RU169340U1

RU169340U1 - Светильник светодиодный

Info

Publication number: RU169340U1
Application number: RU2016146170U
Authority: RU
Inventors: Илья Олегович Аникеев; Кирилл Владимирович Дубровин
Original assignee: Акционерное Общество "ЭлектроРадиоАвтоматика" (АО "ЭРА")
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2017-03-15

Abstract

Светильник светодиодный относится к светотехнике, в частности к осветительным устройствам на светодиодах, находит свое применение в качестве осветительного прибора в помещениях с отсутствием естественного света, а также офисных, производственных и других помещениях. Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении низких пульсаций тока и, как следствие, низких пульсаций светового потока без сильной синей спектральной составляющей. Достигается технический результат тем, что в светильнике светодиодном, содержащем корпус, в котором размещены блок вторичного электропитания, включающий узел защиты электрической схемы от внешних воздействий с предохранителями, узел преобразования переменного тока в постоянный, представляющий собой двухполупериодный выпрямитель переменного тока, узел стабилизации тока, а также соединенный с блоком вторичного электропитания источник света в виде N независимых светодиодных цепочек, соединенных параллельно, в блок вторичного электропитания введены варистор, сетевой фильтр, а также включенный параллельно узлу преобразования переменного тока в постоянный узел стабилизации напряжения с понижающим регулятором напряжения. При этом узел стабилизации тока, подключенный к выходу узла стабилизации напряжения, состоит из N параллельно включенных каскодных источников тока, каждый из которых расположен перед соответствующей цепочкой светодиодов. Кроме того, предохранители узла защиты электрической схемы от внешних воздействий, подключенного параллельно нагрузке, включены параллельно и соединены с первым, вторым входами и через варистор подключены к

Description

Полезная модель относится к светотехнике, в частности к осветительным устройствам на светодиодах. Предлагаемое устройство находит свое применение в качестве осветительного прибора в помещениях с отсутствием естественного света, а также офисных, производственных и других помещениях.

Известно, что эффективность осветительного прибора в определяющей степени зависит от световой отдачи используемого источника света и его светораспределения. Результаты научных исследований в области светодиодных технологий позволили стать светоизлучающим диодам (СИД) наиболее перспективными источниками света, достигшими, в части световой отдачи, значений, превышающих лучшие в настоящее время разрядные источники света, а по сроку службы превосходящие их. Применяемые в настоящее время в промышленности СИД разнообразны количеством и характеристиками, но не все могут обеспечить безопасную световую среду для человека при отсутствии естественного освещения. Это обуславливается физикой получения белого спектра большинства СИД. Для создания белого спектра в большинстве промышленных СИД используется технология смешения цветов – синего излучения от кристалла нитрида галлия с длиной волны λ≈460 нм и желто-зеленого излучения от люминофора с длиной волны λ≈525–575 нм, возбуждаемого частью синего излучения. Между тем, в медицинских научных исследованиях показано, что наличие в СИД сильной синей полосы повышает фотобиологическую опасность. Это связано с тем, что в районе длины волны λ≈464 нм лежит максимум подавления выработки гормона мелатонина, отвечающего за суточные ритмы жизнедеятельности, снижение которого в крови человека вызывает значительные риски для психофизиологического и физического здоровья: бессонница, депрессия, эндокринные и онкологические заболевания [1].

Для исследования возможности использования светодиодных светильников в качестве основного освещения в помещениях, где отсутствует естественное освещение, необходимо иметь светильник с оптическими и электротехническими характеристиками, которые обеспечивали бы безопасное пребывание людей, работающих в помещениях с отсутствием естественного освещения, и не влияли бы на функциональное состояние людей, находящихся в созданной им светодиодной среде.

Известны различные технические решения в рассматриваемой области.

