RU2479165C2

RU2479165C2 - Lighting device

Info

Publication number: RU2479165C2
Application number: RU2011122752/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Хандогин; Владимир Иванович Бойко; Виктор Романович Гордиенко; Борис Георгиевич Рязанцев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ЭЛиПС-О"
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2013-04-10
Also published as: RU2011122752A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device comprises a light diode matrix connected via a control switch to a source of voltage of stabilised alternating current. The light diode matrix comprises one or several pairs of back-to-back connected branches from serially connected light diodes arranged on a common heat-removing substrate. The substrate is connected with an inlet of a temperature sensor, the output of which is connected to one of inlets of a control unit, which opens the control switch whenever the substrate temperature exceeds the specified level and closes it whenever temperature reduces to the specified level. Temperature is stabilised with accuracy determined by the value of discrecity of intervals n of a modulating signal. By switch opening it is possible to stop supply of voltage to light diodes and thus to reduce temperature of their heating. Due to stabilisation of light diode module substrate temperature, reliable operation of light diodes is ensured under effect of various destabilising factors.

EFFECT: higher reliability and longer life of a device.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании осветительных приборов широкого назначения, в конструкции которых задействованы энергосберегающие светодиодные модули.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in the design of general-purpose lighting fixtures, the design of which involves energy-saving LED modules.

Известны устройства освещения, содержащие светодиодную матрицу, соединенную с источником переменного напряжения стабильного тока, светодиоды которой установлены на общей подложке, выполняющей одновременно функции радиатора. Для обеспечения надежной работы светодиодов при воздействии внешних дестабилизирующих факторов (увеличения температуры, давления), ухудшающих теплоотдачу, радиаторы выполняют из керамики (Журнал «Полупроводниковая светотехника», №2, 2011 г.) или алюминия («Мощные светодиодные матрицы на анодированной алюминиевой подложке». «Температурные исследования надежности матриц мощных светодиодов». В.И.Мамушкин и др. УДК 621.315.592, 22.04.2010 г.).Known lighting devices containing an LED matrix connected to a source of alternating voltage of a stable current, the LEDs of which are mounted on a common substrate, which simultaneously performs the functions of a radiator. To ensure reliable operation of LEDs under the influence of external destabilizing factors (increase in temperature, pressure) that impair heat transfer, radiators are made of ceramics (Magazine "Semiconductor Lighting", No. 2, 2011) or aluminum ("Powerful LED arrays on anodized aluminum substrate" “Temperature studies of the reliability of high-power LED arrays.” V.I. Mamushkin et al. UDC 621.315.592, April 22, 2010).

Недостатком известных технических решений является низкая эффективность охлаждения светодиодов при воздействии внешних дестабилизирующих факторов (эксплуатации в замкнутых объемах, при пониженном атмосферном давлении, повышении температуры окружающей среды). При стабилизации тока и напряжения на светодиодном модуле в случае снижения эффективности теплоотвода подложки и, следовательно, светодиода увеличивается температура единичного его кристалла, следствием чего является снижение надежности всего светодиодного модуля. Таким образом, в большинстве случаев одновременное воздействие дестабилизирующих факторов приводит к неучтенному снижению эффективности теплоотвода и надежности работы светодиодного модуля.A disadvantage of the known technical solutions is the low cooling efficiency of the LEDs when exposed to external destabilizing factors (operation in confined spaces, at low atmospheric pressure, and an increase in ambient temperature). When the current and voltage on the LED module are stabilized, in the case of a decrease in the heat sink efficiency of the substrate and, consequently, the LED, the temperature of a single crystal increases, resulting in a decrease in the reliability of the entire LED module. Thus, in most cases, the simultaneous influence of destabilizing factors leads to an unaccounted-for decrease in the efficiency of heat removal and the reliability of the LED module.

