АДАПТИВНАЯ СХЕМА Российский патент 2015 года по МПК H05B33/08 H02M3/07 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение описывает адаптивную схему для запитывания нагрузки постоянного тока более низкого напряжения от источника питания переменного тока более высокого напряжения. Изобретение также описывает модернизированную СИД лампу и способ запитывания нагрузки постоянного тока более низкого напряжения от источника питания переменного тока более высокого напряжения.

Уровень техники изобретения

Преимущества СИД технологии привели к разработке СИД (светоизлучающего диода) с удовлетворительно высоким световым выходом, что сделало их интересной альтернативой лампам накаливания и люминесцентным лампам. СИД осветительное устройство можно легко сконструировать таким образом, чтобы световая отдача превышала 100 Лм/Вт. Более того, СИД более эффективны и более надежны по сравнению с традиционными лампами и имеют более продолжительный срок службы. Таким образом, использование СИД для замещения традиционных ламп вносит вклад в уменьшение потребления энергии и уменьшение выбросов электростанций. Модули или кристаллы, включающие в себя последовательно соединенные переходы СИД (для формирования цепочки СИД с высоким прямым напряжением), подходят для применения в области недорогого общего освещения, и СИД устройства, непосредственно питающиеся от питающей сети переменного тока, называемые СИД переменного тока (СИДПТ) или совместимыми с сетью СИД (СССИД,) в настоящий момент доступны. Тем не менее, существуют некоторые недостатки, связанные с возбуждением непосредственно от сети. Во-первых, форма тока, подаваемого на СИДПТ, имеет высокое пиковое значение по сравнению со средним значением. Следовательно, СИДПТ возбуждают с уменьшенной эффективностью в связи со «спадом». Во-вторых, прохождение тока через СИДПТ модуль возможно только тогда, когда мгновенное напряжение сети превышает прямое напряжение цепочки СИД в модуле. Таким образом, на протяжении относительно «долгих» периодов свет не излучается. Это воспринимается как раздражающее «мерцание», что делает такие лампы непригодными для применения в таких областях как внутреннее освещение.

Проблема мерцания может быть решена путем использования выпрямителя и конденсатора, однако, все еще будет необходима цепочка СИД высокого напряжения, так как рабочее напряжение СИД должно совпадать с получаемым выпрямленным напряжением сети. Обычно кристалл СИД содержит один или более переходов СИД, соединенных последовательно таким образом, чтобы сумма прямых напряжений совпадала с напряжением возбуждения. Очевидно, чем больше переходов заданного размера последовательно соединено, выступая в роли СИД нагрузки, тем больше энергии будет потреблять СИД нагрузка. Как известно специалистам в данной области техники, чтобы получить СИД нагрузку с высоким прямым напряжением и низким потреблением энергии, потребуется малый размер перехода. Тем не менее, очень маленькие переходы очень дороги с точки зрения производства и из-за маленькой активной области общая эффективность, получаемая от такого устройства, не удовлетворительна. Таким образом, СИД модуль малой мощности для работы от питающей сети 230В не может быть реализован и эксплуатироваться экономично. Для эксплуатации более экономичного коммерчески доступного устройства, например устройства, предназначенного для работы от сети 110В, необходимо использовать дополнительную схему, такую как трансформатор или емкостной источник питания, для преобразования высокого входного напряжения в необходимое низкое выходное напряжение. Такие схемы имеют большие потери, являются дорогими, громоздкими и тяжелыми и связаны с неприемлемо малым значением коэффициента мощности, равным менее 0,5.

Тем не менее, 0,5 является минимальным значением коэффициента мощности, нормированным в некоторых спецификациях СИД ламп. Но даже без этого требования желательно получить высокий коэффициент мощности, при этом минимизируя потери и затраты, необходимые для достижения такого высокого коэффициента мощности. Одной из причин желания получить высокий коэффициент мощности является то, что при фиксированном значении потребления активной мощности и низком коэффициенте мощности входной ток нагрузки (а значит, и токовая нагрузка на некоторые компоненты) обычно имеет большое значение. Для достижения, по меньшей мере, желаемого минимального коэффициента мощности известные схемы требуют очень точного подбора компонентов. Тем не менее, это очень сложно осуществить в связи с неизбежными отклонениями и вариациями напряжений (погрешность напряжения) даже для идентичных СИД модулей. Демонстрируя альтернативный подход, JP 5709736 описывает применение разделенных емкостями цепей с одним или более переключателями для получения пониженного напряжения. Тем не менее, в описанной схеме, по меньшей мере, один из переключателей будет подвергнут экстремальной перегрузке по напряжению во время изменений напряжения сети в переходном процессе, что в итоге может привести к отказу переключателя, только если он не снабжен дополнительной защитой от перенапряжений. Кроме того, необходимы по меньшей мере два переключателя и они должны быть точно синхронизированы с входным сигналом.

Таким образом, целью изобретения является обеспечить улучшенную адаптивную схему, которая позволяет избежать упомянутых выше проблем.

Сущность изобретения

Цель изобретения достигается с помощью адаптивной схемы пункта 1 формулы изобретения, с помощью модифицированной СИД лампы малой мощности в соответствии с пунктом 8 формулы изобретения, и с помощью способа запитывания нагрузки постоянного тока более низкого напряжения от источника питания выпрямленного переменного тока более высокого напряжения в соответствии с пунктом 10 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением адаптивная схема для запитывания нагрузки постоянного тока более низкого напряжения от источника питания выпрямленного переменного тока более высокого напряжения содержит схему накопления заряда, причем схема накопления заряда содержит первый конденсатор и второй конденсатор, соединенные, по существу, последовательно, при этом второй конденсатор соединен, по существу, параллельно с нагрузкой, и активный переключатель, реализованный в качестве контролируемого источника тока для управления током нагрузки таким образом, что в замкнутом состоянии переключателя ток подается, по меньшей мере, от первого конденсатора схемы накопления заряда, и во время разомкнутого состояния переключателя ток нагрузки подается, в основном, от второго конденсатора.

