PL228353B1 - Stabilizator mocy dostarczanej do półprzewodnikowego zródła swiatła - Google Patents

Description

(21) Numer zgłoszenia: 415160 (51) Int.CI.

H05B 37/02 (2006.01) H02M 7/12 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 07.12.2015 (54) Stabilizator mocy dostarczanej do półprzewodnikowego źródła światła

	(73) Uprawniony z patentu:
	SKROBOTOWICZ PIOTR AUTO POWER
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	ELECTRONIC, Opole, PL
19.06.2017 BUP 13/17	(72) Twórca(y) wynalazku:
	PIOTR SKROBOTOWICZ, Opole, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.03.2018 WUP 03/18	(74) Pełnomocnik:
	rzecz, pat. Wiesława Surmiak

co m

co co

CM

CM

Q_

PL 228 353 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stabilizator mocy dostarczanej do półprzewodnikowego źródła światła, w szczególności źródła światła składającego się z szeregowo połączonych diod elektroluminescencyjnych LED.

Znany z opisu patentowego PL 217105 stabilizator z podwyższaniem napięcia wyjściowego stabilizujący prąd zawiera: komparator, rezystor obciążający i tranzystor przełączający. Źródło napięcia połączone jest poprzez rezystor z mostkiem prostowniczym, na wyjściu którego włączony jest kondensator filtrujący. Jedno wejście komparatora połączone jest z napięciem referencyjnym, drugie wejście komparatora połączone jest z dzielnikiem napięcia, a wyjście komparatora połączone jest z elektrodą sterującą tranzystora. Jedna końcówka kondensatora połączona jest z jedną końcówką źródła napięcia, z katodą diody trzeciej i anodą diody czwartej mostka prostowniczego, a druga końcówka kondensatora połączona jest z końcówką drenu tranzystora. Końcówka źródła tranzystora połączona jest z poziomem odniesienia, a bramka tranzystora połączona jest z wyjściem komparatora poprzez rezystor trzeci. Jedna końcówka rezystora obciążającego połączona jest z katodą diody drugiej i diody czwartej mostka prostowniczego, a druga końcówka rezystora obciążającego połączona jest z jedną końcówką rezystora drugiego i z wejściem odwracającym komparatora.

W znanych układach zasilania półprzewodnikowego źródła światła zawierającego diody elektroluminescencyjne LED, napięcie sieci zasilającej jest prostowane w układzie prostowniczym, składającym się z układu diodowego i kondensatora zbiorczego, a napięcie z kondensatora zbiorczego podawane jest do układu elektronicznego, w tym, do stabilizatora impulsowego, którego zadaniem jest zapewnienie stałego napięcia zasilania zasilającego diody LED lub dostarczenie do układu diod LED stałego prądu niezależnie od wartości napięcia sieci zasilającej. W znanych układach zasilania półprzewodnikowych źródeł światła, w których napięcie sieci zasilającej jest wprost stosowane do zasilania diod LED, występuje konieczność stosowania kondensatorów zbiorczych o dużej wartości pojemności, co skutkuje, nie tylko obniżeniem sprawności energetycznej układu zasilania, ale i powoduje obniżenie wartości współczynnika mocy biernej, co jest niekorzystne dla funkcjonowania sieci elektroenergetycznej. W przypadku zainstalowania dużej liczby takich półprzewodnikowych źródeł zasilania występuje wzrost kosztów eksploatacji oświetlenia związanych z dodatkowymi opłatami z tytułu wprowadzania do sieci mocy biernej pojemnościowej. Znane układy do zasilania półprzewodnikowych źródeł światła charakteryzuje duży stopień złożoności, relatywnie niska sprawność energetyczna, a szczególnie układy o działaniu ciągłym oraz wytwarzanie przez nie do sieci mocy biernej, przeważnie mocy biernej pojemnościowej.

Istota stabilizatora mocy dostarczanej do półprzewodnikowego źródła światła według wynalazku polega na tym, że anoda diody drugiej połączona jest z anodą diody trzeciej, z emiterem tranzystora drugiego, z anodą diody szóstej, z drugą końcówką kondensatora piątego, z drugą końcówką rezystora pomiaru prądu i z punktem odniesienia. Kolektor tranzystora drugiego połączony jest z katodą diody szóstej i z drugą końcówką kondensatora czwartego. Pierwsza końcówka kondensatora czwartego połączona jest z emiterem tranzystora pierwszego, z anodą diody piątej, z katodą diody trzeciej i z anodą diody czwartej. Katoda diody piątej połączona jest z kolektorem tranzystora pierwszego i z drugą końcówką kondensatora trzeciego, którego pierwsza końcówka połączona jest z pierwszą końcówką kondensatora piątego, z katodą diody pierwszej, z katodą diody czwartej i z końcówką anodową układu półprzewodnikowego źródła światła, którego końcówka katodowa połączona jest z pierwszą końcówką rezystora pomiaru prądu.

