УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ
Вид РИД
Изобретение
Область техники
Настоящее изобретение относится к системам освещения, и в частности к адаптерам питания для твердотельных источников света.
Предшествующий уровень техники
В последнее время твердотельные источники света, такие как светодиоды (LED, СД), стали использовать в обычные системы освещения, в частности, в применяемые в домашней обстановке. Светодиоды представляют собой управляемые током устройства, яркость которых, по существу, пропорциональна их прямому току. Поэтому обычно твердотельный источник света приводят в действие с помощью адаптера питания, который регулирует ток через источник света, и который регулирует ток для управления интенсивностью световой отдачи, при этом типично используют широтно-импульсную модуляцию (PWM, ШИМ). В частности твердотельные блоки освещения, включающие в себя множество твердотельных источников света стали популярными при использовании в домашней обстановке для получения, так называемого, освещения, "создающего настроение", как описано в WO 2006/018604. Если предусмотреть светодиоды трех разных цветов (типично красного, зеленого и синего цвета), то общий цвет световой отдачи светодиодных блоков освещения можно изменять посредством независимого изменения интенсивности световой отдачи каждой из разных цветовых групп.
Обычный способ регулирования тока светодиода состоит в том, что светодиод подключают к источнику питания с неизменяющимся током. В частности источник питания с неизменяющимся током обычно регулирует напряжение на резисторе, измеряющем ток, таким образом, что неизменяющийся ток, протекающий через светодиод, определяется опорным напряжением источника питания и значением резистора, измеряющего ток. Однако, светодиоды типично имеют прямую разность потенциалов, которая изменяется от устройства к устройству, в пределах допустимого диапазона, из-за температуры и производственных разбросов параметров. Недостаток использования источника питания с неизменяющимся током, поэтому, состоит в том, что полная мощность и, следовательно, интенсивность световой отдачи разных светодиодов, вероятно, будут разными. Это может привести -к неоднородной световой отдаче между блоками освещения.
В WO 2006/018604, описано множество компоновок адаптеров питания и контроллеров для уменьшения силы света для систем освещения, имеющих одновременно блоки освещения на лампах накаливания и твердотельные модули освещения. Эти существующие адаптеры питания позволяют управлять интенсивностью световой отдачи и/или цветовой характеристикой твердотельного блока освещения при формировании сигналов приведения в действие для светодиодов, используя обычную широтно-импульсную модуляцию (PWM) или используя технологию пилообразных колебаний с квадратичной зависимостью характеристики, как описано в WO 2007/026170, таким образом, что изменения рабочего цикла (или длительности включения) тока приведения в действие светодиода позволяют получить соответствующие изменения величины среднего значения тока, поступающего в светодиоды через адаптер питания. Этот каскад регулирования тока обычно выполнен как управляемый процессором замкнутый контур, который получает питание от импульсного источника питания для понижения напряжения питающей сети. Однако, такие адаптеры питания могут быть причиной гармоник тока, получаемого из питающей сети, что может привести к нарушению стандартов IEC (МЭК, Международная электротехническая комиссия), которые налагают ограничения на амплитуду диапазона гармоник тока, которые могут быть получены из питающей сети.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного адаптера питания, который преодолевает или, по существу, смягчает указанные выше и/или другие недостатки, предшествующего уровня техники.
В соответствии с первым аспектом изобретения предложен адаптер питания для блока освещения, имеющего твердотельный источник света, адаптер питания, содержащий вход для соединения с основным источником питания, модуль передачи мощности, соединенный с входом и обеспечивающий выходной сигнал, подходящий для приведения в действие твердотельного источника света, и контроллер, выполненный с возможностью подавать сигнал управления в модуль передачи мощности, при этом модуль передачи мощности, включает в себя последовательно-параллельный резонансный контур LCL, и адаптер питания получает ток со входа, как функцию напряжения на входе, таким образом, что интенсивностью световой отдачи от твердотельного источника света можно управлять с помощью внешнего устройства понижения мощности.
Адаптер питания в соответствии с изобретением, имеет принципиальное преимущество, поскольку адаптер питания и подключенный к нему твердотельный источник света могут быть представлены, как переменный резистор, для питающей сети и, следовательно, твердотельный источник света будет действовать как обычная лампочка с нитью накала. Интенсивностью световой отдачи твердотельного источника света, поэтому, можно управлять с помощью внешнего устройства понижения мощности. В качестве альтернативы, интенсивностью световой отдачи твердотельного источника света можно управлять с помощью комбинации внешнего устройства понижения мощности, и внутреннего контроллера, который позволяет понижать мощность, получаемую со входа адаптера питания. Например, внутренний контроллер может быть выполнен с возможностью обеспечивать понижение мощности, получаемой со входа адаптера питания, когда доступна максимальная величина доступной мощности, и затем сокращать понижение, когда величина доступной мощности падает, таким образом обеспечивая следование твердотельного источника света нелинейной кривой уменьшения силы света.
Дополнительное преимущество адаптера питания в соответствии с изобретением состоит в том, что твердотельный источник света, который типично представляет собой светодиод (СД), может быть обеспечен заранее определенной средней мощностью для получения желательной интенсивности световой отдачи. Адаптер питания, поэтому, позволяет достигать определенной интенсивности световой отдачи, независимо от прямой разности потенциалов светодиода. Наиболее предпочтительно, средняя мощность, обеспечиваемая в светодиод, по существу, равна средней мощности, получаемой со входа адаптера питания. Адаптер питания и подключенный светодиод будут, поэтому, действовать, как обычная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, подключенная к устройству понижения мощности, при этом интенсивность их световой отдачи, по существу, снижается при снижении мощности, получаемой со входа, и, следовательно, адаптер питания не выполняет регулирование постоянного выходного сигнала для светодиода.
