Светодиодный световой прибор и способ его работы от сети переменного тока Российский патент 2024 года по МПК H05B45/00 H05B45/40 H05B45/46 

Изобретение относятся к области светотехники, а именно к осветительным устройствам и/или источникам света, с использованием полупроводниковых устройств - светодиодов - и может быть использовано при создании светодиодных источников света для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.

Светодиодные лампы, или светодиодные световые приборы (светильники), являются экономичными источниками света, основанными на светодиодах. Широко применяются для бытового, промышленного и уличного освещения, ввиду удешевления технологии изготовления светодиодов на текущий момент нашли очень широкое применение повсеместно. Светодиод подобен обычному диоду. В одну сторону он проводит ток, в другую сторону - не проводит. У светодиода имеются два вывода, это катод и анод. Если на анод подать плюс напряжения от источника питания, а на катод - минус необходимого для работы напряжения, то светодиод будет светиться, излучать свет. И это называется прямым включением. Если плюс и минус поменять местами, то светодиод светиться не будет. Это будет уже обратное включение светодиода к источнику питания. При обратном включении светодиод через себя ток не пропускает, он закрыт. Ток, конечно, течет (ток утечки), но его величина ничтожно мала (единицы микроампер). При этом стоит учесть, что у обычных индикаторных светодиодов максимальное обратное напряжение не так уж и велико (в большинстве случаев где-то до 5 вольт). То есть, если при обратном включении на светодиод подать более 5 вольт, то большая вероятность, что он просто выйдет из строя из-за электрического пробоя.

Известен светодиодный световой прибор (патент РФ № 168258, МПК: H05B 33/08 (2006.01), опубл. 25.01.2017 Бюл. № 3) с источником питания повышенной надежности, содержащий диодный выпрямитель, подключенный к сети через дроссель, включенный последовательно в один из сетевых проводов, конденсатор, подключенный непосредственно к питающей сети, и конденсатор, подключенный параллельно к выпрямителю на стороне выпрямленного напряжения, а также светодиоды. С целью повышения помехоустойчивости источник дополнительно содержит дроссель, включенный последовательно во второй сетевой провод. Оба дросселя выполнены на общем магнитопроводе.

Кроме того, конденсатор, подключенный параллельно к выпрямителю на стороне выпрямленного напряжения, состоит из двух соединенных последовательно отдельных или имеющих общий корпус конденсаторов, точка соединения которых заземлена.

Кроме того, параллельно каждому из конденсаторов, составляющих конденсатор, подключенный параллельно к выпрямителю на стороне выпрямленного напряжения, подключены конденсаторы в тысячу и более раз меньшей емкости. Данное устройство является достаточно сложным, что снижает его эффективность.

Наиболее близким к заявляемым изобретениям является полезная модель на устройство (патент РФ № 107642, МПК: H01L 33/00 (2010.01), опубл. 20.08.2011 Бюл. № 23), предназначенное для питания светодиодных светильников промышленного класса. Технический результат заключается в повышении защищенности от помех и выбросов напряжения в питающей сети, в повышении уровня надежности и ресурса схемы, превышающий ресурс светодиодов, понижении уровня производимых помех, повышении устойчивости к климатическим воздействиям (влажность, высокая или низкая температура), а также в обеспечении схемотехнической простоты, заключающейся в пониженных требованиях к уровню квалификации монтажных и ремонтных организаций. Устройство для питания светодиодных светильников содержит дроссель, один вывод которого подключен к одному из упомянутых полюсов источника питания, а другой - к одному из выводов одной из диагоналей диодного моста, второй вывод которой подключен к другому из упомянутых полюсов источника питания, в другую диагональ упомянутого диодного моста включена по меньшей мере одна цепь, состоящая из по меньшей мере одного светодиода. Недостатком устройства являются потери на выпрямление электрического тока, необходимого для питания светодиодов, в связи с чем оно не обладает достаточной эффективностью.

Понятия и определения

Светодиод - полупроводниковый источник света, который излучает свет при протекании через него тока. Пропускает ток только в одном направлении.

