 светодиодов. Это обеспечивает адекватные для аварийного освещения ограничение и регулирование тока. Преобразователем 30 переменного тока в постоянный ток может являться любой выпрямитель, например диодный двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Фиг.2, на которой элементы, подобные элементам на Фиг.1, имеют такие же ссылочные позиции, изображает принципиальную схему драйвера светодиодной лампы в соответствии с различными вариантами воплощения настоящего изобретения. Драйвер светодиодной лампы содержит схему двухтактного трансформатора, т.е. схему, содержащую трансформатор, который функционирует по двухтактной топологии. Обмотка обратной связи двухтактного трансформатора соединена с каждым из двух переключателей двухтактного трансформатора для передачи переключателям двух управляющих сигналов. Саморезонансная схема управления, включающая в себя обмотку обратной связи, осуществляет функцию, которая реализуется схемой положительной (генерация с положительной обратной связью) обратной связи, и, таким образом, драйвер светодиодной лампы работает в саморезонансном режиме.

Схема 24 двухтактного трансформатора содержит двухтактный трансформатор T1, переключающий транзистор Q1, переключающий транзистор Q2, резистор питания базы RB и питающую катушку индуктивности Lfeed. В данном варианте осуществления схема 24 двухтактного трансформатора дополнительно включает в себя дополнительные первичный конденсатор CP и вспомогательный конденсатор CS. Саморезонансная схема 26 управления содержит обмотку обратной связи FB трансформатора и резистор питания базы RB. Элементом 28 управления тока является балластный конденсатор CB. Преобразователь 30 переменного тока в постоянный ток включает в себя диоды D1, D2, D3 и D4, образующие двухполупериодный выпрямитель, который может быть изготовлен из отдельных диодов или может быть в виде сборки интегральной схемы (ИС). Входные зажимы DC+ и DC- соединяются с соответствующими зажимами «+» и «-» источника питания постоянного тока низкого напряжения, например аккумуляторной батареи или другого источника постоянного тока. Драйвер 20 светодиодной лампы может дополнительно содержать конденсатор фильтра Cout, подключенный к выводам 32 постоянного тока, и/или защитный диод Dout в качестве схемы 36 защиты от перенапряжений, подключенный к выводам 32 постоянного тока.

Двухтактный трансформатор T1 имеет первую первичную обмотку Pri1, вторую первичную обмотку Pri2, обмотку обратной связи FB, соединенную с первой первичной обмоткой Pri1 и второй первичной обмоткой Pri2, и вторичную обмотку Sec, соединенную с первой первичной обмоткой Pri1 и второй первичной обмоткой Pri2. Переключающий транзистор (переключатель) Q1 реагирует на управляющий сигнал, поступающий с одного конца обмотки обратной связи FB, а переключающий транзистор (переключатель) Q2 реагирует на управляющий сигнал, поступающий с другого конца обмотки обратной связи FB. Управляющие сигналы имеют возможность замыкать один переключающий транзистор (переключатель) Q1 поочередно с другим переключающим транзистором (переключателем) Q2. Когда один переключающий транзистор (переключатель) Q1 замкнут, ток течет по первой первичной обмотке Pri1 в первом направлении, а когда другой переключающий транзистор (переключатель) Q2 замкнут, ток течет по второй первичной обмотке Pri2 во втором направлении. Со средней точки ct, находящейся между первой первичной обмоткой Pri1 и второй первичной обмоткой Pri2, предусмотрен один контур проходящий от зажима DC+ постоянного тока до средней точки ct, через первую первичную обмотку Pri1, через переключающий транзистор (переключатель) Q1 до входного зажима постоянного тока DC-, когда переключающий транзистор (переключатель) Q1 замкнут, и другой контур, проходящий от зажима DC+ постоянного тока до средней точки ct, через вторую первичную обмотку Pri2, через переключающий транзистор (переключатель) Q2 до входного зажима постоянного тока DC-, когда переключающий транзистор (переключатель) Q2 замкнут. В случае, когда аккумуляторная батарея подключена к выходным зажимам DC+ и DC- с возможностью обеспечения энергией 23 постоянного тока низкого напряжения, а матрица 34 светодиодов включена с возможностью получения энергии 31 постоянного тока высокого напряжения, драйвер светодиодной лампы 20 можно использовать как отдельный источник света для аварийного освещения.