Stabilizator mocy dostarczanej do półprzewodnikowego źródła światła według wynalazku umożliwia dostarczanie stałej, ustalonej wartości mocy do półprzewodnikowego źródła światła przy podwojonej w stosunku do napięcia sieciowego, wartości napięcia zasilającego to źródło, co pozwala stosować kondensatory zbiorcze o znacznie mniejszej wartości pojemności i uzyskanie stałej intensywności świecenia niezależnie od wartości napięcia sieciowego oraz stopnia zużycia diod w półprzewodnikowym źródle światła. Przez odpowiedni dobór wartości elementów możliwe jest uzyskanie rezonansu szeregowego indukcyjności dławika z pojemnością wypadkową pozostałych elementów układu stabilizatora mocy co powoduje, że dla sieci zasilającej układ stabilizatora mocy według wynalazku stanowi obciążenie o charakterze rzeczywistym, co jest korzystne dla sieci elektroenergetycznej, gdyż układ stabilizatora mocy nie wprowadza wtedy do tej sieci mocy biernej.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schemat stabilizatora mocy dostarczanej do półprzewodnikowego źródła światła.

PL 228 353 B1

Jedna końcówka źródła sieci zasilającej E połączona jest z pierwszą końcówką rezystora pierwszego R1 i z pierwszą końcówką dławika DL, a druga końcówka źródła sieci zasilającej E połączona jest z drugą końcówką rezystora drugiego R2, z katodą diody trzeciej D3, z anodą diody czwartej D4, z drugą końcówką kondensatora pierwszego C1, z pierwszą końcówką kondensatora drugiego C2, z punktem odniesienia układu separującego pierwszego US-1, z emiterem tranzystora pierwszego T1 i z anodą diody piątej D5. Druga końcówka dławika DL połączona jest z katodą diody drugiej D2 i z anodą diody pierwszej D1. Katoda diody pierwszej D1 połączona jest z katodą diody czwartej D4, z pierwszą końcówką kondensatora pierwszego C1, z pierwszą końcówką kondensatora trzeciego C3, z pierwszą końcówką kondensatora piątego C5, z wejściem analogowym WeA przetwornika analogowo-cyfrowego pierwszego PA/C-1 i z końcówką anodową układu półprzewodnikowego źródła światła U-LED. Anoda diody drugiej D2 połączona jest z anodą diody trzeciej D3, z drugą końcówką kondensatora drugiego C2, z punktem odniesienia układu separującego drugiego US-2, z emiterem tranzystora drugiego T2, z anodą diody szóstej D6, z drugą końcówką kondensatora piątego C5, z drugą końcówką rezystora pomiaru prądu Rp i z punktem odniesienia układu. Końcówka katodowa układu półprzewodnikowego źródła światła U-LED połączona jest z wejściem analogowym WeA przetwornika analogowocyfrowego drugiego PA/C-2 i z pierwszą końcówką rezystora pomiaru prądu Rp. Kolektor tranzystora pierwszego T1 połączony jest z drugą końcówką kondensatora trzeciego C3 i z katodą diody piątej D5, a kolektor tranzystora drugiego T2 połączony jest z drugą końcówką kondensatora czwartego C4 i z katodą diody szóstej D6.

Druga końcówka rezystora pierwszego R1 połączona jest z pierwszą końcówką rezystora drugiego R2 i z pierwszym wejściem 1 komparatora analogowego K, którego drugie wejście 2 połączone jest z punktem odniesienia. Wyjście komparatora analogowego K połączone jest z wejściem synchronizacji We-S mikroprocesorowego układu sterującego uPSS, którego wyjście pierwsze 1 połączone jest z wejściem układu separującego pierwszego US-1, którego wyjście połączone jest bazą tranzystora pierwszego T1. Wyjście drugie 2 mikroprocesorowego układu sterującego uPSS połączone jest z wejściem układu separującego drugiego US-2, którego wyjście połączone jest z bazą tranzystora drugiego T2. Wyjście cyfrowe WyC przetwornika analogowo-cyfrowego pierwszego PA/C-1 połączone jest z wejściem cyfrowym pierwszym We-C1 mikroprocesorowego układu sterującego uPSS, a wyjście cyfrowe WyC przetwornika analogowo-cyfrowego drugiego PA/C-2 połączone jest z wejściem cyfrowym drugim We-C2 mikroprocesorowego układu sterującego uPSS.

