СХЕМА ДИНАМИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H05B33/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

В изобретении описаны схема динамического управления, осветительное устройство с возможностью регулирования яркости, модернизированная светодиодная лампа и способ возбуждения светодиодного осветительного устройства с возможностью регулирования яркости.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Поскольку светоизлучающие диоды становятся дешевле и привлекательнее для использования в приложениях, связанных с модернизированным освещением, требуются решения, связанные с дешевыми драйверами. Из уровня техники известны различные топологии драйверов, например, такие, как описанные в документах US 8,698,407 B1, US 2014/0049730 A1, US 2007/0097043 A1, US 2012/0181940 A1 и US 2010/0156324 A1.

В модернизированном светодиодном осветительном приборе один или несколько мощных светоизлучающих диодов (LED) встроены вместе со схемами драйверов в стандартный цоколь лампы, например, цоколь GU10. Существует ряд способов запитывания модернизированной светодиодной лампы от сети или преобразователя мощности. Вместе с тем, поскольку при манипуляциях с разными прямыми напряжениями разных LED желательна некоторая степень гибкости, схемы драйверов обычно основаны на импульсном источнике питания (ИИП, SMSP). Например, драйвер может содержать однокаскадный ИИП автоколебательного типа.

Приложение, связанное с модифицированным светодиодным освещением, предпочтительно должно обеспечивать возможность использования совместно с уже существующим средством регулирования яркости. Традиционное средство регулирования яркости по переднему фронту, относящееся к широко применяемому типу, обычно компонуется после выпрямителя и работает, осуществляя отсечку фазы на участке переднего фронта выпрямленного напряжения сети. Термин «угол отсечки фазы» обозначает угол (между 0° и 180°) вплоть до которого средство регулирования яркости подавляет или срезает полуволну сигнала выпрямленного напряжения сети. Драйвер светодиодной лампы, который должен быть скомпонован между таким традиционным средством регулирования яркости и LED, принимает это входное напряжение в режиме отсечки фазы и должен обеспечивать удовлетворение определенных требований, таких, как выдача минимального тока удержания. Этого можно достичь, например, посредством преобразователя мощности с буферным конденсатором, подсоединенным параллельно выходу импульсного источника питания. Буферный конденсатор сглаживает напряжение в режиме отсечки фазы на выходе драйвера, но пульсация напряжения на буферном конденсаторе приведет к некоторому уровню пульсации тока LED. Во время режима работы без регулирования яркости или лишь с незначительным регулированием яркости LED (при малом угле отсечки фазы), ток LED относительно велик, так что влияние пульсации тока оказывается меньшим по сравнению с режимом с регулированием яркости, например, при угле прохождения тока, составляющем 90°, и не оказывает негативное влияние на светоотдачу. Однако с увеличением КПД LED уменьшается эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, ESR) мощных LED, а ЭПС одиночного LED, грубо говоря, обратно пропорционально его номинальному току. Следовательно, в случае LED с малым ЭПС, пульсация напряжения на буферном конденсаторе будет оказывать значительное влияние на пульсацию тока LED, которое достигает максимума при углах отсечки фазы примерно 90° и которое может вызывать заметное мерцание, обуславливающее перепад светоотдачи LED.

Одним способом уменьшения пульсации тока LED с целью подавления мерцания могло бы стать использование большего буферного конденсатора. Вместе с тем, поскольку драйвер и LED обычно воплощают в модернизированном осветительном приборе, физические размеры ламп представляют собой конструкторские ограничения, которые могут вынудить отказаться от использования большего конденсатора, так как физический размер в общем случае увеличивается с увеличением емкости. Еще одним способом, позволяющим справиться с нежелательной пульсацией, могло бы стать использование дополнительного рассеивающего мощность резистора, включаемого последовательно с LED. Однако такой резистор, рассеивающий мощность, снижает КПД цепи освещения из-за потерь мощности, когда возбуждение LED осуществляется в режиме работы без регулирования яркости. Следовательно, резистор, рассеивающий мощность, непривлекателен с точки зрения учета влияния на окружающую среду, поскольку существует тенденция к энергосберегающим решениям.

Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованный способ возбуждения светодиодного устройства от источника питания, выполненного с возможностью регулирования яркости, позволяющий избежать вышеописанных проблем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения решается посредством схемы динамического управления по п.1 формулы изобретения, посредством осветительного устройства с возможностью регулирования яркости по п.8 формулы изобретения, посредством модернизированной светодиодной лампы по п.13 формулы изобретения и посредством способа возбуждения светодиодного устройства по п.14 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением, схема динамического управления предназначена для последовательного соединения со светодиодным устройством и содержит первый переключающий элемент, выполненный с возможностью обеспечения пути для тока LED, и устройство мониторинга, выполненное с возможностью управления первым переключающим элементом в соответствии с уровнем тока LED таким образом, что схема динамического управления представляет собой последовательное полное сопротивление (импеданс) для драйвера светодиодного устройства, причем это последовательное полное сопротивление постепенно увеличивается в ответ на уменьшение тока LED через светодиодное устройство. Здесь термин «ток LED» следует понимать в общепринятом смысле - как средний ток LED через светодиодное устройство. Ток LED будет уменьшаться, когда средство регулирования яркости (предшествующее драйверу) станет осуществлять отсечку фазы напряжения сети таким образом, что на драйвер LED будет проходить часть напряжения сети. Поскольку последовательное полное сопротивление изменяется в ответ на средний ток LED, схему динамического управления в соответствии с изобретением можно назвать «управляемым последовательным полным сопротивлением». Термин «постепенное увеличение», употребляемый для описания последовательного полного сопротивления схемы динамического управления, следует понимать как означающий, что полное сопротивление плавно увеличивается в ответ на уменьшающийся средний ток LED без сколько-нибудь значительных скачкообразных изменений или прерываний, а отсюда следует, что последовательное полное сопротивление схемы динамического управления будет постепенно уменьшаться в ответ на увеличивающийся средний ток LED. Иными словами, последовательное полное сопротивление схемы динамического управления плавно изменяется пропорционально среднему току LED, например, в обратной нелинейной пропорции.

