ЛИНЕЙНЫЙ ПОСТРЕГУЛЯТОР Российский патент 2019 года по МПК H05B33/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение описывает линейный пострегулятор, светодиодное осветительное устройство и способ пострегулирования тока светодиодной осветительной нагрузки светодиодного осветительного устройства.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Светодиодное освещение становится все более популярным, поскольку уменьшаются затраты на изготовление в связи с предложением доступных светодиодных ламп для светильников множества типов. В одном широко распространенном типе светодиодного осветительного устройства для внутреннего или наружного освещения используют выпрямитель для выпрямления входного напряжения сети, а драйвер светодиода подает необходимые уровни напряжения и тока на светодиодное устройство, содержащее одну или более цепочек светодиодов (СИДов). По причинам стоимости во многих драйверах светодиодов используют архитектуру с одноступенчатым преобразованием мощности даже если от драйвера требуется высокий коэффициент мощности. Однако это может привести к появлению большой импульсной составляющей тока светодиодов. Эту импульсную составляющую тока можно до определенной степени компенсировать подключенным параллельно светодиодам накопительным конденсатором, но ее нельзя скорректировать полностью из-за ограниченного динамического сопротивления светодиодов. Благодаря все более эффективной светодиодной технологии, это динамическое сопротивление также имеет тенденцию к дополнительному уменьшению со временем. Значительная импульсная составляющая постоянного тока также может отрицательно сказаться на световой отдаче светодиодов.

В известном подходе к решению этой проблемы к выходу светодиодного устройства подсоединяют линейный пострегулятор, который служит для управления током светодиодов, в то время как подача напряжения на светодиодное устройство управляется преобразователем мощности. Существующие линейные пострегуляторы могут быть относительно недороги, но обычно связаны с увеличением потерь. Линейный пострегулятор в общем случае содержит транзистор, который действует как управляемое сопротивление, управляющее током светодиодов. Таким образом, этим управляемым сопротивлением рассеивается некоторая мощность. Чтобы справиться с создаваемым в результате теплом, требуются дополнительные или большие теплоотводы, увеличивая общую стоимость осветительной системы. Другой недостаток линейного пострегулятора известных типов заключается в том, что возможно увеличение уровня мерцания на световом выходе, поскольку в течение срока службы такого осветительного устройства накопительный конденсатор может снизить емкость до 50% от начального значения. Мерцание в такой системе в значительной степени зависит от динамического сопротивления светодиодов. В частности, автономные драйверы светодиодов должны будут функционировать с диапазоном типов светодиодов, а значит, в диапазоне динамических сопротивлений.

Уменьшить потери в пострегуляторе трудно и/или затратно. Некоторые пути решения этой проблемы состоят в усовершенствовании управления теплом с использованием, как уже упоминалось, большего теплоотвода, однако, это может недопустимо увеличить общий размер изделия и добавить общие затраты. В качестве альтернативы можно использовать импульсный преобразователь в качестве второй ступени преобразования мощности, который может обеспечить почти незаметное мерцание, но который значительно дороже и больше по размерам, а также добавляет потери. В другом подходе, чтобы избежать необходимости в пострегуляторе, используют больший накопительный конденсатор; однако физический размер конденсатора увеличивается со значением его емкости, и стоимость также увеличивается. Если не принимать корректирующих мер, лампа со временем может проявлять заметное мерцание.

Таким образом, целью изобретения является обеспечение усовершенствованного линейного пострегулятора, который избегает вышеупомянутых проблем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель изобретения достигается линейным пострегулятором по п. 1; с помощью

светодиодного осветительного устройства по п. 10; и способа по п. 13 пострегулирования тока светодиодной осветительной нагрузки.

Согласно изобретению линейный пострегулятор реализован для использования в светодиодном осветительном устройстве и содержит каскад контуров управления, реализованный для подключения между выводом светодиодной осветительной нагрузки и преобразователем мощности; транзистор, реализованный для регулирования тока светодиодов, протекающего через светодиодную нагрузку; первый вход для подключения к опорному току; второй вход для подключения к рабочему параметру; и выход для подключения выхода управления мощностью линейного пострегулятора к преобразователю мощности; при этом каскад контуров управления содержит по меньшей мере два взаимосвязанных контура управления, которые действуют вместе для регулирования тока светодиодов на основе входного сигнала опорного тока и для регулирования дополнительного рабочего параметра светодиодного осветительного устройства на основе входного сигнала рабочего параметра.

