RU2718636C2

RU2718636C2 - Светодиодный световой модуль

Info

Publication number: RU2718636C2
Application number: RU2017145303A
Authority: RU
Inventors: Марсель БЕЙ; Бертранд Йохан Эдвард ХОНТЕЛЕ; Патрик Алауисиус Мартина ДЕ БРЮЙККЕР; Дмитро Викторович МАЛИНА; Далибор КВОРИК
Original assignee: Филипс Лайтинг Холдинг Б.В.
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2020-04-10
Also published as: US10257907B2; RU2017145303A3; WO2016207013A1; CN107787605A; EP3314983A1; JP2018515895A; RU2017145303A; ES2844579T3; JP6391856B2; US20180192485A1; CN107787605B; EP3314983B1

Abstract

Изобретение относится к светодиодному световому устройству и способу управления светодиодной нагрузкой. Техническим результатом является обеспечение регулирования тока через светодиодную нагрузку. Результат достигается тем, что светодиодный световой модуль (1) содержит входные выводы (13_hi, 13_1o) для подсоединения его к входному напряжению (U_in), светодиодную нагрузку (10), выполненную с возможностью работы на верхнем пороговом уровне напряжения, и регулирующую цепь (11, 12), выполненную с возможностью уменьшения тока (I_LED) светодиода через светодиодную нагрузку (10), когда входное напряжение (U_in) больше, чем верхний пороговый уровень напряжения. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение описывает светодиодный световой модуль, светодиодное световое устройство и способ управления светодиодной нагрузкой.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Светодиоды становятся все более широко используемыми в качестве источников света и являются привлекательными из-за своего продолжительного срока службы и низкого потребления электроэнергии. Например, несколько светодиодов и схема возбуждения могут быть встроены в "модифицированную" электрическую лампочку, чтобы заменить менее энергосберегающую лампочку накаливания. Лампочка накаливания может загораться непосредственно от напряжения сети переменного тока, например, 240 В. Галогенную лампу обычно включают от трансформатора, который понижает уровень входного напряжения. Источники питания этих типов не годятся для светодиода, которому для его безопасной работы требуется относительно низкое напряжение постоянного тока. Есть множество различных способов использования светодиодов с существующими источниками питания. Например, несколько светодиодов могут использоваться в одной конфигурации, чтобы их общее напряжение было равно высокому входному напряжению. Альтернативно, между источником питания и светодиодным источником света может быть размещена электроника схемы возбуждения для изменения входного напряжения и тока до пригодных и безопасных уровней.

Когда напряжение на светодиодной нагрузке превышает некоторый минимум, эта светодиодная нагрузка испускает свет. По мере возрастания напряжения соответственно увеличивается ток светодиода, что приводит к большему световому выходу. Вообще говоря, входное напряжение не должно превышать номинального уровня напряжения, так как чрезмерно высокий ток светодиода в конечном итоге уменьшает его срок службы. По этим причинам важно, чтобы напряжение на светодиодной нагрузке поддерживалось на номинальном уровне или ниже его, и чтобы ток светодиода не превышал рекомендуемого уровня возбуждения. Это может быть достигнуто несколькими способами. В одном подходе током светодиода можно управлять относительно прямым способом, используя включенный последовательно со светодиодной нагрузкой полупроводниковый переключатель, такой как биполярный переходный транзистор, а также подавая на базу этого биполярного транзистора соответствующее напряжение для управления величиной проходящего через переключатель тока. Цепь управления током регулирует напряжение на базе биполярного транзистора, тем самым обеспечивая постоянство тока светодиода во всем диапазоне входного напряжения между минимальным уровнем и номинальным уровнем. Когда входное напряжение превысит номинальное напряжение, ток светодиода будет оставаться постоянным, а избыточная мощность будет рассеиваться схемой управления током. В результате этот подход к управлению связан с нежелательно большими потерями. В конфигурациях, содержащих разное количество параллельно включенных светодиодных лампочек - например, в световом приборе с параллельным включением модифицированных светодиодных лампочек - источник питания должен подавать постоянное напряжение, но при этом для каждой отдельной светодиодной лампочки должно осуществляться регулирование тока. Для того чтобы управлять световым выходом светодиодных лампочек, то есть для того, чтобы по мере необходимости увеличивать или уменьшать их световой выход, единственным доступным параметром управления, как правило, является напряжение питания, так что обычно используемым способом является уменьшение светимости посредством управляемого напряжения. Однако в случае светодиодных нагрузок желание ограничить потери схемы возбуждения вступает в противоречие с диапазоном управления и линейностью светодиодного светового устройства.