Питающая катушка индуктивности Lfeed представляет собой катушку индуктивности, включенную между входным зажимом DC+ и средней точкой ct первой и второй первичных обмоток Pri1 и Pri2, в то время как к входному зажиму DC- подключены эмиттеры обоих переключающих транзисторов Q1 и Q2, образуя путь возврата тока к переключающим транзисторам Q1 и Q2. Питающая катушка индуктивности Lfeed подает энергию источника к обмоткам Pri1 и Pri2 двухтактного трансформатора T1. Первичные обмотки Pri1 и Pri2 трансформатора по существу являются одинаковыми и соединяются со средней точкой ct противофазно. Величину индуктивности питающей катушки индуктивности Lfeed выбирают для обеспечения среднего тока первичным обмоткам Pri1 и Pri2 так, чтобы величина пульсации тока удвоенной амплитуды, протекающего по первичным обмоткам Pri1 и Pri2, имела допустимое значение. Когда в катушке индуктивности установится ток, средний ток будет препятствовать резкому изменению направления. Следовательно, в короткие периоды переключения T=1/f питающая катушка индуктивности Lfeed служит для первичных обмоток Pri1 и Pri2 источником тока постоянного значения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что величина индуктивности питающей катушки индуктивности Lfeed может принимать любое значение, включая ноль, в зависимости от конкретного применения.

Первичные обмотки Pri1 и Pri2 электрически соединены с коллекторами переключающих транзисторов Q1 и Q2 соответственно. Переключающие транзисторы Q1 и Q2 являются активными полупроводниковыми переключателями, которые пропускают ток поочередно через первую и вторую первичные обмотки Pri1 и Pri2 соответственно. Переключающие транзисторы Q1 и Q2 реагируют на управляющие сигналы, поступающие с противоположных концов обмотки обратной связи FB трансформатора. Дополнительный первичный конденсатор CP может выполнять для транзисторов Q1 и Q2 дополнительную фильтрацию помех, идущих от первичных обмоток Pri1 и Pri2 трансформатора T1. Две фазы поочередного пропускания полупериодов тока первичных обмоток Pri1 и Pri2 создают во вторичной обмотке Sec трансформатора непрерывный переменный ток полного периода. Обмотка обратной связи FB трансформатора соединена с базами транзисторов Q1 и Q2 и в соответствующие фазы подает управляющие сигналы транзисторам Q1 и Q2 для инициирования положительной обратной связи и установления генерации с положительной обратной связью. Резистор питания базы RB подает требуемый ток базы переключающим транзисторам Q1 и Q2, чтобы полностью насытить переключающие транзисторы Q1 и Q2, когда каждый из переключающих транзисторов Q1 и Q2 поочередно пропускает ток.

Отношение витков вторичной обмотки Sec трансформатора и первой первичной обмотки Pri1 трансформатора влияет на величину потенциала, возникающего на вторичной обмотке Sec трансформатора. Переменное напряжение на вторичной обмотке Sec трансформатора может установиться и на дополнительном конденсаторе CS, который является вспомогательным конденсатором используемым для (1) фильтрации помех в переходном режиме и в режиме отключенной нагрузки, (2) служит дополнительным конструктивным параметром, способствующим установке резонансной частоты f, и (3) не допускает состояния с уходом высокой частоты или состояний непредусмотренных колебаний, выполняя функцию нагрузки на вторичной обмотке Sec трансформатора в случае, если в процессе работы возникнет разрыв на выводах 32 постоянного тока параллельно матрице 34 светодиодов.