Здесь термин «более высокое напряжение» следует понимать как относящийся к любому напряжению переменного тока, имеющего, в основном, синусоидальную форму, например напряжению питающей сети, доступному в каждом доме, например, 230 В в Европе, 110 В в США и т.д. Далее с целью упрощения, но не ограничивая каким-либо образом изобретение, источник питания переменного тока может просто называться «питающей сетью» или «сетью». Термин «более низкое напряжение» следует понимать как номинальное напряжение устройства, которое существенно ниже, чем (относительно) у источника питания переменного тока более высокого напряжения. Например, для питающей сети «более высокого напряжения» 230 В, устройство «более низкого напряжения» может являться устройством, которое фактически спроектировано для запитывания от питающей сети с напряжением 110 В. Для питающей сети «более высокого напряжения» с напряжением 110 В, с другой стороны, нагрузка «более низкого напряжения» может являться устройством, рассчитанным на напряжение 60 В.

Очевидным преимуществом адаптивной схемы в соответствии с изобретением является то, что она делает возможной эффективную работу СИД устройства более низкого напряжения (также называемого далее «устройством малой мощности») от источника питания переменного тока более высокого напряжения (например, устройства на 100 В, работающего от сети 230 В), при этом являясь очень надежной схемой по сравнению со схемами известного уровня техники, которые решают эту проблему. Здесь термин «нагрузка более низкого напряжения» следует понимать как нагрузку, требующую запитывания напряжением постоянного тока со значительно более низким значением номинального напряжения, обычно порядка всего половины напряжения источника питания переменного тока.

Так как активный переключатель реализован в виде управляемого источника тока, уравнительные токи, которые возникают между первым и вторым конденсаторами, могут быть предпочтительно уменьшены по сравнению с традиционным «жестким» переключателем. Таким образом, переключатель не подвержен потенциально разрушительной нагрузке, связанной со скачками напряжения и тока во время переключения. Также из-за того, что только небольшие токи протекают через переключатель, он может быть реализован в относительно меньшем размере и с соответствующей меньшей стоимостью. Кроме того, благодаря управляемому режиму подачи тока на нагрузк, относительно малая емкость второго конденсатора будет достаточна для достижения небольшого колебания формы волны напряжения нагрузки.

В отличие от существующих емкостных схем источника питания, которые обычно связаны с низкими коэффициентами мощности, адаптивная схема в соответствии с изобретением может достигать очень хорошо подходящего значения коэффициента мощности, равного по меньшей мере 0,6.

Модифицированная СИД лампа в соответствии с изобретением содержит средство соединения для подсоединения лампы к сигналу питающей сети более высокого напряжения, СИД устройство, рассчитанное на возбуждение более низкого напряжения, и такую адаптивную схему для изменения напряжения сигнала питающей сети более высокого напряжения для возбуждения СИД устройства более низкого напряжения.

Такая модифицированная лампа может предпочтительно использоваться для замены существующих ламп накаливания, которые снимаются с производства из соображений защиты окружающей среды, и может возбуждаться от высокого напряжения сети, такой как европейская питающая сеть 230 В. Благодаря внедрению адаптивной схемы в соответствии с изобретением лампы накаливания малой мощности, например лампы мощностью 5 Вт - 25 Вт, можно более экономично заменить на СИД модули малой мощности с малым прямым напряжением (например, модули, рассчитанные на напряжение сети 110 В) вместо вынужденного использования СИД модулей с более высоким прямым напряжением (и обычно также более высоким потреблением мощности), рассчитанных на напряжение сети 230 В.

В соответствии с изобретением способ запитывания нагрузки постоянного тока более низкого напряжения от источника питания выпрямленного переменного тока более высокого напряжения содержит этапы накопления заряда в схеме накопления заряда, причем эта схема накопления заряда содержит первый конденсатор и второй конденсатор, соединенные, по существу, последовательно, при этом второй конденсатор соединен, по существу, параллельно с нагрузкой; и активации активного переключателя, причем активный переключатель реализован в виде управляемого источника тока для управления током нагрузки через нагрузку таким образом, чтобы в замкнутом состоянии переключателя ток нагрузки подавался, по меньшей мере, от первого конденсатора схемы накопления заряда, а во время разомкнутого состояния переключателя ток нагрузки подавался, по существу, от второго конденсатора.

Зависимые пункты формулы изобретения и последующее описание раскрывают особенно предпочтительные варианты осуществления и признаки. Признаки вариантов осуществления могут быть соответствующим образом объединены.

Адаптивная схема в соответствии с изобретением может быть использована с любым подходящим источником питания. Тем не менее, так как многие варианты применения такой адаптации источника питания можно найти дома или в домашних условиях, то любую ссылку на источник питания выпрямленного переменного тока, сделанную далее, можно понимать как двухполупериодный выпрямленный сигнал питающей сети переменного тока, что при этом не ограничивает изобретение каким-либо образом.

Активный переключатель может быть реализован с применением любого подходящего типа переключательной схемы и может переключаться в соответствии с любым желаемым предварительно заданным условием. В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения адаптивная схема содержит только один активный переключатель. Этого одного активного переключателя достаточно для осуществления переключения между состояниями зарядки и разрядки схемы накопления заряда и для снабжения нагрузки достаточно стабильным выходным напряжением. Когда активный переключатель «разомкнут», только минимальный ток (например, ток утечки или ток вспомогательного источника питания, необходимый для возбуждения входа управления переключателя) протекает через переключатель в этом состоянии. Когда активный переключатель «замкнут», ток величиной вплоть до предварительно заданного максимального значения протекает через переключатель.

Схема накопления заряда предпочтительно реализована в виде «емкостного разделения», т.е. схема накопления заряда предпочтительно содержит два последовательно включенных конденсатора, и нагрузка соединена параллельно с одним из этих конденсаторов. Входное напряжение адаптивной схемы (и, следовательно, также схемы накопления заряда) прикладывается между первым узлом входного напряжения и вторым узлом входного напряжения, далее также называемым «землей». Нагрузка соединена параллельно со вторым конденсатором между промежуточным узлом и землей. Так как этот тип схемы эффективно «разделяет» или делит входное напряжение и на нагрузку подается только часть входного напряжения, он выступает в роли делителя или «разделителя».