Таким образом, целью изобретения является альтернативный способ регулирования тока через светодиодную нагрузку.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения достигается с помощью модуля светодиодного освещения по п. 1 формулы изобретения, посредством светодиодного светового устройства по п. 7 и посредством способа возбуждения светодиодной нагрузки по п. 11.

Согласно изобретению светодиодный световой модуль содержит входные выводы для подсоединения его к входному напряжению, светодиодную нагрузку, выполненную с возможностью работы на номинальном уровне напряжения, и регулирующую цепь, выполненную с возможностью уменьшения тока светодиода через светодиодную нагрузку, когда входное напряжение больше, чем напряжение номинального уровня.

Нагрузка светодиода может содержать один или более светодиодных источников света, например, один или более светодиодных полупроводников, установленных на печатной плате в любой подходящей конфигурации. В контексте данного изобретения термин номинальное или расчетное напряжение следует понимать как означающий максимальное или рекомендованное напряжение, которое должно быть приложено к светодиодной нагрузке. Преимущество светодиодного светового модуля в соответствии с изобретением состоит в том, что при относительно небольших усилиях и низких затратах он может обеспечивать светодиодам защиту от перенапряжения и (или) может быть выполнен совместимым с существующими схемами, например, со световым прибором, содержащим устаревший высокочастотный трансформатор для галогенных ламп, с фазовым устройством уменьшения светимости и т. д. Ниже по тексту это будет пояснено более подробно. Основная идея изобретения заключается в допущении увеличения напряжения выше напряжения номинального уровня и в принципе регулирования тока светодиода "на понижение" в ответ на возрастающее входное напряжение. Эта техника "регулируемого на понижение" или уменьшающегося тока светодиода в ответ на повышенное входное напряжение далее называется "уменьшением светимости реверсным напряжением".

В соответствии с изобретением светодиодное световое устройство содержит такой светодиодный световой модуль, а также модуль преобразования, выполненный с возможностью повышения входного напряжения светодиодного светового модуля выше верхнего порогового уровня напряжения светодиодного светового модуля на основе входного сигнала уменьшения светимости светодиодного светового устройства.

Светодиодное световое устройство в соответствии с изобретением представляет собой привлекательную альтернативу для замены или "модификации" низковольтных лампочек, таких как лампочки MR16. Модифицированная лампочка должна быть совместима с прибором, в котором она будет использоваться, и для обеспечения этой совместимости было затрачено много усилий. Светодиодное световое устройство в соответствии с изобретением обеспечивает защищенность светодиодов от перенапряжения и, кроме того, оно может быть выполнено с возможностью взаимодействия с существующим регулятором уменьшения светимости светового прибора. Другое преимущество светодиодного светового устройства в соответствии с изобретением заключается в том, что предлагаемая схема может быть реализована в очень компактном виде, так что при этом стали возможны даже миниатюрные модифицированные лампочки, такие как лампочки в виде свечек.

В соответствии с изобретением способ возбуждения светодиодной нагрузки, реализованный с возможностью работы на верхнем пороговом уровне напряжения, включает в себя этапы подсоединения светодиодной нагрузки к входному напряжению и уменьшения тока светодиода через светодиодную нагрузку, когда входное напряжение выше, чем номинальный уровень напряжения.

Преимущество способа в соответствии с изобретением заключается в том, что возможно очень прямое, но эффективное управление током светодиода, и такое управление можно использовать в различных ситуациях, таких как защита светодиодов от перенапряжения и (или) создание экономичного светодиодного светового устройства, совместимого с существующим прибором, и (или) обеспечение функции уменьшения светимости для существующей световой схемы, которая физически не включает в себя устройство уменьшения светимости.