Рабочий параметр, который может управляться пострегулятором по изобретению, может представлять собой потери в пострегуляторе или мерцание (колебание) света, выводимого светодиодным устройством. Линейный пострегулятор по изобретению может с успехом снизить потери пострегулирования до минимума, при этом одновременно обеспечивая возможность корректируемого компромисса между размером конденсатора и мерцанием на световом выходе. Например, линейный пострегулятор по изобретению может обеспечить по существу постоянные потери пострегулирования или по существу постоянное мерцание на протяжении всего срока службы светодиодного осветительного устройства. Преимущество линейного пострегулятора по изобретению состоит в том, что становится возможной работа с минимальными потерями и/или работа с минимальной импульсной составляющей тока, позволяя при этом использовать меньший накопительный конденсатор. Линейный пострегулятор по изобретению можно реализовать, используя подходящие недорогие аналоговые компоненты. Физический размер линейного пострегулятора по изобретению также может быть достаточно небольшим, так что его можно использовать во множестве различных применений, в которых корпус светильника имеет отграниченное доступное пространство для дополнительной схемы, например, когда пострегулятор по изобретению используют для модернизации серий существующих изделий. Вывод светодиодной осветительной нагрузки может представлять собой её вывод катода (например, катода последнего светодиода в цепочке) или её вывод анода (например, анода первого светодиода в цепочке). Пострегулятор по изобретению предпочтительно подсоединяют между катодом светодиодной осветительной нагрузки и узловым или входным выводом преобразователя мощности. Например, последний светодиод цепочки светодиодов можно соединить со схемным узлом пострегулятора, а выход управления мощностью пострегулятора можно соединить с соответствующим узлом преобразователя мощности.

В соответствие с изобретением, светодиодное осветительное устройство содержит одноступенчатый преобразователь мощности для подключения к источнику питания, такому как сетевой источник питания; светодиодную осветительную нагрузку, содержащую ряд светодиодов; и линейный пострегулятор по изобретению, подключенный между выводом светодиодной осветительной нагрузки и выводом преобразователя мощности; и средства ввода для обеспечения (подачи) опорного тока и рабочего параметра для линейного пострегулятора. Этим рабочим параметром может быть опорное напряжение или импульсная составляющая опорного тока в зависимости от желаемого эффекта.

В светодиодном осветительном устройстве по изобретению указанные первый и второй входы могут содержать источник локального сигнала, то есть локального по отношению к осветительному устройству. Например, опорный ток и/или рабочий параметр можно получить из одного или более опорных напряжений, которые могут быть фиксированными согласно проекту или могут быть предварительно установлены, например, во время стадии конфигурирования. В дополнение или в качестве альтернативы, опорный ток и/или рабочий параметр могут передаваться на осветительное устройство в виде сигнала, например, беспроводного сигнала, в случае светодиодного осветительного устройства, которое реализуется как часть беспроводной сети.

Преимуществом светодиодного осветительного устройства является возможность реализации дешевого и компактного драйвера светодиодов. Линейный пострегулятор может быть выполнен с возможностью обеспечения либо постоянных потерь пострегулирования, либо постоянного мерцания на протяжении срока службы осветительного устройства независимо от динамического сопротивления светодиодной нагрузки, подключенной к драйверу.

Согласно изобретению способ пострегулирования тока светодиодной осветительной нагрузки содержит этапы обеспечения пострегулятора, содержащего каскад контуров управления из по меньшей мере двух взаимосвязанных контуров управления для подключения между выводом светодиодной осветительной нагрузки и узлом преобразователя напряжения, и транзистор для управления током светодиодов, протекающим через светодиодную осветительную нагрузку; обеспечения для пострегулятора первого входного сигнала для подключения к опорному току; обеспечения для пострегулятора второго входного сигнала для подключения к опорному напряжению или импульсной составляющей опорного тока; и применение каскада контуров управления для регулирования тока светодиодов на основе упомянутого опорного тока. С этой целью пострегулятор также обеспечивает выходной сигнал управления мощностью для преобразователя мощности.

Преимущество способа по изобретению заключается в удобном прямом способе использования имеющейся информации, касающейся тока и напряжения, для генерирования конкретных управляющих сигналов, которые регулируют ток светодиодов, а также один или более дополнительных рабочих параметров для обеспечения требуемого режима управления.

В зависимых пунктах формулы изобретения и нижеследующем описании раскрыты преимущественные варианты осуществления изобретения и признаки изобретения. Признаки вариантов осуществления можно комбинировать в случае необходимости. Признаки, описанные в контексте одной категории пункта формулы изобретения можно равным образом применить к другой категории пункта формулы изобретения.

Далее, без какого-либо ограничения изобретения можно допустить, что светодиодная осветительная нагрузка содержит по меньшей мере одну цепочку светодиодов. Например, светодиодная осветительная нагрузка может содержать цепочку светодиодов с прямым напряжением 100 В и общей номинальной мощностью 25 Вт, и можно реализовать недорогой драйвер, такой как относительно простой импульсный преобразователь мощности. Опять же без каких-либо ограничений изобретения можно допустить далее, что преобразователь мощности представляет собой импульсный источник питания, выполненный с возможностью получения высокого коэффициента мощности.

Как было указано выше, линейный пострегулятор по изобретению можно использовать в одном из двух режимов в зависимости от требуемого типа выполняемой коррекции или оптимизации. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения управление потерями регулирования в пострегуляторе выполняют на основе сигнала обратной связи от контура управления каскада контуров управления. В таком варианте осуществления рабочий параметр содержит входной сигнал опорного напряжения, который соответствует «требуемым потерям» или «опорным потерям», а каскад контуров управления реализован для обеспечения сигнала обратной связи или сигнала управления мощностью для преобразователя мощности, чтобы заставить соответствующим образом настраивать его выходное напряжение. «Сигнал управления мощностью» также далее может в дальнейшем называться «сигналом коррекции мощности». В этом варианте осуществления осветительное устройство работает в режиме управления «постоянными потерями».