Наиболее близким к изобретению является устройство освещения, содержащее светодиодную матрицу (модуль), подсоединенную к источнику напряжения стабилизированного переменного тока. Светодиодная матрица состоит из одной либо нескольких пар встречно-параллельно соединенных ветвей из последовательно включенных светодиодов, размещенных на общей подложке (Ж. «Рынок светотехники», №1, 2010 г., с.47). Для обеспечения достаточной надежности работы светодиодов подложка имеет теплоотводящую конструкцию радиатора.Closest to the invention is a lighting device containing an LED matrix (module) connected to a voltage source of stabilized alternating current. The LED matrix consists of one or several pairs of counter-parallel connected branches of series-connected LEDs located on a common substrate (J. "Lighting Market", No. 1, 2010, p. 47). To ensure sufficient reliability of the LEDs, the substrate has a heat sink design of the radiator.

Недостатками известного решения, равно как и вышеперечисленных, являются недостаточная надежность работы матрицы и малый рабочий ресурс светодиодов из-за низкой эффективности теплоотвода их подложки, т.к. с помощью использования подобной конструкции обеспечить эффективное охлаждение кристаллов светодиодов практически невозможно (тот же журнал, с.48). Недостаточное охлаждение кристаллов единичных светодиодов при стабилизации тока в случае одновременного воздействия дестабилизирующих факторов приводит к снижению надежности работы светодиодного модуля и всего устройства.The disadvantages of the known solution, as well as the above, are the lack of reliability of the matrix and the small working life of the LEDs due to the low efficiency of heat removal of their substrate, because using such a design, it is practically impossible to provide effective cooling of LED crystals (same journal, p. 48). Insufficient cooling of the crystals of single LEDs during current stabilization in the case of simultaneous exposure to destabilizing factors leads to a decrease in the reliability of the LED module and the entire device.

Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения, является повышение надежности и увеличение рабочего ресурса устройства за счет увеличения эффективности охлаждения светодиодов путем обеспечения постоянства температуры теплоотводящей подложки (при поддержании стабильного тока через светодиоды).The technical result that can be achieved by using the invention is to increase the reliability and increase the working life of the device by increasing the cooling efficiency of the LEDs by ensuring a constant temperature of the heat-removing substrate (while maintaining a stable current through the LEDs).

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве освещения, содержащем светодиодную матрицу, подсоединенную через регулирующий ключ к источнику напряжения стабилизированного переменного тока, светодиодная матрица состоит из одной либо нескольких пар встречно-параллельно соединенных ветвей из последовательно включенных светодиодов, размещенных на общей теплоотводящей подложке, соединенной со входом датчика температуры, выход которого подключен к одному из входов блока управления, размыкающего регулирующий ключ при превышении температуры подложки заданного уровня и замыкающего его при ее снижении до заданного уровня, причем это реализовано за счет того, что блок управления, работающий в режиме дискретной широтно-импульсной модуляции с дискретностью n интервалов периода Т модулирующего сигнала, выполнен с возможностью при превышении температуры подложки заданного уровня формирования выходного сигнала длительностью кТ/n путем поочередного подключения интервалов периода модулирующего сигнала до прихода сигнала с датчика температуры о полной компенсации превышения температуры подложки заданного уровня, где к, равный от 0 до n, - номер дискретного интервала периода Т модулирующего сигнала, при котором реализована полная компенсация превышения температуры подложки заданного уровня.The technical result is achieved due to the fact that in a lighting device containing an LED matrix connected via a regulating key to a voltage source of stabilized alternating current, the LED matrix consists of one or more pairs of counter-parallel connected branches of series-connected LEDs placed on a common heat sink connected to the input of the temperature sensor, the output of which is connected to one of the inputs of the control unit that opens the control key when exceeding the temperature of the substrate of a given level and closing it when it drops to a given level, and this is realized due to the fact that the control unit operating in the mode of discrete pulse-width modulation with a discreteness of n intervals of period T of the modulating signal is configured to exceed the temperature of the substrate a predetermined level of generating an output signal of duration kT / n by alternately connecting the intervals of the period of the modulating signal until the signal from the temperature sensor arrives at a complete set the compensation of the excess temperature of the substrate of a given level, where k, equal to from 0 to n, is the number of the discrete interval of the period T of the modulating signal at which full compensation of excess of the temperature of the substrate of a given level is realized.