Преимущество схемы динамического управления в соответствии с изобретением заключается в том, что она представляет собой лишь малое последовательное полное сопротивление во время режимов работы при отсутствии регулирования яркости или с незначительным регулированием яркости, так что КПД светодиодной осветительной цепи не подвергается негативному влиянию. Вместе с тем, на очень низких уровнях регулирования яркости, полное сопротивление, представленное схемой динамического управления оказывается относительно большим. Драйвер лампы – включая буферный конденсатор – светодиодного устройства «увидит» это большее полное сопротивление, и использование буферного конденсатора на выходе драйвера станет эффективнее. Еще одно преимущество схемы динамического управления в соответствии с изобретением заключается в том, что можно значительно снизить пульсацию тока LED. Это будет подробнее пояснено ниже. Схема управления в соответствии с изобретением может отзываться или реагировать на изменения в буферном конденсаторе, вследствие чего - благодаря синусоидальному входному напряжению - становится возможным приложение пульсации к средству регулирования яркости и драйверу, и может управлять разрядом буферного конденсатора в течение периода, в котором мгновенная мощность меньше, чем средняя отдаваемая мощность импульсного преобразователя мощности. По этой причине, схему управления в соответствии с изобретением можно назвать «схемой динамического разряда».

В соответствии с изобретением, осветительное устройство, выполненное с возможностью регулирования яркости, содержит светодиодное устройство, драйвер, выполненный с возможностью выдачи входного напряжения и входного тока в светодиодное устройство, и схему динамического управления в соответствии с изобретением, соединенную последовательно со светодиодным устройством.

Преимущество осветительного устройства, выполненного с возможностью регулирования яркости, в соответствии с изобретением заключается в том, что поведение LED улучшается на уровнях регулирования яркости с большими углами отсечки фазы, а высокий КПД осветительного устройства остается неизменным, когда оно работает в режиме работы без регулирования яркости или лишь с незначительным регулированием яркости.

В соответствии с изобретением, модернизированная светодиодная лампа содержит корпус c гнездом (розеткой) соединителя GU10 для соединения с источником питания, выполненным с возможностью регулирования яркости, светодиодное устройство, установленное на печатной плате в корпусе, и схему динамического управления в соответствии с изобретением, соединенную последовательно со светодиодным устройством.

Лампы с патронами GU10 широко применяются в многообразии приложений, связанных с освещением, таким, как бытовое освещение. Ранее созданные цоколи средств освещения были зачастую предназначены для использования с источниками света, имеющими многогранные отражатели (например, галогенными лампами MR16), и обычно были предназначены для использования с таким средством регулирования яркости, как средство регулирования яркости с отсечкой фазы по переднему фронту. Преимущество модернизированной лампы в соответствии с изобретением заключается в том, что ее можно использовать вместо такого источника света, как галогенная лампа MR16, и можно использовать совместно с большинством традиционных средств регулирования яркости с отсечкой фазы по переднему фронту. Следовательно, модернизированная светодиодная лампа в соответствии с изобретением может внести значительный вклад в снижение энергопотребления в среднестатистическом доме.

В соответствии с изобретением, способ возбуждения светодиодного устройства включает в себя этапы, на которых: соединяют схему динамического управления в соответствии с изобретением последовательно со светодиодным устройством; обеспечивают подачу тока LED в светодиодное устройство; и приводят схему динамического управления в действие для осуществления увеличения ее последовательного полного сопротивления в ответ на уменьшающийся ток LED, протекающий через светодиодное устройство.

Преимущество способа в соответствии с изобретением заключается в том, что совместимость LED с малыми ЭПС и уже существующими средствами регулирования яркости уменьшается из-за увеличивающегося последовательного полного сопротивления схемы при уменьшении тока LED. Это делает возможным повышение коэффициента использования буферного конденсатора, который подсоединен на выходах драйвера. Увеличенное последовательное полное сопротивление, представляемое схемой динамического управления, будет компенсировать малое ЭПС эффективных LED. В то же время, способ в соответствии с изобретением может гарантировать повышенные выходные рабочие характеристики LED, поскольку можно с выгодой уменьшить или исключить мерцание в режимах с незначительным регулированием яркости.

Зависимые пункты формулы изобретения и нижеследующее описание раскрывают конкретно преимущественные варианты осуществления и признаки изобретения. Признаки вариантов осуществления можно объединять сообразно обстоятельствам. Признаки, описываемые в контексте одной категории пунктов формулы изобретения, можно с тем же успехом применять к другой категории пунктов формулы изобретения.

В нижеследующем описании - но ни в коем случае не ограничивая изобретение - можно предположить, что драйвер содержит импульсный источник питания, например, однокаскадный источник питания автоколебательного типа. Также можно предположить, что драйвер содержит буферный конденсатор, подсоединенный параллельно его выходу, чтобы гарантировать совместимость с уже существующим средством регулирования яркости, предпочтительно - средством регулирования яркости с отсечкой фазы по переднему фронту.

В нижеследующем описании выражение «режим работы без регулирования яркости» или «режим работы при отсутствии регулирования яркости» можно понимать как означающее любой режим работы, в котором угол прохождения тока средства регулирования яркости близок к 180°, например - в диапазоне, в котором относительная отдаваемая мощность светодиодного устройства близка к 100%. Выражение «режим работы с регулированием яркости» можно понимать как означающее любой режим работы, в котором угол прохождения тока средства регулирования яркости является таким, что светоотдача заметно меньше, чем полная светоотдача. Термины «регулирование яркости до очень низкого уровня» или «глубокое регулирование яркости» можно понимать как означающее любой режим работы, в котором угол прохождения тока средства регулирования яркости является относительно малым, например, находящимся в диапазоне примерно 45° или меньшим, при котором светоотдача LED достигает минимума без действительного выключения. Поскольку традиционные средства регулирования яркости в общем случае используются совместно с двухполупериодным выпрямителем, угол прохождения тока средства регулирования яркости может составлять, по большей мере, 180°. Применяемые в типичном случае средства регулирования яркости с отсечкой по переднему фронту отсекают участок переднего фронта или долю выпрямленного сигнала, так что «угол отсечки фазы» в общем случае эквивалентен значению 180° минус угол прохождения тока средства регулирования яркости, и наоборот. Например, угол отсечки фазы 45° соответствует углу прохождения тока средства регулирования яркости, составляющему 135°.