Адаптер питания получает ток со входа как функцию напряжения на входе, что позволяет представить адаптер питания, как переменный резистор, для питающей сети. Это предпочтительно достигается путем: (i) и минимизации входной емкости адаптера питания, (ii) получением со входа синусоидальной формы волны тока, который является, по существу, синфазным с синусоидальной формой волны напряжения на входе, и (iii) получением тока, который пропорционален напряжению, таким образом, что ток спадает при падении напряжения. Эти особенности снижают искажения тока и токи гармоник, получаемых из питающей сети, и повышают КПД и коэффициент мощности адаптера питания, благодаря исключению емкостной нагрузки, существующей для питающей сети. Действительно, эти особенности позволяют представлять для питающей сети адаптер питания и соединенный с ним твердотельный источник света, как обычную лампу.
Твердотельный источник света предпочтительно представляет собой светодиод (СД) или последовательность из двух или более светодиодов. Поскольку разность потенциалов на светодиоде или последовательности двух или более светодиодов, по существу, постоянна, адаптер питания, предпочтительно, управляет током, получаемым со входа, для поддержания средней мощности, получаемой со входа, по существу, постоянной с заранее определенным значением. Заранее определенная средняя мощность, предпочтительно, определяется, по меньшей мере, частично, опорным сигналом, который может включать в себя сигнал управления, обеспечиваемый контроллером.
Адаптер питания, предпочтительно, выполнен с возможностью получать ток со входа, который, по существу, пропорционален напряжению на входе. В частности, модуль передачи мощности, предпочтительно, выполнен с возможностью получать синусоидальную форму волны тока со входа, который является, по существу, синфазным с синусоидальной формой напряжения на входе, и модуль передачи мощности и/или контроллер, предпочтительно, включает в себя умножитель, который определяет пропорциональное соотношение между током и напряжением для получения заранее определенной средней мощности, получаемой со входа. Модуль передачи мощности и/или контроллер, предпочтительно, выполнены с возможностью, воспринимать форму волны напряжения на входе адаптера питания, и определять требуемый ток, который будет получен со входа, на основе этой формы волны напряжения. Адаптер питания, предпочтительно, включает в себя устройство отображения напряжения, которое предусматривает представление пониженной амплитуды напряжения на входе адаптера питания.
Модуль передачи мощности включает в себя последовательно-параллельный резонансный контур LCL, который может быть выполнен с возможностью получать синусоидальную форму волны тока со входа, который является, по существу, синфазным с синусоидальной формой волны напряжения на входе. В этом случае, контроллер адаптера питания, предпочтительно, определяет пропорциональное соотношение между током и напряжением, которое позволяет получать со входа заранее определенную среднюю мощность, и следовательно, действует, как умножитель, описанный выше.
Модуль передачи мощности, предпочтительно, включает в себя трансформатор и один или больше диодов на его выходе, от которых сигнал выходной мощности подают к источнику света. Трансформатор изолирует источник света от питающей сети, и один или более диодов обеспечивают отсутствие обратных токов, которые могут повредить источник света.
Схема управления контроллера может быть запитана от встроенного источника питания.
Когда схема управления контроллера запитывается от встроенного источника питания, этот источник питания, предпочтительно, получает мощность прямо от основного источника питания, наиболее предпочтительно, через вход адаптера питания. В частности источник питания, предпочтительно, представляет собой источник питания с неизменяющимся током, такой как импульсный регулятор неизменяющегося тока, который, предпочтительно, не образует чрезмерно большой бросок тока при включении и имеет малую стоимость. Схема управления, предпочтительно, выполнена с возможностью самостоятельного выключения во время периодов выключения цикла питающей сети, например когда адаптер питания соединен с TRIAC (СТТ, симметричный триодный тиристор) или подобным устройством, так, чтобы устройство неизменяющегося тока могло быть небольшим по мощности, и, следовательно, обеспечивался высокий КПД.
Адаптер питания, предпочтительно, включает в себя схему детектирования неисправности, которая отключает модуль передачи мощности при удалении нагрузки, например, в случае отказа или отсоединения источника света. Схема детектирования неисправности, предпочтительно, включает в себя оптрон для поддержания изоляции источника света от питающей сети. Такая схема детектирования неисправности представляет собой схему обратной связи, но она, предпочтительно, не получает мощность с выхода модуля передачи мощности во время нормальной работы и, следовательно, ее не следует путать с активной схемой обратной связи, которая регулирует выходную мощность. Схема детектирования неисправности становится активной только во время состояния неисправности, и не существенна для управления выходной мощностью во время нормального использования.
Модуль передачи мощности может быть выполнен с возможностью управления одиночным светодиодом или последовательностью светодиодов. Адаптер питания, предпочтительно, включает в себя множество модулей передачи мощности, которые генерируют отдельные выходы. Наиболее, предпочтительно, мощность, доступная со входа, одинакова для любого из модулей передачи мощности, и их выходные сигналы приводят в действие отдельные светодиоды и/или последовательности светодиодов. Следует отметить, что в отсутствии какого-либо сигнала управления от контроллера, выходная мощность снижается вместе со снижением входной мощности и, следовательно, обеспечивает представление светодиода, как обычную лампу накаливания.