Так известен патент RU №118398 на полезную модель «Светодиодный светильник» (МПК F21S13/00, опубл. 20.07.2012). Светодиодный светильник содержит корпус, установленные в нем, по крайней мере, две матрицы светодиодов, смонтированных на печатных платах, и блок питания. Причем корпус выполнен в виде отрезка металлического профиля из теплопроводящего материала с отсеком под блок питания, отсеком под размещение матриц светодиодов и с элементами узла крепления светильника в различных условиях эксплуатации, а над светодиодами расположены оптически прозрачные линзы вторичной оптики. При этом светильник снабжен дополнительными элементами узла крепления корпуса, который выполнен в виде «Н» образного профиля. Причем отсек под блок питания снабжен защитным кожухом из металла, печатные платы выполнены с подложками из теплопроводящего материала, а между оптически прозрачными линзами вторичной оптики расположен герметизирующий материал, заполняющий пространство между светодиодами. При этом элементы узла крепления корпуса выполнены с возможностью крепления светодиодного светильника к консоли уличного столба, к стене или к потолку помещения или здания.

Известен патент US №6577072 на изобретение «Источник питания и светодиодная лампа» (МПК H01L33/00; H05B33/08, опубл. 10.06.2003). Устройство включает блок питания, выполняющий функцию преобразования переменного тока в постоянный со стабильным напряжением и светодиодную лампу, состоящую из одной или нескольких цепочек последовательно соединенных светодиодов, подключенных к блоку питания, который включает в себя диодный мост, конденсатор и другие элементы и обеспечивает напряжение выше или равное заданному значению, необходимому для функционирования светодиодной лампы.

Также известен патент RU №119186 на полезную модель «Импульсный источник питания для светодиодов» (МПК H02M9/00, опубл. 10.08.2012). Импульсный источник питания для светодиодов состоит из выпрямляющего сглаживающего средства первичной цепи, которое содержит помехоподавляющий конденсатор, предохранитель, ограничительный резистор, выпрямительный диодный мост, который через фильтрующие конденсаторы с низкими потерями и дроссель соединен с первичной обмоткой изолирующего трансформатора, демферный узел, включенный параллельно первичной обмотке трансформатора, генератор импульсов, выход которого соединен с затвором силового ключа и предназначенный для прерывания входного постоянного напряжения для поддержания постоянной мощности в нагрузке, вспомогательный выпрямитель с линейным стабилизатором напряжения, включенный между изолирующим трансформатором и генератором импульсов. Выпрямляющее сглаживающее средство вторичной цепи, подключенное к нагрузке, и через элемент гальванической развязки к генератору импульсов, содержит выпрямительный диод и группу параллельно соединенных сглаживающих конденсаторов с низкими потерями, подключенных к нагрузке через дроссель защитного устройства.

Известен патент RU №131269 на полезную модель «Светильник светодиодный» (МПК H05B37/02, опубл. 10.08.2013). Светильник светодиодный содержит корпус, одновременно выполняющий функции радиатора, блок питания, источник света в виде мощных светодиодов, которые объединены в две или более параллельно соединенные последовательные цепи, датчик температуры с системой управления мощностью светодиодов, причем в качестве блока питания используется преобразователь переменного напряжения сети в постоянное напряжение. При этом в устройство введены преобразователи постоянного напряжения в постоянный ток питания светодиодов, число которых соответствует числу параллельно соединенных цепей светодиодов. Кроме того, в светильнике используется датчик температуры с функцией измерения температуры радиатора, на котором располагаются мощные светодиоды.

Известен патент RU №109826 на полезную модель «Светильник светодиодный» (МПК F21S4/00, опубл. 27.10.2011). Светильник содержит блок питания, подключенный к электрической цепи в виде матрицы, состоящей из M×N светодиодов, причем светодиоды, расположенные в каждой строке матрицы, соединены параллельно, а светодиоды, расположенные в каждом столбце матрицы, соединены последовательно. Параллельно светодиодам, расположенным в каждой строке, включен элемент стабилизации напряжения с отрицательным температурным коэффициентом напряжения стабилизации, при этом элемент стабилизации напряжения установлен на общем теплоотводящем основании со светодиодами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является патент RU №2366120 на изобретение «Светильник» (МПК: H05B33/02; F21S4/00, опубл. 27.08.2009), который выбран в качестве прототипа. Светильник содержит светодиодные группы, соединенные последовательно или параллельно, или последовательно-параллельно, каждая из которых соединена с импульсным блоком вторичного электропитания с возможностью плавного ограничения температуры нагрева светодиодов, входящих в состав каждой из указанных светодиодных групп. Импульсный блок вторичного электропитания установлен на печатной плате и содержит электронный самовосстанавливающийся токовый предохранитель, двухполупериодный выпрямитель, импульсный преобразователь напряжения в стабилизированный ток для питания светодиодных групп, в состав которого входит датчик температуры на основе терморезистора, который нагревается за счет конвекционных потоков воздуха внутри корпуса, датчик автоматического включения-выключения светильника при наступлении темноты-света, и датчик движения, реагирующий на движение субъектов, находящихся в зоне освещения светильника, выполненный на основе КМОП матриц, ПЗС матриц или инфракрасных лучей, и подключенный к питающей сети переменного или постоянного тока.

