СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКАМИ СВЕТА Российский патент 2023 года по МПК H05B45/10 H05B47/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к электрическому освещению, а именно, к управлению источниками света с помощью электрических схем для работы источников света вообще и может быть использовано для офисного, промышленного, уличного и транспортного освещения с обеспечением повышенной надежности, низкого уровня электромагнитных помех и пульсаций светового потока на частоте коммутации, с применением источников света различной физической природы в режимах импульсных токов, например, светодиодных модулей, или разрядных ламп.

Известен способ управления источниками света, например, светодиодными модулями с использованием задания через параллельно включенные источники света постоянных токов от общего блока питания, преобразующего переменное напряжение сети в постоянное стабилизированное напряжение питания светодиодных модулей с использованием следующих функциональных преобразований в блоке питания: выпрямления переменного напряжения сети, коммутации выпрямленного напряжения, трансформации и выпрямления импульсного напряжения, выделения среднего значения и его стабилизации. Реализация способа описана, например, в журнале «Новости электроники», 2012 г., №5, в статье: Гасанов С. "Малые затраты, высокая производительность: источники питания Inventronics для LED-освещения."

Общими признаками известного и заявляемого способов управления источниками света являются применение нескольких параллельно включенных между собой источников света для получения необходимого для разработчика освещения светового потока (обозначим, в общем случае, число источников света буквой N), а также использование коммутации постоянного напряжения источника питания.

Технические проблемы, которые не могут быть решены при реализации известного способа, обусловлены заданием через каждый источник света постоянного тока с выхода общего для N источников света блока питания, поэтому коммутация постоянного напряжения в блоке питания производится при включенном состоянии всех N источников света и блока питания, т.е. коммутируемый ток соответствует сумме мощностей источников света и мощности потерь в блоке питания, что повышает амплитуды импульсов тока, коммутируемого в блоке питания, и тока, потребляемого от выпрямителя блока питания, а, значит, повышает мощность электромагнитных помех, а также амплитуду пульсаций напряжения на конденсаторе, шунтирующем выход выпрямителя блока питания, снижая надежность упомянутого конденсатора и срок его эксплуатации без замены. Кроме того, отказ блока питания, обусловленный, например, паспортными значениями вероятностей безотказной работы его комплектующих, приводит к одновременному прекращению свечения всех источников света, что дополнительно снижает надежность освещения по сравнению с заявляемым способом.

Снижение числа необходимых функциональных электрических преобразований, необходимых для реализации способа, обеспечивает известный способ управления источниками света, реализованный в устройстве, описанном в книге: Давиденко Ю.И. «Современная схемотехника в освещении», СПб, издательство «Наука и Техника», 2008 г., стр. 271, рис. 5.50.

Общими признаками известного и заявляемого способов являются применение N источников света, например, светодиодных модулей и задание через каждый из N источников света рабочих импульсов тока длительностью τ и длительностью периода повторения равным T, протекающих под действием коммутируемого постоянного напряжения внешнего источника питания.

Технические проблемы, которые не могут быть решены при реализации известного способа, обусловлены заданием посредством общего для N источников света коммутатора синхронных рабочих импульсов тока через источники света, что обуславливает повышение амплитуды импульсов тока, потребляемого от внешнего источника постоянного напряжения, и, следовательно, повышение мощности электромагнитных помех, повышение амплитуды пульсаций напряжения на конденсаторе, шунтирующем выход источника постоянного напряжения, снижая тем самым надежность конденсатора (особенно, при включении освещения зимой и работе летом при повышенных температурах), и снижая срок эксплуатации упомянутого конденсатора без замены. Синхронное задание токов через источники света обуславливает высокую амплитуду переменной составляющей в сумме токов через источники света, и, следовательно, - высокую пульсацию совокупного светового потока с периодом Т коммутации и возможность возникновения стробоскопического эффекта и сопутствующих ему аварий. Кроме того, задание синхронных импульсов тока через источники света обуславливает одновременное прекращение их свечения при отказе хотя бы одного из функционально необходимых для работы источников света пускорегулирующих элементов: коммутирующего транзистора, токозадающего дросселя и обратного диода. Отказы элементов обусловлены их паспортными значениями вероятностей безотказной работы и дополнительно снижают надежность освещения и срок безремонтной эксплуатации устройств, реализующих известный способ, по сравнению с использованием заявляемого способа.

