PL230365B1

PL230365B1 - Układ oświetleniowy LED

Info

Publication number: PL230365B1
Application number: PL418687A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Kamiński
Original assignee: Led Lease Spolka Akcyjna
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2018-10-31
Also published as: PL418687A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ oświetleniowy LED o wysokim współczynniku mocy.

Diody świecące, zwane powszechnie diodami LED (ang. Light Emitting Diodę) to diody emitujące promieniowanie w zakresie światła widzialnego, które ze względu na swoją dużą sprawność i wynikającą z niej wysoką skuteczność świecenia stają się coraz bardziej popularnymi źródłami światła w układach oświetleniowych.

Diody LED zasilane są ze źródła prądowego. Dla uzyskania odpowiednio wydajnego układu oświetleniowego wskazanym jest, aby stosować zasilacze stałoprądowe o możliwie wysokiej sprawności energetycznej.

W zaawansowanych zasilaczach diod LED stosuje się sterowniki LED (ang. LED driver) w postaci układów scalonych umożliwiających regulację prądu wyjściowego sygnałem wejściowym. Przykładowo, stosować można w tym celu układy takie jak HV9861 czy HV9961 firmy Supertex inc. Zastosowanie tego typu układu zgodnie z zaleceniami producenta umożliwia uzyskanie zasilacza stałoprądowego o współczynniku mocy (ang. Power Factor) PF wynoszącym około 0,7, przy sprawności przetwarzania około 80%. Znane jest stosowanie pasywnych lub aktywnych układów korekcji mocy, lecz powodują one znaczne skomplikowanie układu zasilacza, a przez to również jego gabarytów i ceny.

Wskazanym byłoby opracowanie alternatywnego układu oświetleniowego LED, którego zasilacz będzie się charakteryzował wysokim współczynnikiem mocy i wysoką sprawnością przy względnie prostej konstrukcji.

Przedmiotem wynalazku jest układ oświetleniowy LED zawierający matrycę diod LED zasilaną z zasilacza stałoprądowego o prądzie wyjściowym od 200 do 300 mA i napięciu zasilania od 100 do 120 V, który to zasilacz zawiera sterownik (S) ze sterowaniem ze sprzężeniem względem wartości średniej prądu na podstawie wejścia (LD) analogowej regulacji prądu i wejścia (PWMD) sygnału modulowanego wypełnieniem, charakteryzujący się tym, że wejście (LD) analogowej regulacji prądu sterownika (S) połączone jest poprzez dzielnik napięcia (R1, R2) z wejściem napięcia zasilającego (Vin) sterownika, przy czym napięcie zasilające (Vin) sterownika doprowadzone jest z prostownika (DB1) za pośrednictwem kondensatora wejściowego (C4) i diody Zenera (DZ1), przy czym kondensator wejściowy (C4) jest kondensatorem o pojemności od 220 nF do 470 nF, natomiast do zacisków wyjściowych (OUT) zasilacza przyłączony jest równolegle kondensator wyjściowy (C1) o pojemności od 33 μΡ do 470 μΡ.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schemat układu oświetleniowego LED według wynalazku;

Fig. 2A, 2B przedstawiają przykłady wykonania matryc diod LED do zasilania z zasilacza przedstawionego na Fig. 1;

Fig. 3A-3D przedstawia pomiary oscyloskopowe dla przykładu wykonania;

Fig. 1 przedstawia schemat zasilacza układu oświetleniowego LED według wynalazku.

Zasilacz zastosowany w układzie ma konfigurację niskoprądową, tj. diody LED zasilane są prądem w zakresie od 200 do 300 mA, przy wysokim napięciu zasilania, w zakresie od 100 do 120 V, co pozwala na zmniejszenie gabarytów indukcyjności i uzyskanie wysokiej sprawności zasilacza. Do zasilacza podłączona jest matryca diod LED o maksymalnym prądzie 300 mA i mocy poniżej 1 W, połączonych w układzie szeregowym, tak by sumaryczne napięcie na matrycy wynosiło od 100 do 120 V. W zależności od napięcia przewodzenia zastosowanych diod LED, stosować można od 30 do 50 diod połączonych szeregowo. Diody LED o prądzie przewodzenia poniżej 300 mA można stosować w połączeniu szeregowo-równoległym.