По сравнению с известными светильниками, в блок вторичного электропитания предлагаемого светильника включен понижающий регулятор напряжения, а узел стабилизации тока выполнен в виде N параллельно включенных каскодных источников тока, каждый из которых расположен перед соответствующей цепочкой светодиодов. Кроме того, ни одним известным светильником не обеспечивается низкая синяя спектральная составляющая.

Техническая проблема заключается в создании светильника светодиодного с улучшенными техническими характеристиками, а именно, с низкими пульсациями светового потока без сильной синей спектральной составляющей.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в снижении пульсаций тока, и, как следствие, пульсаций светового потока без сильной синей спектральной составляющей.

Достигается технический результат тем, что в светильнике светодиодном, содержащем корпус, в котором размещены блок вторичного электропитания, включающий узел защиты электрической схемы от внешних воздействий с предохранителями, узел преобразования переменного тока в постоянный, представляющий собой двухполупериодный выпрямитель переменного тока, узел стабилизации тока, а также соединенный с блоком вторичного электропитания источник света в виде N независимых светодиодных цепочек, соединенных параллельно, согласно полезной модели, в блок вторичного электропитания введены варистор, сетевой фильтр, а также включенный параллельно узлу преобразования переменного тока в постоянный узел стабилизации напряжения с понижающим регулятором напряжения. При этом узел стабилизации тока, подключенный к выходу узла стабилизации напряжения, состоит из N параллельно включенных каскодных источников тока, каждый из которых расположен перед соответствующей цепочкой светодиодов. Кроме того, предохранители узла защиты электрической схемы от внешних воздействий, подключенного параллельно нагрузке, включены параллельно и соединены с первым, вторым входами и через варистор подключены к сетевому фильтру. Двухполупериодный выпрямитель переменного тока содержит полупроводниковые элементы, подключенные параллельно и работающие на общую нагрузку, и включенные параллельно сглаживающие конденсаторы. Корпус содержит матовый рассеиватель, создающий равномерное распределение света.

Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами:

фиг.1, на которой представлена электрическая схема блока вторичного электропитания предлагаемого светильника светодиодного, где:

1 - узел защиты электрической схемы от внешних воздействий;

2 - узел преобразования переменного тока в постоянный;

3 - узел стабилизации напряжения при изменениях входящего напряжения и тока нагрузки;

4 - узел стабилизации тока,

и фиг.2, на которой представлена электрическая схема источника света светодиодного светильника.

Светильник светодиодный содержит корпус с матовым рассеивателем, в котором размещены блок вторичного электропитания, включающий узел 1 защиты электрической схемы от внешних воздействий (предназначенный также для фильтрации электронно-магнитных помех в сеть питания), включенный параллельно нагрузке, узел 2 преобразования переменного тока в постоянный, представляющий собой двухполупериодный выпрямитель переменного тока, включенный параллельно узлу 2 узел 3 стабилизации напряжения при изменениях входящего напряжения и тока нагрузки, который содержит понижающий регулятор U1 напряжения, узел 4 стабилизации тока, и соединенный с блоком вторичного электропитания через Вых.1-5 источник света, представляющий собой светодиодный модуль с N (например, N=5) независимыми, соединенными параллельно цепочками светодиодов (VD01-VD16, VD17-VD32, VD33-VD48, VD49-VD64,VD65-VD80).