Светодиодный кластер (англ. cluster - скопление, группа) - устройство или часть устройства определенного размера с несколькими работающими совместно светодиодами и представляющее собой единый управляемый светодиодный излучатель (ru.wikipedia.org).

Токоограничивающий балласт - устройство, ограничивающее ток через электрическую нагрузку (en.wikipedia.org).

Диодный мост - электрическое устройство, электрическая схема для преобразования («выпрямления») переменного тока в пульсирующий (постоянный).

Целью изобретения является создание экономичного, простого светодиодного светильника. Техническим результатом является повышение эффективности работы светодиодного светового прибора (светильника), обуславливаемое снижением потерь на выпрямление электрического тока, необходимого для питания светодиодов, при простоте технического решения.

Технический результат достигается тем, что светодиодный световой прибор - светильник - включает балласт и светодиодный кластер. При этом один вывод балласта подключают к одному из полюсов источника питания, а другой вывод балласта подключают к одному из выводов светодиодного кластера. Второй вывод светодиодного кластера соединяют с источником питания. Светодиоды на входе и выходе из светодиодного кластера подключены по отношению друг к другу разными полярностями, образуя диодный выпрямительный мост, в нагрузку которого включена как минимум одна цепочка светодиодов.

Устройство может содержать две параллельные цепочки светодиодов или больше двух групп параллельных цепочек светодиодов.

Технический результат достигается тем, что светодиодный световой прибор, включающий балласт, светодиодный кластер, один вывод балласта подключен к одному из полюсов источника питания, а другой вывод балласта подключен к одному из выводов светодиодного кластера, второй вывод светодиодного кластера соединен с источником питания, при этом светодиоды на выводах (входе и выходе) из светодиодного кластера подключены по отношению друг к другу разными полярностями, образуя диодный выпрямительный мост, обладающий осветительной способностью. Данный светодиодный светильник не содержит светодиодов нагрузки.

Способ работы светодиодного светового прибора - светильника - включает подачу напряжения от источника переменного тока через балласт, один вывод которого подключен к одному из полюсов источника питания, а другой - к одному из выводов светодиодного кластера, при этом через один вход кластера ток поступает при положительной полуволне, а через другой вход кластера ток поступает при отрицательной полуволне, далее поступая на цепь из светодиодов, состоящую из последовательно соединенных светодиодов, количество которых больше или равно 1, образуя в цепи, состоящей из светодиодов, постоянный ток.

Суть технического решения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлено устройство для питания светодиодных светильников.

На фиг. 1а показано движение тока при положительной полуволне.

На фиг. 1б показано движение тока при отрицательной полуволне.

На фиг. 2 представлен частный случай выполнения светодиодных светильников с двумя параллельными цепочками светодиодов.

На фиг. 3 представлен частный случай выполнения светодиодных светильников с тремя параллельными цепочками светодиодов.

На фиг. 4 представлен частный случай выполнения светодиодных светильников без светодиодов нагрузки.

На фигурах позициями обозначены:

1 - кластер;

2 - источник питания U;

3 - токоограничивающий балласт R;

4 - светодиоды VD1-VD4, выполняющие функцию выпрямителя;

5 - светодиоды VDN, выполняющие функцию нагрузки (освещения), где N больше или равно 1;

6 - точка входа-выхода питания на кластер КТ1;

7 - точка входа-выхода питания на кластер КТ3;

8 - точка присоединения нагрузки к дросселю КТ2;

9 - точка присоединения нагрузки к дросселю КТ4.

В основе предлагаемого схемотехнического решения лежит способность светодиодов пропускать электрический ток в одну сторону и преобразовывать переменное напряжение сети в выходной ток при сохранении высокого КПД и фильтрации помех и выбросов напряжения в питающей сети.

В соответствии с фиг. 1 устройство согласно настоящему изобретению выполнено следующим образом.

Как правило, все электроснабжение работает с переменным напряжением - его проще передавать и преобразовывать в более низкое напряжение.