Stabilizator według wynalazku zasilany jest bezpośrednio z sieci napięcia przemiennego. Jeżeli wartość chwilowa napięcia źródła sieci zasilającej E podawanego do pierwszej końcówki rezystora pierwszego R1 jest dodatnia względem drugiej końcówki rezystora drugiego R2, to wtedy przewodzi dioda prostownicza pierwsza D1, a jeżeli polaryzacja zmieni się na przeciwną, to wtedy przewodzi dioda prostownicza trzecia D3. Napięcie z rezystora drugiego R2 podawane jest do wejścia pierwszego komparatora analogowego K i porównywane jest z wartością napięcia w punkcie odniesienia. Zadaniem komparatora analogowego K jest zamiana napięcia sinusoidalnego na napięcie prostokątne, co jest niezbędne do wyznaczenia chwili czasowej, w której wartość chwilowa napięcia źródła sieci zasilającej E przechodzi przez wartość zerową. Informacja o tych chwilach czasowych jest konieczna do synchronicznego, względem sieci, załączania i wyłączania tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2.

Sygnał prostokątny z wyjścia komparatora analogowego K jest podawany do wejścia synchronizującego We-S mikroprocesorowego systemu sterującego uPSS, gdzie poprzez system przerwań mikroprocesor synchronizuje względem chwilowej wartości napięcia ze źródła sieci zasilającej E, wykonywanie programu, które skutkuje jednoczesnym załączaniem i wyłączaniem tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2. Moc dostarczona do źródła światła U-LED regulowana jest przez regulację wartość napięcia na kondensatorze piątym C5. Napięcie na kondensatorze piątym C5 jest napięciem zasilającym układu półprzewodnikowego źródła światła U-LED. Wartość prądu płynącego przez diody układu półprzewodnikowego źródła światła U-LED jest mierzona pośrednio poprzez pomiar chwilowej wartości napięcia na rezystorze pomiaru prądu Rp. Napięcie to jest mierzone przez przetwornik analogowo-cyfrowy drugi PA/C-2, a wynik pomiaru jest dostępny na wyjściu cyfrowym WyC tego przetwornika PA/C-2 i jest podawany do wejścia cyfrowego drugiego WeC-2 mikroprocesorowego systemu sterującego uPSS. Z kolei chwilowa wartość napięcia na diodach układu półprzewodnikowego źródła światła U-LED mierzona jest przez przetwornik analogowo-cyfrowy pierwszy PA/C-1, a wynik pomiaru jest dostępny na wyjściu cyfrowym WyC tego przetwornika PA/C-1 i jest podawany do wejścia cyfrowego pierwszego WeC-1 mikroprocesorowego systemu sterującego uPSS. Na podstawie zmierzonych chwilowych wartości napięcia i prądu mikroprocesorowy system sterujący uPSS przez zastosowanie odpowiedniego

PL 228 353 B1 algorytmu, wylicza wartość mocy dostarczonej do układu diod U-LED. Jeżeli wartość wyliczonej mocy jest mniejsza od wyznaczonej optymalnej mocy dla danego typu półprzewodnikowego źródła światła U-LED, to wtedy zastosowany algorytm powoduje załączenie tranzystora pierwszego T1 i tranzystora drugiego T2. Z kolei, jeżeli wartość wyliczonej mocy jest większa od wyznaczonej optymalnej mocy dla danego typu układu półprzewodnikowego źródła światła U-LED, to wtedy algorytm powoduje wyłączenie tranzystora pierwszego T1 i tranzystora drugiego T2. Regulację wartości ładunku zgromadzonego w kondensatorze trzecim C3, a tym samym wartości napięcia między końcówką tego kondensatora C3, realizuje się przez załączanie i wyłączanie względem chwilowej wartości napięcia sieci E, tranzystora pierwszego T1. Jeżeli wartość chwilowa napięcia w sieci E jest dodatnia i będzie włączony tranzystor pierwszy T1, to kondensator trzeci C3 będzie się ładował, a wartość zgromadzonego ładunku będzie zależała od czasu trwania załączenia tranzystora pierwszego T1. Regulację wartości ładunku zgromadzonego w kondensatorze czwartym C4 realizuje się przez włączanie i wyłączanie w odpowiedniej chwili czasowej, tranzystora drugiego T2. Jeżeli wartość chwilowa napięcia w sieci jest ujemna i będzie włączony tranzystor drugi T2, to kondensator czwarty C4 będzie się ładował, a wartość zgromadzonego ładunku będzie zależała od trwania załączenia tranzystora drugiego T2. Po wyłączeniu tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2 zaczynają przewodzić odpowiednio diody piąta D5 i szósta D6, co powoduje zmianę kierunku przepływu prądu płynącego przez kondensatory trzeci C3 i czwarty C4 na przeciwny w stosunku do kierunku przepływu w czasie trwania załączenia tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2. Zgromadzony ładunek w kondensatorach trzecim C3 i w kondensatorze czwartym C4, które są względem kondensatora piątego połączone szeregowo, przepływa do kondensatora piątego C5, co powoduje powstanie różnicy napięć między jego końcówkami. Wartość tego napięcia zależna jest od pojemności tego kondensatora oraz ilości zgromadzonego w nim ładunku. Kondensatory pierwszy C1 i drugi C2 są zastosowane w celu zminimalizowania krótkotrwałych przepięć powstających między końcówkami diody czwartej D4 oraz trzeciej D3.