Известен способ управления источниками света с применением параллельно включенных светодиодных модулей, реализованный в устройстве US 2014177664 А1, от 26.06.2014., МКИ Н05В 33/0806 (см. http://www.google.com/patents) с использованием задания через каждый из N светодиодных модулей стабилизированных постоянных токов с выхода соединенного с модулем одного из N импульсных стабилизаторов.

Общими признаками с заявляемым способом управления источниками света являются применение N светодиодных модулей, каждый из которых коммутируется последовательно включенным с модулем транзистором, соединенным последовательно с датчиком тока модуля.

Технические проблемы, которые не могут быть решены при реализации известного способа управления источниками света, обусловлены применением N импульсных стабилизаторов для питания N светодиодных модулей, что усложняет реализацию способа, повышает интенсивность отказов, сложность и себестоимость устройств, реализующих известный способ. Кроме того в импульсных стабилизаторах имеют место токи короткого замыкания выходных конденсаторов на время закрывания силовых диодов, повышая уровень помех, снижая КПД и надежность устройств, реализующих способ.

Ближайшим аналогичным (прототипом) заявляемому способу управления источниками света является способ, реализованный в устройстве US 2012098869 А1, от 26.04.2012 г. - Д1, МКИ Н05В 45/46 (cm. http://www.google.com/patents), с применением общего для N источников света импульсного стабилизатора (поз. 101, фиг. 1 описания прототипа), соединенного выходом с упомянутыми N светодиодными модулями (поз. 109, 111, 113, фиг. 1), каждый из которых включен последовательно с одним из N транзисторов (поз. 125, 127, 129), управляемых каждый от соответствующего из N фазовращателей (поз. 117, 119, 121), которые синхронизированы с широтно-импульсным модулятором (поз. 141) и импульсным стабилизатором (поз. 101).

Общими признаками известного и заявляемого способов управления источниками света являются применение N источников света, например, светодиодных модулей, задание через каждый источник света рабочих импульсов тока с длительностью τ, с периодом повторения Т, и сдвигом по фазе между рабочими импульсами тока через источники света, протекающих под действием коммутируемого постоянного напряжения источника питания.

Технические проблемы, которые не могут быть решены при реализации ближайшего известного способа управления источниками света:

- отказ импульсного стабилизатора (поз. 101, фиг. 1) вызывает прекращение свечения всех источников света, что снижает надежность освещения;

- силовой транзистор импульсного стабилизатора (поз. 131, фиг. 1) коммутирует ток, соответствующий суммарной мощности N источников света и мощности потерь в стабилизаторе, что повышает электромагнитные помехи, снижает КПД, повышает пульсации тока, потребляемого от выходного конденсатора импульсного стабилизатора, снижая его надежность и срок службы без замены;

- при включении силового транзистора (поз. 131) импульсного стабилизатора через силовой транзистор и ранее открытый силовой диод (поз. 105) протекает ток короткого замыкания выходного конденсатора (поз. 107) в течение времени закрывания силового диода, дополнительно снижая КПД, надежность стабилизатора и срок службы его выходного конденсатора, повышая уровень электромагнитных помех;

- из анализа фиг. 2в и пункта [0018] описания прототипа следует, что задание фазового сдвига между рабочих импульсов тока через источники света из условия перекрытия рабочих импульсов тока между собой по длительности вызывает изменение числа включенных источников света (см. фиг. 2 заявки) на интервале периода коммутации источников света, что повышает пульсацию совокупного светового потока источников света, ухудшая качество освещения, и повышает пульсацию тока, потребляемого от импульсного стабилизатора как источника постоянного напряжения, вызывая необходимость дополнительного увеличения емкости его выходного конденсатора;

- естественный разброс внутренних сопротивлений параллельно включенных источников света обуславливает неравномерное распределение импульсов тока через источники света, снижая их надежность и ограничивая область применения известного способа, например, для разрядных источников света.