Как пояснялось выше, управляемое последовательное полное сопротивление может быть достигнуто за счет того, что схема динамического управления содержит первый переключающий элемент, выполненный с возможностью обеспечения пути для тока LED через токочувствительный резистор, и устройство мониторинга, выполненное с возможностью управления первым переключающим элементом в соответствии с уровнем тока, протекающего через светодиодное устройство, т.е., в соответствии с уровнем последовательного полного сопротивления, которое должен «увидеть» драйвер. Следовательно, если ток LED уменьшается, то устройство мониторинга может реагировать на это, управляя первым переключающим элементом соответственно.

Устройство мониторинга предпочтительно содержит второй переключающий элемент, выполненный с возможностью генерирования управляющего сигнала для первого переключающего элемента. Переключающие элементы можно воплотить с помощью любых подходящих переключающих компонентов, например, биполярных плоскостных транзисторов (БПТ) или полевых транзисторов (полевых транзисторов со структурой «металл-оксид-полупроводник» (полевых МОП-транзисторов)). В конкретно предпочтительном варианте осуществления изобретения, первый переключающий элемент (именуемый в нижеследующем тексте «переключающим транзистором») можно воплотить с помощью БПТ p-n-p-типа и второй переключающий элемент (именуемый в нижеследующем тексте «управляющим транзистором») можно воплотить с помощью БПТ p-n-p-типа, и поэтому переключающий транзистор и управляющий транзистор соединены в компоновке тиристорного типа таким образом, что когда управляющий транзистор «включен», он потребляет ток c вывода базы переключающего транзистора. В предпочтительном варианте, по меньшей мере, переключающий транзистор имеет высокий коэффициент усиления по току. Например, в качестве переключающий транзистор можно использовать БПТ p-n-p-типа с коэффициентом усиления по току, или h_FE, в диапазоне 100.

В течение режима работы без регулирования яркости, средний входной ток, поступающий в осветительное устройство, относительно велик, а падение напряжения на пути тока, т.е., на переходе «коллектор-эмиттер» транзистора, является малым. Во всех режимах работы, средний выходной ток драйвера проходит через светодиодное устройство, переключающий транзистор и управляющий транзистор. Например, в варианте осуществления на основе биполярных плоских транзисторов, коллектор управляющего транзистора всегда будет обеспечивать требуемый средний ток базы для переключающего транзистора, который, в свою очередь, будет проводить средний выходной ток драйвера LED. Чтобы обеспечить ток эмиттера для переключающего транзистора, управляющему транзистору требуется ток базы, который можно обеспечить посредством ряда способов, как будет пояснено ниже.

Вместе с тем, во время режима работы с регулированием яркости, угол прохождения тока средства регулирования яркости уменьшается, и средний входной ток, текущий в осветительное устройство, уменьшается соответственно, так что падение напряжения на токочувствительном резисторе упадет до уровня, на котором управляющий транзистор сможет обеспечить лишь слабый ток возбуждения для переключающего транзистора. Поэтому напряжение на буферном конденсаторе начнет расти. Так как прямое напряжение светодиодного устройства постоянно, следовательно, напряжение на выходе светодиодного устройства тоже начнет расти. Как будет пояснено с помощью чертежей, напряжение на выходе светодиодного устройства продемонстрирует больший перепад при малых вариациях уровня тока LED, что приводит к поведению схемы динамического управления, соответствующему «высокому полному сопротивлению».

Поскольку входной ток, текущий в LED, представляет собой, по существу, сглаженную последовательность импульсов тока, будет иметь место некоторая степень пульсации тока LED, которая может распространяться между компонентами схемы динамического управления. Поэтому в дополнительном предпочтительном варианте осуществления изобретения, устройство мониторинга содержит блок фильтрующего контура, выполненный с возможностью подавления пульсирующего тока в управляющем сигнале переключающего транзистора.

Как указывалось выше, LED новейшего поколения более эффективны, так что существует тенденция к меньшему эквивалентному последовательному сопротивлению. В обычной конструкции, где предусматривается замена LED с большим ЭПС LED с малым ЭПС, нужно увеличивать габариты буферного конденсатора, чтобы избежать избыточного мерцания. Однако конденсатор с большей емкостью больше еще и физически, и встраивание такого большого конденсатора в малый корпус, такой, как цоколь лампы GU10, может оказаться затруднительным или невозможным. Поэтому в конкретно предпочтительном варианте осуществления изобретения, печатные компоненты схемы динамического управления выбирают на основе желаемого последовательного полного сопротивления на конкретных уровнях тока LED. Например, можно выбрать компоненты так, чтобы они представляли собой последовательное сопротивление, приближающееся к 1,0 кОм для среднего тока LED около 0,01 мА, и последовательное сопротивление, по большей мере, 10,0 Ом для среднего тока LED около 0,08 мА. Средний ток LED является функцией угла отсечки фазы или угла прохождения тока при регулировании яркости, так что последовательное полное сопротивление можно также выразить как функцию угла отсечки фазы. Например, можно выбрать компоненты так, чтобы они представляли собой последовательное сопротивление, приближающееся к 1,0 кОм для угла отсечки фазы менее 45°, и последовательное сопротивление, по большей мере, 10,0 Ом для угла отсечки фазы, превышающего 135°.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, компоненты схемы динамического управления являются дискретными компонентами, выбираемыми так, чтобы они работали, просто используя напряжение, подаваемое на выходе светодиодного устройства. Дополнительное преимущество схемы динамического управления в соответствии с изобретением заключается в том, что она не требует подключения к напряжению питания, обычно обозначаемому символом V_CC, как было бы в случае печатного модуля, воплощаемого как интегральная схема (ИС, IC). Вместо этого, схема динамического управления в соответствии с изобретением может работать, используя флуктуирующее напряжение на выходе светодиодного устройства.