При этом блок управления регулирующим ключом, работающий в режиме дискретной широтно-импульсной модуляции с дискретностью 4 интервалов периода Т модулирующего сигнала, может быть выполнен в виде резистивного делителя напряжения, присоединенного первым выводом к выходу резистивного датчика температуры, а вторым - к источнику опорного напряжения, величина которого соответствует заданному уровню температуры подложки, при этом вывод питания датчика температуры подключен к его источнику питания, точки соединения измерительных резисторов делителя напряжения, число которых соответствует дискретности 4 интервалов модулирующего сигнала, присоединены соответственно к измерительным входам четырех компараторов, входы задающего сигнала которых подключены к источнику опорного напряжения, выход первого компаратора, связанного с первым измерительным резистором, присоединен через первый инвертирующий элемент к первому входу элемента «ИЛИ», выход которого является выходом блока управления, при этом выходы второго, третьего и четвертого компараторов через соответствующие инвертирующие элементы присоединены соответственно к первым входам одного из трех элементов «И», выходы которых подключены к соответствующим входам элемента «ИЛИ», причем к вторым входам первого и третьего элементов «И» присоединен выход тактового генератора прямоугольных импульсов с частотой F₁, а ко второму и третьему входам второго и третьего элементов «И» - выход тактового генератора прямоугольных импульсов с частотой F₂=2F₁, при этом блок управления выполнен обеспечивающим формирование выходного сигнала С в соответствии с логической функцией:In this case, the control key control unit, operating in the mode of discrete pulse width-pulse modulation with a discreteness of 4 intervals of the period T of the modulating signal, can be made in the form of a resistive voltage divider connected by the first output to the output of the resistive temperature sensor, and the second to the voltage reference the value of which corresponds to a given temperature level of the substrate, while the power output of the temperature sensor is connected to its power source, the connection points of the measuring resistors a voltage divider, the number of which corresponds to a discreteness of 4 intervals of the modulating signal, are connected respectively to the measuring inputs of four comparators, the inputs of the driving signal of which are connected to a reference voltage source, the output of the first comparator connected to the first measuring resistor is connected through the first inverting element to the first input of the element OR ”, the output of which is the output of the control unit, while the outputs of the second, third and fourth comparators through the corresponding inv rtiruyuschie elements are connected respectively to the first inputs of one of the three elements "AND" outputs coupled to respective inputs of an "OR" element, and is coupled the output of the clock generator of rectangular pulses to the second inputs of "AND" of the first and third elements with the frequency F _1, and to second and third inputs of the second and third elements, "I" - the output of the clock generator of rectangular pulses with the frequency F ₂ = 2F _1, wherein the control unit is providing the formation of the output signal C in accordance with the logical function:

, где

where

X1, Х2, X3, Х4 - сигналы на выходах компараторов 11-14,X1, X2, X3, X4 - signals at the outputs of the comparators 11-14,

T₁, T₂ - периоды частоты F₁ и F₂ тактового генератора прямоугольных импульсов.T ₁ , T ₂ - frequency periods F ₁ and F _{2 of the} clock of rectangular pulses.

В проанализированных патентных источниках информации не обнаружено сведений о методике поддержания заданной температуры подложки светодиодного модуля и, следовательно, температуры кристаллов единичных светодиодов путем прерывания подачи питания напряжения переменного тока с помощью дискретного широтно-импульсного управления, что говорит о соответствии технического решения критериям «изобретательский уровень» и «новизна».In the analyzed patent information sources, no information was found on the method of maintaining the given substrate temperature of the LED module and, therefore, the temperature of the crystals of individual LEDs by interrupting the supply of AC voltage using discrete pulse-width control, which indicates that the technical solution meets the criteria of "inventive step" and "novelty."