Контроллер, предпочтительно, выполнен с возможностью обеспечивать сигнал управления, который изменяет опорный сигнал, подаваемый в модуль передачи мощности, и, следовательно, изменяет -заранее определенную среднюю мощность, получаемую со входа. Когда адаптер питания включает в себя множество модулей передачи мощности, контроллер, предпочтительно, позволяет независимо изменять опорные сигналы, обеспеченные в эти модули передачи мощности. Эта особенность позволяет независимо изменять интенсивность света, излучаемого отдельными светодиодами и/или последовательностью светодиодов. В частности контроллер, предпочтительно, выполнен с возможностью принимать команды через интерфейс пользователя, который может быть выполнен в форме устройства понижения мощности, включенного последовательно с адаптером питания, последовательные данные через проводной или беспроводной контроллер, или сигналы управления, предусмотренные непосредственно в адаптере питания. Контроллер, предпочтительно, программируют с одним или более профилями освещения, которые определяют подход, в соответствии с которым опорные сигналы, обеспечиваемые в модули передачи мощности, изменяются в ответ на команды, поступающие через интерфейс пользователя. Контроллер, предпочтительно, изменяет опорный сигнал при выводе сигнала управления, который, предпочтительно, смещает опорный сигнал на некоторое постоянное напряжение.
Любое изменение опорного сигнала, обеспеченного в модуль передачи мощности, осуществляемое посредством сигнала управления контроллера, предпочтительно, производят в точках перехода через нуль сигнала входной мощности или, в качестве альтернативы, с частотой меньшей, чем частота сигнала входной мощности, так, чтобы ток, получаемый адаптером питания, сохранял, по существу, форму синусоидальной волны, синфазной с напряжением на входе, и минимизировались гармонические искажения тока. Дополнительно, существует возможность вносить искажения, предпочтительно, в форме пилообразных колебаний с регулируемым уровнем постоянного тока, с достаточно малой амплитудой, которая не вызывает искажение тока, получаемого со входа, в большей степени, чем разрешено соответствующим стандартом для гармоник. Эти пилообразные формы волны позволяют получить преимущество характеристики с квадратичной зависимостью мощности для обеспечения точного управления током на низких уровнях, как описано в WO 2007/026170. Амплитуду пилообразной формы волны, предпочтительно, можно снижать, когда уровень постоянного тока перемещается к управлению более высокой мощностью, для минимизации искажений гармоники в конкретном канале.
Поскольку каждый модуль передачи мощности не является регулятором мощности, когда устройство понижения мощности снижает мощность, доступную на входе адаптера питания, то выходная мощность снижается пропорционально этому снижению. Каждый модуль передачи мощности обычно получает пониженную среднюю мощность со входа, и следовательно, обеспечивает пониженную среднюю мощность на выходе при снижении мощности, доступной на входе адаптера питания. Однако, каждый модуль передачи мощности может быть разработан для поддержания тока, полученного со входа, большего значения чем требуется для максимальной световой отдачи соединенного с ним светодиода, когда максимальная величина мощности доступна на входе адаптера питания, которую тогда, в свою очередь, для обеспечения только мощности, требуемой для максимального выходного сигнала, и не более, снижают контроллером. Поскольку внешнее устройство понижения мощности понижает доступную входную мощность, контроллер может тогда изменить опорный сигнал, обеспеченный в каждый модуль передачи мощности так, чтобы ток, получаемый со входа, возрос, и средняя мощность на выходе поэтому оставалась равной мощности, требуемой светодиодом для максимальной яркости. Это позволяет получать максимальную яркость светодиода, даже когда мощность, доступная на входе адаптера питания, будет понижена, до тех пор, пока мощность, доступная на входе адаптера питания, не будет, как обычно, равна мощности, требуемой для максимальной яркости светодиода. Любое понижение мощности, доступной для модуля передачи мощности, ниже этого порога, обязательно приведет к уменьшению силы света светодиода.
Контроллер, предпочтительно, выполнен с возможностью детектировать среднее напряжение, например, действующее напряжение питающей сети, и выбирать соответствующее пропорциональное соотношение между током, получаемым на входе адаптера питания, и напряжением на входе адаптера питания для поддержания одинаковой заранее определенной средней мощности для двух или более разных средних значений напряжения питающей сети. Когда модуль передачи мощности и/или контроллер включает в себя умножитель, который определяет пропорциональное соотношение между током и напряжением, которое позволяет получать заранее определенную среднюю мощность, контроллер, предпочтительно, обеспечивает опорный сигнал в умножитель, который зависит от среднего напряжения питающей сети. Наиболее предпочтительно, контроллер выполнен с возможностью детектировать, присутствует ли в питающей сети действующее напряжение приблизительно 110 В или действующее напряжение приблизительно 230 В, и подавать соответствующий опорный сигнал в умножитель. В частности, опорный сигнал для действующего напряжения 110 В может составлять приблизительно 200% опорного сигнала для действующего напряжения 230 В.