Технические проблемы, которые могут быть решены при реализации заявляемого способа:

- задание сдвига по фазе между рабочими импульсами тока через источники света равным ϕ=T/N и пропускание рабочих импульсов тока каждого из N источников света через соединенный с источником света один из N дросселей повышает равномерность распределения и точность задания амплитуды рабочих импульсов тока при разбросе внутренних сопротивлений источников света, повышая надежность функционирования источников света, и расширяя область применения способа, например, для разрядных источников света;

- задание реактивного тока каждого из N дросселей через соединенный с дросселем один из N источников света в паузах (Т-τ) между рабочими импульсами тока через упомянутый источник света, дополнительно подавляет переменную составляющую в сумме токов через источники света, повышая качество освещения, а также снижает амплитуду и повышает в N раз частоту переменной составляющей тока, потребляемого от источника постоянного напряжения (см. диаграмму 6, фиг. 1), что позволяет снизить необходимую емкость конденсатора на выходе источника постоянного напряжения и применить типы конденсаторов с меньшей номинальной емкостью, но с большим сроком службы, или повысить надежность их функционирования и срок эксплуатации без замены;

- использование широтно-импульсного регулирования длительности рабочих импульсов токов через каждый источник света для стабилизации номинальных параметров токов управления источниками света по сигналу с датчика тока в цепи регулируемого источника света (т.е. независимая стабилизация тока управления каждого источника света), устраняет необходимость применения узла импульсного стабилизатора постоянного напряжения, что устраняет токи короткого замыкания, снижает потери мощности и электромагнитные помехи, повышает КПД и надежность устройств, реализующих заявляемый способ управления источниками света, а также обеспечивает резервирование источников света, и независимое отключение части источников света в количестве Z, изменяя при этом фазовый сдвиг между импульсами тока через функционирующие источники света и задавая его равным значению ϕ=T/(N-Z), где Z принимает значения от единицы до (N-2), что позволяет обеспечить максимальное подавление переменной составляющей тока, потребляемого от источника постоянного напряжения, и снизить переменную составляющую в сумме токов через источники света при отключении Z источников света.

Сущность изобретения в способе управления источниками света с применением в качестве источников света, например, светодиодных модулей в количестве N, с использованием задания через каждый источник света рабочих импульсов тока длительностью τ, с периодом повторения рабочих импульсов длительностью T и сдвигом по фазе между упомянутыми рабочими импульсами токов через источники света, протекающих под действием коммутируемого постоянного напряжения, заключается в том, что упомянутый ранее сдвиг по фазе между рабочими импульсами токов через источники света задают во времени равным значению ϕ=T/N, при этом номинальные значения параметров токов управления каждого из N источников света задают, пропуская его рабочие импульсы тока через один из N дросселей, каждый из которых соединен последовательно с одним из N упомянутых источников света, и обеспечивая широтно-импульсное регулирование длительности τ рабочих импульсов тока через каждый из N источников света по сигналу обратной связи с датчика тока, включенного последовательно с регулируемым источником света и соединенным с ним дросселем, причем, реактивный ток каждого из N дросселей в паузе (T-τ) между рабочими импульсами тока пропускают через один из N источников света, соединенный с данным дросселем.

Дополнительно предложено в заявляемом способе управления источниками света:

- суммировать индивидуальные световые потоки всех источников света, например, путем взаимного пространственного наложения упомянутых индивидуальных световых потоков;

- изменять значение сдвига по фазе между рабочими импульсами токов через источники света при отключении части источников света в количестве Z и задавать при этом значение сдвига по фазе равным ϕ=T/(N-Z), где Z принимает значения от единицы до (N-2);

- задавать длительность протекания реактивных токов каждого из N дросселей через соединенный с дросселем один из N источник света в паузах между рабочих импульсов тока короче длительности (T-τ) паузы, по меньшей мере, на интервал времени θ, не короче времени закрывания диода, проводящего реактивный ток упомянутого дросселя, соединенного с источником света.