В активно-управляемой адаптивной схеме в соответствии с изобретением нагрузка предпочтительно, по существу, постоянно запитывается от второго конденсатора, в то время как активный переключатель периодически активируется для увеличения тока нагрузки за счет тока, подаваемого первым конденсатором при разрядке. Часть адаптивной схемы, содержащей второй конденсатор, соединенный параллельно с нагрузкой, можно, таким образом, считать относящейся к типу «буфер», предназначенного для стабилизации напряжения нагрузки, в то время как часть адаптивной схемы, содержащей первый конденсатор и активный переключатель, можно считать дополнительным источником тока, который можно использовать для зарядки второго конденсатора.

Активный переключатель, соединенный, по существу, параллельно с первым конденсатором, предпочтительно реализуется для отделения нагрузки от первого конденсатора (и, следовательно, также от входного питания) в состоянии зарядки схемы накопления заряда, т.е. когда первый и второй конденсаторы заряжаются (когда мгновенное значение напряжения на входе адаптивной схемы достаточно велико для зарядки последовательного соединения двух конденсаторов), и для возбуждения нагрузки током от второго конденсатора в режиме разрядки схемы накопления заряда (когда напряжение на входе адаптивной схемы уменьшилось). Таким образом, активный переключатель может управлять током или ограничивать ток, проходящий через нагрузку, и может гарантировать достаточную подачу тока на нагрузку независимо от состояния зарядки схемы накопления заряда.

Активный переключатель может быть реализован с использованием любых подходящих электронных компонентов. В предпочтительном варианте осуществления изобретения активный переключатель содержит транзистор, такой как биполярный плоскостной транзистор (БПТ), полевой транзистор, такой как МОП-транзистор (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник), пара Дарлингтона и т.д., соединенный с источником напряжения, включенным между промежуточным узлом и управляющим входом (например, базой или затвором) транзистора. Предпочтительно, резистор включен в ветвь, по которой совместно проходят ток нагрузки транзистора и сигнал возбуждения нагрузки. Фактически разность напряжения управляющего входа и падения напряжения на транзисторе (напряжение база - эмиттер или напряжение затвор - исток) определяет максимально возможное падение напряжения на резисторе и, следовательно, также максимально возможный ток через активный переключатель. Источник напряжения может являться любым подходящим компонентом или схемой, которая способна предоставить, в целом, постоянное напряжение независимо от тока, протекающего через нее. Различные возможности будут известны специалисту в данной области техники. Например, источник напряжения может содержать диод Зенера. При такой реализации, где замыкание переключателя зависит от напряжения (напряжения базы или затвора), активный переключатель ведет себя как зависимый или управляемый источник тока.

Активный переключатель размыкается или замыкается в соответствии с напряжением на базе или затворе транзистора. Путем управления этим напряжением можно также управлять моментом, когда транзистор замыкается или размыкается. Таким образом, в особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения активный переключатель также содержит контроллер переключения, реализованный, чтобы замыкать активный переключатель в заданном интервале входного напряжения. При такой реализации, например, контроллер переключения может содержать транзистор, напряжение базы или затвора которого регулируется диодом Зенера с подходящим напряжением пробоя, соединенным между затвором и выводом делителя напряжения, соединенного параллельно между узлами входного напряжения. Каждый раз, когда входное напряжение увеличивается до некоторого уровня напряжения, происходит пробой диода Зенера, контроллер переключения начинает пропускать ток, и, следовательно, снижает напряжение на управляющем входе активного переключателя, и активный переключатель размыкается, т.е. практически не дает току протекать от первого конденсатора к параллельному соединению СИД и второго конденсатора.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления изобретения контроллер переключения может быть реализован таким образом, чтобы замыкать переключатель в заданный момент времени. При такой реализации контроллер переключения может содержать микроконтроллер, запрограммированный на подачу подходящего сигнала активации переключателя в соответствии с предварительно заданной схемой переключений. Лампа, содержащая такой контроллер переключения, может быть точно «настроена» таким образом, чтобы ее активный переключатель размыкался или замыкался только в некоторые предварительно заданные моменты в зависимости от формы входного напряжения. Обычно схема переключений в таком синхронизированном варианте осуществления будет синхронизирована со входным напряжением переменного тока. Переключение с комбинированным управлением по напряжению и времени также возможно. В качестве примера активный переключатель может быть замкнут в течение некоторого времени после того как напряжение сети упало ниже некоторого первого порогового значения, и размыкаться как только напряжение сети увеличивается до (возможно, отличного) второго порогового значения. Управляющая схема для активного переключателя предпочтительно адаптируется к напряжению и частоте входного сигнала переменного тока, т.е. различные пороговые значения и различные временные интервалы могут использоваться для систем с разными характеристиками, например, частотой сети 50 Гц или 60 Гц; напряжением питающей сети 100 В или 230 В и т.д.

Как указано выше, адаптивная схема использует сигнал выпрямленного переменного тока более высокого напряжения для получения более низкого выходного напряжения для запитывания нагрузки. Адаптивную схему можно, таким образом, использовать в сочетании с любой подходящей схемой выпрямления, и можно реализовать с подходящим средством соединения, и можно запитывать от любого подходящего сигнала переменного тока. Таким образом, в особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения адаптивная схема содержит такие средства выпрямления, которые могут, например, содержать выпрямитель по схеме диодного моста для осуществления двухполупериодного выпрямления сигнала переменного тока, например, от питающей сети переменного тока. Для улучшения поведения схемы при переходном процессе адаптивная схема может также содержать токоограничивающий резистор для демпфирования бросков напряжения и тока.

Компоненты адаптивной схемы предпочтительно выбираются таким образом, чтобы адаптивная схема, в частности, подходила для изменения входного напряжения от питающей сети 230 В на выходное напряжение в интервале от 80 В до 140 В.