Зависимые пункты формулы изобретения и последующее описание раскрывают особенно предпочтительные варианты осуществления и признаки изобретения. Признаки вариантов осуществления по мере необходимости можно объединять. Признаки, описанные в контексте одной категории пунктов формулы изобретения, в равной степени могут относиться к другой категории пунктов формулы изобретения.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения схема регулирования светодиодного светового модуля реализуется как часть схемы защиты от перенапряжения светодиодного светового устройства. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения схема регулирования светодиодного светового модуля реализована как часть схемы уменьшения светимости светодиодного светового устройства. Поэтому светодиодное световое устройство в соответствии с изобретением может быть осуществлено для поддержки функции уменьшения светимости без создания каких-либо нежелательных электромагнитных помех или слышимого гудения, связанного с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) схемы уменьшения светимости. Конечно, данные функции - защиты от перенапряжения и уменьшения светимости - в этом новаторском светодиодном световом устройстве даже могут быть объединены.

Далее по тексту выражение "верхний пороговый уровень напряжения" следует понимать как уровень напряжения, выше которого регулирующая цепь будет регулировать ток светодиода на понижение. Верхний пороговый уровень напряжения может быть таким же, что и номинальное напряжение светодиода. Например, для цепочки из трех 3-вольтовых светодиодов (то есть, каждый светодиод имеет прямое напряжение 3 В), когда входное напряжение на светодиодном модуле возрастет выше 9,0 В, регулирующая цепь может начать регулирование тока светодиода на понижение, поскольку номинальное напряжение для этой светодиодной цепочки составляет 9 В. Альтернативное определение верхнего порогового уровня напряжения может производиться также с учетом любого дополнительного перенапряжения или разности по величине напряжения, что может быть необходимо для регулирующей цепи.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения светодиодная нагрузка включена последовательно с первым полупроводниковым переключателем и токоизмерительным резистором, а регулирующая цепь содержит схему управления током с опорным входом и "переменным" входом, каковая схема управления током выполнена с возможностью регулирования тока светодиода через первый полупроводниковый переключатель в соответствии с разностью между опорным входом и переменным входом. Регулирующая цепь дополнительно содержит схему контроля напряжения, выполненную с возможностью генерации переменного входа в схему управления током на основе приложенного к светодиодному световому модулю входного напряжения и верхнего порогового уровня напряжения.

Как описано выше, током светодиода можно управлять относительно прямым способом с использованием полупроводникового переключателя, такого как биполярный переходный транзистор, включенного последовательно со светодиодной нагрузкой, и приложения соответствующего напряжения к базовому выводу этого транзистора для регулирования величины тока, проходящего через переключатель. Токоизмерительный резистор, включенный последовательно с переключателем, может обеспечивать измеренную величину тока через светодиодную нагрузку. В предпочтительном варианте осуществления изобретения переменный вход для контроллера тока является общим узлом, соединяющим токоизмерительный резистор и схему контроля напряжения.

В контексте настоящего изобретения входной сигнал уменьшения светимости или вход уменьшения светимости может интерпретироваться как управляющий сигнал для достижения соответствующего повышенного напряжения. Например, устройство уменьшения светимости могло бы работать на основе потенциометра, который подает входной сигнал уменьшения светимости в виде напряжения в диапазоне между низким напряжением и высоким напряжением, соответствующем диапазону уменьшения светимости между уставкой слабого уменьшения светимости и уставкой сильного уменьшения светимости. В предпочтительном варианте осуществления изобретения светодиодное световое устройство содержит интерфейсную схему для преобразования входного сигнала уровня уменьшения светимости в управляющий сигнал модуля повышения напряжения. В дальнейшем можно предположить, что полный световой выход соответствует 0% уровню уменьшения светимости, а нулевой световой выход соответствует 100% уровню уменьшения светимости. Полный световой выход достигается тогда, когда ток светодиода находится на номинальном уровне³⁾ тока возбуждения, а нулевой световой выход достигается тогда, когда ток светодиода уменьшен до уровня, при котором светодиоды эффективно "выключены".