Сущность заявляемого способа управления источниками света поясняется приложенным чертежом фиг. 1, на котором изображены: диаграммы 1, 2, 3, 4 - токи управления i₁(t), i₂(t), i₃(t), i₄(t) четырьмя источниками света с параметрами: I_м - максимальное значение амплитуды упомянутых токов управления источниками света и их рабочих импульсов; τ - длительность рабочих импульсов токов через источники света; T - длительность периода повторения рабочих импульсов и токов управления источниками света; (Т-τ) - длительность паузы между рабочими импульсами токов для задания реактивных токов дросселей; θ - интервал паузы, на котором реактивные токи дросселей равны нулю; диаграмма 5, i_c1(t) - сумма токов управления через все источники света; диаграмма 6, L_п1(t) - ток, потребляемый от внешнего источника постоянного напряжения; I_ос, I_оп - постоянные составляющие (средние значения), соответственно, тока i_c1(t) и тока i_п1(t) на диаграммах 5 и 6; I_c1, I_п1 максимальные амплитудные значения токов, соответственно, i_c1(t) и i_п1(t) на диаграммах 5 и 6; - переменные составляющие токов, соответственно, i_c1(t) и i_п1(t) на диаграммах 5 и 6; K_пс, K_п1 - коэффициенты пульсации токов, соответственно, i_c1(t) и i_п1(t) на диаграммах 5 и 6.

Сущность ближайшего известного способа управления источниками света (прототипа) поясняется диаграммами электрических процессов на фиг. 2, где изображены: диаграммы 1, 2, 3, 4 - рабочие импульсы токов через четыре источника света, фазовый сдвиг между которыми задан согласно известному способу (пункт [0018] и фиг. 2В описания прототипа) из условия перекрытия рабочих импульсов токов через источники света по их длительности τ на интервале периода повторения Т; диаграмма 5, сумма рабочих импульсов токов через четыре источника света i_c2(t), которая в соответствии с функционированием прототипа соответствует току i_п2(t), потребляемому источниками света от источника постоянного напряжения, т.е. i_c2(t)=i_п2(t) в любой момент времени на периоде повторения Т.

Для определения эффективности решения технических проблем, имеющих место в ближайшем аналогичном способе управления источниками света, посредством реализации заявляемого способа, диаграммы на чертежах фиг. 1 и фиг. 2 заявки выполнены в одном масштабе, для установившегося режима, равномерного распределения токов через источники света, и одинаковых значений исходных параметров: длительности рабочих импульсов τ, периода повторения рабочих импульсов токов через источники света Т, максимальной амплитуды рабочих импульсов тока через источники света I_м и линейного характера (что вполне реально) изменения токов управления источниками света на фиг. 1. С учетом известной зависимости величины светового потока светодиода от амплитуды тока через него (см. «Справочная книга по светотехнике », под ред. Ю.Б. Айзенбнрга, М., 3 изд., 2006 г., стр. 180-185), правомерно сделать вывод о том, что переменная составляющая совокупного светового потока от N модулей будет тем меньше, чем меньше переменная составляющая суммы токов i_c1(t) через упомянутые источники света. Сумму токов управления через источники света i_c1(t), диаграмма 5, фиг. 1 и сумму рабочих импульсов токов через источники света i_c2(t) на диаграмме 5, фиг. 2 определим графически, путем суммирования амплитуд токов на диаграммах 1, 2, 3, 4, на интервалах периодов Т. Ток, потребляемый от внешнего источника постоянного напряжения i_п1(t), диаграмма 6 фиг.1 - определим графически, суммируя амплитуды токов на диаграммах 1, 2, 3, 4, на интервалах рабочих импульсов токов длительностью τ. Постоянные составляющие I_ос, I_оп (средние значения) импульсных токов определим методом графического интегрирования - как амплитуду прямоугольника, площадь которого равна площади, ограниченной функцией импульсного тока на диаграмме, но распределенной равномерно на интервале периода повторения.

С учетом принятых выше допущений, определим значения параметров токов на диаграммах фиг. 1, характеризующих реализацию заявляемого способа управления источниками света.