Обычно, ток, подаваемый в светодиод, должен быть ограничен резистором, последовательно включенным со светодиодом, чтобы исключить повреждение светодиода. Однако, поскольку адаптер питания в соответствии с изобретением может быть выполнен с возможностью обеспечения заранее определенной средней мощности в светодиод, и разность потенциалов светодиода, по существу, постоянна, ток будет регулироваться без использования последовательно включенного резистора или регулировки измеренного тока на выходе.
На входе адаптер питания может включать в себя фильтр для снижения тока гармоник, получаемого из питающей сети. Фильтр может содержать малую цепь из неэлектролитического конденсатора-индуктивности. На входе адаптер питания, предпочтительно, также включает в себя выпрямитель, который преобразует входную форму волны в одну из постоянных полярностей. Наиболее, предпочтительно, выпрямитель представляет собой двухполупериодный выпрямитель, который реверсирует отрицательный (или положительный) участки волны переменного тока. Однако, в адаптере питания нет необходимости обеспечивать установившийся сигнал постоянного тока на входе модуля передачи мощности, и, следовательно, накопительный конденсатор большой емкости (также известный как накопительный конденсатор или сглаживающий конденсатор), предпочтительно, не предусмотрен между входом адаптера питания и модулем передачи мощности. Действительно, адаптер питания, предпочтительно, по существу, не содержит электролитические конденсаторы. Это позволяет спроектировать источник питания с минимальным реактивным сопротивлением, минимальным пусковым током и длительным сроком службы при уменьшенных размерах и стоимости по сравнению с адаптерами питания предшествующего уровня техники для твердотельных систем освещения. Накопительный конденсатор большой емкости может быть предусмотрен на выходе модуля передачи мощности, но это не существенно для функционирования адаптера питания с обычным твердотельным источником света.
Адаптер питания в соответствии с изобретением пригоден для использования в системе освещения, в которой применяют любое устройство понижения мощности для определения мощности, доступной на входе адаптера питания. В частности, устройство понижения мощности может представлять собой переменный резистор, такой как регулируемый автотрансформатор или реостат. Адаптер питания также выполнен с возможностью работать в системах освещения, которые включают в себя управление силой света, для которой используют управление фазой полупроводникового выпрямителя, чтобы снизить мощность, доступную на входе адаптера питания. В этом случае, однако, модуль передачи мощности может быть выполнен с возможностью получения минимального тока из питающей сети для поддержания стабильности полупроводникового выпрямителя во время полного цикла питающей сети, пока блок освещения не будет выключен, для того чтобы обеспечить длительное функционирование управления силой света.
В предпочтительных в настоящее время вариантах воплощения модуль передачи мощности выполнен с возможностью немедленно получать мощность, как только напряжение появляется на входе адаптера питания, таким образом, что модуль передачи мощности обеспечивает достаточно непрерывную и плавно изменяющуюся проводимость для поддержания включенным устройства симметричного триодного тиристора во время остатка цикла питающей сети. Поэтому любая интегральная схема модуля передачи мощности, предпочтительно, поддерживает работу в режиме ожидания, когда напряжение отсутствует на входе адаптера питания, например, когда устройство симметричного триодного тиристора формирует период выключения цикла питающей сети, и выполнено с возможностью немедленно и непрерывно получать мощность, когда напряжение присутствует. Наиболее предпочтительно, контроллер выполнен с возможностью детектировать, присутствует ли напряжение на входе адаптера питания, и посылать сигнал управления в интегральную схему модуля передачи мощности для переключения этой интегральной схемы в режим ожидания, когда напряжение не детектируют на входе, и в рабочий режим, когда напряжение детектируют на входе. "Режим ожидания" означает, что интегральная схема получает достаточную мощность для работы, но модуль передачи мощности не получает достаточную мощность из питающей сети, чтобы приводить в действие твердотельный источник света. "Рабочий режим" означает, что модуль передачи мощности получает достаточную мощность от питающей сети, чтобы приводить в действие твердотельный источник света.
Следовательно, когда устройство понижения мощности выполнено с возможностью включения и выключения напряжения на входе адаптера питания, по меньшей мере, один раз за каждый цикл, например, используя симметричный триодный тиристор (TRIAC), контроллер, предпочтительно, выполнен с возможностью переключать интегральную схему модуля передачи мощности в режим ожидания всякий раз, когда напряжение не детектируют на входе, и в рабочий режим всякий раз, когда напряжение детектируют на входе. Интегральную схему модуля передачи мощности можно, таким образом, переключать между режимами ожидания и рабочим режимом много раз за секунду, например, 100 раз каждую секунду при питании от питающей сети 50 Гц. Эта компоновка поддерживает высокий КПД при низких затратах во все периоды включения симметричного триодного тиристора при питании от питающей сети.
Когда адаптер питания выполнен с возможностью приводить в действие множество твердотельных источников света и, следовательно, содержит множество выходных каналов, контроллер, предпочтительно, выполнен с возможностью независимо переключать интегральные схемы множества модулей передачи мощности в режим ожидания. В частности, контроллер, предпочтительно, выполнен с возможностью, отключать твердотельный источник света посредством переключения в режим ожидания интегральной схемы связанного с ним модуля передачи мощности.
Адаптер питания, поэтому, может содержать выход для источника света с высоким КПД, такого как источник белого света, а также одного или более источников с более низким КПД, таких как источники цветного света. В этом варианте воплощения адаптер питания может быть выполнен с возможностью переключать один или более источников с низким КПД (например, источники цветного света) в режим ожидания при подаче мощности на выход с высоким КПД (например, источник белого света) при заранее определенном уровне мощности, таком как максимальный уровень мощности. Такая компоновка позволяет получить очень высокий КПД на максимальном уровне мощности.