Схема контроля напряжения, предпочтительно, выполнена с возможностью повышения уровня напряжения по переменному входу схемы управления током, когда входное напряжение превышает верхний пороговый уровень напряжения. Это может быть достигнуто с использованием любой подходящей схемы. В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения схема контроля напряжения для выполнения этой функции содержит программируемый шунтирующий регулятор. Программируемый шунтирующий регулятор, предпочтительно подключается через свой катод к выводу входного напряжения светового устройства. Посредством делителя напряжения образована замкнутая обратная связь на опорный вывод шунтирующего регулятора и его анод. Соответствующим выбором величин резисторов делитель напряжения может установить верхний пороговый уровень, за которым должно начинаться регулирование тока светодиода на понижение. Далее по тексту верхний пороговый уровень напряжения может называться также "триггерным уровнем уменьшения светимости", поскольку ток светодиода, а поэтому - и световой выход светодиодного модуля - уменьшается, когда входное напряжение поднимается выше этого уровня.

Существуют различные возможные способы осуществления управления током светодиода на основе опорного входа и управляющего входа. Например, опорный вход может быть внутренним узлом внутри схемы управления током. В альтернативном подходе для контроля напряжения питания и, соответственно, - для регулирования тока светодиода может использоваться микропроцессор.

В особенно предпочтительном варианте осуществления светодиодного модуля в соответствии с изобретением контроллер тока содержит компаратор, выполненный с возможностью сравнения переменного входа с опорным входом, и в котором усиление компаратора управляется входным напряжением. Например, можно использовать операционный усилитель с одним источником питания, положительный вывод питания которого подсоединен к выводу входного напряжения. Величина выходного сигнала операционного усилителя будет зависеть от разности между его входами, а также от коэффициента усиления, который в этой конфигурации определен входным напряжением. Такая конфигурация относительно экономична в реализации по сравнению с более сложной схемой, основанной на микропроцессоре.

При "нормальной" работе светодиодного светового модуля входное напряжение не будет превышать верхний пороговый уровень. Таким образом переменный вход контроллера тока посредством токоизмерительного резистора будет обеспечивать измеренную величину тока через светодиоды. В предпочтительном варианте осуществления изобретения компаратор в этих обстоятельствах будет работать на то, чтобы регулировать напряжение на базовом выводе биполярного транзистора с целью удержания тока светодиода на по существу постоянном уровне возбуждения. Как только входное напряжение превысит верхний пороговый уровень напряжения, компаратор будет действовать таким образом, чтобы отрегулировать напряжение на базовом выводе биполярного транзистора для уменьшения тока светодиода. Так, для n-p-n транзисторного переключателя уменьшение напряжения на базовом выводе уменьшит ток через переключатель.

Когда входное напряжение превышает триггерный уровень уменьшения светимости, ток светодиода можно регулировать любым подходящим способом. Например, как только входное напряжение превысит триггерный уровень уменьшения светимости, ток светодиода может быть уменьшен резко. Альтернативно, по мере того, как входное напряжение поднимается над верхним пороговым уровнем, ток светодиода может уменьшаться поэтапно. В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения по мере того, как входное напряжение поднимается над верхним пороговым уровнем напряжения, ток светодиода уменьшается линейно. Таким образом, мере того, как входное напряжение равномерно возрастает, ток светодиода равномерно уменьшается.

Схема управления током и схема контроля напряжения⁴⁾, предпочтительно, выполнены с возможностью приведения тока светодиода к нулю, когда входное напряжение приближается к максимальной величине входного напряжения. Другими словами, выше некоторого уровня входного напряжения светодиодная нагрузка отключается и света не испускает.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения схема контроля напряжения и схема управления током выполнены как часть схемы защиты от перенапряжения с использованием вышеописанных методов управления для защиты светодиодов от чрезмерно высокого тока, который в противном случае может привести к тепловому пробою и выходу устройства из строя.

Линейная зависимость между входным напряжением и током светодиода может быть использована для создания нужного эффекта, когда светодиодное световое устройство должно обладать способностью уменьшения светимости. Поэтому в следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения схема контроля напряжения и схема управления током выполнены как часть схемы уменьшения светимости. Это может быть осуществлено несколькими способами. Например, светодиодное световое устройство может использоваться в световой схеме, которая уже включает в себя устройство уменьшения светимости. С этой целью светодиодное световое устройство согласно изобретению, предпочтительно, содержит схему преобразователя для преобразования сигнала уставки уменьшения светимости, выдаваемого устройством уменьшения светимости, в повышенное входное напряжение. Такая схема преобразователя, предпочтительно, реализуется для увеличения входного напряжения по мере того, как уставка уменьшения светимости уменьшается. Другими словами, требуемый низкий уровень уменьшения светимости приведет к соответствующе высокому входному напряжению. Регулировка уставки уменьшения светимости приведет к соответствующей настройке входного напряжения.