Токи управления источниками света на диаграммах 1, 2, 3, 4 заданы со сдвигом по фазе ϕ=T/4 относительно друг друга и с интервалами θ, на которых реактивные токи равны нулю, обеспечивая устранение токов короткого замыкания, что снижает мощность электромагнитных помех, повышает КПД и надежность устройств, реализующих заявляемый способ. Сумма токов i_c1(t) через источники света (диаграмма 5,) фиг. 1 имеет: максимальное амплитудное значение I_c1=2,1I_м, постоянную составляющую I_ос=2,05I_м, переменную составляющую и коэффициент пульсации K_пс=0,02.

Ток, потребляемый от внешнего источника постоянного напряжения (диаграмма 6, фиг. 1), имеет максимальное амплитудное значение I_п1=1,5⋅I_м, его постоянная составляющая равна I_оп=1,25I_м, переменная составляющая равна , коэффициент пульсации равен .

Значения параметров токов на диаграммах фиг. 2.

Фазовый сдвиг между рабочими импульсами токов через источники света задан на диаграммах 1, 2, 3, 4 в соответствии с рис. 2В описания прототипа, при этом сумма рабочих импульсов токов через источники света на диаграмме 5 равна току, потребляемому от источника питания, т.е. с максимальным i_с2(t)=i_п2(t), с максимальным амплитудным значением I_c2=I_п2=3I_м, составляющей I_п2=2I_м, переменной составляющей , и коэффициентом пульсации K_п2=0,5.

Сравним параметры токов, потребляемых от источников постоянного напряжения, на диаграмме 6 фиг. 1 и диаграмме 5 фиг. 2: максимальная амплитуда в заявляемом способе равна I_п1=1,5I_м, в прототипе I_п2=3⋅I_м, т.е. на фиг. 1 - в 2 раза ниже; амплитуда переменной составляющей в заявляемом способе в прототипе , т.е. на фиг. 1 - в четыре раза ниже, а частота пульсаций в четыре раза выше (период пульсации равен Т/N, диаграмма 6); постоянная составляющая в заявляемом способе равна I_оп=1,25I_м, а в прототипе I_о2=2I_м, т.е. на фиг. 1 - в 1,6 раза ниже.

Сравним значения параметров суммы токов через источники света на диаграммах 5 фиг. 1 и фиг. 2: максимальная амплитуда в заявляемом способе I_с1=2,1I_м, а в прототипе I_с2=3I_м, т.е. на фиг. 1 - в 1.43 раза ниже; амплитуда переменной составляющей в заявляемом способе равна в прототипе , т.е. на фиг. 1 - в 25 раз ниже.

Сравнение параметров показало, что реализация заявляемого способа управления источниками света обеспечивает решение проблем, имеющих место в ближайшем аналогичном способе, а именно:

- повышает надежность устройств, реализующих способ, за счет применения минимального числа функциональных узлов (устранен импульсный стабилизатор), повышения точности распределения токов через источники света (за счет пропускания рабочих импульсов источников света через дроссели), обеспечения резервирования источников света за счет независимого отключения части источников света в условиях автономной стабилизации параметров токов через источники света;

- расширяет область применения способа управления источниками света, например, для разрядных источников света за счет повышения точности распределения токов через параллельно включенные источники света с повышенным разбросом внутренних сопротивлений.

-повышает срок эксплуатации сглаживающих конденсаторов без замены, понижает уровень электромагнитных помех, за счет снижения амплитуды переменной составляющей тока, потребляемого от источника постоянного напряжения и повышения частоты упомянутой переменной составляющей в N раз (см. фиг. 1, диагр. 6);

- повышает качественные параметры освещения за счет подавления в десятки раз переменной составляющей в сумме токов управления источниками света, влияние нестабильности постоянного напряжения внешнего источника питания подавляется за счет независимой широтно-импульсной стабилизации параметров тока через каждый источник света.