Przykładowe matryce diod LED, które mogą być zasilane z wyjścia OUT zasilacza przedstawionego na Fig. 1 przedstawiono na Fig. 2A (układ szeregowy) i 2B (układ szeregowo-równoległy).

Układ zawiera sterownik S ze sterowaniem ze sprzężeniem względem wartości średniej prądu. Sterownik Sjest zasilany na wejściu Vin z prostownika DB1 poprzez diodę Zenera DZ1 dla ograniczenia strat mocy w układzie scalonym. Prostownik DB1 zasilany jest za pośrednictwem diody DT1 stanowiącej szybkie zabezpieczenie prądowe i dławika T1 stanowiącego filtr zakłóceń wspólnych. Do dławika T1 doprowadzone jest zasilanie sieciowe poprzez układy filtrujące i zabezpieczenia przeciwzwarciowe i nadnapięciowe. Prąd wyjściowy zapewniany przez tranzystor mocy Q1 regulowany jest przez wyjście GATE sterownika S. Sterownik S dokonuje pomiaru prądu na tranzystorze Q1 na wejściu CS i zawiera wewnętrzny układ sprzężenia zwrotnego do zapewnienia wartości stałej prądu na wyjściu. Wartość prądu zasilania zależna jest od wartości sygnału na wejściu LD analogowej regulacji prądu (ang. Linear

PL 230 365 Β1

Dimming) oraz na wejściu PWMD dla sygnału modulowanego wypełnieniem (PWM) doprowadzonego ze złącza PL1 za pomocą transoptora, w celu izolacji galwanicznej od układu.

Istotną cechą rozwiązania według wynalazku jest to, że wejście analogowej regulacji prądu LD jest połączone poprzez dzielnik napięcia R1, R2 z wejściem napięcia zasilającego, dzięki czemu charakterystyka prądowa jest kształtowana zgodnie z przebiegiem napięcia zasilającego, co umożliwia osiągnięcie wysokiego współczynnika mocy PF, w zakresach powyżej 0,95. Co prawda powoduje to tętnienia prądu wyjściowego, lecz nie ma to większego znaczenia w tym zastosowaniu za względu na nieliniową charakterystykę napięciowo-prądową LED oraz właściwości luminoforu. W efekcie flicker (migotanie) jest na poziomie niższym niż 15%, co jest wartością porównywalną ze zwykłymi żarówkami halogenowymi (> 13%) i dużo lepszym niż świetlówek (~30%).

Sterowanie mocą świecenia matrycy diod LED, tj. wartością natężenia prądu wyjściowego, odbywa się poprzez regulację sygnału PWMD, który jest sygnałem o częstotliwości w zakresie od 1 do 3 kHz, i jego wypełnienie uzależnia moc świecenia.

Wejście LD jest więc wykorzystywane do poprawy współczynnika mocy, natomiast regulacja mocy świecenia matrycy diod LED jest regulowana przez użytkownika za pomocą wejścia PWMD.

Istotną cechą rozwiązania według wynalazku jest to, że na wejściu zasilania sterownika, pomiędzy prostownikiem a wejściem zasilania, zastosowano jedynie kondensator filtrujący C4 o niewielkiej pojemności (tj. o wartości od 220 nF do 470 nF, celem filtrowania zakłóceń wysokoczęstotliwościowych, przykładowo o pojemności 330 nF), zamiast stosowanych typowo kondensatorów o dużej pojemności (zwykle około 470 uF i więcej) do gromadzenia energii na wejściu układu.

Ponadto, istotną cechą rozwiązania według wynalazku jest to, że energia gromadzona jest na wyjściu układu za pomocą kondensatora C1, który może mieć znacznie mniejszą pojemność i wytrzymałość napięciową niż gdyby energia była gromadzona w kondensatorze wejściowym C4. Dzięki temu można stosować kondensator C1 o wartości od 33 μΡ do 220 μΡ (dobór ze względu na dopuszczalny flicker), korzystny kompromis to 100 μΡ przy wytrzymałości napięciowej 160 V.

Powyższa konstrukcja umożliwia uzyskanie wysokiej sprawności zasilacza, na poziomie powyżej 90%.