При реализации для работы от питающей сети, такой как европейская питающая сеть, СИД устройство малой мощности модифицированной СИД лампы в соответствии с изобретением предпочтительно содержит СИД устройство мощностью 2 Вт, и адаптивная схема реализуется для возбуждения СИД устройства от питающей сети 230 В путем подходящего выбора компонентов, как указано выше. Конечно же, любой другой подходящий СИД модуль может быть использован в модифицированной СИД лампе в соответствии с изобретением, и упомянутый здесь вариант осуществления изобретения следует понимать как примерный.

Активный переключатель может замыкаться и размыкаться в любое время. Тем не менее, так как поведение конденсаторов при зарядке и разрядке напрямую связано с формой напряжения сети, формы напряжений на первом узле входного напряжения и промежуточном узле также связаны с формой напряжения сети. Нагрузка может, таким образом, оптимально запитываться путем замыкания или размыкания переключателя в подходящие моменты времени. Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с изобретением активный переключатель активируется синхронно с напряжением питающей сети переменного тока, т.е. переключатель замыкается и размыкается в моменты времени, соответствующие некоторыми «точкам» формы входного напряжения.

Фактический момент времени, при котором активный переключатель замыкается или размыкается, может влиять на схему рядом способов. Пока переключатель разомкнут, входной ток может подаваться только от сети, тогда как конденсаторы заряжаются. В способе в соответствии с изобретением путем замыкания переключателя на некотором этапе, т.е. путем воздействия на поведение схемы накопления заряда дополнительный «путь» может быть предоставлен для прохождения тока. Таким образом, в дополнительном предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с изобретением момент активации активного переключателя выбирается в соответствии с желаемым кажущимся реактивным сопротивлением адаптивной схемы, т.е. реактивным сопротивлением «видимым» со входных контактов. Путем переключения активного переключателя, замкнутого на определенном «отрезке» формы входного напряжения, нагрузка может восприниматься с точки зрения питающей сети как нагрузка емкостного характера или как индуктивная нагрузка. Таким образом, лампа может «настраиваться», чтобы выступать в роли емкостной или индуктивной нагрузки. Для варианта применения для освещения с большим количеством таких модифицированных СИД ламп некоторая пропорция может быть реализована для того, чтобы они выступали в роли индуктивной нагрузки, и другая пропорция может быть реализована для того, чтобы они выступали в роли емкостной нагрузки. Таким образом, общее реактивное сопротивление нагрузок не является слишком емкостным или индуктивным. Другое преимущество управления прохождения тока в зависимости от пиков зарядки схемы накопления заряда заключается в том, что можно влиять на гармоники формы входного тока. Обычно желательно уменьшить число гармоник высшего порядка в токе, подаваемом из сети, так как гармоники высшего порядка уменьшают суммарное значение коэффициента мощности тока. Путем применения удачно выбранной схемы переключений входной ток может регулироваться таким образом, чтобы он имел желаемую основную и только незначительные гармоники высшего порядка. Адаптивная схема может быть также реализована таким образом, чтобы соответствовать следующим нормативным требованиям для применения в области освещения. В некоторых странах нормируются не только коэффициент мощности и гармоники, но также устанавливаются начальная точка, пиковая точка и конечная точка для входного тока из сети в нагрузку. Когда эти параметры нормируются, обычно предъявляются менее строгие требования относительно гармоник высшего порядка. Адаптивная схема может быть реализована таким образом, чтобы обеспечивать требуемые формы входного тока для того, чтобы удовлетворить таким требованиям, например путем более активного использования непрерывного управления во времени активного переключателя. В большинстве описанных до этого момента примерах разрядка первого конденсатора через активный переключатель осуществлялась, когда входное напряжение было меньше напряжения, накопленного в конденсаторе. В этих случаях ток разрядки не заметен на входных контактах возбуждения адаптивной схемы. Когда срабатывание (т.е. замыкание переключателя) происходит во время интервала, на котором мгновенное значение входного напряжения ниже значения напряжения, накопленного в конденсаторе, то часть тока переключателя подается непосредственно с входных контактов.

Следовательно, на протяжении этого интервала можно запрограммировать активно регулируемый входной ток.

В простом примере предварительно заданная форма волны тока с оптимизированной эффективностью и гармоническими составляющими может быть заранее задана и может храниться в памяти адаптивной схемы. Затем после синхронизации с входной частотой током активного переключателя управляют в соответствии с предварительно заданной формой волны для генерации желаемого входного тока. Для этого адаптивная схема может содержать энергонезависимое запоминающее устройство и элемент воспроизведения формы сигнала. Предпочтительно адаптивная схема содержит микроконтроллер, способный осуществлять подходящую программу или алгоритм.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения полная мощность, передаваемая в нагрузку, определяется управляющим сигналом, подаваемым на активный переключатель. Путем должного управления во времени переключателем относительно сигналов с входной стороны ток передается в нагрузку и, тем самым, мощностью также можно управлять желаемым образом.

Так как желательно дать конденсаторам возможность полностью зарядиться до их очередной разрядки, в следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения активный переключатель переключается из разомкнутого состояния в замкнутое состояние, чтобы вызвать состояние зарядки схемы накопления заряда. Другими словами, переключатель замыкается только после того как входное напряжение достигло пикового значения, так как после этого заряд конденсаторов достиг максимального значения и больше не увеличится.

Когда активный переключатель реализуется с использованием транзистора, переключатель будет замкнут, т.е. будет пропускать ток, когда значение напряжение базы или затвора превышает некоторый уровень, и переключатель эффективно управляется дискретным сигналом возбуждения, который может генерироваться с помощью применения подходящего диода Зенера. Активный переключатель может, тем не менее, быть реализован с использованием альтернативы источнику дискретного напряжения Зенера, описанному выше. Таким образом, в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения активный переключатель активируется непрерывным сигналом возбуждения. Например, с подходящей схемой между транзистором для измерения напряжения питания и управляющим входом активного переключателя ток активного переключателя можно медленно уменьшать и увеличивать, таким образом, чтобы активный переключатель получал непрерывный сигнал возбуждения для по меньшей мере части времени. В дополнительном варианте осуществления микроконтроллер может генерировать такой непрерывный сигнал возбуждения (например, используя генератор широтно-импульсной модуляции на основе таймера и фильтр нижних частот или используя цифроаналоговый преобразователь) и может быть реализован не только для управления замкнутого или разомкнутого состояния переключателя, но и для активного управления допустимым значением тока в любой момент времени.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает адаптивную схему известного уровня техники;

Фиг. 2 изображает принципиальную схему адаптивной схемы в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 3 отображает принцип работы схемы на Фиг. 2;

Фиг. 4 изображает принципиальную схему адаптивной схемы в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 5 изображает графики тока и напряжения для адаптивной схемы на Фиг. 4;

Фиг. 6 изображает дополнительный набор графиков тока и напряжения для адаптивной схемы на Фиг. 4;

Фиг. 7 отображает схематическое изображение модифицированной СИД лампы в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На всех чертежах аналогичные ссылочные позиции относятся к аналогичным объектам. Объекты на схемах не обязательно изображены в масштабе.

