Устройство защиты светодиодов от перегрузок

Изобретение относится к области электронной техники. Техническим результатом является повышение надежности, снижение потерь и улучшение динамических показателей, таких как уровень перенапряжения и интервал переходного процесса, при деструктивных воздействиях и в момент подключения светодиодов. Это достигается тем, что в излучающем устройстве, подключаемом к источнику электрической энергии, содержащем преобразователь электрической энергии, включающий выпрямитель с емкостным фильтром, стабилизатор напряжения, блок защиты с параллельным силовым ключом и катушкой индуктивности, соединенные последовательно, и параллельно-последовательные цепочки излучающих элементов, новым является то, что силовой ключ с катушкой индуктивности подключены последовательно ко всем светоизлучающим элементам, а алгоритм управления обеспечивает защиту устройства от всех деструктивных воздействий. Алгоритм управления силовым ключом заключается в том, что на интервале включения ограничивается максимальный коэффициент заполнения импульсов на уровне 0,5, а после выхода на установившийся режим работы сигнал управления формируется методом широтно-импульсной модуляции. 7 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках электропитания светодиодов с защитой от перегрузок по току и напряжению в переходных режимах.

Широко известно устройство защиты светодиодов от перегрузок по току и напряжению, где светоизлучающие элементы параллельно-последовательных цепочек объеденены в группы, каждая из которых дополнительно снабжена шунтирующим электронным элементом [1].

Устройство, реализующее известный способ, содержит (фиг.1) преобразователь электрической энергии 1, который включает в себя выпрямитель 2, выполненный на четырех выпрямительных диодах 15 по мостовой схеме с ограничивающим резистром 17; первый емкостный фильтр 3; варистор 4; стабилизатор напряжения 5, содержащий резистор 18, транзистор 19, узел управления 20, обратный диод 21, дроссель 22, делитель напряжения 23, второй емкостный фильтр 24; параллельно-последовательные цепочки 6 излучающих элементов 7 с ограничителями тока 8 и узел защиты, выполненный в виде соединенных последовательно предохранителя 10, катушки индуктивности 11, силового ключа 12, управляющий вход которого через резистор 13 соединен с выходом детектора напряжения 14.

Недостатками известного устройства являются большие потери на пассивных элементах узла защиты, низкая надежность из-за режима короткого замыкания во время открытого состояния транзистора в цепи защиты, установленной параллельно по отношению к нагрузке, что может привести к выходу его из строя, особенно в переходных режимах.

Целью изобретения является повышение надежности, снижение потерь и улучшение динамических показателей, таких как уровень перенапряжения и интервал переходного процесса при деструктивных воздействиях и в момент подключения светодиодов.

Поставленная цель достигается тем, что в излучающем устройстве, подключаемом к источнику электрической энергии, содержащем преобразователь электрической энергии, включающий выпрямитель с емкостным фильтром, стабилизатор напряжения, блок защиты с параллельным силовым ключом и катушкой индуктивности, соединенные последовательно, и параллельно-последовательные цепочки излучающих элементов, согласно изобретению новым является то, что силовой ключ с катушкой индуктивности подключены последовательно ко всем светоизлучающим элементам, а алгоритм управления обеспечивает защиту устройства от деструктивных воздействий, что исключает необходимость установки блока защиты и ограничителей тока во всех параллельных ветвях светоизлучающих элементов. Алгоритм управления силовым ключом заключается в том, что на интервале включения ограничивается максимальный коэффициент заполнения импульсов (на уровне 0,5) сигнала управления, а после выхода на установившийся режим работы сигнал управления формируется методом широтно-импульсной модуляции по среднему значению тока светодиодов, где коэффициент заполнения изменяется в пределах от 0 до 0,5.