Эта компоновка также позволяет получить систему освещения, в которой блок света обеспечивает белый свет на максимальном уровне мощности, и цветные световые эффекты, такие как более теплый белый свет, на пониженных уровнях мощности. В частности, источник света с высоким КПД, предпочтительно, источник белого света с высокой цветовой температурой, и один или больше источников света с пониженным КПД, предпочтительно, включают в себя цветной источник света, такой как источник желтого света, для смешивания с источником белого света, чтобы получить более желательный, например, более теплый "белый" свет. Такая компоновка, таким образом, способствует использованию пониженных уровней мощности, что позволяет, поэтому, экономить энергию без какого-либо снижения КПД на максимальном уровне мощности.
Когда схема управления адаптера питания запитана от встроенного источника питания неизменяющегося тока, этот источник питания, предпочтительно, включает в себя возможность выключения, таким образом, что ненужная мощность не будет поступать, когда выходы с пониженным КПД не активны.
В соответствии с дополнительным аспектом изобретения, предусмотрена система освещения, содержащая адаптер питания, как описано выше, и блок освещения, включающий в себя, по меньшей мере, один твердотельный источник света.
В блоке освещения типично предусмотрено множество твердотельных источников света. Чтобы получить разные цвета световой отдачи, блок освещения, предпочтительно, включает в себя твердотельные источники света, которые излучают свет разных цветов, и, наиболее предпочтительно, светодиоды, которые излучают свет красного, зеленого и синего цветов. Кроме того, блок освещения может также включать в себя светодиоды желтого, голубого и белого цвета, чтобы повысить индекс цветопередачи.
Адаптер питания и блок освещения могут иметь общий корпус, или могут быть размещены отдельно. Действительно, адаптер питания может быть выполнен с возможностью обеспечения мощности во множество блоков освещения, причем каждый блок освещения включает в себя множество твердотельных источников света. Кроме того, система освещения может включать в себя множество таких адаптеров питания. Система освещения может также включать в себя устройство понижения мощности, такое как переменный резистор, реостат или регулирование силы света, в котором используется фазовое управление полупроводниковым выпрямителем.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты выполнения изобретения будут более подробно описаны ниже, только для иллюстрации, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
на фиг. 1 схематически показана система освещения;
на фиг. 2 схематически показан адаптер питания, который является частью системы освещения по фиг. 1;
на фиг. 3 схематически показан альтернативный модуль передачи мощности адаптера питания; и
на фиг. 4 схематически показан модуль передачи мощности, который является частью адаптера питания системы освещения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг. 1 показана система освещения, подключенная к питающей сети, включающей в себя лини L, N питающей сети, и устройство 10 понижения мощности, такое как реостат, и содержит адаптер 20 питания и твердотельный блок 50 освещения. Твердотельный блок 50 освещения содержит три цветных излучателя 50a, 50b, 50c в цветовой гамме, по одному из каждого из красных, зеленых и синих светодиодов. Адаптер 20 питания получает электроэнергию от питающей сети, и выполнен с возможностью управлять электроэнергией, подаваемой в твердотельный блок 50 освещения. Адаптер 20 питания и твердотельный блок 50 освещения могут быть помещены в отдельные корпуса или в общий корпус, как описано в публикации WO 2006/018604.
Рассмотрим теперь фиг. 2, адаптер 20 питания содержит вход 22 для получения электроэнергии от питающей сети и три модуля 40a, 40b, 40c передачи мощности для обеспечения электроэнергии к каждому из трех светодиодов 50a, 50b, 50c в твердотельном блоке 30 освещения. Каждый модуль 40a, 40b, 40c передачи мощности соединен со входом 22 через фильтр 24 и выпрямитель 26 так, что синусоидальная форма волны напряжения, получаемого из питающей сети, подается в каждый модуль 40a, 40b, 40c передачи мощности в виде формы волны после двухполупериодного выпрямления.
Схема 32 контроля напряжения соединена с входом 32 через фильтр 24 и выпрямитель 26 и во время работы контролирует среднюю мощность, доступную на входе 22. Схема 32 контроля напряжения представляет собой просто делитель напряжения, который обеспечивает пониженное представление амплитуды сигнала, получаемого через фильтр 24 и выпрямитель 26.
В адаптере 20 питания также предусмотрен контроллер 30, который включает в себя программируемую интерфейсную микросхему (PIC, ПИМ). У контроллера 30 есть вход, который принимает сигнал от схемы 32 контроля напряжения, и три выхода для подачи отдельных сигналов управления в каждый из модулей 40a, 40b, 40c передачи мощности через соответствующий последовательно включенный резистор. Каждый сигнал управления вычисляют, используя сигнал, принятый из схемы 32 контроля напряжения, и, следовательно, среднюю мощность, доступную на входе 22 из адаптера питания 10. Сигнал (сигналы) управления определяет мощность, подаваемую модулями 40a, 40b, 40c передачи мощности к светодиодам 50a, 50b, 50c, и, следовательно, определяет цвет и/или интенсивность света, излучаемого твердотельным блоком 30 освещения.
