NO326331B1 - Styringselektronikk for høyeffekt LED - Google Patents

Abstract

Høyeffekts LED driver med likerettet høyspenning på utgangen, lav egengenerering av støy samt myk oppstart, hvor bruk av PFC utgjør en viktig del av oppfinnelsen.

Description

Introduksjon

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler en driveranordning for høyeffekt LED. Nærmere bestemt beskrives en optimal løsning for å drive et stort antall LED med en stabil og avpasset høyspennings strømforsyning.

Tidligere kjent teknikk

Det finnes i dag mange ulike typer drivere for LED (Light Emitting Diode - lysdiode). Ingen av disse er konstruert for å levere en utgangsspenning som overstiger 48 volt og de har typisk maks utgangseffekt på ca. 22 watt. De kan dermed ikke drive flere enn ca. 14 høyeffekts LED med en forsyningsspenning på for rundt 3,2 volt som er det en bør ha per LED for at en skal komme opp i 50 til 80 lumens som er det som skal til for at høyeffekt LED som lyskilde skal være konkurransedyktig i forhold til tradisjonelt lys, for eksempel halogen natrium damplamper mm.

US-20040196275 beskriver en driveranordning som tilfører en strøm til et antall strømdrevne optiske elementer for å drive disse. Anordningen omfatter en driverstrømførselskrets som inneholder konstantstrømgenereringskrets som gir ut en konstant strøm med samme strømverdi som verdien av en drivstrøm, og et antall strømlagringskretser som fortløpende mottar og holder den konstante strømmen og gir ut drivstrømmen på grunnlag av den konstante strømmen.

US-20040208011 beskriver en høyeffekts driver som leverer konstant strøm til flere lysemitterende dioder koplet i serie.

US-7116294 beskriver også en LED driver som har som hovedformål å levere konstant strømstyrke til serietilkoblede LED. Dette er et viktig trekk ved en LED driver og vil bidra til at levetiden på LED lampene vil øke.

Ingen av de nevnte skriftene fokuserer på driverinnretninger som kan drive et flertall LED, som krever høy spenning og utgangseffekt.

Høyeffekt LED belysning er nå i ferd med å ta over for tradisjonell belysning for eksempelvis gater og tunneler. Bruk av LED kan gi en strømbesparelse på hele 70%.

Kjente LED drivere er som nevnt lavspenningsinnretninger. For å kunne drive for eksempel gatelys trenger en 6 slike drivere, og når en skal kople disse sammen kreves en del arbeid med ledninger etc, og det vil dessuten utvikles mye varme (ved målt varme for 6 stk LED drivere er temperaturen i overkant av 100 C°, noe som medfører at levetiden blir kraftig redusert ved at halvledere tørker ut).

Med andre ord blir problemet, ved å bruke av kjent teknikk, flyttet fra selve lyspæren som i dag typisk er en halogenlyspære med en levetid på opptil 16 000 lysbrenntimer, til LED drivere som i dag har en lysbrenntid på 150 000 lysbrenntimer, dvs. at en kanskje må bytte drivere oftere enn hver 20 000 time. Dermed vil en ved kjent teknikk rundt LED belysning måtte bytte LED drivere i stedet for lyspærer som for ordinær belysning.

Den foreliggende oppfinnelsen er en høyspenning driver for LED. Ved å benytte høyspenning vil en kunne drive minst 100 LED på én driver, som er atskillig flere enn det som tidligere har vært mulig. Men bruk av høyspenning introduserer samtidig en del utfordringer som bla. er knyttet til generering av støy.

Disse problemene er løst i høyeffekts LED driveren som blir nærmere beskrevet i det følgende.

Sammendrag av oppfinnelsen.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en høyeffekts LED driver med likerettet høyspenning og konstant strøm på utgangen, lav egengenerering av støy samt myk oppstart.

Dette oppnåes med en driver som i det minste omfatter en inngang, en likerettingskrets, en PFC-krets (Power Factor Correction) omfattende midler for å gi en myk oppstart, en strømregulator for å gi ut konstant strøm til LED, og hvor spenningen reguleres avhengig av antall LED, og en utgang som leverer konstantstrøm og høyspenning til LED.

Driveren omfatter videre overspenningsvern på den nevnte inngangen, inngangsstøyfilter, energibank omfattende kondensatorer for å glatte rippelstrømmer som kommer ut fra den nevnte PFC kretsen, og for å gi jevn spenning til strømregulatoren, og utgangsstøyfilter i form av et L/C filter som fjerner rippel og støyspiker på utgangen til LED driveren.

Ytterligere trekk ved LED driveren er beskrevet i de vedlagte uselvstendige kravene.