Подробное описание изобретения

Фиг. 1 изображает адаптивную схему 10 известного уровня техники, относящуюся к типу, описанному в JP 5709736, для понижения входного напряжения, приложенного между входными контактами 170 и 171, для получения более низкого напряжения для нагрузки, включенной между выходными контактами 180, 181. Этот тип схемы подходит для области применения малых устройств, таких как переносные устройства, где трансформатор не подходит в связи с его размером и весом. Входное напряжение может быть напряжением постоянного тока или выпрямленным напряжением переменного тока. Первый переключатель 11, первый конденсатор 13, диод 16 и второй конденсатор 14 соединены последовательно. Второй диод 15 соединен параллельно с первым диодом 16 и вторым конденсатором 14. Второй переключатель 12 соединен параллельно с первым конденсатором 13 и первым диодом 16. Для понижения входного напряжения первый и второй переключатели 11, 12 переключаются попеременно. Когда первый переключатель 11 замкнут (а второй переключатель 12 разомкнут), последовательно соединенные конденсаторы 13, 14 заряжаются, и нагрузка запитывается от напряжения, накапливаемого между первым диодом 16 и вторым конденсатором 14. Затем второй переключатель 12 замыкается, а первый переключатель 11 размыкается. В это время конденсаторы 13, 14 разряжаются таким образом, что нагрузка запитывается от обоих конденсаторов 13, 14. В этой схеме известного уровня техники значения емкостей конденсаторов 13, 14 должны быть равны, чтобы получить выходное напряжение, которое равно половине входного напряжения. При увеличении понижающей схемы до N последовательно включенных в нее конденсаторов можно добиться деления напряжения 1/N.

Тем не менее, этот тип схемы 10 имеет несколько недостатков. Например, если эта схема запитана от сети, то оба переключателя должны быть точно синхронизированы заданным временным соотношением с сигналом напряжения сети. Необходимо как минимум два переключателя для того, чтобы можно было использовать двухполупериодное входное напряжение сети. Кроме того, так как ток между двумя конденсаторами в момент замыкания переключателя 12 может достигать больших значений, компоненты должны быть рассчитаны на высокую пиковую нагрузку, что обязательно приводит к увеличению их размера и к удорожанию по сравнению с компонентами, которые не должны выдерживать такие пиковые токи. Более того, когда переключатель 11 разомкнут, любые колебания напряжения на входных контактах 170, 171 (например, возникающие в результате бросков напряжения в сети, к которой подключены входные контакты) не ограничены и не фиксированы и приведут к градиенту напряжения на переключателе 11. При замкнутом состоянии переключателя 11 броски приведут к протеканию большего тока через переключатель 11. Вкратце, переключатель 11 подвержен высоким нагрузкам при работе от фактического напряжения сети, подверженного броскам. Более того, возможно только фиксированное деление напряжения 1/N, что приводит к ограничению возможных вариантов применения.

Фиг. 2 изображает адаптивную схему 1 в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, используемую для возбуждения нагрузки 2 более низкого напряжения от входного сигнала более высокого напряжения. В данном примере входной сигнал более высокого напряжения получается путем осуществления двухполупериодного выпрямления на питающей сети 3 переменного тока 230 В с использованием выпрямителя 20 по схеме диодного моста. Резистор R1 может предшествовать выпрямителю 20. Нагрузка, которая должна возбуждаться от адаптивной схемы 1, содержит СИД модуль 2 мощностью 2 Вт и напряжением 110 В. Адаптивная схема 1 содержит схему накопления заряда 21, состоящую из первого конденсатора С1 и второго конденсатора С2, соединенных последовательно, с двумя диодами D1, D2, которые объединены в компоновку 21, которая может называться «модифицированным пассивным корректором коэффициента мощности (схемой типа «valley-fill»)». Адаптивная схема 1 также содержит активный переключатель 22, выступающий в роли управляемого источника 22 тока, который создан с применением источника V2 напряжения, транзистора Q1 и токоограничивающих резисторов R2, R3. Примерные значения параметров компонентов схемы приведены на чертеже.

Дополнительный необязательный резистивный элемент 24 схемы может быть включен между активным переключателем 22 и вторым конденсатором С2 для того, чтобы ограничить ток, проходящий по этому пути в любой момент времени. Действующее значение такого резистивного элемента 24 схемы может зависеть от направления, в котором ток проходит через него. Для этого данный резистивный элемент 24 схемы можно реализовать путем подходящей компоновки резисторов и/или диодов.

Фиг. 3 изображает принцип работы с тремя состояниями этой схемы 1. Диодный мост 20 подает двухполупериодный выпрямленный сигнал, по существу, содержащий последовательность положительных полупериодов синусоидального сигнала. В верхней части схемы в «состоянии зарядки» S-I переключатель 22 разомкнут, пока конденсаторы С1, С2 заряжаются от увеличивающегося входного сигнала напряжения. Когда переключатель 22 разомкнут, эту часть схемы можно не учитывать, что отображено пунктирными линиями. В это время нагрузка 2 питается только от второго конденсатора С2, пока он заряжается. Для упрощения на Фиг. 3 только важные компоненты в каждом состоянии обозначены их ссылочными позициями.