Каждый модуль 40a, 40b, 40c передачи мощности содержит схему 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности, включающую в себя интегральную схему L6562, работающую в режиме передачи мощности, производства компании ST Microelectronics of 39 Chemin du Champ des Filles, C. P. 21, CH 1228 Plan-Les-Ouates, Женева, Швейцария. Схема 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности выполнена с возможностью получать ток, который является, по существу, синфазным с напряжением сигнала входной мощности, и обеспечивать сигнал выходной мощности с постоянной средней мощностью, с током, по существу, синфазным с напряжением. Схема 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности, поэтому, включает в себя умножитель, который определяет ток, который будет получен для данного входного напряжения, чтобы поддерживать постоянную среднюю выходную мощность с формами волны тока и напряжения, по существу, синфазными друг с другом. Схема 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности также во время работы снижает искажения гармоник тока, получаемого из питающей сети.
Схемы 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности отличаются от стандартной схемы корректировки коэффициента мощности тем, что в ней не требуется использовать контур обратной связи с выхода к интегральной схеме. Поэтому, по сравнению с обычными схемами корректировки коэффициента мощности, у схем 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности повышается КПД.
Схемы 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности определяют ток, который будет получен на входе, используя разность между напряжением электрического источника питания и опорным напряжением, обеспеченным на выводе интегральной схемы L6561. Для изменения мощности выходного сигнала адаптера 20 питания, контроллер 30 выполнен с возможностью управлять опорным напряжением, подаваемым со схемы 42a, 42b, 42c коррекции коэффициента мощности.
В частности, контроллер 30 выполнен с возможностью выводить сигнал управления, который представляет функцию мощности, доступной в данный момент времени на входе 22, и профиль освещения, содержащийся в запоминающем устройстве контроллера 30. Запоминающее устройство хранит последовательность профилей освещения, один из которых выбирает контроллер, как функцию мощности, ранее доступной на входе 22. Это позволяет пользователю выбрать конкретный профиль освещения при работе с устройством понижения мощности определенным образом, как описано в WO 2006/018604.
Опорное напряжение каждого модуля 40a, 40b, 40c передачи мощности равно сигналу от устройства 32 контроля напряжения, который подают через соответствующие последовательно включенные резисторы, причем смещение с помощью сигнала управления, подаваемого контроллером 30, подается через соответствующие последовательно включенные резисторы.
Контроллер 30, поэтому, выполнен с возможностью изменять опорное напряжение схемы 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности и, следовательно, изменять ток, получаемый от питающей сети, при изменении сигнала управления, который посылают в каждый модуль 40a, 40b, 40c передачи мощности.
Каждый модуль 40a, 40b, 40c передачи мощности обычно снижает мощность, подаваемую в соответствующий светодиод 30a, 30b, 30c, по мере снижения мощности, доступной на его входе, и, следовательно, снижает мощность, доступную от питающей сети. Однако, каждый модуль 40a, 40b, 40c передачи мощности выполнен с возможностью пытаться обеспечивать большую мощность в светодиод 50a, 50b, 50c, чем требуется для максимальной световой отдачи, когда устройство 10 понижения мощности позволяет получать максимальную мощность из питающей сети, и контроллер 30 выполнен с возможностью уменьшать мощность, получаемую с входа 22 модулем 40a, 40b, 40c передачи мощности, так, чтобы на выходе модуля 40a, 40b, 40c передачи мощности, фактически, была установлена мощность, равная мощности, требуемой для максимальной яркости светодиода 50a, 50b, 50c.
Когда профиль освещения требует, чтобы светодиод 50a, 50b, 50c имел максимальную яркость, даже когда устройство 10 понижения мощности снижает мощность, доступную от питающей сети, контроллер 30 выводит сигнал управления, который увеличивает мощность, получаемую модулем 40a, 40b, 40c передачи мощности, так, чтобы на выходе модуля 40a, 40b, 40c передачи мощности поддерживалась мощность, равная требуемой для максимальной яркости светодиода 50a, 50b, 50c. Таким образом, контроллер 30 позволяет поддерживать максимальную яркость светодиода 50a, 50b, 50c, пока мощность, доступная от питающей сети, не станет равной мощности, требуемой для максимальной яркости светодиода 50a, 50b, 50c. Любое понижение мощности, доступной для модуля 40a, 40b, 40c передачи мощности, ниже этого порога, приведет к уменьшению силы света светодиода 50a, 50b, 50c.
Контроллер 30 выполнен с возможностью детектировать действующее напряжение питающей сети и выбирать соответствующее пропорциональное соотношение между током, получаемым на входе (22) адаптера (20) питания, и напряжением на входе (22) адаптера (20) питания, чтобы поддерживать одинаковую заранее определенную среднюю мощность для двух других действующих напряжений. В частности, контроллер (30) выполнен с возможностью детектировать, присутствует ли в питающей сети действующее напряжение приблизительно 110 В или действующее напряжение приблизительно 230 В, и подавать соответствующий опорный сигнал в умножители схем 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности. В частности, опорный сигнал для действующего напряжения 110 В составляет приблизительно 200% от опорного сигнала для действующего напряжения 230 В.