На Фиг.1 представлена электрическая схема устройства освещения.Figure 1 presents the electrical circuit of the lighting device.

На Фиг.2 представлена электрическая схема блока управления (при дискретности модулирующего сигнала 4).Figure 2 presents the electrical circuit of the control unit (with discrete modulating signal 4).

На Фиг.3 изображены диаграммы переключения элементов схемы.Figure 3 shows diagrams of switching circuit elements.

Устройство (Фиг.1) состоит из светодиодной матрицы 1 (модуля), подсоединенной через регулирующий ключ 2 к источнику напряжения стабилизированного переменного тока 3. Светодиодная матрица состоит из одной либо нескольких пар встречно-параллельно соединенных ветвей из последовательно включенных светодиодов 4, размещенных на общей теплоотводящей подложке. Подложка соединена со входом датчика температуры 5, выход которого подключен к одному из входов блока управления 6. Блок управления 6 (Фиг.2) выполнен в виде резистивного делителя напряжения, присоединенного первым выводом к выходу резистивного датчика температуры 5, а вторым - к источнику опорного напряжения Uоп., величина которого соответствует заданному уровню температуры подложки. Вывод питания датчика температуры 5 подключен к его источнику питания +Е. Точки соединения измерительных резисторов 7-10 делителя напряжения, число которых соответствует дискретности 4 интервалов модулирующего сигнала, присоединены соответственно к измерительным входам четырех компараторов 11-14. Входы задающего сигнала компараторов подключены к источнику опорного напряжения Uоп. Выход первого компаратора 11 присоединен через первый инвертирующий элемент 15 к первому входу элемента «ИЛИ» 16, выход которого является выходом блока управления. Выходы компараторов 12-14 через инвертирующие элементы 17-19 присоединены соответственно к первым входам элементов «И» 20-22. К вторым входам элементов «И» 20 и 22 присоединен выход тактового генератора прямоугольных импульсов 23 с частотой F₂, задающей интервал дискретности, а ко второму и третьему входам элементов «И» 21 и 22 - выход тактового генератора прямоугольных импульсов с частотой F₁. Блок управления 6 формирует на выходе сигнал С, характеризующийся логической функцией:The device (Fig. 1) consists of an LED matrix 1 (module) connected via a regulating key 2 to a voltage source of stabilized alternating current 3. The LED matrix consists of one or several pairs of counter-parallel connected branches from series-connected LEDs 4 located on a common heat sink substrate. The substrate is connected to the input of the temperature sensor 5, the output of which is connected to one of the inputs of the control unit 6. The control unit 6 (Figure 2) is made in the form of a resistive voltage divider connected by the first output to the output of the resistive temperature sensor 5, and the second to the reference source voltage Uop., the value of which corresponds to a given level of substrate temperature. The power output of temperature sensor 5 is connected to its power supply + E. The connection points of the measuring resistors 7-10 of the voltage divider, the number of which corresponds to a resolution of 4 intervals of the modulating signal, are connected respectively to the measuring inputs of the four comparators 11-14. The inputs of the reference signal of the comparators are connected to a reference voltage source Uop. The output of the first comparator 11 is connected through the first inverting element 15 to the first input of the OR element 16, the output of which is the output of the control unit. The outputs of the comparators 12-14 through the inverting elements 17-19 are connected respectively to the first inputs of the elements "And" 20-22. To the second inputs of the elements "And" 20 and 22 is connected the output of the clock of a rectangular pulse generator 23 with a frequency of F ₂ defining a discrete interval, and to the second and third inputs of the elements "And" 21 and 22 is the output of a clock of a generator of rectangular pulses with a frequency of F ₁ . The control unit 6 generates an output signal C, characterized by a logical function:

, где

where

T₁, T₂ - периоды частоты F₁ и F₂ тактового генератора прямоугольных импульсов, причем F₂=2F₁.T ₁ , T ₂ - frequency periods F ₁ and F _{2 of the} clock of rectangular pulses, and F ₂ = 2F ₁ .