Когда конденсаторы С1, С2 зарядились, ток не подается от сети 3. Следовательно, в следующем «состоянии передачи» S-II сторону питания схемы можно не учитывать, что отображено пунктирными линиями на второй части чертежа. Переключатель все еще разомкнут, так что его также можно не учитывать, что отображено пунктирными линиями. Нагрузка 2 снова возбуждается только от второго конденсатора С2.

При дополнительном падении входного напряжения оба конденсатора С1, С2 могут снова разрядиться, как показано в третьем состоянии S-III в нижней части схемы. Переключатель 22 замкнут, так что ток проходит через транзистор Q1. В этом «состоянии разрядки» или «состоянии баланса» S-III нагрузка 2 питается током, получаемым в основном при разрядке первого конденсатора С1. В этом состоянии нагрузка 2 может также питаться током от второго конденсатора С2, как изображено на чертеже. Аналогично второй конденсатор С2 может снова зарядиться током, подаваемым через активный переключатель 22. Реальное распределение тока через эти элементы схемы будет во многом зависеть от напряжений в различных узлах в любой момент времени. Так как входное напряжение понижается, ток не подается на конденсаторы С1, С2 со стороны питания схемы, так что ее можно не учитывать, что отображено пунктирными линиями.

Напряжение, приложенное к нагрузке 2 во время этих трех состояний, S-I, S-II, S-III, не может превышать напряжения в узле N1, которое эффективно ограничено максимальной величиной, соответствующей половине пикового значения входного напряжения, тем самым гарантируя, что нагрузка 2 более низкого напряжения может быть безопасно возбуждена. Наибольшее значение напряжения, которое может быть получено на втором конденсаторе С2, определяется выбором компонентов для первого и второго конденсаторов и тем, совпадают они или нет.

Фиг. 4 изображает реализацию адаптивной схемы 1' в соответствии с дополнительным вариантом осуществления. Адаптивная схема 1' снова содержит выпрямитель 20 по схеме диодного моста, который осуществляет двухполупериодное выпрямление входного напряжения сети от питающей сети 3. Схема накопления заряда 21' содержит пару последовательно соединенных конденсаторов С1, С2 и два диода D1, D2. Нагрузка 2 включена параллельно со вторым конденсатором С2. В этом варианте реализации активный переключатель 22' содержит пару Q1, Q2 Дарлингтона, сигнал базы которой передается через резистор R2, причем напряжение базы ограничено первым диодом Z1 Зенера. Напряжение на первом диоде Z1 Зенера, в свою очередь, определяется контроллером 220 переключения, который содержит делитель R4, R5 напряжения, второй диод Z2 Зенера и транзистор Q3. На Фиг. 4 компоненты R4, R5, Z2, R6, Q3, Z1 совместно с резистором R2 отображают возможный вариант осуществления источника V2 напряжения, изображенного на Фиг. 2 и 3. Разделительный диод D3 включен для того, чтобы сделать возможным точное измерение входного напряжения контроллером 220 переключения.

Хотя переключатель 22' и контроллер 220 переключения изображены как отдельные части общей схемы на этом чертеже, специалисту в данной области техники будет понятно, что переключатель 22' и контроллер 220 переключения работают совместно друг с другом и, таким образом, могут считаться единым «объектом» или единым активным переключателем.

Кроме того, на схеме отображены значения параметров компонентов. Первый и второй диоды Z1, Z2 Зенера могут иметь напряжение туннельного пробоя p-n-перехода (напряжение Зенера), равное 10 В, транзисторы Q1, Q2 предпочтительно рассчитаны на значения напряжения более половины значения пика входного напряжения, в то время как транзистор Q3 может относиться к типу низковольтных транзисторов, например DC337. В данном варианте осуществления каждый раз, когда напряжение на выходе делителя R4, R5 напряжения достигает значения напряжения Зенера второго диода Z2 Зенера, транзистор Q3 становится проводящим, в свою очередь, перенаправляя ток, получаемый через резистор R2, тем самым прерывая ток в паре Q1, Q2 Дарлингтона таким образом, что активный переключатель 22' эффективно размыкается. В случае когда мгновенное значение входного напряжения слишком низко для активации Q3, пара Q1, Q2 транзисторов получает ток базы через R2 и позволяет течение тока согласно значению, предварительно запрограммированному диодом Z1 Зенера, сопротивлением R3 эмиттера и действующим значением напряжения база - эмиттер пары Q1, Q2 Дарлингтона. В приведенном здесь примере допустимый ток будет равен примерно разности между напряжением на диоде Зенера и напряжением база - эмиттер пары Дарлингтона, разделенной на сопротивление R3 эмиттера. Используя изображенные компоненты, это даст значение тока, равное порядка (10В-1,4В)/300 Ом = 28,6 мА.

Для этой адаптивной схемы 1', использующей указанные компоненты, входная мощность составляет 2,72 Вт, в то время как мощность СИД равна 2,12 Вт, так что эффективность схемы равна 78%. Коэффициент мощности этой адаптивной схемы 1' в соответствии с измерениями составляет 0,61, что предпочтительно превышает минимально значение, равное 0,5. Величина оптического мерцания в свете, излучаемом СИД нагрузкой 2, была проанализирована, и была определен показатель фликера, равный 0,14. Так как большая часть оптического мерцания для этой схемы наблюдается при 200 Гц, оно не может эффективно восприниматься человеческим глазом, что делает адаптивную схему 1' особенно хорошо подходящей для применения в модифицированной лампе. Показан дополнительный балластный конденсатор C_B, который может быть использован для обеспечения еще лучшего соответствия между входным напряжением переменного тока и напряжением СИД нагрузки и для поддержания большей эффективности, даже если значения напряжения СИД нагрузок не совпадают примерно с половиной значения входного напряжения переменного тока. Это, в свою очередь, может улучшить эффективность еще больше, при этом практически не изменяя предпочтительный коэффициент мощности, таким образом, что может быть достигнута эффективность 87% при коэффициенте мощности, равном 0,6. Схема может быть модифицирована в соответствии с требованиями. Например, вместо применения биполярного транзистора Дарлингтона или пары транзисторов Q1, Q2 в конфигурации Дарлингтона может быть использован ПТ (полевой транзистор).