Предлагаемый способ управления источниками света может быть реализован на базе источников света различной физической природы, в том числе имеющих значительный разброс внутренних сопротивлений, с обеспечением задания через них как однополярных, так и двухполярных рабочих импульсов тока, с использованием внешнего источника постоянного напряжения с выхода выпрямителя, или с клемм аккумуляторов, и, с учетом возможности решения описанных выше проблем, может найти широкое применение для освещения. Проектирование силовой части устройств, для реализации предлагаемого способа, исчерпывающе рассмотрено, например, в монографии: В.И. Мелешин «Транзисторная преобразовательная техника», М., Техносфера, 2006 г.; дроссели целесообразно применять стандартные, например, ДМ, Д13-21 (RU), или SMD-типа компании EPCOS, например, B82732R, и др. Блок управления в устройстве может быть реализован на базе известных микросхем, выпускаемых серийно, например, для управления по заявляемому способу двумя источниками света возможно применение микросхемы типа 1156ЕУ2, параметры см. в книге «Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение». М., ДОДЕКА, 1997 г., стр. 170-177.

Способ относится к электрическому освещению, в частности, к управлению источниками света с помощью электрических схем и может быть реализован с применением источников света различной физической природы, например, светодиодных модулей, или разрядных ламп с дроссельным ограничением амплитуды периодических рабочих импульсов тока. Технический результат - повышение качества освещения и устранения возникновение стробоскопического эффекта путем снижения пульсации совокупного светового потока. В способе управления источниками света, с применением в качестве источников света, например, светодиодных модулей в количестве N, с использованием задания через каждый источник света рабочих импульсов тока длительностью τ, с периодом повторения рабочих импульсов длительностью Т и сдвигом по фазе между упомянутыми рабочими импульсами токов через источники света, протекающих под действием коммутируемого постоянного напряжения. Сдвиг по фазе между рабочими импульсами токов через источники света задают во времени равным значению ϕ=Т/N. Номинальные значения параметров токов управления каждого из N источников света задают, пропуская его рабочие импульсы тока через один из N дросселей, каждый из которых соединен последовательно с одним из N упомянутых источников света, и обеспечивая широтно-импульсное регулирование длительности τ рабочих импульсов тока через каждый из N источников света по сигналу обратной связи с датчика тока, включенного последовательно с регулируемым источником света и соединенным с ним дросселем. Реактивный ток каждого из N дросселей в паузе (T-τ) между рабочими импульсами тока пропускают через один из N источников света, соединенный с упомянутым дросселем. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления источниками света, с применением в качестве источников света, например, светодиодных модулей в количестве N, с использованием задания через каждый источник света рабочих импульсов тока длительностью τ, с периодом повторения рабочих импульсов длительностью Т и сдвигом по фазе между упомянутыми рабочими импульсами токов через источники света, протекающих под действием коммутируемого постоянного напряжения, отличающийся тем, что упомянутый выше сдвиг по фазе между рабочими импульсами токов через источники света задают во времени равным значению ϕ=Т/N, при этом номинальные значения параметров токов управления каждого из N источников света задают, пропуская его рабочие импульсы тока через один из N дросселей, каждый из которых соединен последовательно с одним из N упомянутых выше источников света, и обеспечивая широтно-импульсное регулирование длительности τ рабочих импульсов тока через каждый из N источников света по сигналу обратной связи с датчика тока, включенного последовательно с регулируемым источником света и соединенным с ним дросселем, причем реактивный ток каждого из N дросселей в паузе (T-τ) между рабочими импульсами тока пропускают через один из N источников света, соединенный с упомянутым дросселем.

2. Способ управления источниками света по п. 1, отличающийся тем, что индивидуальные световые потоки источников света суммируют, например, путем взаимного пространственного наложения упомянутых индивидуальных световых потоков.

3. Способ управления источниками света по п. 1, отличающийся тем, что при отключении части источников света в количестве Z, например, вследствие отказов, значение сдвига по фазе между рабочими импульсами токов функционирующих источников света изменяют и задают равным значению ϕ=Т/(N-Z), где Z принимает значения от единицы до (N-2).

4. Способ управления источниками света по п. 1, отличающийся тем, что длительность протекания реактивных токов каждого из N дросселей через соединенный с ним один из N источников света в паузах между рабочими импульсами токов задают короче длительности (Т-τ) упомянутых пауз, по меньшей мере, на интервал времени θ, длительность которого не меньше времени закрывания диода, проводящего реактивный ток дросселя, соединенного с соответствующим источником света.