Балластный конденсатор CB выполняет роль включенного последовательно элемента 28 управления тока для матрицы 34 светодиодов. Балластный конденсатор CB имеет три основные функции, которые являются неотъемлемой частью работы данной саморезонансной схемы управления: (1) выполняет ограничение переменного тока, чтобы не допустить тепловой выход из строя матрицы 34 светодиодов, (2) выполняет регулирование тока матрицы 34 светодиодов, так как возникают колебания параметров матрицы 34 светодиодов, и (3) обеспечивает основную емкость, необходимую саморезонансной схеме для реализации функции возбуждения.

Балластный конденсатор CB играет роль полного сопротивления для переменного тока питания трансформатора с тем, чтобы ограничить до требуемой вычисленной величины управляемую энергию переменного тока, поступающую в преобразователь 30 переменного тока в постоянный ток, и таким образом ограничить энергию постоянного тока высокого напряжения, поступающую в матрицу 34 светодиодов. Значение емкости балластного конденсатора CB выбирают так, чтобы постоянный ток питания высокого напряжения, поступающий в матрицу 34 светодиодов, мог быть ограничен и хорошо отрегулирован для постоянных напряжений питания постоянного тока низкого напряжения, несмотря на большой разброс напряжений светодиода. Балластным конденсатором CB может быть высококачественный конденсатор, который практически не рассеивает энергию благодаря последовательному сопротивлению конденсатора. Высококачественные конденсаторы включают в себя конденсаторы с высококачественным диэлектриком, например с пленочными или керамическими диэлектриками.

Балластный конденсатор CB связан по переменному току со схемой двухполупериодного выпрямителя, содержащего диоды D1, D2, D3 и D4. Эта схема выпрямителя подключена таким образом, что диоды D1 и D3 пропускают полпериода переменного тока, а диоды D2 и D4 не имеют прямого смещения перехода и поэтому не пропускают ток. С другой стороны, когда диоды D2 и D4 пропускают полпериода переменного тока, диоды D1 и D3 не имеют прямого смещения перехода и поэтому не пропускают ток. В результате вырабатывается постоянный ток для питания матрицы 34 светодиодов, который соответствует требованиям питания матрицы 34 светодиодов. Конденсатор фильтра Cout является дополнительным конденсатором фильтра для сглаживания выходного постоянного тока и уменьшения пульсирующей компоненты переменного тока, протекающего через матрицу 34 светодиодов.

Дополнительный защитный диод Dout является схемой 36 защиты от перенапряжений для: (1) защиты матрицы 34 светодиодов от высокого напряжения, непроизвольно создаваемого преобразователем 30 переменного тока в постоянный ток, и (2) защиты диодов D1, D2, D3 и D4 от недопустимо высокого напряжения, когда высокое напряжение на матрице 34 светодиодов наводится внешними источниками. Высокое напряжение может возникнуть в случае размыкания конура, параллельного выводам 32 постоянного тока, в случае, когда в матрице 34 светодиодов есть разрыв, в случае, когда есть разрыв в соединении драйвера 20 светодиодной лампы и матрицы 34 светодиодов, или в случае, когда матрица 34 светодиодов неисправна. Дополнительным защитным диодом Dout может быть зенеровский диод или зенеровский диод с подавителем неустановившегося напряжения (ПНН). В одном из примеров, если нагрузка светодиода рассчитана на работу при 15 В (постоянного тока) в аварийном режиме, а его максимальное прямое напряжение равно 21 В (постоянного тока), для предотвращения перенапряжения можно применять защитный диод Dout на 18 В. Преобразователь 30 переменного тока в постоянный ток продолжит подавать ток защитному диоду Dout, вызывая рассеяние энергии и, следовательно, выделение тепла. Если нагрузка светодиода рассчитана на работу при токе, равном 300 мА (постоянного тока), в аварийном режиме, и используется 18-вольтный зенеровский диод, зенеровский диод должен быть рассчитан, по меньшей мере, на 5,4 Вт. В зенеровском диоде может быть один или больше теплоотводов для рассеивания выделяющегося тепла. Специалисты в данной области техники должны понимать, что в случае необходимости можно обойтись без схемы 36 защиты от перенапряжений. Выходные зажимы постоянного тока Out+, Out- соединены соответственно с зажимами «+» и «-» матрицы 34 светодиодов. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что схема на Фиг.2 является примерной и для конкретных применений могут быть созданы различные схемы.