Узел 4 стабилизации тока состоит из N (например, N=5) параллельно включенных каскодных источников тока, каждый из которых расположен перед соответствующей цепочкой светодиодов. Каскодная схема стабилизации тока, состоящая из транзисторов VT1, VT2, резисторов R8-R12, обладает повышенной устойчивостью к изменениям напряжения нагрузки. Если в одной из цепочек светодиодов произойдет выгорание нескольких светодиодов без обрыва цепи, то данная схема источника тока обеспечит работу в штатном режиме.

Узел 1 содержит плавкие предохранители FU1 и FU2, выполненные печатным способом на плате, предназначенные для обеспечения защиты от коротких замыканий, соединенные с Вх.1 и Вх.2, включенные параллельно. Варистор RU1 служит для защиты от импульсных помех и перенапряжений. Сетевой фильтр, способствующий подавлению высокочастотных помех в диапазоне 100 Гц-100 мГц, содержит катушку индуктивности L1 и конденсатор C2.

Понижающий регулятор напряжения U1 (Lm5017) с обвязкой, необходимой для работы микросхемы, состоящей из резисторов R1-R7, конденсаторов C6-C9 и катушки индуктивности L2, служит для стабилизации напряжения при изменениях входящего напряжения и тока нагрузки, и сохраняет работоспособность цепочек светодиодов при выходе из строя одной из них.

Двухполупериодный выпрямитель переменного тока со средней точкой, который служит для преобразования переменного тока в постоянный и обеспечивает гальваническую развязку с сетью, представляет собой трансформатор TV1, соединенный с Вх.3, два диода VD1 и VD2, подключенных параллельно и работающих на общую нагрузку, и включенные параллельно сглаживающие конденсаторы С3, С4, С5, предназначенные для сглаживания тока на выходе из выпрямителя.

Матовый рассеиватель корпуса создает равномерное распределение светового потока без сильной синей спектральной составляющей, что позволяет исключить в конструкции светильника наличие защитного угла. Сила света в зоне слепимости 80⁰ и 90⁰ составляет 40 и 22 кд/кЛм, соответственно, что соответствует ограниченному типу распределения в зоне слепимости.

Источник света обладает низкой синей спектральной составляющей в районе длины волны λ≈464 нм не более 38%, от максимального значения в районе длины волны λ≈600 нм, что сводит к минимуму подавление секреции гормона мелатонина, благодаря чему снижается вредное влияние на физиолого-гигиеническое состояние организма человека, работающего в помещениях с отсутствием естественного освещения.

Введение в блок вторичного электропитания варистора, сетевого фильтра, узла стабилизации напряжения с понижающим регулятором напряжения, а также выполнение узла стабилизации тока в виде N параллельно включенных каскодных источников тока, каждый из которых расположен перед соответствующей цепочкой светодиодов, ведет к снижению пульсаций тока, и, как следствие, к снижению пульсаций светового потока.

Таким образом, достигается обеспечение низких пульсаций тока, и как следствие, низких пульсаций светового потока без сильной синей спектральной составляющей.

При выборе СИД для светильника была использована методика биологического эквивалента, отражающего эффект излучения, действующего на человека, по сравнению с лампой накаливания (ЛН), условно принятой за эталон [2].

Определение у СИД степени фотобиологической опасности осуществляли путем замеров спектральных характеристик источников света с различными параметрами коррелированной цветовой температуры (Тс). При этом индекс цветопередачи (CRI) для исследуемых источников света должен был быть не менее 80 (таблица 1).

Таблица 1. Цветовые характеристики источников света

В результате замеров спектральных характеристик источников света были построены диаграммы спектрального распределения энергии излучения от исследуемых образцов СИД (фиг.3, на которой представлено спектральное распределение энергии излучения, полученное от образца СИД с Тс=3000 К и CRI=80; фиг.4, на которой представлено спектральное распределение энергии излучения, полученное от образца СИД с Тс=4000 К и CRI=80; фиг.5, на которой представлено спектральное распределение энергии излучения, полученное от образца СИД с Тс=5000 К и CRI=80, и фиг.6, на которой представлено спектральное распределение энергии излучения, полученное от ЛН с Тс=2800 К и CRI≥80).