Переменное напряжение от источника питания U (2) через балласт R (3), например обмотку (обмотки) одно- или двухобмоточного дросселя, выполняющего функцию балласта и ограничивающего рабочий ток устройства, подается на кластер (1), образованный массивом светодиодов VD1-VDN (4). В случае использования двухобмоточного дросселя целесообразно его выполнить на общем сердечнике для повышения устойчивости устройства к коротким импульсам высокой энергии. Для повышения коэффициента мощности параллельно источнику переменного напряжения в схему может быть включен фазокомпенсирующий конденсатор С1 (на схемах не показано).

Один из полюсов источника питания U (2) через балласт R (3) связан с одним из выводов КТ1 (6) светодиодного кластера (1), состоящего из совокупности светодиодов VD (4, 5). Другой из полюсов источника питания U (2) напрямую или через дополнительный балласт (на фигурах не указан) связан с одним из выводов КТ1 (6) светодиодного кластера (1). К этим выводам/входам КТ1 (6) по выводу входу КТ3 (7) подключены разными полярностями светодиоды VD2-VD4 (4). Совокупность светодиодов VD1-VD4 (4) образует диодный выпрямительный мост.

Из схем и диаграмм на фиг. 1а, 1б видно, что источник переменного напряжения меняет свою полярность. Соответственно, ток также меняет свое направление. Таким образом, при положительной полуволне точка КТ1 (6) будет являться входом в кластер (1), а при отрицательной полуволне точка КТ1 (6) будет являться выходом из кластера (1). При отрицательной полуволне точка КТ3 (7) будет являться входом в кластер (1), при положительной полуволне точка КТ3 (7) будет являться выходом из кластера (1). Как видно из диаграммы на фиг. 1а, положительная полуволна будет проходить дальше, а отрицательная будет блокироваться диодом (принцип работы обратного клапана в гидравлике или золотника в пневматике). И наоборот. Таким образом, при изменении полярности питающего напряжения с «+» на «-» будут, соответственно, меняться точки входа и выхода в/из кластера (1).

Между светодиодами VD1 и VD2 подключена одним концом в точке КТ2 (8) нагрузка, состоящая из цепочки светодиодов VDN (5), другой конец которой присоединен в точке КТ4 (9) между светодиодами VD3-VD4 (4). Второй вывод кластера КТ3 (7) соединен с другим полюсом источника питания. Устройство может быть выполнено без нагрузки, состоящей из светодиодов VDN (5). В этом случае световой прибор будет работать благодаря выполнению кластера (1) только из светодиодов VD1-VD4, выполняющих одновременно функцию выпрямителя и освещения.

Светодиоды VD1-VD3 соединены в кластере симметрично светодиодам VD2- VD4 относительно выводов КТ1 (6) и КТ2 (7) кластера (1) и подключены по отношению друг к другу разными полярностями, образуя диодный выпрямительный мост, в нагрузку которого включена как минимум одна цепочка светодиодов VDN (5).

Светодиодный световой прибор работает следующим образом. Входное напряжение источника тока U (2) сети переменного тока преобразуется в выходной ток посредством балласта R (3), и положительная полуволна переменного тока поступает на вывод КТ1 (6) светодиодного кластера (1), далее через светодиод VD3 (4), реализующий функцию выпрямителя тока, поступает на светодиоды нагрузки VDN (5) диодного моста, образованного светодиодами VD1-VD4 (4), который преобразует переменный ток в пульсирующий, обеспечивая работу светодиодной цепочки на каждом полупериоде входного напряжения. Соответственно, в следующий период времени отрицательная полуволна переменного тока поступает на другой вход КТ3 (7) светодиодного кластера (1), далее через другую группу выпрямительных светодиодов VD4 (4) поступает на светодиоды VDN (5) нагрузки.

В зависимости от положительной или отрицательной полуволны питающего напряжения U выводы КТ1 (6) и КТ3 (7) будут менять свою функцию: при положительной полуволне вывод КТ1 (6) кластера (1) будет выполнять функцию входа в кластер, и наоборот, и наоборот, при отрицательной полуволне вывод КТ3 (7) кластера (1) будет выполнять функцию входа в кластер (1). При этом при положительной полуволне ток протекает через одну группу выпрямительных светодиодов VD (4), а при отрицательной полуволне - через вторую группу светодиодов VD (4). При этом протекающий через выпрямительные светодиоды VD (4) ток поступает на светодиоды нагрузки VDN (5), обеспечивая постоянное свечение светодиодов светильника по изобретению.