Фиг.3, на которой элементы, соответствующие элементам на Фиг.1 и 2, имеют одинаковые ссылочные позиции, изображает принципиальную схему защиты от перенапряжений для драйвера светодиодной лампы. В одном из вариантов воплощения для ограничения напряжения и/или фиксирования заданного уровня напряжения в состоянии перенапряжения в схеме защиты от перенапряжений применяется управляемый кремниевый диод (УКВ). Схема 40 защиты от перенапряжений содержит управляемый кремниевый диод SCR1 42, параллельно соединенный с матрицей 34 светодиодов через выводы 32 постоянного тока. Схема 40 защиты от перенапряжений дополнительно включает в себя пусковую схему 44 УКВ, соединенную с затвором управляемого кремниевого диода SCR 42. Пусковая схема 44 УКВ содержит диод Z1, резистор Rz, резистор Rg и конденсатор Cg. Диод Z1, которым может быть зенеровский диод, динистор и т.п., последовательно соединен с резистором Rz и параллельно - с управляемым кремниевым диодом SCR1 42. Резистор Rg включен между точкой соединения диода Z1 и резистора Rz и затвором управляемого кремниевого диода SCR1 42. Конденсатор Cg включен между затвором управляемого кремниевого диода SCR1 42 и катодом управляемого кремниевого диода SCR1 42.

При нормальном функционировании ток течет через матрицу 34 светодиодов. Диод Dout2 обеспечивает правильное направление тока через матрицу 34 светодиодов. Управляемый кремниевый диод SCR1 42 выключен, и через него проходит только ток утечки. Кроме анода и катода, имеющихся в обычном диоде, УКВ содержит затвор для управления пороговым током, протекающим от анода к катоду. В неисправном состоянии пусковая схема 44 УКВ прикладывает напряжение к затвору управляемого кремниевого диода SCR1 42 с тем, чтобы включить управляемый кремниевый диод SCR1 42, чтобы он пропускал ток. Резистор Rg и конденсатор Cg пусковой схемы 44 УКВ обеспечивают временную задержку для обеспечения пускового напряжения, предотвращающего ложное срабатывание. Ток протекает через управляемый кремниевый диод SCR1 42, а не через матрицу 34 светодиодов, что защищает матрицу 34 светодиодов от перегрузки по току. Когда управляемый кремниевый диод SCR1 42 включен, ток протекает через него до тех пор, пока ток, протекающий от анода к катоду, больше удерживающего тока, поэтому нет необходимости поддерживать ток через диод Z1, требуемый для включения управляемого кремниевого диода SCR1 42. Как только ток (проходящий от анода к катоду) становится меньше удерживающего тока, управляемый кремниевый диод SCR1 42 прекращает проводить ток и возобновляется нормальное функционирование.

Значения параметров различных элементов схемы 40 защиты от перенапряжений выбираются так, как того требует конкретное применение. В одном из примеров номинальное рабочее напряжение на выводах 32 постоянного тока, сообщаемое матрице 34 светодиодов, равно 15 В (постоянного тока), а наибольшее прямое напряжение равно 21 В (постоянного тока). Номинальный ток, протекающий через матрицу 34 светодиодов, равен 300 мА (постоянного тока), поэтому управляемым кремниевым диодом SCR1 42 может быть УКВ, рассчитанный на 500 мА (постоянного тока), иначе управляемый кремниевый диод SCR1 42 не выдержит ток короткого замыкания. Значение диода Z1 выбирается так, чтобы можно было запустить управляемый кремниевый диод SCR1 42 до того, как напряжение матрицы 34 светодиодов достигнет критического значения. В случае, если выводы 32 постоянного тока матрицы 34 светодиодов рассчитаны на номинальное напряжение 15 В (постоянного тока) и на наибольшее прямое напряжение, равное 21 В (постоянного тока), диодом Z1 может быть зенеровский диод с напряжением пробоя, равным 18 В. Величина сопротивления резистора Rz выбирается так, чтобы обеспечивать необходимый ток, протекающий через диод Z1, в случае пробоя последнего в состоянии перенапряжения. Если в состоянии перенапряжения к резистору Rz приложено 2 В для включения управляемого кремниевого диода SCR1 42, а ток, который должен проходить через диод Z1, равен 20 мА, сопротивление резистора Rz может быть выбрано равным 100 Ом. Значения сопротивления резистора Rg и емкости конденсатора Cg пусковой схемы 44 УКВ выбираются так, чтобы обеспечить постоянную времени, требуемую для включения управляемого кремниевого диода SCR1 42, и избежать ложного срабатывания. Если, например, сопротивление резистора Rg выбирают равным 1000 Ом, а емкость конденсатора Cg - равной 0,1 мкФ, постоянная времени пусковой схемы 44 УКВ равна 100 мкс. Специалисты в данной области техники должны понимать, что значения параметров для диода Z1, резистора Rg и конденсатора Cg должны выбираться так, чтобы обеспечить работу схемы 40 защиты от перенапряжения только во время неисправного состояния.