Фиг. 5 изображает ряд графиков тока через некоторые элементы схемы на Фиг. 4. Ток I_ps питания подается от источника 3 переменного тока, когда конденсаторы С1, С2 схемы 21' накопления заряда заряжаются. Показано, что ток I_load нагрузки через нагрузку 2 отклоняется в диапазоне между примерно 20 мА и 34 мА. Ток I_C1 первого конденсатора через конденсатор С1 быстро увеличивается вплоть до пикового значения в процессе зарядки, а затем снова падает до нуля, когда конденсатор С1 полностью заряжен. Пока переключатель остается разомкнутым, ток не проходит через полностью заряженный конденсатор С1. Затем, когда активный переключатель 22' замыкается, первый ток I_C1 конденсатора принимает отрицательное значение, соответствующее разрядке, уровнем которого управляют активным переключателем. Когда переключатель размыкается, ток I_C1 первого конденсатора опять падает до нуля. Ток I_sw переключателя через пару Q1, Q2 Дарлингтона меняет значения между 0 А (активный переключатель разомкнут, что соответствует состояниям S-I и S-II на Фиг. 3) и -44 мА (активный переключатель замкнут и проводит ток, что соответствует состоянию S-III на Фиг. 3).

Ток I_C2 второго конденсатора, подаваемый со второго конденсатора С2, является суммой пикового значения входного тока зарядки, тока возбуждения СИД нагрузки и тока, передаваемого через активный переключатель. В данном варианте осуществления ток, передаваемый от первого конденсатора С1 через активный переключатель 22' больше реального значения тока, потребляемого СИД нагрузкой 2, следовательно, часть тока проходит как ток зарядки во второй конденсатор С2. Ток I_C2 второго конденсатора достигает максимума в районе 40 мА в течение состояния зарядки схемы 21' накопления заряда, в то время как пиковое значения тока зарядки первого конденсатора С1 составляет порядка 70 мА. Разность между этими токами равна току I_load, подаваемому на СИД нагрузку 2. Так как нагрузка 2 включена, по существу, параллельно со вторым конденсатором С2, то нагрузка 2 возбуждается непрерывно.

Внизу схемы изображены напряжения U_C1, U_C2 для первого и второго конденсаторов С1, С2 соответственно. Напряжение U_C1 первого конденсатора может достигать значения, соответствующего порядка половины пикового значения входного напряжения, в то время как напряжение U_C2 на втором конденсаторе С2 (а следовательно, также и напряжение на нагрузке 2) колеблется около 120 В. Уровень этого напряжения зависит, конечно же, от прямого напряжения СИД нагрузки 2 более низкого напряжения.

Фиг. 6 изображает другой набор графиков для напряжения U_PS сети, тока I_PS сети, напряжения U_C1 первого конденсатора и напряжения U_C2 нагрузки. Этот график более наглядно показывает зависимость между напряжением U_PS сети и напряжением U_C2 нагрузки, и то, что напряжение нагрузки изменяется, когда нагрузка 2 питается от второго конденсатора С2 во время зарядки, и когда затем нагрузка 2 питается от заряженного второго конденсатора С2 (когда активный переключатель разомкнут), и когда затем нагрузка питается от обоих конденсаторов С1, С2 (когда активный переключатель 22' замкнут). Что наиболее важно, Фиг. 6 показывает, что активация активного переключателя не приводит к возникновению искажений со стороны входного сигнала сети адаптивной схемы. Активный переключатель замкнут на протяжении того периода, когда напряжение сети настолько мало, что практически никакой ток не подается от сети в адаптивную схему. Таким образом, только очень маленький пик тока 60 возникает со стороны сети в момент, когда переключатель замыкается. При должном регулировании даже этот маленький пик 60 может быть устранен. Например, период активации активного переключателя может быть уменьшен для устранения пика 60. Кроме того, период активации активного переключателя может быть сдвинут в сторону более раннего момента времени, что также приведет к тому, что маленький пик 60 будет устранен.

В альтернативном варианте осуществления, как уже было указано выше, период активации активного переключателя может быть увеличен или сдвинут в сторону более ранней или более поздней части периода сигнала сети, чтобы намеренно подавать дополнительный ток из сети и тем самым активно влиять на кажущееся со стороны входных контактов емкостное или индуктивное поведение адаптивной сети.

Фиг. 7 изображает модифицированную СИД лампу 4 в соответствии с изобретением, реализованную в виде «свечи» с подходящим соединителем 40 для ввинчивания лампы в соответствующий патрон для замены лампы накаливания того же типа. Внутри эта лампа содержит СИД модуль 2 постоянного тока или переменного тока, рассчитанный на источник питания более низкого напряжения, такой как сеть 110 В, адаптивную схему 1, 1' описанного выше типа для изменения сигнала питающей сети более высокого напряжения на более низкое напряжение, подходящее для возбуждения СИД модуля 2.

Хотя данное изобретение было раскрыто в виде предпочтительных вариантов осуществления и их вариаций, следует понимать, что можно создать бесчисленное число их дополнительных модификаций, не выходя за границы объема изобретения. Соотношение между потерями в активном переключателе, искажениями переключения высокой частоты и гармониками низких частот в форме входного сигнала нагрузки может регулироваться желаемым образом. Например, путем управления активным переключателем непрерывным сигналом возбуждения с изменяемой амплитудой можно устранить искажения высокой частоты. Другие этапы настройки, известные специалистом в данной области техники, могут быть реализованы для улучшения поведения схемы в соответствии с областью применения, для которой предназначена адаптивная схема.

С целью пояснения следует понимать, что использование единственного числа в данной заявке не исключает множественности, а выражение «содержит» не исключает наличие других этапов или элементов. «Элемент» может состоять из множества элементов, если не указано обратное.