Спектральное распределение энергии излучения от образца СИД с Тс=3000 К и CRI=80 (см. фиг.3) показало минимальную интенсивность (38 %) энергии излучения в части спектра в диапазоне λ≈464 нм и наиболее высокую интенсивность (68 %) энергии излучения в максимуме чувствительности восприятия света (λ≈555 нм) видимой области спектра, по сравнению с другими образцами.

Образец СИД с Тс=3000 К вызывает минимальное подавление секреции мелатонина на фоне других образцов СИД.

Для расчетного определения фотобиологической опасности исследуемых образцов СИД с заданными характеристиками коррелированной цветовой температуры применялась функция V(λ) (световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения) и относительный спектр биологического действия B(λ) (подавление секреции мелатонина).

1) Функция относительной спектральной плотности потока излучения каждого источника света (Фe(λ)_i) нормируется (Фe(λ)_i,_norm) по условию одинакового зрительного воздействия (одинакового светового потока, например 100 люмен).

2) Далее рассчитывается соответствующий биологический эквивалент BioEq_i, равный интегралу перекрытия Фe(λ)_i,_norm с B (λ).

Обработка спектров и численное интегрирование выполнялись в программе «Origin 8.5» (таблица 2).

Таблица 2. Результаты расчета биологического эквивалента

Из представленных в таблице 2 данных видно, что наиболее высокое воздействие по мелатонину имеет образец СИД с Тс=5000 К, а наименьшее – образец СИД с Тс=3000 К, т.е. фактически соответствует обычной ЛН.

По результатам этого эксперимента для дальнейшего исследования был выбран образец СИДа №1, как наименее фотобиологически опасный. На основе образца СИДа №1 был изготовлен светодиодный светильник для исследования возможности его использования в качестве основного освещения в помещениях, где отсутствует естественное освещение.

На протяжении всего периода наблюдения (1 год) не было выявлено вредного влияния светодиодного освещения, созданного светильником на основе образца СИД №1, на функциональное состояние организма человека, работающего в помещениях, где отсутствует естественное освещение.

Таким образом, заявленная полезная модель прошла испытания в качестве опытного образца светодиодного светильника, который изготавливается и используется в промышленных условиях, а именно, в светотехнике, что позволяет считать заявленную полезную модель соответствующей критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Предлагаемое устройство обеспечивает улучшение технических характеристик светильника светодиодного, а именно получение низких пульсаций тока, и, как следствие, низких пульсаций светового потока без сильной синей спектральной составляющей.

Список литературы

1. Анисимов В.Н. Мелатонин: роль в организме, применение в клинике // РМЖ. – 2006. – Т. 14, № 4. – С. 269.

2. О биологическом эквиваленте излучения светодиодных и традиционных источников света с цветовой температурой 1800-10000 К / А.В. Аладов [и др.] // Светотехника. – 2012. – № 3. – С. 7–10.

Claims

1. Светильник светодиодный, содержащий корпус, в котором размещены блок вторичного электропитания, включающий узел защиты электрической схемы от внешних воздействий с предохранителями, узел преобразования переменного тока в постоянный, представляющий собой двухполупериодный выпрямитель переменного тока, узел стабилизации тока, а также соединенный с блоком вторичного электропитания источник света в виде N независимых светодиодных цепочек, соединенных параллельно, отличающийся тем, что в блок вторичного электропитания введены варистор, сетевой фильтр, а также включенный параллельно узлу преобразования переменного тока в постоянный узел стабилизации напряжения с понижающим регулятором напряжения, при этом узел стабилизации тока, подключенный к выходу узла стабилизации напряжения, состоит из N параллельно включенных каскодных источников тока, каждый из которых расположен перед соответствующей цепочкой светодиодов, кроме того, предохранители узла защиты электрической схемы от внешних воздействий, подключенного параллельно нагрузке, включены параллельно и соединены с первым, вторым входами и через варистор подключены к сетевому фильтру, а двухполупериодный выпрямитель переменного тока содержит полупроводниковые элементы, подключенные параллельно и работающие на общую нагрузку, и включенные параллельно сглаживающие конденсаторы.

2. Светильник светодиодный по п.1, отличающийся тем, что корпус содержит матовый рассеиватель, создающий равномерное распределение светового потока.