Фиг.4 изображает блок-схему способа питания светодиодной лампы энергией постоянного тока низкого напряжения в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения. Данный способ 100 включает в себя этапы, на которых обеспечивают 102 трансформатор, который имеет первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку и вторичную обмотку, соединенную с первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой; получают 104 энергию постоянного тока низкого напряжения на трансформаторе; устанавливают 106 саморезонансное управление для поочередного переключения тока между первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой, и выработки энергии переменного тока трансформатора на вторичной обмотке; и управляют 108 энергией переменного тока трансформатора для получения управляемой энергии переменного тока; преобразуют 110 управляемую энергию переменного тока в энергию постоянного тока высокого напряжения. Способ 100 может дополнительно содержать этап, на котором предотвращают перенапряжение от энергии постоянного тока высокого напряжения, фильтруют помехи на первой первичной обмотке и второй первичной обмотке и/или фильтруют помехи на вторичной обмотке.

Несмотря на то, что в данном документе были рассмотрены и проиллюстрированы несколько вариантов осуществления изобретения, специалисты в данной области техники смогут без труда представить себе другие разнообразные средства и/или структуры для выполнения функции и/или достижения результатов и/или получения одного или более преимуществ, рассмотренных в данном документе, и каждый из таких вариантов и/или модификаций должен соответствовать объему вариантов осуществления изобретения, рассмотренных в данном документе. В более общем смысле специалисты в данной области техники без труда должны понять, что все параметры, размерности, материалы и конфигурации, описанные в данном документе, являются примерными, а действительные параметры, величины, материалы и/или конфигурации будут зависеть от конкретного применения или применений, для которых используется идея изобретения. Специалисты в данной области техники должны признать и убедиться, проведя не более одного планового эксперимента, в существовании множества эквивалентов конкретного варианта осуществления изобретения, описанного в данном документе.

Следовательно, должно быть понятно, что вышеприведенные варианты осуществления представлены только с помощью примеров и что на практике можно применять варианты осуществления изобретения не иначе, как того требует конкретное описание и формула изобретения, не выходя за объем прилагаемой формулы изобретения, а также его эквивалентов. Варианты осуществления изобретения в соответствии с сущностью настоящего изобретения направлены на каждый признак, систему, продукт, оборудование и/или способ, описанные в данном документе. В добавление отметим, что любое сочетание двух или более таких признаков, систем, продуктов, оборудования и/или способов в случае, если такие признаки, системы, продукты, оборудование и/или способы являются взаимно независимыми, может быть включено в рамки объема изобретения в соответствии с сущностью настоящего изобретения.

Также следует понимать, что (если явно не указано обратное) в любом из заявленных в данном документе способов, которые содержат один или более этапов или действий, порядок этапов или действий не обязательно должен ограничиваться порядком, в котором перечислены этапы или действия данного способа.