Изобретение описывает адаптивную схему (1, 1') для запитывания нагрузки (2) постоянного тока более низкого напряжения от источника (3) питания выпрямленного переменного тока более высокого напряжения, причем адаптивная схема (1, 1') содержит схему (21, 21') накопления заряда, причем схема (21, 21') накопления заряда содержит первый конденсатор (С1) и второй конденсатор (С2), соединенные, по существу, последовательно, при этом второй конденсатор (С2) соединен, по меньшей мере, параллельно с нагрузкой (2); и активный переключатель (22, 22'), реализованный в виде управляемого источника (22, 22') тока для управления током (I_load) нагрузки через нагрузку (2) таким образом, что в замкнутом состоянии переключателя ток (I_load) нагрузки подается, по меньшей мере, от первого конденсатора (С1) схемы (21, 21') накопления заряда, а во время разомкнутого состояния переключателя ток (I_load) нагрузки подается, по существу, от второго конденсатора (С2). Изобретение также описывает модифицированную СИД лампу (4), содержащую средство соединения (40) для подсоединения лампы (4) к сигналу (U_PS) питающей сети более высокого напряжения; СИД устройство (2), рассчитанное на питание более низкого напряжения; и такую адаптивную схему (1, 1') для изменения сигнала (U_PS) питающей сети более высокого напряжения на сигнал (U_C2) более низкого напряжения для возбуждения СИД устройства (2) более низкого напряжения. Изобретение также описывает способ запитывания нагрузки (2) постоянного тока более низкого напряжения от источника (3) питания выпрямленного переменного тока более высокого напряжения. 3 н. и 12 з.п. ф-лы,7 ил.

1. Адаптивная схема (1, 1') для запитывания нагрузки (2) постоянного тока более низкого напряжения от источника (3) питания выпрямленного переменного тока более высокого напряжения, причем адаптивная схема (1, 1') содержит
- схему (21, 21') накопления заряда, причем схема (21, 21') накопления заряда содержит первый конденсатор (С1) и второй конденсатор (С2), соединенные, по существу, последовательно, при этом второй конденсатор (С2) соединен, по существу, параллельно с нагрузкой (2); и
- активный переключатель (22, 22'), реализованный в виде управляемого источника (22, 22') тока для управления током (I_load) нагрузки через нагрузку (2) таким образом, что в замкнутом состоянии переключателя ток (I_load) нагрузки подан, по меньшей мере, от первого конденсатора (С1) схемы (21, 21') накопления заряда, а во время разомкнутого состояния переключателя ток (I_load) нагрузки подан, по существу, от второго конденсатора (С2).

2. Адаптивная схема по п. 1, содержащая единственный активный переключатель (22, 22').

3. Адаптивная схема по п. 1 или 2, в которой нагрузка (2), по существу, запитана непрерывно от второго конденсатора (С2), и в которой активный переключатель (22, 22') периодически активирован для увеличения тока нагрузки током, поданным первым конденсатором (С1).

4. Адаптивная схема по п. 1 или 2, в которой активный переключатель (22, 22') содержит транзистор (Q1, Q2, Q3) и источник (R4, R5, Z2, R6, Q3,Z1) напряжения.

5. Адаптивная схема по п. 1 или 2, в которой активный переключатель (22') содержит контроллер (220) переключения, реализованный для замыкания активного переключателя (22') при заданном входном напряжении и/или в заданный момент времени.

6. Адаптивная схема по п. 1 или 2, содержащая выпрямитель (20) по схеме диодного моста для выпрямления сигнала (U_PS) источника питания переменного тока.

7. Адаптивная схема по п. 1 или 2, реализованная для изменения входного напряжения (U_PS) от питающей сети (3) 230 В на выходное напряжение (U_C2) в интервале 50-160 В, более предпочтительно 80-140 В, наиболее предпочтительно 90-130 В.

8. Модифицированная СИД лампа (4), содержащая
- средство соединения (40) для подсоединения лампы (4) к сигналу (U_PS) питающей сети более высокого напряжения;
- СИД устройство (2), рассчитанное на питание более низкого напряжения; и
- адаптивную схему (1, 1') по любому из пунктов с 1 по 7 для изменения сигнала (U_PS) питающей сети более высокого напряжения на сигнал (U_C2) более низкого напряжения для возбуждения СИД устройства (2) более низкого напряжения.

9. Модифицированная СИД лампа (4) по п. 8, в которой СИД устройство (2) малой мощности содержит СИД устройство (2) мощностью 2 Вт, и адаптивная схема (1, 1') реализована для возбуждения СИД устройства (2) от питающей сети (3) 230 В.

10. Способ запитывания нагрузки (2) постоянного тока более низкого напряжения от источника (3) питания выпрямленного переменного тока более высокого напряжения, причем способ содержит этапы, на которых:
- накапливают заряд в схеме (21, 21') накопления заряда, причем схема (21, 21') накопления заряда содержит первый конденсатор (С1) и второй конденсатор (С2), соединенные, по существу, последовательно, при этом второй конденсатор (С2) соединен, по существу, параллельно с нагрузкой (2); и
- активируют активный переключатель (22, 22'), причем активный переключатель (22, 22') реализован в виде управляемого источника (22, 22') тока для управления током (I_load) нагрузки через нагрузку (2) таким образом, что в замкнутом состоянии переключателя ток (I_load) нагрузки подают, по меньшей мере, от первого конденсатора (С1) схемы (21, 21') накопления заряда, а во время разомкнутого состояния переключателя ток (I_load) нагрузки подают, по существу, от второго конденсатора (С2).

11. Способ по п. 10, в котором активный переключатель (22, 22') активируют синхронно с напряжением (U_PS) питающей сети (3) переменного тока.

12. Способ по п. 10 или 11, в котором момент активации активного переключателя (22, 22') выбирают в соответствии с желаемым кажущимся реактивным сопротивлением.

13. Способ по п. 10 или 11, в котором полную мощность, передаваемую в нагрузку (2), определяют управляющим сигналом активного переключателя (22, 22').

14. Способ по п. 10 или 11, в котором активный переключатель (22, 22') переключают из разомкнутого состояния в замкнутое состояние, чтобы вызвать состояние разрядки схемы (21, 21') накопления заряда.

15. Способ по п. 10 или 11, в котором активный переключатель активируют непрерывным сигналом возбуждения.