В альтернативном предпочтительном варианте осуществления изобретения управление уровнем мерцания света, выводимого светодиодной осветительной нагрузкой, осуществляется на основе сигнала обратной связи из контура управления каскада контуров управления. В таком варианте осуществления рабочий параметр содержит импульсную составляющую опорного тока, которая представляет «требуемую импульсную составляющую тока» или «требуемое мерцание», а каскад контуров управления реализован для обеспечения сигнала обратной связи или сигнала коррекции мощности для преобразователя мощности, чтобы заставить его соответствующим образом настраивать импульсную составляющую тока в токе светодиодов. В таком варианте осуществления осветительное устройство работает в режиме «постоянного мерцания». Уменьшение импульсной составляющей или мерцания в пострегулированном светодиодном токе также может привести к полезному увеличению светового выхода и тем самым может компенсировать любое увеличение потерь в пострегуляторе.

В любом случае каскад контуров управления содержит контур управления, который регулирует ток, протекающий через светодиодное устройство. С этой целью линейный пострегулятор содержит первый контур управления, реализованный для обеспечения управляющего сигнала для транзистора. Полярность и величина этого управляющего сигнала зависит от типа используемого транзистора для обеспечения протекания тока через светодиоды. Предпочтительно транзистор является полевым транзистором (FET), таким как n-канальный полевой транзистор на основе структуры «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET – полевой МОП-транзистор), работающий в режиме обеднения. В линейном пострегуляторе по изобретению транзистор используется не в режиме переключения «вкл/выкл», а вместо этого управляется для работы либо в линейном режиме (в качестве управляемого сопротивления), либо в режиме насыщения/полной проводимости. В альтернативном варианте осуществления, который реализует использование в качестве транзистора биполярного транзистора (BJT), управляющий ток подается на базу биполярного транзистора. Предпочтительно первый контур управления обеспечен измерением тока светодиодов, а также сигналом, относящимся к входному сигналу опорного тока. Используя подходящую схему внутренней обратной связи, первый контур управления может непрерывно подстраивать управляющий сигнал для упомянутого транзистора по существу немедленно в ответ на мгновенную ситуацию, так что возможно непрерывное регулирование тока, протекающего через светодиоды, по необходимости.

В предпочтительном варианте изобретения линейный пострегулятор содержит второй контур управления, реализованный для генерирования опорного тока первого контура на основе упомянутого опорного тока и измеренного тока светодиодов. Более подробно это будет пояснено в описании чертежей.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления изобретения каскад контуров управления линейного пострегулятора содержит контур управления, реализованный для обеспечения управляющего сигнала для преобразователя мощности, управляющего его мощностью на основе упомянутого рабочего параметра и напряжения на пострегуляторе, в результате чего упомянутый управляющий сигнал используют для получения необходимой коррекции рабочего параметра, как было описано выше, в зависимости от того, реализован ли пострегулятор для обеспечения работы в режиме «постоянных потерь» или в режиме «постоянного мерцания» осветительного устройства. Поскольку первый и второй контуры управления действуют для управления упомянутым транзистором и регулируют тем самым уровень тока светодиодов, напряжение на пострегуляторе будет изменяться в соответствии с током светодиодов. В режиме работы при «постоянных потерях» это напряжение вместе с соответствующим входным сигналом рабочего параметра используется затем третьим контуром управления для формирования сигнала коррекции мощности, подаваемого на преобразователь мощности. В режиме работы при «постоянном мерцании» измеренный ток вместе с входным сигналом опорного тока используют для формирования сигнала коррекции мощности, подаваемого на преобразователь мощности.

Контуры управления линейного пострегулятора по изобретению можно реализовать любым подходящим путем. Предпочтительно контур управления содержит схему их аналоговых компонент и ряд операционных усилителей.

Другие цели и признаки настоящего изобретения станут очевидными из последующих подробных описаний, рассматриваемых вместе с сопроводительными чертежами. Однако следует понимать, что чертежи выполнены исключительно в целях иллюстрации, а не как ограничение пределов изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает упрощенное схематическое представление первого варианта осуществления светодиодного осветительного устройства по изобретению;

Фиг. 2 показывает первое детализированное схематическое представление светодиодного осветительного устройства по фиг. 1;

Фиг. 3 показывает первый вариант осуществления линейного пострегулятора по изобретению;

Фиг. 4 показывает второе детализированное схематическое представление светодиодного осветительного устройства по фиг. 1;

Фиг. 5А показывает примерные формы сигналов для светодиодного осветительного устройства по изобретению во время работы в режиме «постоянных потерь»;

Фиг. 5В показывает примерные формы сигналов для светодиодного осветительного устройства по изобретению во время работы в режиме «постоянного мерцания»;

Фиг. 6 показывает графики относительных потерь, обеспечиваемых линейным пострегулятором по изобретению;

Фиг. 7 показывает драйвер по предшествующему уровню техники для возбуждения светодиодного устройства;

Фиг. 8 показывает дополнительный драйвер по предшествующему уровню техники для возбуждения светодиодного устройства.