Естественно, что число сигналов X1…Xn на выходе компараторов соответствует величине дискретности n интервалов модулирующего сигнала.Naturally, the number of signals X1 ... Xn at the output of the comparators corresponds to the discreteness value n of the intervals of the modulating signal.

Величина дискретности интервалов модулирующего сигнала может быть любой, причем от ее значения зависит структура блока управления 6, который должен реализовать формирование выходного сигнала в соответствии с заданной логической функцией C=f(n). Методика построения подобных схем широко известна (см. кн. В.И.Хандогин и др. Источники вторичного электропитания приборов СВЧ. М.: Радио и связь, 1989 г., с.114).The discreteness of the intervals of the modulating signal can be any, and the structure of the control unit 6, which should realize the formation of the output signal in accordance with a given logical function C = f (n), depends on its value. The technique for constructing such circuits is widely known (see the book by V.I. Khandogin and others. Sources of secondary power supply for microwave devices. M: Radio and communications, 1989, p. 114).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При подключении источника электропитания 3 к входным выводам на светодиодную матрицу 1 подается переменное напряжение типа «меандр». Светодиоды 4 ветвей модуля поочередно попарно загораются (регулирующий ключ 2 замкнут, на выходе блока 6 формируется сигнал «C₁» 24 (Фиг.3)). При этом температура окружающей среды, например 25°C, и подложки светодиодов, например 70°C, не превышают заданный допустимый уровень.When connecting the power supply 3 to the input terminals, an LED voltage of the meander type is supplied to the LED matrix 1. The LEDs of the 4 branches of the module alternately light up in pairs (the control key 2 is closed, the signal “C ₁ ” 24 is generated at the output of block 6 (Figure 3)). In this case, the ambient temperature, for example 25 ° C, and the substrate of the LEDs, for example 70 ° C, do not exceed the specified permissible level.

При увеличении температура окружающей среды, например, до 35°C и соответственном увеличении температуры подложки светодиодов до уровня, превышающего допустимый, с датчика температуры 5 поступает сигнал на резистивный делитель 7-10 блока управления. При этом срабатывает компаратор 14, формирующий сигнал Х4 (25), который согласно логической функции определяет выходной сигнал С₂ (26) блока управления 6 с дискретностью Т/n. Дальнейшее увеличение температуры подложки приводит к последовательному срабатыванию компараторов 13, 12, 11 (сигналы 27, 28, 29) и формированию на выходе блока управления 6 сигналов С₃ (30), С₄ (31). Данный процесс будет продолжаться до прихода сигнала с датчика 5 о полной компенсации превышения температуры подложки. Естественно, что максимальный сигнал на размыкание ключа соответствует величине периода Т, при которой номер дискретного интервала периода T₁ (32) модулирующего сигнала равен n.With an increase in the ambient temperature, for example, to 35 ° C and a corresponding increase in the temperature of the LED substrate to a level that exceeds the permissible value, a signal is sent from the temperature sensor 5 to the resistive divider 7-10 of the control unit. In this case, the comparator 14 is activated, generating a signal X4 (25), which according to the logical function determines the output signal C ₂ (26) of the control unit 6 with a resolution of T / n. A further increase in the substrate temperature leads to the sequential operation of the comparators 13, 12, 11 (signals 27, 28, 29) and the formation of 6 signals C ₃ (30), C ₄ (31) at the output of the control unit. This process will continue until the signal from the sensor 5 about the full compensation of the temperature rise of the substrate. Naturally, the maximum signal to open the key corresponds to the value of the period T, at which the number of the discrete interval of the period T ₁ (32) of the modulating signal is n.