Дополнительное значительное преимущество схемы динамического управления в соответствии с изобретением заключается в том, что напряжение в выходном узле светодиодного устройства растет в соответствии с уровнем регулирования яркости, т.е., на низких уровнях регулирования яркости (при малых углах прохождения тока средства регулирования яркости) напряжение в выходном узле светодиодного устройства является относительно большим, а ток LED является относительно малым. Это происходит потому, что угол прохождения тока средства регулирования яркости уменьшается во время режима работы с регулированием яркости, как пояснялось выше, и поэтому напряжение на буферном конденсаторе будет расти. Поскольку прямое напряжение светодиодного устройства является почти постоянным, напряжение на выходе светодиодного устройства вследствие этого тоже начнет расти. В предпочтительном варианте осуществления осветительного устройства в соответствии с изобретением, надлежащее применение этой зависимости можно найти посредством устройства с цепочкой делителя напряжения, выполненного с возможностью деления напряжения согласно части входного тока, соответствующей напряжению на выходе светодиодного устройства. Когда напряжение на выходном узле светодиодного устройства увеличивается, величина мощности, рассеиваемой делителем напряжения, увеличивается пропорционально. Таким образом, совместимость драйвера на основе ИИП с традиционным средством регулирования яркости можно дополнительно повысить, поскольку избыточную энергию, обеспечиваемую средством регулирования яркости на низких уровнях регулирования яркости, можно легко «потратить», тем самым обеспечивая очень низкую светоотдачу на низких уровнях регулирования яркости.

В предпочтительном варианте осуществления осветительного устройства в соответствии с изобретением, устройство с цепочкой делителя напряжения содержит биполярный плоскостной транзистор n-p-n-типа, база которого соединена с выходом светодиодного устройства. Первый резистор, рассеивающий мощность, подсоединен между коллектором и положительным выходным выводом драйвера, а второй резистор, рассеивающий мощность, подсоединен между эмиттером транзистора с делителем напряжения и коллектором переключающего транзистора. В предпочтительном варианте, транзистор делителя напряжения имеет коэффициент усиления по току, или h_FE, в области от 20 до 100. Очевидно, что когда напряжение на выходном узле светодиодного устройства увеличивается, величина тока, который может проходить через транзистор делителя напряжения, будет увеличиваться соответственно. Суммарный ток LED, обеспечиваемый драйвером, по-прежнему будет эффективно проходить через токочувствительный резистор, так что присутствие делителя напряжения не оказывает негативное влияние на рабочие характеристики схемы динамического управления.

Другие задачи и признаки данного изобретения станут очевидными из нижеследующих подробных описаний, рассматриваемых совместно с прилагаемыми чертежами. Вместе с тем, следует понять, что чертежи приведены лишь в целях иллюстрации, а не определения пределов притязаний изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показана упрощенная принципиальная схема однокаскадного преобразователя мощности и светодиодного источника света;

на фиг.2 показанa графики пульсации тока для разных значений эквивалентного последовательного сопротивления LED;

на фиг.3 показана блок-схема варианта осуществления осветительного устройства в соответствии с изобретением;

на фиг.4 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая первый вариант осуществления схемы динамического управления в соответствии с изобретением, встроенной в осветительное устройство;

на фиг.5 показан график последовательного полного сопротивления схемы динамического управления в соответствии с изобретением;

на фиг.6 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая дополнительный вариант осуществления схемы динамического управления в соответствии с изобретением;

на фиг.7 показан график тока делителя напряжения как функции угла прохождения тока средства регулирования яркости для осветительного устройства согласно фиг.6;

на фиг.8 показаны кривые регулирования яркости осветительного устройства в соответствии с изобретением и известного осветительного устройства;

на фиг.9 показаны возможные сигналы напряжения и тока в разных режимах регулирования яркости для осветительного устройства в соответствии с изобретением;

на фиг.10 приведено схематическое представление варианта осуществления модернизированной лампы в соответствии с изобретением.

Одинаковые позиции на всех чертежах обозначают одинаковые объекты. Объекты не обязательно начерчены на чертежах в масштабе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На фиг.1 показана упрощенная принципиальная схема обычного осветительного устройства на основе двухполупериодного выпрямителя 4 и однокаскадного преобразователя 3 мощности или драйвера 3 для возбуждения светодиодного источника 2 света, в котором возможно наличие одного или нескольких LED, обычно - в последовательной компоновке светодиодных переходов. Светодиодный источник 2 света можно назвать источником V_пн постоянного напряжения - в соответствии с прямым напряжением его LED , - последовательно соединенным с эквивалентным последовательным резистором R_ЭПС.

На фиг.2 показаны графики тока LED как функции времени для разных значений эквивалентного последовательного сопротивления LED. Первая кривая R_{ЭПС_ВЫС} указывает относительно низкий уровень пульсации тока для LED с относительно высоким ЭПС. Светоотдача посредством этого LED будет демонстрировать соответственно низкий уровень мерцания даже тогда, когда регулируют яркость. Вторая кривая R_{ЭПС_НИЗ}, соответствующая LED с более низким ЭПС, показывает, что пульсация тока значительно увеличивается даже если средний ток I_ср является, по существу, таким же, как для LED с более высоким ЭПС. Поэтому LED с низким ЭПС, например - очень мощный LED, может демонстрировать более заметное мерцание, когда яркость регулируют, достигая более низкого уровня, например - при угле прохождения тока, составляющем 90° или менее.

на фиг.3 показана блок-схема варианта осуществления осветительного устройства 10 в соответствии с изобретением, при этом драйвер 3 на основе ИИП, возбуждающий светодиодный источник 2 света, соединен последовательно со схемой 1 динамического управления в соответствии с изобретением. Осветительное устройство 10 может быть воплощено, например, как модернизированная лампа для соединения с источником питания, выполненным с возможностью регулирования яркости. Светодиодный источник 2 света может содержать любое количество LED, например - цепочку, включающую в себя переходы с мощными LED. Использовать можно любые подходящие LED, например - чтобы получить светодиодное устройство мощностью 5-6 Вт с прямым напряжением 60-120 В и выходным током 100-50 мА.