На чертежах подобные ссылочные позиции относятся к подобным объектам. Объекты на графиках не обязательно изображены в масштабе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 показывает упрощенное схематическое представление светодиодного осветительного устройства 2 по изобретению. Источник 22 питания подает выпрямленный сигнал на одноступенчатый входной импульсный преобразователь 21 с высоким коэффициентом мощности (HPF). К выводам преобразователя 21 подключен накопительный конденсатор или буферный конденсатор С_БУФ, который расположен параллельно последовательной конфигурации, содержащей осветительную нагрузку 20 и пострегулятор 1 по изобретению. Пострегулятор 1 по изобретению реализован для подключения между конечным катодом светодиодной осветительной нагрузки 20 и выводом преобразователя 21. Обеспечена индикация напряжения V_ПР на пострегуляторе 1. Осветительная нагрузка содержит светодиодное устройство 20, которое описано выше. Светодиодное осветительное устройство 2 содержит линейный пострегулятор 1 по изобретению, включающий в себя ряд каскадированных контуров управления для управления средним током I_СИД светодиодов, а также для уменьшения потерь в пострегуляторе. С этой целью на линейный пострегулятор 1 подаются опорные сигналы V_опор, I_опор, а пострегулятор 1, в свою очередь, формирует сигнал P_упр коррекции мощности, подаваемый на HPF преобразователь 21. Фиг. 1 показывает, что пострегулятор 1 получает две уставки V_опор, I_опор или опорные сигналы V_опор, I_опор и формирует управляющий сигнал P_упр, который подается в преобразователь 21 для достижения требуемого преобразования мощности. Например, если преобразователь 21 представляет собой импульсный преобразователь 21 мощности понижающего типа, то сигнал P_упр коррекции мощности может задавать пороговое значение входного пикового тока.

Средства 11, 12 ввода для обеспечения опорных сигналов V_опор, I_опор могут содержать источник локального сигнала, то есть локального по отношению к осветительному устройству 2. Например, входной сигнал опорного тока I_опор или входной сигнал рабочего параметра V_опор можно получить из одного или более опорных напряжений, которые могут быть установлены на этапе проектирования или которые могут быть предварительно установлены во время процедуры конфигурирования. Как уже было сказано, если светодиодное осветительное устройство 2 реализовано как часть беспроводной сети, опорные сигналы V_опор, I_опор могут передаваться в осветительное устройство 2 в виде беспроводного сигнала.

Фиг. 2 показывает возможную реализацию линейного пострегулятора 1 в осветительном устройстве 2 по фиг. 1, показывая, каким образом можно реализовать контуры управления линейного пострегулятора 1 для работы в режиме «постоянных потерь». Здесь для регулирования тока, протекающего через светодиодную осветительную нагрузку, использован полупроводниковый транзистор Q. Обеспечена индикация напряжения V_ПР на пострегуляторе 1. В этом варианте осуществления транзистор Q является n-канальным полевым транзистором на основе структуры «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET), работающим в режиме обеднения, который может управляться путем приложения подходящего напряжения на вывод затвора с тем, чтобы транзистор Q работал или в своем линейном режиме (то есть в качестве управляемого сопротивления), или в режиме насыщения/полной проводимости. В первом или «внутреннем» контуре ток I_СИД светодиодов управляется первым контроллером КНТ1 до уровня, заданного опорным сигналом I_{опор_L1} во время фазы T_ВИ «высокого интервала (напряжения)», как разъясняется ниже с помощью фиг. 5А. Внешний контур управления использует обратную связь ОС2 по току и контроллер КНТ2 для гарантированного удовлетворения требования к среднему току, как задано уставкой I_опор, и подает опорный сигнал I_{опор_L1} во внутренний контур. Третий контур содержит обратную связь ОС3 и контроллер КНТ3, который включает в себя преобразователь 21 мощности для управления общей преобразованной мощностью, для обеспечения требуемого уровня потерь в пострегуляторе, заданного уставкой или рабочим параметром V_опор. Эти три контура обратной связи функционируют вместе, управляя током I_СИД светодиодов на основе напряжения на затворе полевого МОП-транзистора Q и управляя напряжением V_шин на шине на основе сигнала P_УПР коррекции мощности, подаваемого на входной преобразователь 21.

Фиг. 3 показывает возможную реализацию контуров L1, L2, L3 управления в варианте осуществления линейного пострегулятора 1 по изобретению. Здесь блоки контроллеров могут быть реализованы с использованием операционных усилителей и пассивных компонент для слабых сигналов. Электрические подключения к внутреннему питающему напряжению обозначены обычным образом метками «V_подкл». Линейный пострегулятор 1 можно использовать в схеме освещения при подключении узла в правой верхней части схемы с последним катодом светодиодной цепочки и при подключении сигнала P_УПР коррекции мощности к соответствующему входу входного преобразователя 21 мощности. На схеме показано, как можно реализовать первый и второй контуры L1, L2 управления. Также здесь сигнал Q_упр управления управляет током I_СИД через светодиодное устройство, который, в свою очередь, воздействует на напряжение V_ПР на пострегуляторе и на падение напряжения V_ПН на транзисторе Q. Это, в свою очередь, влияет на значение опорного тока I_{опор_L1} первого контура и т.д. Поэтому, первый и второй контуры L1, L2 управления также соединены с третьим контуром L3 управления в каскаде контуров управления, поскольку напряжение V_ПР на пострегуляторе 1 используют для настройки сигнала P_УПР коррекции мощности, который выводится третьим контуром L3 управления, но на это напряжение также влияет выходной сигнал Q_упр управления, формируемый первым контуром L1 управления совместно со вторым контуром L2 управления.