Przykład wykonania

W układzie przedstawionym na Fig. 1 zastosowano następujące elementy:

- kondensatory: C1: 100 μΡ/160 V; C2: 10 nF/160 V; C3: 1 nF/250 V; C4: 330 nF/400 V; C5: 4,7 μΡ; C6: 18 pF; C7: 100 nF/250 V; C8: 1 nF/250 V;

- rezystory: RF1 : 4,7 Ω; R1: 510 kQ/1%; R2: 510 kQ/1%; R3: 100 Ω; R4: 1 kΩ; R5: 10 kΩ; R7: 10 kΩ/1%; R8: 150 kΩ; R9: 1,6 Ω/1%; R10: 1,6 Ω/1%;

- warystor R6: 275 V, 400 A, 50 pF, przykładowo układ B72650M271K72 firmy EPCOS AG;

- dławik T1: dławik skompresowany prądowo z rdzeniem typu 9,8 UU, L=2x47 mH, l=0,2 A, przykładowo układ DUS-9,8/47/0,2-11 firmy Feryster;

- dioda DT1: dioda typu transil, napięcie przebicia 350 V, przykładowo układ SMBJ350CA-LF firmy Littelfuse;

- tranzystor mocy Q1: tranzystor MOSFET, z kanałem n, źródło połączone z rezystorami R9 i R10, przykładowo układ JPD60R750 firmy Infineon;

- dioda D1: dioda szybkiego przełączania, przykładowo układ STTH2R06 firmy ST Microelectronics NV;

- prostownik DB1: prostownik, przykładowo układ TB8S firmy PAN JUT SEMICONDUCTORS;

- dioda DZ1 : dioda Zenera 130 V, przykładowo układ BZG03C130 firmy Vishay;

- cewka zasilania L1: cewka 4,7 mH, przykładowo układ typu WE-PD-HV firmy Wurth Elektronik GmbH;

- sterownik S: sterownik LED ze sterowaniem ze sprzężeniem względem wartości średniej prądu, przykładowo układ HV9961 firmy Supertex Inc.

Do wyjścia OUT zasilacza przyłączono matrycę diod LED jak przedstawiono na Fig. 2B, zawierającą diody STW8O14D, o maksymalnym prądzie 200 mA i napięciu przewodzenia od 2,8 do 3,2 V i mocy 640 mW.

Działanie układu przedstawiono w pomiarach z oscylatora. Fig. 3A przedstawia przebiegi napięciowe (kanał CH1) i prądowe (kanał CH2) na wejściu LN, analogiczne kształty przyjmują przebiegi na elementach T1 i DB1. Fig. 3B przedstawia przebieg napięcia sterującego na wejściu LD sterownika dla poprawy współczynnika mocy. Fig. 3C przedstawia przebieg napięcia sterującego tranzystorem

PL 230 365 Β1 mocy Q1. Fig. 3D przedstawia przebiegi napięciowe (kanał CH1) i prądowe (kanał CH2) na kondensatorze wyjściowym C1.

W układzie oświetleniowym LED według takiego przykładu wykonania uzyskano współczynnik mocy PF równy 0,97, sprawność na poziomie 95%, przy tętnieniach prądu na poziomie ok. 22% i napięcia na poziomie ok. 4%. Tętnienia te nie stanowią istotnego problemu z powodów opisanych powyżej.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

1. Układ oświetleniowy LED zawierający matrycę diod LED zasilaną z zasilacza stałoprądowego o prądzie wyjściowym od 200 do 300 mA i napięciu zasilania od 100 do 120 V, który to zasilacz zawiera sterownik (S) ze sterowaniem ze sprzężeniem względem wartości średniej prądu na podstawie wejścia (LD) analogowej regulacji prądu i wejścia (PWMD) sygnału modulowanego wypełnieniem, znamienny tym, że wejście (LD) analogowej regulacji prądu sterownika (S) połączone jest poprzez dzielnik napięcia (R1, R2) z wejściem napięcia zasilającego (Vin) sterownika, przy czym napięcie zasilające (Vin) sterownika doprowadzone jest z prostownika (DB1) za pośrednictwem kondensatora wejściowego (C4) i diody Zenera (DZ1), przy czym kondensator wejściowy (C4) jest kondensatorem o pojemności od 220 nF do 470 nF, natomiast do zacisków wyjściowych (OUT) zasilacza przyłączony jest równolegle kondensator wyjściowy (C1) o pojemności od 33 μΡ do 470 μΡ.