Можно предположить, что весь светодиодный источник 2 света имеет относительно низкое ЭПС. Схема 1 динамического управления представлена в виде некоторого количества взаимодействующих элементов Q1, R1, M. На выходе светодиодного устройства 2 подсоединен переключающий элемент Q1. На выходе переключающего элемента Q1 подсоединен токочувствительный резистор R1, а ток I_R1 через токочувствительный резистор R1 обеспечивает указание силы тока LED, I_LED. Схема М мониторинга осуществляет мониторинг напряжения V_{Э_Q1} в узле N на выходе светодиодного устройства 2, а также тока I_R1 через токочувствительный резистор R1, и управляет работой переключающего элемента Q1 соответственно. Схема 1 динамического управления действует, поддерживая переключающий элемент Q1 проводящим при любом уровне тока LED. Во время работы LED без регулирования яркости или при значительных углах прохождения тока при регулировании яркости, схема 1 динамического управления явно имеет низкое полное сопротивление. Во время режима работы с регулированием яркости, напряжение в узле N будет увеличиваться, так что схема 1 динамического управления явно будет иметь высокое полное сопротивление. Фактически, во время работы с регулированием яркости схема 1 динамического управления действует таким же образом, вследствие чего резистор, рассеивающий мощность, может повести себя так, что влияния пульсации тока будут ослаблены. Вместе с тем, в отличие от такого дополнительного резистора, рассеивающего мощность, схема 1 динамического управления не рассеивает мощность напрасно во время нормальной работы без регулирования яркости, поскольку представляет собой низкое полное сопротивление, когда угол прохождения тока при регулировании яркости велик, а высокое полное сопротивление имеет место лишь тогда, когда угол прохождения тока при регулировании яркости мал.

На фиг.4 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая первый вариант осуществления схемы 1 динамического управления в соответствии с изобретением, соединенной последовательно со светодиодным устройством 2, подсоединенным параллельно выходам драйвера. Для иллюстрации, показан буферный конденсатор C_буф, но следует понять, что буферный конденсатор C_буф в общем случае встроен в драйвер. В этом возможном варианте осуществления, переключающий элемент Q1 представляет собой биполярный плоскостной транзистор p-n-p-типа с большим h_FE, именуемый в нижеследующем тексте переключающим транзистором Q1, эмиттер которого соединен с выходным узлом N светодиодного устройства 2. База переключающего транзистора Q1 соединена с коллектором второго транзистора Q2, в этом случае - БПТ n-p-n-типа, именуемого в нижеследующем тексте управляющим транзистором Q2. В этой компоновке тиристорного типа обеспечивается ток I_{Б_Q1} возбуждения через базу переключающего транзистора Q1, когда управляющий транзистор Q2 является проводящим или «включенным».

Сигналы напряжения и тока фильтруются конденсатором C1, чтобы уменьшить мерцание. Конденсатор C2 используется как «конденсатор, ускоряющий действием схемы», чтобы сделать схему более чувствительной к внезапным изменениям, таким, как возникающие при коррекции уровня регулирования яркости или при начальных условиях запитывания. Ток базы управляющего транзистора Q2 можно обеспечить по двум путям тока - через резистор R4 и/или через резистор R3, параллельный конденсатору C2. Достаточно высокий ток I_{Б_Q1} возбуждения будет гарантировать, что, по существу, весь ток LED, I_LED, станет проходить через переключающий транзистор Q1 во всех режимах работы, а малая доля тока LED, I_LED, при этом будет отводиться в виде тока I_{Б_Q1} возбуждения через управляющий транзистор Q2.

Во время режима без регулирования яркости или при больших углах прохождения тока средства регулирования яркости, падение напряжения на токочувствительном резисторе R1 является достаточным для поддержания управляющего транзистора Q2 полностью проводящим. Падение напряжения «эмиттер-коллектор» на переключающем транзисторе Q1 является малым, так что потери мощности во время режима работы без регулирования яркости пренебрежимо малы. В этом режиме работы, осуществляющий возбуждение ток базы управляющего транзистора Q2 будет подаваться главным образом посредством резистора R4. Переключающий и управляющий транзисторы Q1, Q2 будут полностью проводящими, а в результате этого напряжение в узле N будет минимальным. Малое изменение тока в этой области высокого тока будет приводить лишь к несущественному изменению напряжения в узле N, так что схема 1 динамического управления, в сущности, демонстрирует поведение схемы с низким полным сопротивлением.

Вместе с тем, во время режима работы с регулированием яркости, угол прохождения тока средства регулирования яркости уменьшается, а средний входной ток, текущий в осветительное устройство 2, снижается соответственно, так что падение напряжения на токочувствительном резисторе R1 понизится до уровня, на котором управляющий транзистор Q2 сможет обеспечить лишь слабый ток I_{Б_Q1} для переключающего транзистора Q1. Поэтому напряжение на буферном конденсаторе C_буф начнет расти. Поскольку прямое напряжение светодиодного устройства 2 постоянно, напряжение в выходном узле N светодиодного устройства 2 вследствие этого тоже начнет расти. Следовательно, осуществляющий возбуждение ток базы для управляющего транзистора Q2 будет обеспечиваться резистором R3 по нарастающей, а ток через R3 на низких уровнях регулирования яркости зависит от напряжения V_{Э_Q1} в узле N. Резистор R3 в предпочтительном варианте имеет относительно высокое значение сопротивления, например - 47 кОм, и напряжение в узле N должно расти (на этой стадии напряжение на буферном конденсаторе C_буф будет увеличиваться, например, на несколько вольт), чтобы обеспечить достаточный осуществляющий возбуждение ток базы для управляющего транзистора Q2. Это позволит буферному конденсатору C_буф разряжаться, так что уровень пульсации тока, присущий току LED, I_LED, минимизируется, в результате чего мерцание, сказывающееся на светоотдаче, также будет благоприятно минимизировано. В сущности, напряжение V_{Э_Q1} в выходном узле N продемонстрирует больший размах при малом изменении тока, что в типичном случае соответствует поведению при большем полном сопротивлении.