Выход каждой из схем 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности проходит через трансформатор, который изолирует светодиод 50a, 50b, 50c от питающей сети, и через диод, который гарантирует отсутствие протекания отрицательного тока через светодиод 50a, 50b, 50c. Накопительный конденсатор большой емкости включен параллельно со светодиодом 50a, 50b, 50c, который снижает изменение напряжения, подаваемого на светодиод 50a, 50b, 50c. Однако, этот накопительный конденсатор большой емкости не является необходимой частью адаптера 20 питания и используется только для снижения пиковых значений тока и пульсаций и, следовательно, обеспечивает более высокий КПД тока через светодиод, поскольку он приближается к постоянному току.
Контроллер 30 определяет среднюю мощность, подаваемую каждым модулем 40a, 40b, 40c передачи мощности в его соответствующий светодиод 50a, 50b, 50c. Разность потенциалов на светодиоде 50a, 50b, 50c регулируют в соответствии с характеристиками светодиода 50a, 50b, 50c до определенного среднего значения, и используют среднее значение, определенное модулем 40a, 40b, 40c передачи мощности, которое требуется для подачи необходимой мощности к светодиоду 50a, 50b, 50c. В частности, каждый светодиод 50a, 50b, 50c имеет свое конкретное значение прямой разности потенциалов, которое может находиться в пределах допустимого диапазона из-за колебаний температуры или производственных разбросов. Каждый светодиод 50a, 50b, 50c, поэтому, регулирует напряжение выходного сигнала соединенного с ним модуля 40a, 40b, 40c передачи мощности до его конкретной прямой разности потенциалов. Каждый модуль 40a, 40b, 40c передачи мощности обеспечивает среднее значение тока к подключенному светодиоду 50a, 50b, 50c, определенное как требуемое для получения желательной мощности, установленной контроллером.
Любые изменения опорного напряжения модулей 40a, 40b, 40c передачи мощности, которые осуществляются по сигналам управления контроллера 30, выполняют в точках перехода через нуль мощности, получаемой от питающей сети, или, в качестве альтернативы, на частоте, меньшей, чем частота питающей сети, так, чтобы ток, получаемый адаптером 20 питания, оставался, по существу, синфазным с напряжением питающей сети, и минимизировались искажения гармоник тока. В качестве альтернативы, используют пилообразные колебания с отрегулированным уровнем постоянного тока, с достаточно малой амплитудой, чтобы они не создавали искажения тока, получаемого со входа 22, большие, чем допустимо соответствующим стандартом для гармоник. Такая форма волны пилообразных колебаний позволяет использовать преимущество характеристики с квадратичной зависимостью мощности для обеспечения точного управления током на низких уровнях, как описано в WO 2007/026170.
Источник 28 питания постоянного тока соединен с входом 22 адаптера 20 питания через фильтр 24 и выпрямитель 26, и выполнен с возможностью обеспечения мощности в каждый модуль 40a, 40b, 40c передачи мощности, а также в контроллер 30. Это обеспечивает стабильное энергопитание к интегральным схемам контроллера 30 и схемам 42a, 42b, 42c корректировки коэффициента мощности, чтобы гарантировать стабильную работу этих схем.
Контроллер 30 выполнен с возможностью детектировать, присутствует ли напряжение на входе 22 адаптера питания, и посылать сигнал управления в интегральные схемы схем 42a, 42b, 42c коррекции коэффициента мощности, чтобы переключить эти интегральные схемы в режим ожидания, когда напряжение не детектируют на входе, и в рабочий режим, когда напряжение детектируется на входе. Каждая из схем 42a, 42b, 42c коррекции коэффициента мощности, поэтому, выполнена с возможностью немедленного получения мощности, как только напряжение появляется на входе адаптера питания.
Каждый модуль 40a, 40b, 40c передачи мощности, предпочтительно, также включает в себя схему 50a, 50b, 50c детектирования неисправности, которая подключена между выходом трансформатора и диодной компановкой, и выводом отключения интегральной схемы в схеме 42a, 42b, 42c коррекции коэффициента мощности. Схема 48a, 48b, 48c детектирования неисправности не получает мощность во время нормального режима работы. Однако, когда светодиод 50a, 50b, 50c прекращает проводить ток, соединенная с ним схема 50a, 50b, 50c детектирования неисправности обеспечивает выключение этого модуля 40a, 40b, 40c передачи мощности. Схема 48a, 48b, 48c детектирования неисправности включает в себя оптрон, чтобы изолировать светодиоды 50a, 50b, 50c от питающей сети.
На фиг. 3 представлен альтернативный модуль передачи мощности, адаптера питания на фиг.2, и обозначен ссылочной позицией 140a. Система освещения идентична варианту воплощения на фиг. 1 и 2, за исключением изменения одного из модулей 140a передачи мощности для устранения потребности в источнике 28 питания низкого напряжения постоянного тока первого варианта воплощения, который передает мощность в каждый модуль 40a, 40b, 40c передачи мощности, а также в контроллер 30, в этом варианте воплощения, модифицированный модуль передачи мощности 140a, поэтому, включает в себя схему 142a коррекции коэффициента мощности и схему 148a детектирования неисправности, в компоновке, аналогичной соответствующему модулю 40a передачи мощности.
Модифицированный модуль 140a передачи мощности отличается от соответствующего модуля 40a передачи мощности первого варианта воплощения тем, что трансформатор включает в себя вспомогательную обмотку 144, которая подает мощность через выпрямительный диод и конденсатор большой емкости в схему 142a коррекции коэффициента мощности модифицированного модуля 140a передачи мощности, а также в схему 42b, 42c коррекции коэффициента мощности других модулей 40b, 40c передачи мощности и в контроллер 30 по цепи 245.