Для обеспечения корректного питания светодиодов нагрузки VDN (5) необходимо обеспечить постоянное напряжение, требующее наличие входа и выхода из кластера (1). В предложенном конструктивном решении вход и выход из кластера меняются местами в зависимости от полуволны питающего переменного напряжения U.

Поступившая на вывод КТ1 (6) кластера (1), обеспечивающего функцию входа, положительная полуволна напряжения питания U поступает на анод светодиода VD3 (4), соединенного с входом КТ1 (6) кластера (1), после чего поступает на цепь соединенных последовательно светодиодов нагрузки VDN (5) и далее поступает на анод светодиода VD2 (4), соединенного катодом с выходом КТ3 (7) из кластера (1).

Поступившее на вход КТ3 (7) кластера отрицательная полуволна напряжения питания U поступает на анод светодиода VD4 (4), соединенного со входом КТ3 (7) кластера (1) (при положительной полуволне выполняющего функцию выхода), после чего поступает на цепь соединенных последовательно светодиодов нагрузки VDN (5) и далее поступает на анод светодиода VD1 (4), соединенного катодом с выходом КТ1 (6) из кластера (1) (при положительной полуволне выполняющего функцию входа). Таким образом, независимо от того, какая полуволна, положительная или отрицательная, поступает на кластер (1), через цепь светодиодов нагрузки всегда протекает постоянный ток.

Таким образом, за полный период фазы переменного питающего напряжения U через все светодиоды VD кластера (1) протекает постоянный ток.

Суммарный ток, проходящий через цепь светодиодов нагрузки VDN (5), должен быть равен току, проходящему через выпрямительные светодиоды VD2 и VD3 при положительной полуволне входного напряжения и VD1 и VD4 - при отрицательной. Падение напряжения на светодиодах VD1+VD4+VDN должно быть равно падению напряжения на светодиодах VD2+VD3+VDN, что обеспечивает одинаковый рабочий ток светодиодов при положительной и отрицательной полуволне, и это напряжение должно быть меньше переменного напряжения питания U.

Переменное напряжение питания U через балласт подается к контрольным точкам КТ1 (6) и КТ3 (7) входа/выхода в кластер (1). При этом при положительной полуволне ток протекает от КТ1 (6) к КТ3 (7), а при отрицательной - от КТ3 (7) к КТ1 (6). Падение напряжения на выпрямительных светодиодах должно быть равно U_VD1 = U_VD2 = U_VD3 = U_VD4. Измерить падение напряжения на выпрямительных светодиодах можно следующим образом:

VD1 между КТ2 и КТ1 VD2 между КТ2 и КТ3 VD3 между КТ1 и КТ4 VD4 между КТ3 и КТ4

При этом эффективность схемы тем выше, чем ниже падение напряжения на выпрямительных диодах VD1-VD4. Падение напряжения в цепи светодиодов нагрузки измеряется между точками КТ4 и КТ2.

Общее падение напряжения на светодиодном кластере при положительной полуволне равно U_VD2 + U_VD3 + U_VDN, и его значение равно падению напряжения при отрицательной полуволне, равное U_VD1 + U_VD4 + U_VDN, где U_VDN - суммарное падение напряжения на светодиодах нагрузки VDN, N ≥ 1. Таким образом, используется следующая формула расчета падения напряжения на светодиодном кластере:

U_VD2 + U_VD3 + U_VDN = U_VD1 + U_VD4 + U_VDN.

Сопротивление балласта R должно быть минимально достаточным для стабилизации рабочего тока светодиодного кластера при минимальном падении напряжения ΔU_R.

У предлагаемого светодиодного осветительного прибора частота мерцания будет в два раза выше, чем частота в выпрямляющих светодиодах VD.

В частном случае выполнения светодиодных светильников с двумя параллельными цепочками светодиодов, представленном на фиг. 2, устройство будет работать следующим образом.