При отсутствии схемы динамического управления использование способности буферного конденсатора к накоплению энергии определялось бы только малым изменением напряжения на светодиодном устройстве 2. При наличии схемы 1 динамического управления, соединенной последовательно со светодиодным устройством 2, буферный конденсатор C_буф используется эффективнее, поскольку энергия, накапливаемая буферным конденсатором, теперь определяется падением напряжения на светодиодном устройстве 2 и схеме 1 динамического управления, а оно изменяется по мере изменения тока LED, I_LED, в ответ на действия по регулированию яркости. Следовательно, энергию E_Cбуф, накапливаемую буферным конденсатором C_буф, можно выразить как

где C - емкость буферного конденсатора C_буф, а V_макс и V_мин - максимальное и минимальное напряжения конденсатора. Например, относительно высокая пульсация напряжения на буферном конденсаторе Cбуф в режиме с регулированием яркости – во время которого зарядный и разрядный токи конденсатора являются малыми – указывает, что способность буферного конденсатора C_буф к накоплению энергии используется эффективнее посредством схемы 1 динамического управления, а это приводит к благоприятному сглаживанию или снижению тока пульсация, текущего через светодиодное устройство 2.

На фиг.5 показан график Z_дин последовательного полного сопротивления схемы динамического управления в соответствии с изобретением. По оси Y отложено среднее полное сопротивление [Ом] в пределах полуцикла сети (среднее полное сопротивление рассматривается для учета изменений тока в пределах полуцикла сети), а по оси X отложен угол [°] прохождения тока средства регулирования яркости для полуцикла сети. Рассматриваемый график показывает, что последовательное полное сопротивление Z_дин, представляемое схемой динамического управления в соответствии с изобретением, явно оказывается низким при больших углах прохождения тока, т.е., когда LED не регулируются по яркости или регулируются по яркости лишь незначительно, так что драйвер «видит» лишь низкое последовательное полное сопротивление. Вместе с тем, когда LED регулируются по яркости, драйвер «видит» более высокое полное сопротивление Z_дин, которое увеличивается по мере уменьшения угла прохождения тока. Для схемы динамического управления согласно фиг.4, основанной на воплощении с применением биполярных плоскостных транзисторов, последовательное полное сопротивление Z_дин демонстрирует экспоненциальное убывание как функция угла прохождения тока средства регулирования яркости. Аналогичная зависимость существует между током LED и последовательным полным сопротивлением Z_дин схемы динамического управления, поскольку ток LED уменьшается по мере уменьшения угла прохождения тока. Компоненты схемы динамического управления можно выбрать так, чтобы обеспечить желаемые значения Z_НИЗ, Z_ВЫС последовательного полного сопротивления, когда предусматривается использование совместно с некоторым конкретным светодиодным устройством и некоторым конкретным драйвером. Например, компоненты можно выбрать так, чтобы схема динамического управления представляла собой высокое последовательное полное сопротивление Z_ВЫС 1 кОм при «глубоком регулировании яркости», например, при угле прохождения тока средства регулирования яркости, составляющем менее 10°, и низкое полное сопротивление, составляющее лишь примерно 10,0 Ом при угле прохождения тока средства регулирования яркости, составляющем 135° или более.

на фиг.6 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая дополнительный вариант осуществления схемы динамического управления в соответствии с изобретением. Здесь воплощена цепочка 6 делителя напряжения для улучшения поведения осветительного устройства на уровнях глубокого регулирования яркости. Делитель 6 напряжения содержит транзистор Q3, в данном случае - БПТ n-p-n-типа, и несколько резисторов R5, R6, R7 с целью рассеивания мощности, когда LED регулируются по яркости до достижения низких уровней. Делитель 6 напряжения активируется управляющим сигналом, получаемым из узла N, поскольку напряжение V_{E_Q1} в этом узле N обеспечивает информацию о среднем входном токе, текущем в LED. Как описано выше, напряжение V_{Э_Q1} в узле N будет увеличиваться во время регулирования яркости по мере уменьшения входного тока I_LED, текущего в LED. Как только напряжение V_{Э_Q1} достигает некоторого определенного уровня, т.е., как только средний ток LED, I_LED, падает до некоторого определенного уровня, транзистор Q3 включается. Тогда через резисторы R5, R6, рассеивающие мощность, может проходить некоторый ток. В этом возможном вариант осуществления можно предположить, что делитель 6 напряжения воплощен как «делитель напряжения 2-го уровня, т.е., компоненты делителя 6 напряжения установлены на печатной плате, которая несет LED светодиодного устройства 2. Это гарантирует, что элементы R5, R6, рассеивающие мощность, находятся в непосредственном тепловом контакте с упомянутой платой, так что оказывается возможным эффективное рассеивание избыточной энергии, обеспечиваемой традиционным средством регулирования яркости на низких уровнях регулирования яркости. Схема 1 динамического управления в соответствии с изобретением допускает такое благоприятное размещение цепочки компонентов R5, R6, R7, Q3 делителя напряжения на той же плате, на которой размещены LED, поскольку управляющий сигнал V_{Э_Q1} исходит непосредственно с выхода N светодиодного устройства 2 и поэтому может быть использован непосредственно для активации или деактивации делителя 6 напряжения, когда это требуется. На фиг.7 показан график тока I_{делителя} [мА] делителя напряжения как функции угла [°] прохождения тока средства регулирования яркости для осветительного устройства согласно фиг.6. Этот график показывает, что при угле прохождения тока средства регулирования яркости, близком к 180°, делитель 6 напряжения остается неактивным. Делитель 6 напряжения включается лишь при углах прохождения тока средства регулирования яркости, составляющих менее 120°, чтобы гарантировать постепенный переход к режиму глубокого регулирования яркости. Когда угол прохождения тока средства регулирования яркости уменьшается, напряжение V_{Э_Q1} в узле N увеличивается, и можно пропускать больший ток в обход - через элементы R5, R6, рассеивающие мощность, делителя 6 напряжения. Поэтому величина мощности, рассеиваемой делителем 6 напряжения, увеличивается при увеличении угла отсечки фазы или уменьшении угла прохождения тока средства регулирования яркости.