Фиг. 4 показывает упрощенное схематическое представление другой конфигурации 2 светодиодного драйвера с другим вариантом осуществления линейного пострегулятора 1 по изобретению с использованием двух контуров L1, L2 управления. Эта компоновка в основном такая же как на фиг. 2, например, ток I_СИД светодиодов управляется первым контроллером КНТ1 первого контура управления до уровня, заданного опорным сигналом I_{опор_L1} в первом или «внутреннем» контуре L1. В этом варианте осуществления рабочий параметр содержит уставку ΔI_опор импульсной составляющей тока или «уставку мерцания», которая задает максимальную амплитуду импульсной составляющей тока, допустимую для тока I_СИД светодиодов. Поскольку мерцание непосредственно связано с импульсной составляющей тока, уставка ΔI_опор импульсной составляющей тока также может называться «требуемым мерцанием». Опорный сигнал I_{опор_L1} получают путем суммирования требуемой уставки ΔI_опор импульсной составляющей тока с опорным током I_опор. В этом варианте осуществления обеспечивается в явном виде управление импульсной составляющей тока посредством замкнутого контура управления как средним током (заданным опорным током I_опор), так и амплитудой ΔI_опор импульсной составляющей тока (связь между средним током светодиодов I_опор, опорным сигналом I_{опор_L1} и амплитудой ΔI_опор импульсной составляющей тока будет показана на фиг. 5В). Опорным входным сигналом I_опор можно управлять через преобразователь мощности (например, если преобразователь 21 мощности является преобразователем понижающего типа, то в качестве варьируемого значения можно использовать продолжительность его включения (рабочий цикл) или входной пиковый ток), а сигнал P_УПР коррекции мощности выводится контроллером КНТ2 второго контура управления. В этой реализации осветительное устройство 2 может возбуждаться для поддержания коэффициента мерцания по существу на постоянном требуемом уровне. Преимущество управления этого типа состоит в том, что могут быть нейтрализованы эффекты ухудшения буферного конденсатора C_БУФ на протяжении его срока службы.

В альтернативном варианте осуществления амплитуду ΔI_опор импульсной составляющей тока можно сформировать путем умножения среднего опорного тока I_опор на коэффициент, значение которого превышает единицу. Например, умножение на коэффициент 1,15 означает, что пиковое значение импульсного тока будет на 15% превышать средний ток. Управление такого типа может быть предпочтительным, если средний ток изменяется вследствие реконфигурации системы или если осветительное устройство необходимо использовать при работе в режиме регулируемого (ослабленного) освещения. В случае использования лампы с регулируемой яркостью коэффициент умножения также может быть выполнен в зависимости от среднего тока; то есть этот коэффициент умножения уменьшают при снижении яркости лампы.

Действие линейного пострегулятора по изобретению заключается в регулировке тока I_СИД светодиодов таким образом, чтобы потери в пострегуляторе 1 были минимальными (как пояснено на фиг. 2 и 3), или в уменьшении мерцания при обеспечении меньшей разности между высоким и низким уровнями выходного тока, то есть при уменьшении уровня флуктуации тока I_СИД светодиодов (как описано на фиг. 4). Фиг. 5А и 5В показывают сигналы напряжения (верхняя часть фигуры в каждом случае) и сигналы тока (нижняя часть фигуры в каждом случае) для вышеописанных светодиодных устройств 2. Фиг. 5А иллюстрирует работу пострегулятора 1 в режиме «постоянных потерь», в то время как фиг. 5В иллюстрирует режим «постоянного мерцания». Напряжение V_шин на шине и ток I_шин на шине драйвера 21 содержат составляющую постоянного тока (DC) и по существу синусоидальную составляющую переменного тока (AC). Каждый полупериод сетевого напряжения можно разбить на два интервала или фазы T_НИ, T_ВИ.

На первом интервале T_НИ напряжение V_шин на шине «низкое», то есть полуволна синусоидального напряжения V_шин на шине находится в нижней точке. В течение этого интервала T_НИ первый контур L1 управления подает управляющий сигнал Q_упр на транзистор Q так, что транзистор Q является полностью проводящим, а падение V_ПН напряжения на транзисторе Q фактически равно нулю. В течение этого интервала T_НИ результирующий ток I_СИД светодиодов также демонстрирует падение или находится в нижней точке, следуя синусоидальной форме тока I_шин на шине.

На втором интервале T_ВИ напряжение V_шин на шине «высокое», то есть полуволна синусоидального напряжения V_шин на шине представляет собой пик. В течение этого интервала транзистор Q управляется в линейном режиме или режиме постоянного тока, то есть как управляемый резистор, так, что ток I_СИД светодиодов остается на постоянном уровне, и на транзисторе Q имеется ненулевое падение V_ПН напряжения. В течение этого интервала T_ВИ результирующее напряжение V_СИД на светодиодах остается постоянным.