В формуле изобретения, также как и в приведенном выше описании, все промежуточные выражения, такие как «содержащий», «включающий в себя», «имеющий» т.п. следует понимать как открытые, т.е. они означают включающий в себя, но не ограниченный этим. Только промежуточные выражения «состоящий из» и «в основном состоящий из» будут замкнутым и полузамкнутым промежуточными выражениями, соответственно.

Изобретение относится к системам освещения на основе светодиодов. Технический результат - обеспечение защиты от перегрева светодиодов при повышении эффективности. Драйвер светодиодной лампы получает энергию постоянного тока низкого напряжения, причем драйвер светодиода включает в себя: схему двухтактного трансформатора, подключенную для получения энергии постоянного тока низкого напряжения и выработки энергии переменного тока трансформатора, причем схема двухтактного трансформатора содержит переключатели, которые реагируют на управляющие сигналы; саморезонансную схему управления, соединенную со схемой двухтактного трансформатора для генерирования управляющих сигналов; контроллер тока, включенный для получения энергии переменного тока трансформатора и выработки управляемой энергии переменного тока; преобразователь переменного тока в постоянный ток, включенный для получения управляемой энергии переменного тока и выработки энергии постоянного тока высокого напряжения. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Драйвер светодиодной лампы, получающий энергию постоянного тока низкого напряжения, содержащий:
схему (24) двухтактного трансформатора, подключенную для получения энергии (23) постоянного тока низкого напряжения и сконфигурированную для усиления мощности постоянного тока низкого напряжения с использованием генерации с положительной обратной связью, и выработки энергии (27) переменного тока трансформатора, причем схема (24) двухтактного трансформатора содержит переключатели (25), которые реагируют на управляющие сигналы (35);
саморезонансную схему (26) управления, соединенную со схемой (24) двухтактного трансформатора, для генерирования управляющих сигналов (35) и установления генерации с положительной обратной связью схемы двухтактного трансформатора;
контроллер (28) тока, подключенный для получения энергии (27) переменного тока трансформатора и выработки управляемой энергии (29) переменного тока; и
преобразователь (30) переменного тока в постоянный ток, подключенный для получения управляемой энергии (29) переменного тока и выработки энергии (31) постоянного тока высокого напряжения.

2. Драйвер по п.1, в котором энергия (31) постоянного тока высокого напряжения вырабатывается на выводах (32) постоянного тока, причем драйвер светодиодной лампы дополнительно содержит схему (36) защиты от перенапряжений, подключенную к выводам (32) постоянного тока.

3. Драйвер по п.2, в котором схемой (36) защиты от перенапряжений является диод.

4. Драйвер по п.2, в котором схемой (36) защиты от перенапряжений является управляемый кремниевый выпрямитель (УКВ) (42), подключенный в пусковой схеме (44) УКВ, реагирующей на перенапряжение на выводах (32) постоянного тока включением управляемого кремниевого выпрямителя (42).

5. Драйвер по п.1, в котором переключатели (25) содержат первый переключатель и второй переключатель, управляющие сигналы (35) содержат первый управляющий сигнал и второй управляющий сигнал, а схема (24) двухтактного трансформатора содержит:
двухтактный трансформатор, который имеет первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, обмотку обратной связи, соединенную с первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой, и вторичную обмотку, соединенную с первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой;
первый переключатель, реагирующий на первый управляющий сигнал, поступающий с первого конца обмотки обратной связи;
второй переключатель, реагирующий на второй управляющий сигнал, поступающий со второго конца обмотки обратной связи, причем первый управляющий сигнал и второй управляющий сигнал обеспечивают замыкание первого переключателя и второго переключателя поочередно.

6. Драйвер по п.1, дополнительно содержащий аккумуляторную батарею, подключенную для выработки энергии (23) постоянного тока низкого напряжения, и матрицу (34) светодиодов, подключенную для получения питания (31) постоянного тока высокого напряжения.

7. Драйвер по п.1, в котором преобразователем (30) переменного тока в постоянный ток является двухполупериодный диодный мостовой выпрямитель.