В случае, когда рабочий ток светодиодного кластера превышает максимально допустимый ток через единичный светодиод, применяется схема параллельного включения выпрямительных светодиодов и светодиодов нагрузки. При этом ток светодиодного кластера I_общ, протекающий между КТ1 и КТ3, для выпрямительных светодиодов равен I_общ/2, так как при положительной полуволне питающего напряжения ток проходит только через VD2.1 + VD2.2 и VD3.1 + VD3.2, а при отрицательной полуволне - через VD1.1 + VD1.2 и VD4.1 + VD4.2 и распределяется равномерно между выпрямительными светодиодами в каждом плече, то есть I_VD1.1 = I_VD1.2 , I_VD2.1 = I_VD2.2 , I_VD3.1 = I_VD3.2 , I_VD4.1 = I_VD4.2. Таким образом, общий ток рассчитывается по формуле:

I_общ = 2(I_VD1.1 + I_VD1.2) = 2(I_VD2.1 + I_VD2.2) = 2(I_VD3.1 + I_VD3.2) = 2(I_VD4.1 + I_VD4.2).

Для светодиодов нагрузки VDN.1 и VDN.2 общий ток через светодиоды будет равен:

I_общ = I_VDN.1 + I _VDN.2.

При этом амплитуда переменного напряжения питания рассчитывается по формуле:

U_пит = U_КТ1-КТ4 + U_КТ4-КТ2 + U_КТ2-КТ3 - ΔU_R при положительной полуволне,

U_пит = U_КТ3-КТ4 + U_КТ4-КТ2 + U_КТ2-КТ1 - ΔU_R при отрицательной полуволне, где ΔU_R - падение напряжения на балласте R.

Аналогично предыдущей принципиальной схеме, указанной на фиг. 2, реализуется схема при параллельном включении трех линий светодиодов. При этом ток светодиодного кластера I_общ, протекающий между КТ1 и КТ, для выпрямительных светодиодов равен I_общ/3, так как при положительной полуволне питающего напряжения ток проходит только через VD2.1 + VD2.2 + VD2.3 и VD3.1 + VD3.2 + VD3.3, а при отрицательной полуволне - через VD1.1 + VD1.2 + VD1.3 и VD4.1 + VD4.2 + VD4.3 и распределяется равномерно между выпрямительными светодиодами в каждом плече, то есть I_VD1.1 = I_VD1.2 = I_VD1.3, I_VD2.1 = I_VD2.2 = I_VD2.3, I_VD3.1 = I_VD3.2 = I_VD3.3, I_VD4.1 = I_VD4.2 = I_VD4.3. Таким образом, общий ток светодиодного кластера рассчитывается по формуле:

I_общ = 2(I_VD1.1 + I_VD1.2 + I_VD1.3) = 2(I_VD2.1 + I_VD2.2 + I_VD2.3) = 2(I_VD3.1 + I_VD3.2 + I_VD3.3) = 2(I_VD4.1 + I_VD4.2 = I_VD4.3).

Для светодиодов нагрузки VDN.1, VDN.2 и VDN.3 общий ток через светодиоды будет равен:

I_общ = I_VDN.1 + I_VDN.2 + I_VDN.3.

Амплитуда переменного напряжения источника питания рассчитывается по формуле:

U_пит = U_КТ1-КТ4 + U_КТ4-КТ2 + U_КТ2-КТ3 - ΔU_R при положительной полуволне,

U_пит = U_КТ3-КТ4 + U_КТ4-КТ2 + U_КТ2-КТ1 - ΔU_R при отрицательной полуволне, где ΔU_R - падение напряжения на балласте R.

Указанные на фиг. 2 и фиг. 3 схемотехнические решения имеют вполне очевидный практический смысл, так как позволяют создавать более мощные светодиодные кластеры при ограниченной амплитуде переменного напряжения питания. При этом все светодиоды кластера имеют одинаковые характеристики, что позволяет достичь высокой экономической эффективности при серийном производстве. Такое решение может быть реализовано с любым количеством параллельных линий выпрямительных светодиодов и светодиодов нагрузки, что позволяет создавать надежные устройства, работающие на высоких рабочих токах.