При снижении температуры подложки процесс повторяется в обратную сторону. Стабилизация температуры происходит с точностью, определяемой величиной дискретности n модулирующего сигнала, т.е. частотой F₂ (33), которая задается тактовым генератором 23.As the substrate temperature decreases, the process repeats in the opposite direction. The temperature is stabilized with an accuracy determined by the discreteness n of the modulating signal, i.e. frequency F ₂ (33), which is set by the clock 23.

Таким образом, с помощью размыкания ключа 2 можно прерывать подачу питающего светодиоды 4 напряжения и тем самым снижать температуру их нагрева. Естественно, что светодиоды не перестают гореть, т.к. частота дискретной модуляции F₂ отличается от частоты питающего переменного напряжения более чем на порядок.Thus, by opening the key 2, it is possible to interrupt the supply of the voltage supplying the LEDs 4 and thereby reduce the temperature of their heating. Naturally, the LEDs do not stop burning, because the frequency of discrete modulation F ₂ differs from the frequency of the supply alternating voltage by more than an order of magnitude.

За счет стабилизации температуры подложки светодиодного модуля на постоянном уровне устройство обеспечивает надежную работу светодиодов при воздействии различных дестабилизирующих факторов.By stabilizing the temperature of the substrate of the LED module at a constant level, the device ensures reliable operation of the LEDs under the influence of various destabilizing factors.

Благодаря высокой надежности работы светодиодного модуля устройство освещения может найти широкое применение в различных областях.Due to the high reliability of the LED module, the lighting device can be widely used in various fields.

Claims

1. A lighting device containing an LED matrix connected via a control key to a voltage source of stabilized alternating current, the LED matrix consists of one or several pairs of counter-parallel connected branches of series-connected LEDs placed on a common heat-dissipating substrate connected to the input of the temperature sensor, output which is connected to one of the inputs of the control unit, opening the control key when the substrate temperature exceeds a predetermined level and closing it when it is reduced to a predetermined level, and this is realized due to the fact that the control unit operating in the mode of discrete pulse-width modulation with a discreteness of n intervals of period T of the modulating signal is made with the possibility, when the substrate temperature is exceeded, of a predetermined level of output signal formation of kT / n by alternately connecting the intervals of the period of the modulating signal until the signal from the temperature sensor arrives to completely compensate for the excess of the substrate temperature given by ovnya where k is equal to 0 to n - the number of discrete interval period T of the modulating signal, which provides full compensation of exceeding a predetermined level of the substrate temperature.

2. The lighting device according to claim 1, characterized in that the control key control unit operating in the mode of discrete pulse-width modulation with a resolution of 4 intervals of the period T of the modulating signal is made in the form of a resistive voltage divider connected to the output of the resistive temperature sensor by the first output and the second - to a reference voltage source, the value of which corresponds to a predetermined level of the substrate temperature, while the power output of the temperature sensor is connected to its power source, connection points the measuring resistors of the voltage divider, the number of which corresponds to a resolution of 4 intervals of the modulating signal, are connected respectively to the measuring inputs of four comparators, the inputs of the driving signal of which are connected to a reference voltage source, the output of the first comparator connected to the first measuring resistor is connected through the first inverting element to the first the input of the element "OR", the output of which is the output of the control unit, while the outputs of the second, third and fourth comparat through the corresponding inverting elements are connected respectively to the first inputs of one of the three “AND” elements, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the “OR” element, and the output of the clock of a rectangular pulse with a frequency of F ₁ is connected to the second inputs of the first and third elements of “AND” and to the second and third inputs of the second and third elements "And" - the output of the clock of rectangular pulses with a frequency of F ₂ = 2F ₁ , while the control unit is configured to generate the output signal la C in accordance with the logical function:

,
where X1, X2, X3, X4 are the signals at the outputs of the comparators 11-14;
T ₁ , T ₂ - frequency periods F ₁ and F _{2 of the} clock of rectangular pulses.