При работе светодиодов ¹/₄ часть потребляемой электроэнергии расходуется на излучение и ³/₄ преобразуется в тепло. Поэтому при конструировании светодиодных светильников решающую роль в обеспечении их максимальной эффективности играет оптимизация теплового режима светодиода. Превышение температуры светодиода значительно снижает срок его службы и приводит к деформации корпуса. При разработке схем управления освещением необходимо достичь оптимального светового выхода, рассеяния мощности, надежности и возможно большего срока эксплуатации [2].

На фиг.2 представлена функциональная схема описываемого устройства двухпозиционного регулирования освещением в переходных режимах. Устройство содержит блок 8 ограничения и стабилизации тока для нормального функционирования светодиодов 7 как в стационарных, так и переходных режимах работы, питающихся через преобразователь электрической энергии 1, содержащий выпрямитель 2 и стабилизатор напряжения 5. Интегратор тока 38 формирует сигнал, пропорциональный среднему току датчика тока 25, и подключен к входу компаратора среднего тока 37, на инверсный вход которого поступает пилообразное напряжение с генератора 39, а выход компаратора присоединен к R входу триггера 35. Компаратор максимального тока 42 сравнивает сигнал датчика тока 25 с регулируемым через внешний вывод 44 эталоном 41. Сигналы с выходов схем температурной защиты 31 и защиты по напряжению 32 поступают на вход логической схемы И (36), второй вход которой присоединен к выходу RS-триггера 35. Задающий генератор 30 формирует тактовые импульсы с коэффициентом заполнения 0,5 и его выход соединен с входом формирователя импульсов запуска 34 и входом генератора пилы 39. Схема плавного включения 40 с возможностью внешней регулировки интервала через вывод 43 подключена к инверсному входу компаратора 42. Встроенный ключ на МОП-транзисторе 26, присоединен стоком к катушке индуктивности 27 и аноду диода 43, а истоком к земле через низкоомный датчик тока 25 и входу блоков 38, 42.

Активная защита от пусковых токов через светодиоды обеспечивается использованием цифровых 34, 35, 36 и аналоговых 37, 42 устройств, где в момент включения или иных деструктивных воздействиях осуществляется ограничение тока и уровня напряжения посредством фиксированной длительности сигнала, поступающего на затвор 26, а после выхода на стационарный режим происходит переход к регулированию по среднему значению тока светодиодов методом широтно-импульсной модуляции, что также снижает уровень перенапряжения и длительность переходного процесса.

Проверка функционирования устройства двухпозиционного регулирования освещением (фиг.2) проведена посредством моделирования в среде OrCAD [3] по разработанной математической модели, представленной на фиг.3. Исследования проводились в момент включения источника питания при варьировании числа светодиодов в ряду (D2…D4, D6…D8, D10…D12, D14…D16) и уровне напряжения питания V1. На выходе задающего генератора da4 формируются прямоугольные импульсы с частотой 150 кГц с уровнем, равным выходному напряжению преобразователя da1. RS-триггер выполнен на логических элементах ИЛИ-НЕ (DD5, DD6) и допускает блокировку подачи управляющих сигналов на усилитель мощности, выполненный на МОП-транзисторах t1, t2, инверторе dd4, резисторе r6. Транзистор t1 служит для ускорения выключения t2. Блок задержки включает конденсатор с4 и делитель r10, r11 для установки уровня ограничения максимального значения тока светодиодов. На выходе компаратора максимального тока da6 формируется “1” при превышении уровня напряжения на прямом входе компаратора, а на инверсный вход приходит сигнал обратной связи с датчика тока r7. На интервале запуска схемы, после окончания времени задержки, происходит ограничение пикового значения тока светодиодов на уровне 750 мА. На фиг.4а показаны входные (r2:1) и выходные (da6:out) сигналы компаратора максимального тока, а на фиг.4б - ток дросселя (11) и напряжение на шунте (r7:1), пропорциональное току светодиодов.