Detaljert beskrivelse

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet med henvisning til figur 1 som viser de ulike delene som utgjør LED driveren fra inngang til utgang i henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

Som nevnt er hensikten med LED driveren å levere likerettet høyspenning og konstant strøm på utgangen, og hvor LED driveren har en lav egengenerering av støy samt myk oppstart.

Dette oppnåes ved at inngangen 10 til driveren er forbundet med et overspenningsvern 20 som videre er forbundet til et inngangsstøyfilter 30 før en likeretter 40. Sistnevnte er videre forbundet til en PFC 50 som igjen står i forbindelse med en energibank 60. En strømregulator 70 og utgangsstøyfilter 80 sørger for å gi ut konstant strøm med minimalt med støy til en utgang 90 hvor LED er tilkoblet.

Samtlige moduler nevnt over omfatter komponenter som er forbundet til hverandre via et dedikert printkort.

I det følgende vil hver av modulene forklares nærmere.

Inngangen 10 til driveren er forbundet til en klemme som har inntak for kraftige ledninger med et tverrsnitt som er beregnet for høyspenning fra strømforsyningsnettet, og som da er 220V vekselstrøm. Klemmen er loddet direkte på kretskortet som driverkomponentene også er loddet til. Ledninger kan tilkobles på begge sider av klemmen slik at flere LED drivere dermed kan kobles i parallell uten å måtte montere en ekstra koblingsboks for å redusere tverrsnittet på forsyningskabelen til driveren.

Overspenningsvernet 20 omfatter sikringer på begge fasene for å bedre sikkerheten. Dette sikrer mot kortslutninger mot jord på begge faser, samt kortslutning mellom fasene. Vanligvis finnes det sikring på kun én fase i kjente drivere.

Videre er det i en foretrukket utførelse også et overspenningsvern på inngangen som består av en transientbeskyttelse. Det er kjent at transienter fra forsyningsnettet kan ødelegge komponenter om de tillates å trenge inn i følsom elektronikk. Transientbeskyttelsen utgjøres av tre spenningsavhengige motstander, dvs. varistorer. To av disse er koblet mellom hver fase og jord, og én er koblet mellom fasene. Komponentene begynner å lede strøm når spenningen over dem overstiger en fast grense. Dette medfører at transienter kortsluttes mellom fasene eller til jord. Disse komponentene vil effektivt beskytte mot transienter fra strømforsyningsnettet.

Inngangsstøyfilteret 30 har to funksjoner. For det første skal det hindre at egengenerert støy fra LED driveren når ut på strømforsyningsnettet. Det finnes egne strenge krav for hvor mye støy som er tillatt fra et elektronisk produkt. For det andre skal filteret hindre at støy fra strømforsyningsnettet går videre inn i LED driveren. Filteret er av 2. orden med en karakteristikk som gjør at støy over en viss frekvens kortsluttes mellom fasene (differential mode noise), eller til jord (common mode noise). Filteret har komponenter på både vekselstrømsiden og likestrømsiden av likeretteren 40.

Likeretteren 40 må være tilstede i LED driveren siden lysdioder drives av likestrøm (DC). Strømforsyningen som finnes på strømforsyningsnettet er vekselstrøm (AC) som går inn på den ene siden av likerettingsbroen, og likestrøm kommer ut på den andre siden. Det er derfor DC høyspenning på utgangen av likeretteren 40. Ved denne prosessen genereres det en del varme som i en foretrukket utførelse av LED driveren ledes bort via innloddingspunktene på kretskortet til LED driveren. Samtlige komponenter til LED driveren er festet til et kretskort med et utlegg som er optimalisert for å kjøle ned de varmeutviklende komponentene. Komponenter som genererer varme er loddet til punkter på kretskortet som har varmeledende flater på én eller begge sider av kretskortet, og hvor flatene på hver side kan være forbundet med hverandre. Dette gir en effektiv varmefordeling og kjøling slik at en unngår egne kjølekapper for komponenter som produserer mye varme.

I en foretrukket utførelse har likerettingskretsen 40 også midler for å gi LED driveren en myk oppstart ved å begrense strømmen i oppstartsfasen. Dette gjøres ved bruk av en motstand med negativ temperaturkoeffisient (NTC) som er koblet på DC siden av likerettingskretsen. En NTC-motstand har en relativt høy motstand før den blir varm. I en kort oppstartsfase vil det derfor ikke gå så mye strøm gjennom en slik motstand som når den blir varm. Begrensning av strøm i oppstartsfasen (inrush-strøm) er viktig for dimensjonering av kabler, sikringer og andre komponenter. Det å gi driverelektronikken en såkalt myk oppstart vil forlenge levetiden for følsomme komponenter.

PFC-kretsen 50 ansees å være kjernen i den foreliggende oppfinnelsen. En PFC-krets er en velkjent komponent, men ikke i sammenheng med LED drivere. Formålet med PFC-kretsen er å tvinge strømmen til å ta form som en glatt sinus i fase med spenningen. Den minsker den induktive og kapasitive belastningen på strømnettet, noe som gir en gevinst ved å gi mindre tap i ledninger og derved minske energiforbruket til LED driveren.