На фиг.8 показаны кривая 81 регулирования яркости известного осветительного устройства без делителя напряжения «уровня 2» и кривая 80 регулирования яркости осветительного устройства с делителем напряжения «уровня 2» в соответствии с изобретением. По оси X отложен угол [°] прохождения тока средства регулирования яркости для полуцикла сети, так что углы более чем примерно 160° соответствуют минимальному регулированию яркости или отсутствию регулирования яркости, а углы менее чем примерно 50° соответствуют регулированию яркости до низкого уровня или глубокому регулированию яркости. По оси Y отложена относительная отдаваемая мощность, выраженная в процентах. Рассматриваемый график иллюстрирует преимущество делителя напряжения в осветительном устройстве в соответствии с изобретением, поскольку появляется возможность значительно уменьшить относительную отдаваемую мощность во время регулирования яркости. Это уменьшение яркости становится менее заметным на уровнях глубокого регулирования яркости с углами отсечки фазы, составляющими 75° и менее, причем относительная отдаваемая мощность 80 осветительного устройства в соответствии с изобретением, в котором делитель напряжения управляется напряжением на выходе светодиодного устройства, значительно меньше, чем относительная отдаваемая мощность 81 осветительного устройства без такого делителя напряжения.

На фиг.9 показаны возможные сигналы напряжения и тока, соответствующие трем режимам работы осветительного устройства в соответствии с изобретением, в котором используется драйвер на основе ИИП для возбуждения светодиодного устройства и в котором буферный конденсатор C_буф подсоединен параллельно выходу драйвера 3, как показано, например, на фиг.3. Каждый режим работы связан с определенным типом линии. Первый режим работы (точечная линия) демонстрирует сигналы V_{ВЫПР_1}, I_{PS_1}, V_{PS_1}, V_{КЭ_Q2_1}, V_{ЭК_Q1_1}, связанные с режимом работы без регулирования яркости (угол прохождения тока средства регулирования яркости, по существу, равен 180°); второй режим работы (пунктирная линия) демонстрирует сигналы V_{ВЫПР_2}, I_{PS_2}, V_{PS_2}, V_{КЭ_Q2_2}, V_{ЭК_Q1_2}, связанные с режимом работы с регулированием яркости (угол прохождения тока средства регулирования яркости составляет примерно 100°, угол отсечки фазы составляет примерно 80°); а третий режим работы (сплошная линия) демонстрирует сигналы V_{ВЫПР_3}, I_{PS_3}, V_{PS_3}, V_{КЭ_Q2_3}, V_{ЭКC_Q1_3}, связанные с режимом работы с глубоким регулированием яркости (угол прохождения тока средства регулирования яркости составляет лишь примерно 30°, угол отсечки фазы составляет примерно 150°). В верхней части рассматриваемого графика показаны выпрямленные сигналы полуциклов сети - V_{ВЫПР_1}, V_{ВЫПР_2}, V_{ВЫПР_3} после отсечки фазы с помощью средства регулирования фазы, работающего по переднему фронту. В случае глубокого регулирования яркости, остается лишь малая доля выпрямленного входного напряжения, как показано сигналом V_{ВЫПР_1} резкой отсечки фазы. В следующей части графика показано, что суммарный ток I_{PS_1}, I_{PS_2}, I_{PS_3}, подаваемый посредством ИИП в светодиодное устройство значительно уменьшается, когда угол прохождения тока средства регулирования яркости уменьшается. Выходные сигналы драйвера после отсечки фазы сглаживаются буферным конденсатором C_буф на выходе драйвера, а в следующей части графика показаны сглаженные выходные сигналы напряжения - V_{PS_1}, V_{PS_2}, V_{PS_3} для трех разных уровней регулирования яркости.

Как пояснялось выше, малые значения тока во время регулирование яркости приводят к низкому падению напряжения на токочувствительном резисторе R1, вследствие чего управляющий транзистор Q2 выключается, а переключающий транзистор Q1 может потреблять лишь очень малый ток. В результате, напряжение на буферном конденсаторе C_буф начинает увеличиваться, а напряжение V_{Э_Q1} в узле N растет соответственно, так что схема динамического управления явно представляет высокое последовательное полное сопротивление Z_дин, как показано на фиг.5. Когда напряжение V_{Э_Q1} в узле N растет, в конце концов, достаточное напряжение возбуждения достигается на базе управляющего транзистора Q2, который затем может потреблять больший ток I_{Б_Q1} возбуждения. Переключающий транзистор Q1 имеет высокий коэффициент усиления по току и поэтому способен проводить больший ток, когда его ток I_{Б_Q1} возбуждения увеличивается, так что буферный конденсатор C_буф сможет разряжаться через светодиодное устройство 2.

На рассматриваемом графике также показано падение V_{КЭ_Q2_1}, V_{КЭ_Q2_2}, V_{КЭ_Q2_3} напряжения «коллектор-эмиттер» управляющего транзистора Q2 и падение V_{ЭК_Q1_1}, V_{ЭК_Q1_2}, V_{ЭК_Q1_3} напряжения «эмиттер-коллектор» на переключающем транзисторе Q1 для трех уровней регулирования яркости, иллюстрирующие влияние увеличенного напряжения V_{Э_Q1} в узле N.

На фиг.10 приведено схематическое представление модернизированной лампы 100 в соответствии с изобретением, которую можно использовать вместо галогенной лампы, у которой энергопотребление больше. Лампа 100 содержит корпус 101 и соединитель GU10. Эти корпус и соединитель могут конструктивно соответствовать, например, корпусу и соединителю галогенной лампы MR16. Вместо галогенного источника света, для обеспечения света можно использовать гирлянду, включающую в себя переходы с эффективными мощными LED 20. LED 20 установлены на печатную плату 7, а схема 1 динамического управления в соответствии с изобретением соединена последовательно с LED 20, компенсируя их низкое ЭПС. В корпус лампы встроен драйвер на основе ИИЭ, а параллельно его выходам подсоединен буферный конденсатор C_буф, так что гарантирована совместимость при соединении лампы 100 с источником питания с традиционным средством регулирования яркости (не показано).