Левая часть фиг. 5А показывает ситуацию на раннем этапе срока службы осветительного устройства, которое работает в режиме «постоянных потерь». Буферный конденсатор C_БУФ имеет номинальное значение емкости 68 мкФ. Относительные потери определены равными 3%. На этой стадии измеренный коэффициент мерцания составляет 6%. Во время срока службы осветительного устройства конденсатор ухудшается. Пострегулятор 1 по изобретению компенсирует это в соответствии с входным сигналом ΔI_опор рабочего параметра. Это показано в правой части фиг. 5А, иллюстрирующей ситуацию позже в течение срока службы осветительного устройства. Буферный конденсатор C_БУФ ухудшается до половины своей номинальной емкости, т.е. до 34 мкФ. Благодаря пострегулированию по изобретению, относительные потери все ещё составляют приемлемые 3%. Коэффициент мерцания теперь определяется равным 17%. Другими словами, допускается некоторое увеличение мерцания как компенсация за постоянные потери, поскольку это снижает энергопотребление осветительного устройства ближе к концу его срока службы. Такой вариант осуществления может быть предпочтительным в применениях с ограниченным запасом по нагреванию, для которых перегрев является значительной проблемой и для которых слабое увеличение мерцания может быть незаметным.

Левая часть фиг. 5В показывает ситуацию на раннем этапе срока службы осветительного устройства, которое работает в режиме «постоянного мерцания». В этом случае также буферный конденсатор C_БУФ имеет номинальное значение емкости 68 мкФ. Относительные потери определены равными 2%. На этой стадии измеренный коэффициент мерцания составляет 10%. Когда осветительное устройство работает в режиме «постоянного мерцания», пострегулятор 1 по изобретению компенсирует ухудшение буферного конденсатора в соответствии с входным сигналом ΔI_опор рабочего параметра. Правая часть фиг. 5В показывает ситуацию позже в течение срока службы осветительного устройства. Буферный конденсатор C_БУФ ухудшается до половины своей номинальной емкости, т.е. до 34 мкФ. Благодаря пострегулированию по изобретению, коэффициент мерцания остался фактически постоянным и составляет теперь 11%. Относительные потери возросли до 5%. Другими словами, допускается некоторое увеличение потерь как компенсация за постоянное мерцание, чтобы поддерживать качество света, выводимого осветительным устройством к концу своего срока службы. Такой вариант осуществления может быть предпочтительным в таких применениях, как внутреннее освещение для домашних или офисных применений, в которых энергопотребление в любом случае относительно невелико, и в которых увеличение мерцания может быть заметно для пользователя.

Фиг. 6 показывает графики относительных потерь в пострегуляторе для разных типов светодиодов в зависимости от их относительного динамического сопротивления r_dyn [%], которое может обеспечить линейный пострегулятор по изобретению, для преобразователя мощности с единичным коэффициентом мощности. Относительное динамическое сопротивление представляет резистивную часть общего прямого напряжения светодиодов. Относительное динамическое сопротивление 10% (левая часть диаграммы) представляет имеющиеся в настоящее время светодиоды средней мощности, в то время как относительное динамическое сопротивление 5% (правая часть диаграммы) представляет имеющиеся в настоящее время светодиоды большой мощности. В будущем ожидается дальнейшее уменьшение относительного динамического сопротивления светодиодов.

В каждом случае семейство кривых показано для относительных потерь 0%, 1%, …, 5%. Относительные потери можно определить, как сто процентов минус эффективность (в процентах) пострегулирования. Ось Y в каждом случае представляет коэффициент мерцания, определенный стандартом IESNA, и график построен в зависимости от относительного размера накопительного конденсатора СБУФ по оси X (%). Размер конденсатора нормализован относительно идеального значения, необходимого для нулевого мерцания, и представляет случай идеальной второй стадии. Кривая для относительных потерь 0% представляет ситуацию, в которой пострегулирование отсутствует. Семейство кривых относится к различным значениям опорного напряжения V_опор, с помощью которого можно управлять потерями при пострегулировании.

Характеристические кривые показывают, что конденсатор С_БУФ может снизиться в цене всего лишь на несколько процентов по сравнению с потерями пострегулирования при поддержании одного и того же значения коэффициента мерцания. Для вышеупомянутого примера с лампой мощностью 25 Вт, с цепочкой светодиодов напряжением 100 В и с относительным динамическим сопротивлением 10% может поддерживаться коэффициент мерцания 0,1 при использовании буферного конденсатора С_БУФ емкостью 39 мкФ вместо конденсатора С_БУФ емкостью 129 мкФ с эффектом наведения относительных потерь в пострегуляторе 5%. Преимущество светодиодного осветительного устройства по изобретению состоит в том, что пострегулятор можно использовать для поддержания постоянным коэффициента мерцания, что является значительным усовершенствованием в виду ожидаемого ухудшения (параметров) накопительного конденсатора С_БУФ с течением времени. Вместо увеличения мерцания к концу срока службы (которое произойдет в случае, если устройство работало с постоянными потерями), работа в режиме «постоянного мерцания» позволяет слабое увеличение потерь пострегулирования для противодействия эффектам снижения емкости буферного конденсатора. В качестве альтернативы коэффициент мерцания можно значительно уменьшить без увеличения размера конденсатора С_БУФ. Например, для светодиодов с относительным динамическим сопротивлением r_dyn 5% коэффициент мерцания можно уменьшить примерно с 0,22 до примерно 0,17 для конденсатора одного и того же относительного размера, но с увеличением относительных потерь пострегулирования с 0% до 3%. В этом случае, в зависимости от спада светового потока светодиодов в процессе эксплуатации, можно также слегка увеличить средний световой выход. Уменьшение мерцания может также привести к более эффективной работе светодиодов. Это вместе с уменьшенным размером накопительного конденсатора, уменьшенным мерцанием и более предсказуемыми рабочими характеристиками оправдывает излишние потери.