Claims (1)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Stabilizator mocy dostarczanej do półprzewodnikowego źródła światła, w którym jedna końcówka źródła sieci zasilającej połączona jest z pierwszą końcówką rezystora pierwszego i z pierwszą końcówką dławika, którego druga końcówka połączona jest z anodą diody pierwszej, a druga końcówka źródła sieci zasilającej połączona jest z drugą końcówką rezystora drugiego, z drugą końcówką kondensatora pierwszego, z pierwszą końcówką kondensatora drugiego, z punktem odniesienia układu separującego pierwszego, z emiterem tranzystora pierwszego i z anodą diody piątej, pierwsza końcówka kondensatora pierwszego połączona jest z pierwszą końcówką kondensatora trzeciego, z pierwszą końcówką kondensatora piątego, z wejściem analogowym przetwornika analogowo-cyfrowego pierwszego i z końcówką anodową układu półprzewodnikowego źródła światła, anoda diody drugiej połączona jest z drugą końcówką kondensatora drugiego i punktem odniesienia układu separującego drugiego, końcówka katodowa układu półprzewodnikowego źródła światła połączona jest z wejściem analogowym przetwornika analogowo-cyfrowego drugiego, druga końcówka rezystora pierwszego połączona jest z pierwszą końcówką rezystora drugiego i z pierwszym wejściem komparatora analogowego, którego drugie wejście połączone jest z punktem odniesienia, wyjście komparatora analogowego połączone jest z wejściem do synchronizacji mikroprocesorowego układu sterującego, którego wyjście pierwsze połączone jest z wejściem układu separującego pierwszego, wyjście układu separującego pierwszego połączone jest bazą tranzystora pierwszego, wyjście drugie mikroprocesorowego układu sterującego połączone jest z wejściem układu separującego drugiego, którego wyjście połączone jest z bazą tranzystora drugiego, wyjście cyfrowe przetwornika analogowo-cyfrowego pierwszego połączone jest z wejściem cyfrowym pierwszym mikroprocesorowego układu sterującego, a wyjście cyfrowe przetwornika analogowo-cyfrowego drugiego połączone jest z wejściem cyfrowym drugim mikroprocesorowego układu sterującego, znamienny tym, że anoda diody drugiej (D2) połączona jest z anodą diody trzeciej (D3), z emiterem tranzystora drugiego (T2), z anodą diody szóstej (D6), z drugą końcówką kondensatora piątego (C5), z drugą końcówką rezystora pomiaru prądu (Rp) i z punktem odniesienia, a kolektor tranzystora drugiego (T2) połączony jest z katodą diody szóstej ( D6 ) i z drugą końcówką kondensatora czwartego (C4), zaś pierwsza

   PL 228 353 Β1 końcówka kondensatora czwartego (C4) połączona jest z emiterem tranzystora pierwszego (T1), z anodą diody piątej (D5), z katodą diody trzeciej (D3) i z anodą diody czwartej (D4), a katoda diody piątej (D5) połączona jest z kolektorem tranzystora pierwszego (T1) i z drugą końcówką kondensatora trzeciego (C3), którego pierwsza końcówka połączona jest z pierwszą końcówką kondensatora piątego (C5), z katodą diody pierwszej (D1), z katodą diody czwartej (D4) i z końcówką anodową układu półprzewodnikowego źródła światła (U-LED), którego końcówka katodowa połączona jest z pierwszą końcówką rezystora pomiaru prądu (Rp).

   Rysunek