8. Саморезонансный драйвер светодиодной лампы, содержащий:
двухтактный трансформатор, имеющий первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, обмотку обратной связи, соединенную с первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой, и вторичную обмотку, соединенную с первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой;
первый переключатель, реагирующий на первый управляющий сигнал, поступающий с первого конца обмотки обратной связи;
второй переключатель, реагирующий на второй управляющий сигнал, поступающий со второго конца обмотки обратной связи, причем первый управляющий сигнал и второй управляющий сигнал обеспечивают замыкание первого переключателя и второго переключателя поочередно с частотой переключения, выбираемой для установления генерации с положительной обратной связью схемы 24 двухтактного трансформатора;
контроллер (28) тока, соединенный со вторичной обмоткой; и
преобразователь (30) переменного тока в постоянный ток, соединенный с контроллером (28) тока;
при этом ток протекает по первой первичной обмотке в первом направлении, когда первый переключатель замкнут, и по второй первичной обмотке в противоположном направлении относительно первого направления, когда второй переключатель замкнут.

9. Драйвер по п.8, дополнительно содержащий схему (36) защиты от перенапряжений, подключенную к выводам (32) постоянного тока преобразователя (30) переменного тока в постоянный ток.

10. Драйвер по п.9, в котором схемой (36) защиты от перенапряжений является диод.

11. Драйвер по п.9, в котором схема (36) защиты от перенапряжений содержит управляемый кремниевый выпрямитель (УКВ) (42), включенный в пусковую схему (44) УКВ, причем
пусковая схема (44) УКВ реагирует на перенапряжение на выводах (32) постоянного тока и включает управляемый кремниевый выпрямитель (42).

12. Драйвер по п.8, в котором трансформатор имеет среднюю точку между первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой, причем драйвер дополнительно содержит:
первую схему постоянного тока, проходящую от первого входного зажима постоянного тока к средней точке через первую первичную обмотку, через первый переключатель, до второго входного зажима постоянного тока, когда первый переключатель замкнут;
вторую схему постоянного тока, проходящую от первого входного зажима постоянного тока к средней точке через вторую первичную обмотку, через второй переключатель, до второго входного зажима постоянного тока, когда второй переключатель замкнут.

13. Драйвер по п.9, дополнительно содержащий индуктор передачи сигналов, включенный между первым входным зажимом постоянного тока и средней точкой в первую схему постоянного тока и во вторую схему постоянного тока.

14. Драйвер по п.8, дополнительно содержащий фильтр защиты от помех, подключенный к первой первичной обмотке и второй первичной обмотке.

15. Драйвер по п.8, дополнительно содержащий фильтр защиты от помех, подключенный к вторичной обмотке.

16. Драйвер по п.8, дополнительно содержащий аккумуляторную батарею, подключенную к первой первичной обмотке и второй первичной обмотке, для обеспечения энергией (23) постоянного тока низкого напряжения, и матрицу (34) светодиодов, соединенную с преобразователем (30) переменного тока в постоянный ток для получения энергии (31) постоянного тока высокого напряжения.

17. Драйвер по п.8, в котором преобразователем (30) переменного тока в постоянный ток является двухполупериодный мостовой диодный выпрямитель.

18. Способ питания светодиодных ламп энергией постоянного тока низкого напряжения, содержащий этапы, на которых: обеспечивают трансформатор, который имеет первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку и вторичную обмотку, соединенную с первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой; получают энергию постоянного тока низкого напряжения в помощью трансформатора; устанавливают саморезонансное управление для поочередного переключения тока между первой первичной обмоткой и второй первичной обмоткой, вырабатывают энергию переменного тока трансформатора на вторичной обмотке; управляют энергией переменного тока трансформатора для получения управляемой энергии переменного тока; и преобразуют управляемую энергию переменного тока в энергию постоянного тока высокого напряжения.

19. Способ по п.18, дополнительно содержащий исключение возможности возникновения перенапряжения от питания высокого напряжения постоянного тока.

20. Способ по п.18, дополнительно содержащий этап, на котором фильтруют помехи на первой первичной обмотке и второй первичной обмотке.

21. Способ по п.18, дополнительно содержащий этап, на котором фильтруют помехи на вторичной обмотке.