Колебательность переходного процеса при включении драйвера зависит от характеристик светодиодов и уровня напряжения питания. Проверка функционирования схемы драйвера проводилсаь посредством имитационных испытаний, где использовались модель эквивалента светодиода в виде последовательно включенных резистора, источника порогового напряжения смещения и моделей светодиодов из библиотеки среды OrCAD. На фиг.5 показано включение драйвера на линейную модель с напряжением смещения 9,45 В и сопротивлением 1,6 Ом, а на фиг.6 - на модель 3Х MLED81, где включение выполнялось при напряжении питания 35 В. Из диаграмм фиг.5, 6 видно, что на переходные процессы влияет эквивалент нагрузки, поэтому необходимо подбирать внешние элементы подключения в зависимости от конкретных параметров светодиодов. На фиг.7. показан процесс включения при двух MLED81 и показана форма выходного напряжения внутреннего регулятора при внешнем сглаживающем конденсаторе 0,2 мкф. Для подтверждения правильности работы предлагаемого устройства проведены натурные испытания в рамках выполнения ОКР по техническому заданию ФГУП «НЗПП с ОКБ».

Результаты исследований показали, что фиксированное значение коэффициента заполнения на уровне 0,5 приводит к более плавному изменению тока светодиодов на интервале включения, что снижает уровень перенапряжений и бросков тока, уменьшает время переходного процесса и исключает необходимость параллельного подключения ограничителей (резисторов или варисторов). Последнее приводит к повышению надежности и кпд. Кроме того, предлагаемое устройство имеет высокое быстродействие, так как время срабатывания цифровых устройств исчисляется единицами наносекунд.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Турышев К.О., Кутина И.Ю., Саукко Р.Т. Излучающее устройство. Авт. Св., №2264053, кл. Н05В 37/00, 2004.

2. Константинов В.И., Вставская Е.В., Барбасова Т.А., Волков В.О. Выбор оптимального режима работы светодиодных излучателей // Вестник ЮУрГУ, №2, 2010.

3. Роберт Хайнеман. PSPICE Моделирование работы электронных схем. - М.: Изд. ДМК-Пресс, 2005.

Устройство защиты светодиодов от перегрузок, содержащее преобразователь электрической энергии, включающий выпрямитель с емкостным фильтром, стабилизатор напряжения, узел защиты с параллельным силовым ключом и катушкой индуктивности, соединенные последовательно, и параллельно-последовательные цепочки излучающих элементов, подключенные параллельно выходам преобразователя электрической энергии через узел защиты, отличающееся тем, что силовой ключ с катушкой индуктивности подключены последовательно ко всем светоизлучающим элементам, а параллельно к ним подключен конденсатор и обратный диод, причем сток ключа соединен с катушкой индуктивности и анодом диода, исток подключен к общему проводу через датчик тока, а на затвор поступает управляющий сигнал, такой, что на интервале включения ограничивается максимальный коэффициент заполнения управляющих импульсов на уровне 0,5, а после выхода на установившийся режим работы сигнал управления формируется методом широтно-импульсной модуляции по среднему значению тока светодиодов, где коэффициент заполнения изменяется в пределах от 0 до 0,5, для чего в систему управления силовым ключом введены связанные между собой компаратор максимального тока и интегратор, входы которых присоединены к истоку ключа и датчику тока, выход интегратора подключен к прямому входу компаратора среднего тока, а инверсный вход соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, вход которого подключен к выходу задающего генератора; выход компаратора среднего тока присоединен к R входу RS-триггера, S вход которого соединен с выходом формирователя импульсов запуска, соединенного с выходом задающего генератора, а инверсный вход компаратора максимального тока соединен с выходом эталона; выходы блоков температурной защиты и защиты по напряжению присоединены к входу логической схемы И, второй вход которой присоединен к выходу RS-триггера; исток силового ключа подключен к прямому входу компаратора максимального тока, инверсный вход последнего соединен с выходами эталона и схемы плавного включения, входы которых являются внешними выводами устройства защиты светодиодов.