PFC-kretsen 50 sørger også for en spenningsøkning (boost) ved at den gir ut 390-395V DC, som er en viktig funksjon for å kunne drive mange LED på én driver. Et typisk oppsett av komponenter rundt en PFC-krets 50 omfatter en MOSFET som svært raskt kobler inn og ut, koblet til en induktans (i det videre kalt primærspole) og en kondensator som motvirker den nevnte induktive og kapasitive lasten til LED driveren. Lasten blir da tilsynelatende resistiv.

I en foretrukket utførelse drives PFC-kretsen 50 ved oppstart av en oppstartsstrøm via komponenter som forsyner denne strømmen, og ved drift drives PFC-kresten 50 av en driftsstrøm som tar over når PFC-kretsen 50 har startet opp. Denne løsningen er valgt for å redusere effektforbruket ved drift. Dette vil i det følgende forklares nærmere.

Oppstartsstrømmen hentes ut før den tidligere nevnte motstanden med negativ temperaturkoeffisient (NTC), dvs. på DC siden til likeretteren 40 som har høyspenning. Driftsstrømmen hentes ut etter NTC-motstanden fra en krets omfattende en sekundærspole som er tvunnet på samme kjerne som den nevnte primærspolen som utgjør en del av et typisk oppsett rundt PFC-kretsen 50. Siden den nevnte MOSFET'en som er koblet til primærspolen svitsjer raskt av og på vil det induseres en spenning i nevnte sekundærspole på samme kjerne som primærspolen til PFC-kretsen 50.

En PFC-krets drives av en lavspenning, og siden oppstartsstrømmen som hentes ut er høyspenning må spenningen reduseres over motstander. Dette medfører et varmetap som gir økt effektforbruk. Driftsstrømmen hentes som nevnt ut fra den induserte spenningen på sekundærspolen, hvor antall viklinger er med avgjøre hvilken spenning som hentes ut. Varmetapet her blir da ubetydelig ved å hente ut lavspenning.

Ved å legge spenningen på driftsstrømmen noe høyere enn spenningen på oppstartsstrømmen vil driftsstrømmen ta over for oppstartsstrømmen når PCF-kretsen 50 har startet opp og blitt stabil. I praksis tar det fra 0,5 - 1 sekund før driftsstrømmen er etablert.

En energibank 60 er videre forbundet til utgangen av PFC-kretsen 50. Denne omfatter kondensatorer som er store nok til å absorbere og dermed glatte rippelstrømmer som kommer ut fra PFC-kretsen 50, og for å gi jevn spenning til strømregulatoren 70 som kommer etter PFC-kretsen 50, noe som er en forutsetning for at strømregulatoren 70 skal fungere stabilt og optimalt.

Strømregulatoren 70 sørger for en konstant strøm ut til LED, og leverer ut en spenning som er avhengig av antall tilkoblede LED. Det er velkjent at lysdioder er avhengig av en konstant og riktig strøm for å opprettholde rett lysstyrke og levetid. For høy strøm vil gi for høy temperatur i lysdioden og kortere levetid, og for lav strøm vil medføre for lav lysstyrke. Det er dermed en balanse mellom levetid og lysstyrke på en lysdiode. Det er derfor viktig å ha god kjøling der hvor lysdiodene er montert, dvs. i forbindelse med selve kretskortet som de er montert på og/eller holderen som de er montert inn i.

Det finnes egne kretser for å drive lysdioder, og som er egnet for å regulere utgangsspenningen for LED driveren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Strømregulatoren 70 måler strømmen som til enhver tid går ut til LED som er koblet på LED driveren, og vil fra dette regulere en MOSFET slik at spenningen ut til LED til enhver tid blir slik at det går riktig strøm. Strømregulatoren vil sikre riktig forsyningsstrøm selv om antallet påkoblede LED varierer.

Utgangsstøyfilteret 80 er et L/C filter som fjerner rippel og støyspiker på utgangen til LED driveren. Siden lysdiodene trenger stabil spenning for ikke å bli overbelastet av høye rippelspenninger vil dette filteret sørge for at ledningsbundet og utstrålt støy på kabelen til lampen dempes.

Utgangen 90 til LED driveren vil levere konstantstrøm og en spenning som er avhengig av antall tilkoblede LED. Fortrinnsvis er tilkoblingspunktene på LED driveren en rekkeklemme som er koblet slik at både en og to LED lamper som hver utgjøres av et flertall LED og med hver sin kabel kan tilkobles uten å måtte ha to ledninger i samme klemme, noe som sikrer bedre kontakt og mindre fare for vakkel og kontaktbrudd.