Фиг. 7 показывает реализацию по предшествующему уровню техники, в которой для возбуждения светодиодного устройства 20 используют одноступенчатый драйвер 21. Также здесь преобразователь 21 мощности управляет средним током I₇₀ светодиодов на основе входного сигнала опорного тока 70. Как было объяснено во введении, такая одноступенчатая архитектура преобразования мощности может быть предпочтительной по причинам стоимости для возбуждения светодиодного устройства 20 даже если преобразователь 21 должен работать с высоким коэффициентом мощности. Это приводит к высокой импульсной составляющей в токе I₇₀ светодиодов, и эта импульсная составляющая также имеет отрицательное влияние на световую отдачу светодиодов. Нежелательная импульсная составляющая не может быть надежно подавлена накопительным конденсатором С_БУФ, подключенным параллельно со светодиодным устройством 20, из-за ограничений по размерам, непреодолимого уменьшения емкости со временем и неопределенностей, связанных с динамическим сопротивлением светодиодного устройства.

Фиг. 8 показывает другую реализацию по предшествующему уровню техники, в которой схема по фиг. 7 дополнена линейным пострегулятором 81, назначение которого состоит в управлении током I₈₀ светодиодов, в то время как преобразователь 21 мощности управляет питающим напряжением, подаваемым на светодиодное устройство 20. Падение напряжения на светодиодах обозначено как V_пад, в то время как падение напряжения на линейном пострегуляторе 81 обозначено как V_рег. Линейный пострегулятор 81 получает опорный сигнал 80 тока и регулирует ток I₈₀ светодиодов путем регулирования сопротивления, представленного транзистором линейного пострегулятора 81. В общем случае транзистор формирует управляемое сопротивление со значением, задаваемым отношением V_рег/I₈₀. Однако известные типы линейного пострегулятора 81 характеризуются относительно высокими потерями, учитывая мощность, рассеиваемую транзистором, а именно I₈₀·V_рег. Поскольку выходное напряжение преобразователя мощности является фиксированным, оно должно быть рассчитано так, чтобы всегда превышать V_пад. Таким образом, любые отклонения V_пад из-за вариаций температуры, биннинга, старения и т.д. приводят к увеличению V_рег и, следовательно, к увеличению потерь.

Хотя настоящее изобретение было раскрыто в виде предпочтительных вариантов осуществления и их вариантов, будет понятно, что к ним можно выполнить многочисленные дополнительные модификации и варианты, не выходя за рамки объема изобретения. Например, как было указано выше, пострегулятор можно расположить между преобразователем мощности и светодиодным устройством так, чтобы пострегулятор был соединен с анодом светодиодного устройства.

В целях ясности следует понимать, что использование единственного числа по всей заявке не исключает множества, а слово «содержащий» не исключает других этапов или элементов. Упоминание термина «блок» или «модуль» не исключает использование более одного блока или модуля.

Изобретение относится к осветительным устройствам. Техническим результатом является снижение потери пострегулирования до минимума, при этом одновременно обеспечивается возможность корректируемого компромисса между размером конденсатора и мерцанием на световом выходе. Результат достигается тем, что линейный пострегулятор (1), реализованный для использования в светодиодном осветительном устройстве (2), содержит каскад (L1, L2, L3) контуров управления, реализованный для подключения между выводом светодиодной осветительной нагрузки (20) и преобразователем (21) мощности светодиодного осветительного устройства (2); транзистор (Q), реализованный для регулирования тока (I_СИД) светодиодов через светодиодную осветительную нагрузку (20); первый вход (11) для подключения к входному сигналу (I_опор) опорного тока; второй вход (12) для подключения к входному сигналу (V_опор, ΔI_опор) рабочего параметра; и выход для подключения выходного сигнала (P_УПР) управления мощностью линейного пострегулятора (1) с преобразователем (21) мощности; при этом каскад (L1, L2, L3) контуров управления содержит по меньшей мере два взаимосвязанных контура (L1, L2, L3) управления для регулирования тока (I_СИД) светодиодов на основе входного сигнала опорного тока (I_опор) и для регулирования дополнительного рабочего параметра светодиодного осветительного устройства (2) на основе входного сигнала (V_опор, ΔI_опор) рабочего параметра. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Линейный пострегулятор (1), реализованный для использования в светодиодном осветительном устройстве (2), содержащий