В этой компоновке, если выход схемы 142a коррекции коэффициента мощности модифицированного модуля 140a передачи мощности снижается до нуля, чтобы полностью уменьшить силу света светодиода, подключенного к выходной цепи 150a, мощность, доступная со вспомогательной обмотки 144 для питания схемы 142a, 42b, 42c коррекции коэффициента мощности и контроллера 30 также снижается до нуля. Поэтому модифицированный модуль передачи мощности 140a включает в себя схему 147 переменного сопротивления, которая позволяет полностью уменьшить силу света светодиода, соединенного с выходной цепью 150a, при поддержании достаточной мощности во вспомогательной обмотке 144 для питания схем 142a, 42b, 42c коррекции коэффициента мощности и контроллера 30. В частности, схема 147 переменного сопротивления выполнена с возможностью иметь повышенное сопротивление, поскольку мощность, подаваемая схемой 142a коррекции коэффициента мощности в подключенный к ней светодиод, снижается, таким образом, что светодиод полностью затемняется, даже когда остается достаточная мощность на выходе модуля 142a передачи мощности для питания схем 142a, 42b, 42c коррекции коэффициента мощности и контроллера 30. Схема 147 переменного сопротивления также выполнена с возможностью иметь незначительное сопротивление, когда мощность, подаваемая в светодиод, увеличивается до уровня средней или большой мощности. Такая компоновка, поэтому, не влияет на КПД адаптера питания на уровне средней или большой мощности, на котором важно поддерживать высокий КПД, и эта компоновка также устраняет потребность в дополнительном источнике питания.
В схему 147 переменного сопротивления подают сигнал управления, который выводят из сигнала управления, подаваемого контроллером 30 в схему 142a коррекции коэффициента мощности по входной цепи 130a, для управления сопротивлением схемы 147 переменного сопротивления, таким образом, как описано выше. Цепь сигнала управления для схемы 147 переменного сопротивления включает в себя оптрон 146, который изолирует соединенный с ним светодиод 50a от питающей сети.
Только один модифицированный модуль передачи мощности 140a требуется для питания трех схем 142a, 42b, 42c коррекции коэффициента мощности и контроллера 30 адаптера питания, и, следовательно, другие два модуля передачи мощности 40b, 40c идентичны таким же модулям по первому варианту воплощения. Контроллер 30 по второму варианту воплощения выполнен с возможностью учитывать повышенную мощность, требуемую модифицированным модулем 140a передачи мощности, когда соединенный с ним светодиод 50a полностью затемнен, для поддержания подачи питания в схемы 142a, 42b, 42c коррекции коэффициента мощности и контроллер 30 адаптера питания.
На фиг. 4 представлена часть адаптера питания и системы освещения в соответствии с изобретением, и, в частности, показан модуль 240 передачи мощности, предназначенный для использования вместо каждого из модулей 40a, 40b, 40c передачи мощности системы освещения по фиг. 1 и 2. В этом модуле 240 передачи мощности используется технология LCL вместо схемы 42a, 42b, 42c коррекции коэффициента мощности, включающей в себя интегральную схему L6562, системы освещения по фиг. 1 и 2. В частности, модуль 240 передачи мощности содержит резонансный источник питания, в котором используется последовательно-параллельный резонансный контур LCL, имеющий характерную особенность, состоящую в том, что на резонансной частоте XS=XP=XL, где Xs= реактивное сопротивление последовательно включенной катушки индуктивности, XP = реактивное сопротивление емкости, включенной параллельно с трансформатором, и XL представляет собой реактивное сопротивление участка, содержащего трансформатор и нагрузку. В этих специальных условиях схема идеальна для питания постоянной силовой нагрузки, такой как светодиод 250. Значение мощности, подаваемой в светодиод 250, можно менять, в зависимости от изменения входного напряжения питания, что делает ее пригодной для использования с устройством 10 понижения мощности.
Мощность, подаваемая в светодиод 250, может быть дополнительно модулирована путем изменения продолжительности включения ключей резонансного источника питания в пределах каждой половины резонансного цикла, возможно, с использованием контроллера 30. Нормальная характеристика схемы LCL состоит в том, чтобы получать мощность, которая непосредственно зависит от входного напряжения. Поскольку напряжение на входе 22 изменяется синусоидально, переменный ток, получаемый со входа 22, следует форме квадрата. Однако, возможно использовать модуляцию времени включения ключей, чтобы снизить мощность, получаемую со входа 22 в моменты, когда переменное напряжение уменьшается при каждом прохождении через нуль, и, таким образом, улучшить гармоники входного тока. При таком управлении мощность, получаемая от источника переменного тока, имеет форму волны sin2, потому что и ток, и напряжение имеют синусоидальную форму. Добавление конденсатора на выходе выпрямителя позволяет сглаживать мощность, подаваемую в светодиоды, таким образом, что светоотдача будет содержать меньше колебаний.
Используя специальный профиль управления временем переключения, можно управлять током, получаемым с входа 22, с получением любой желательной формы и величины, чтобы соответствовать требуемым характеристикам освещения. Схема может иметь профиль управления с разомкнутым контуром, с формой волны переменного входного напряжения для получения наилучшего содержания гармоник входного тока, а также для объединения требуемой характеристики освещения со стратегией управления гармониками при изменении характеристик устройства понижения мощности.