Заявленное устройство имеет практическую реализацию и в случае, когда отсутствуют светодиоды нагрузки, а освещение обеспечивается только светодиодами, выполняющими функцию выпрямления тока, что отражено на фиг. 4.

Данный частный случай отличается от предыдущих отсутствием светодиодов нагрузки в цепи кластера, то есть потенциал в контрольной точке КТ1 равен потенциалу в контрольной точке КТ3. Такая схема включения может быть эффективна при относительно невысоких значениях переменного напряжения питания. При такой схеме общий ток нагрузки рассчитывается по формуле:

I_общ = 2I_VD1.1-VD1.N = 2I_VD2.1-VD2.N = 2I_VD3.1-VD3.N= 2I_VD4.1-VD4.N

Это обусловлено тем, что при положительной полуволне ток будет протекать только через цепочки VD1.1-VD1.N и VD4.1-VD4.N (от КТ2 к КТ4), а при отрицательной полуволне - через цепочки VD3.1-VD3.N и VD2.1-VD2.N (от КТ4 к КТ3).

Амплитуда переменного напряжения источника питания рассчитывается по формуле:

U_пит = U_VD1.1-VD1.N + U_VD4.1-VD4.N - ΔU_R при положительной полуволне,

U_пит = U_VD2.1-VD2.N + U_VD3.1-VD3.N - ΔU_R при отрицательной полуволне, где ΔU_R - падение напряжения на балласте R.

Заявленные устройство и способ обеспечивают высокую эффективность преобразования электроэнергии в световой поток при схемотехнической простоте выполнения решения и могут быть использованы при создании светодиодных источников света для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.

Изобретение относятся к осветительным устройствам на светодиодах и может быть использовано в источниках света для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения. Светодиодный световой прибор включает балласт и светодиодный кластер. Один вывод балласта подключен к одному из полюсов источника питания, а другой вывод балласта подключен к одному из выводов светодиодного кластера. Второй вывод светодиодного кластера соединен с источником питания. При этом светодиоды на обоих выводах из светодиодного кластера подключены по отношению друг к другу разными полярностями, образуя диодный выпрямительный мост, в нагрузку которого может быть включена как минимум одна цепочка светодиодов. Устройство может содержать две параллельные цепочки светодиодов или больше двух групп параллельных цепочек светодиодов. Также предложен способ работы светодиодного светового прибора. Техническим результатом является повышение эффективности работы светодиодного светового прибора, обусловленное снижением потерь на выпрямление электрического тока, необходимого для питания светодиодов, при одновременной простоте технического решения. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Светодиодный световой прибор, включающий балласт, светодиодный кластер, один вывод балласта подключен к одному из полюсов источника питания, а другой вывод балласта подключен к одному из выводов светодиодного кластера, второй вывод светодиодного кластера соединен с источником питания, при этом светодиоды на обоих выводах из светодиодного кластера подключены по отношению друг к другу разными полярностями, образуя диодный выпрямительный мост, в нагрузку которого включена как минимум одна цепочка светодиодов.

2. Светодиодный световой прибор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит две параллельные цепочки светодиодов.

3. Светодиодный световой прибор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит больше двух групп параллельных цепочек светодиодов.

4. Светодиодный световой прибор, включающий балласт, светодиодный кластер, один вывод балласта подключен к одному из полюсов источника питания, а другой вывод балласта подключен к одному из выводов светодиодного кластера, второй вывод светодиодного кластера соединен с источником питания, при этом светодиоды на входе и выходе из светодиодного кластера подключены по отношению друг к другу разными полярностями, образуя диодный выпрямительный мост.

5. Способ работы светодиодного светового прибора, включающий подачу напряжения переменного тока от источника питания через балласт, один вывод которого подключен к одному из полюсов источника питания, а другой – к одному из выводов светодиодного кластера, при этом через один вход кластера ток поступает при положительной полуволне, а через другой вход кластера ток поступает при отрицательной полуволне, далее поступая на цепь светодиодов, состоящую из последовательно соединенных светодиодов количеством ≥1 шт., образуя в цепи из светодиодов постоянный ток.

6. Светодиодный световой прибор по пп. 1, 4, отличающийся тем, что все светодиоды кластера имеют одинаковые характеристики.