каскад (L1, L2, L3) контуров управления, реализованный для подключения между выводом светодиодной осветительной нагрузки (20) и преобразователем (21) мощности светодиодного осветительного устройства (2);

транзистор (Q), реализованный для регулирования тока (I_СИД) светодиодов через светодиодную осветительную нагрузку (20);

первый вход (11) для подключения к опорному току (I_опор);

второй вход (12) для подключения к импульсной составляющей опорного тока (V_опор, ΔI_опор); и

выход для подключения выходного сигнала (P_УПР) управления мощностью линейного пострегулятора (1) к преобразователю (21) мощности;

при этом каскад (L1, L2, L3) контуров управления содержит по меньшей мере два взаимосвязанных контура управления (L1, L2, L3) для регулирования тока (I_СИД) светодиодов на основе входного сигнала опорного тока (I_опор) и для корректировки импульсной составляющей тока светодиодного осветительного устройства (2) на основе импульсной составляющей опорного тока (V_опор, ΔI_опор).

2. Линейный пострегулятор по п. 1, в котором входной сигнал импульсной составляющей опорного тока (V_опор, ΔI_опор) содержит опорное напряжение (V_опор) и в котором каскад (L1, L2, L3) контуров управления реализован для корректировки выходного напряжения (V_шин) преобразователя (21) мощности на основе опорного напряжения (V_опор).

3. Линейный пострегулятор по п. 1, содержащий первый контур (L1) управления, реализованный для подачи управляющего сигнала (Q_упр) на транзистор (Q).

4. Линейный пострегулятор по п. 1, содержащий второй контур (L2) управления, реализованный для формирования опорного тока (I_{опор_L1}) первого контура на основе входящего сигнала опорного тока (I_опор) и тока через транзистор (Q).

5. Линейный пострегулятор по п. 3 или 4, в котором управляющий сигнал (Q_упр) формируется на основе опорного тока (I_{опор_L1}) первого контура, поданного вторым контуром (L2) управления.

6. Линейный пострегулятор по п. 1, содержащий третий контур (L3) управления, реализованный для подачи выходного сигнала (P_УПР) управления мощностью на преобразователь (21) на основе входного сигнала импульсной составляющей (V _опор, ΔI_опор) опорного тока и напряжения (V_ПР) на пострегуляторе (1).

7. Линейный пострегулятор по п. 1, в котором транзистор (Q) является полевым МОП-транзистором, предпочтительно n-канальным полевым МОП-транзистором, работающим в режиме обеднения.

8. Линейный пострегулятор по п. 1, в котором контур (L1, L2, L3) управления содержит ряд операционных усилителей.

9. Светодиодное осветительное устройство (2), содержащее

одноступенчатый преобразователь (21) мощности для подключения к источнику (22) питания;

светодиодную осветительную нагрузку (20), содержащую ряд светодиодов;

линейный пострегулятор (1) по любому из пп. 1-8, подключенный между выводом светодиодной осветительной нагрузки (20) и выводом преобразователя (21) мощности; и

средства (11, 12) ввода для подачи входного сигнала опорного тока (I_опор) и входного сигнала импульсной составляющей (V _опор, ΔI_опор) опорного тока на линейный пострегулятор (1).

10. Светодиодное осветительное устройство по п. 9, в котором преобразователь (21) мощности является импульсным преобразователем (21) мощности с коррекцией коэффициента мощности.

11. Светодиодное осветительное устройство по п. 9 или 10, в котором средство (11, 12) ввода подключено к источнику локального сигнала в светодиодном осветительном устройстве (2) и/или средство (11, 12) ввода подключено к удаленному источнику сигнала.

12. Способ пострегулирования тока светодиодной осветительной нагрузки (20) светодиодного осветительного устройства (2), включающий этапы, на которых

обеспечивают пострегулятор (1), содержащий каскад (L1, L2, L3) контуров управления из по меньшей мере двух взаимосвязанных контуров (L1, L2, L3) управления для подключения между выводом светодиодной осветительной нагрузки (20) и преобразователем (21) мощности светодиодного осветительного устройства (2) и транзистор (Q) для регулирования тока (I_СИД) светодиодов через светодиодную осветительную нагрузку (20);

обеспечивают на пострегуляторе (1) первый вход (11) для подключения к входному сигналу опорного тока (I_опор); и

обеспечивают на пострегуляторе (1) второй вход (12) для подключения к входному сигналу импульсной составляющей (V_опор, ΔI_опор) опорного тока;

применяют каскад (L1, L2, L3) контуров управления для регулирования тока (I_СИД) светодиодов на основе входного сигнала опорного тока (I_опор) и для корректировки импульсной составляющей тока светодиодного осветительного устройства (2) на основе входного сигнала импульсной составляющей (V_опор, ΔI_опор) опорного тока.

13. Способ по п. 12, в котором управляют потерями регулирования пострегулятора (1) на основе выходного сигнала (P_УПР) управления мощностью из контура (L3) управления каскада (L1, L2, L3) контуров управления, когда входной сигнал импульсной составляющей (V_опор) опорного тока содержит входной сигнал опорного напряжения (V_опор).