Den foreliggende oppfinnelsen er i stand til å drive atskillig flere høyeffekts LED enn det som til nå har vært mulig. Med den foreliggende LED driveren er det mulig å drive flere enn 100 LED. Dette er mulig ved at LED driveren benytter høyspenning, noe som introduserer støyproblematikk som er løst i de ulike modulene nevnt over. LED driveren produserer mindre støy enn de europeiske kravene slik disse er definert i: EN 55015 (2000) + Al (2001) + A2 (2002), EN 61000-3-2 (2000) + A2 (2005), EN 61000-6-4 (2001), EN 61547 (1995) + Al (2000), og EN 61000-6-2 (2005).

Claims (11)

1. Høyeffekts LED driver med likerettet høyspenning og konstant strøm på utgangen, lav egengenerering av støy samt myk oppstart, karakterisert ved at driveren i det minste omfatter: - inngang (10); - likerettingskrets (40); - PFC-krets (50) omfattende midler for å gi en myk oppstart og lavt strømforbruk; - strømregulator (70) for å gi ut konstant strøm til LED, og hvor spenningen reguleres avhengig av antall LED, og - utgang (90) som leverer konstantstrøm og høyspenning til LED.

2. Høyeffekts LED driver i henhold til krav 1, karakterisert ved at driveren videre omfatter: - overspenningsvern (20) på den nevnte inngangen (10); - inngangsstøyfilter (30); - energibank (60) omfattende kondensatorer for å glatte rippelstrømmer som kommer ut fra den nevnte PFC-kretsen (50), og for å gi jevn spenning til strømregulatoren (70), og - utgangsstøyfilter (80) i form av et L/C filter som fjerner rippel og støyspiker på utgangen til LED driveren.

3. Høyeffekts LED driver i henhold til krav 1, karakterisert ved at inngangen (10) er forbundet til en klemme som har inntak for kraftige ledninger beregnet for høyspenning, på begge sider slik at flere LED drivere kan kobles i parallell uten å måtte montere en ekstra koblingsboks for å redusere tverrsnittet på forsyningskabelen til driveren.

4. Høyeffekts LED driver i henhold til krav 2, karakterisert ved at inngangens overspenningsvern (20) omfatter sikringer på begge fasene, samt transientbeskyttelse mellom fasene samt til jord fra begge fasene.

5. Høyeffekts LED driver i henhold til krav 2, karakterisert ved at inngangsstøyfilteret (30) har to funksjoner, hvor den ene er å hindre at egengenerert støy fra LED driveren når ut på strømforsyningsnettet, og hvor den andre er å hindre at støy fra strømnettet går videre inn i LED driveren, og hvor dette oppnåes ved å benytte et 2. ordens filter for å kortslutte støysignaler over en viss frekvens mellom de to fasene og/eller til jord.

6. Høyeffekts LED driver i henhold til krav 1, karakterisert ved at likerettingskretsen (40) likeretter strømmen fra AC til DC, og har midler for å gi LED driveren en myk oppstart ved å begrense strømmen i oppstartsfasen ved bruk av en motstand med negativ temperaturkoeffisient.

7. Høyeffekts LED driver i henhold til krav log6, karakterisert ved at PFC-kretsen (50) sørger for en spenningsøkning, og omgjør kapasitive og induktive laster til resistive laster, og hvor PFC-kretsen (50) ved oppstart drives av en oppstartsstrøm, og ved drift av en driftsstrøm som sørger for lavere strømforbruk, og som tar over når PFC-kretsen (50) har startet, og hvor oppstartsstrømmen hentes ut før nevnte motstand med negativ temperaturkoeffisient, og hvor driftsstrømmen hentes ut etter denne.

8. Høyeffekts LED driver i henhold til krav 7, karakterisert ved at driftstrømmen hentes ut fra en sekundærspole som er viklet på samme kjerne som en primærspole som utgjør en del av PFC-kretsen.

9. Høyeffekts LED driver i henhold til krav 7, karakterisert ved at driftsstrømmen tar over strømforsyningen av PFC-kretsen 50 når spenningen på driftsstrømmen blir høyere enn spenningen på oppstartsstrømmen.

10. Høyeffekts LED driver i henhold til krav 1, karakterisert ved at utgangsstøyfilteret (80) er et L/C filter som fjerner rippel og støyspiker på utgangen til LED driveren.

11. Høyeffekts LED driver i henhold til de foregående kravene, karakterisert ved at komponentene som utgjør LED driveren er festet til et kretskort med et utlegg som er optimalisert for å kjøle ned de varmeutviklende komponentene, hvor utlegget der det er nødvendig med kjøling av komponenter har varmeledende flater på én eller begge sider av kretskortet, og hvor flatene på hver side kan være forbundet med hverandre.