Хотя данное изобретение описано в форме предпочтительных вариантов осуществления и их разновидностей, должно быть ясно, что в рамках объема притязаний изобретения возможны многочисленные его модификации и изменения. Например, схему динамического управления в соответствии с изобретением можно использовать для оказания надлежащего влияния в любой цепочке LED, в которой для уменьшения или исключения мерцания нужно подавить синусоидальную пульсацию напряжения сети.

Для ясности заметим, что употребление признаков единственного числа по всей этой заявке не исключает множественности, а слово «содержащий (-ая, -ее, -ие)» не исключает другие этапы или элементы.

Изобретение относится к схеме динамического управления осветительным устройством с возможностью регулирования яркости. Техническим результатом является разработка усовершенствованного способа возбуждения светодиодного устройства от источника питания, выполненного с возможностью регулирования яркости, для обеспечения снижения потерь мощности и подавления пульсаций. Результат достигается тем, что схема (1) динамического управления, предназначенная для последовательного соединения со светодиодным устройством (2), оснащена первым переключающим элементом (Q1), выполненным с возможностью обеспечения пути для тока LED (I_LED), и устройством (M) мониторинга, выполненным с возможностью управления первым переключающим элементом (Q1) в соответствии с уровнем тока LED (I_LED) таким образом, что схема (1) динамического управления представляет собой последовательное полное сопротивление, причем это последовательное полное сопротивление постепенно увеличивается в ответ на уменьшающийся ток LED (I_LED) через светодиодное устройство (2). В изобретении также описано осветительное устройство (10) с возможностью регулирования яркости, содержащее светодиодное устройство (2); драйвер (3), выполненный с возможностью выдачи входного напряжения и входного тока (I_LED) в светодиодное устройство (2); и схему (1) динамического управления, соединенную последовательно со светодиодным устройством (2). 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Схема (1) динамического управления, предназначенная для последовательного соединения со светодиодным устройством (2), отличающаяся первым переключающим элементом (Q1), выполненным с возможностью обеспечения пути для тока LED (I_LED), и устройством (M) мониторинга, выполненным с возможностью управления первым переключающим элементом (Q1) в соответствии с уровнем тока LED (I_LED) таким образом, что схема (1) динамического управления представляет собой последовательное полное сопротивление (Z_дин), причем это последовательное полное сопротивление (Z_дин) постепенно увеличивается в ответ на уменьшающийся ток LED (I_LED) через светодиодное устройство (2).

2. Схема динамического управления по п.1, в которой устройство (M) мониторинга содержит второй переключающий элемент (Q2), выполненный с возможностью генерирования управляющего сигнала (I_{Б_Q1}) для управления работой первого переключающего элемента (Q1).

3. Схема динамического управления по п.1 или 2, в которой устройство (M) мониторинга содержит блок (C1, C2, R3, R4) фильтрующего контура, выполненный с возможностью фильтрации управляющего сигнала (I_{Б_Q1}) первого переключающего элемента (Q1).

4. Схема динамического управления по п.1, причем схема (1) динамического управления содержит только дискретные компоненты (Q1, Q2, R1, R2, R3, R4, C1, C2), выполненные с возможностью работы на напряжении (V_{Э_Q1}), подаваемом на выходе (N) светодиодного устройства (2).

5. Схема динамического управления по п.1, в которой компоненты схемы (1) динамического управления выбраны на основе желаемого последовательного полного сопротивления (Z_ВЫС, Z_НИЗ) на конкретных уровнях тока LED.

6. Схема динамического управления по п.1, в которой переключающие элементы (Q1, Q2) содержат биполярные плоскостные транзисторы (Q1, Q2).

7. Схема динамического управления по п.1, выполненная с возможностью представления последовательного полного сопротивления (Z_дин) по меньшей мере 10,0 Ом, предпочтительнее по меньшей мере 1000,0 Ом, для угла отсечки фазы менее 45° и для представления последовательного полного сопротивления (Z_дин) по большей мере 0,1 Ом, предпочтительнее по большей мере 100,0 Ом, для угла отсечки фазы более 135°.

8. Осветительное устройство (10) с возможностью регулирования яркости, содержащее:

- светодиодное устройство (2);

- драйвер (3), выполненный с возможностью выдачи входного тока (I_LED) в светодиодное устройство (2); и

- схему (1) динамического управления по любому из пп.1-7, соединенную последовательно со светодиодным устройством (2).

9. Осветительное устройство по п.8, содержащее устройство (6) с цепочкой деления напряжения, выполненное с возможностью деления напряжения части входного тока (I_LED), соответствующей напряжению (V_{Э_Q1}) на выходе светодиодного устройства (2).

10. Осветительное устройство по п.9, в котором устройство (6) с цепочкой деления напряжения содержит биполярный плоскостной транзистор (Q3) n-p-n-типа, база которого соединена с выходом (N) светодиодного устройства (2).

11. Осветительное устройство по любому из пп.8-10, в котором драйвер (3) содержит импульсный источник (3) питания.

12. Осветительное устройство по любому из пп.8-10, содержащее буферный конденсатор (C_буф), подсоединенный параллельно выходам драйвера (3).

13. Модернизированная светодиодная лампа (100), содержащая:

- корпус (101) c гнездом соединителя (102) GU10 для соединения с источником питания, выполненным с возможностью регулирования яркости;

- светодиодное устройство (2), содержащее некоторое количество LED (20), установленное на печатной плате (7) в корпусе (101); и

- схему (1) динамического управления по любому из пп.1-7, соединенную последовательно со светодиодным устройством (2).

14. Способ возбуждения светодиодного устройства (2), включающий в себя этапы, на которых:

- соединяют схему (1) динамического управления по любому из пп.1-7 последовательно со светодиодным устройством (2);

- подают ток LED (I_LED) в светодиодное устройство (2); и

- управляют схемой (1) динамического управления для осуществления увеличения ее последовательного полного сопротивления (Z_дин) в ответ на уменьшение тока LED (I_LED) через светодиодное устройство (2).