Уменьшать светимость таких источников света, как лампы накаливания или галогенные лампы, можно с использованием различных методов, таких как уменьшение светимости по фазе входного переменного тока, широтно-импульсная модуляция и т. д. Светимость светодиодного источника света обычно уменьшают с использованием техники широтно-импульсной модуляции или техники управления током, поскольку светодиодная нагрузка обычно возбуждается от фиксированного напряжения постоянного тока. Когда в модифицированной лампочке, предназначенной для замены лампочки накаливания, используется светодиодный источник света, для преобразования сетевого входа в по существу постоянное входное напряжение постоянного тока и для управления током светодиода требуется электронная схема возбуждения. В такую схему возбуждения может быть включено устройство уменьшения светимости. В предпочтительном варианте осуществления изобретения функция уменьшения светимости может быть введена в светодиодное световое устройство включением в него, как описано выше, схемы преобразователя между схемой возбуждения и светодиодным световым устройством, чтобы в ответ на входной сигнал уменьшения светимости повышать напряжение постоянного тока (подаваемое схемой возбуждения) выше порогового уровня.

Светодиодный световой модуль и светодиодное световое устройство в соответствии с изобретением, кроме того, допускают ШИМ-управление входом при постоянном входном напряжении. Например, рабочий цикл ШИМ в около 40% уменьшает средний ток светодиода и, следовательно, также и световой выход, - примерно на 40% от их номинального уровня. Уменьшение светимости светодиодного светового модуля посредством использования ШИМ-управления не активизирует или не запускает схему контроля напряжения регулирующей цепи, так что регулирование тока при этом выполняется только на основе уставки ШИМ-уменьшения светимости, а потери мощности в последовательном транзисторном переключателе уменьшаются в соответствии с уровнем уменьшения светимости. Этот метод управления уменьшением светимости является альтернативным подходом для низковольтных модифицированных лампочек, заменяющих⁵⁾ такие лампочки, как MR16.

Светодиодное световое устройство в соответствии с изобретением, предпочтительно, реализуется в виде модифицированной светодиодной лампочки с разъемом для ее вставки в розетку светового прибора. Разъем может быть любым стандартным разъемом, таким как двухконтактный, байонетный или резьбовой разъем. Например, светодиодное световое устройство в соответствии с изобретением может быть выполнено в виде лампочки MR16 с разъемом GU 10 для замены галогенной лампы.

Другие цели и признаки настоящего изобретения станут очевидными из следующего далее подробного описания, которое следует рассматривать в сочетании с прилагаемыми чертежами. Однако следует понимать, что чертежи предназначены исключительно для целей иллюстрации, а не для определения объема изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему первого варианта осуществления светодиодного светового модуля в соответствии с изобретением.

Фиг. 2 показывает график, иллюстрирующий работу светодиодного светового модуля в соответствии с изобретением.

Фиг. 3 показывает блок-схему, представляющую функциональные элементы светодиодного светового модуля в соответствии с изобретением.

Фиг. 4 представляет собой блок-схему варианта осуществления светодиодного светового устройства в соответствии с изобретением.

Фиг. 5 представляет собой схематичное изображение светодиодного светового устройства в соответствии с изобретением, выполненного в виде модифицированной лампочки.

Фиг. 6 представляет собой схематичное изображение светового прибора, содержащего модифицированные варианты осуществления светового устройства в соответствии с изобретением.

Фиг. 7 показывает дополнительные графики, относящиеся к работе светодиодного светового модуля в соответствии с изобретением.

На всех чертежах одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым объектам. Объекты на чертежах не обязательно изображены в масштабе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На фиг. 1 показана принципиальная схема первого варианта осуществления светодиодного светового модуля 1 в соответствии с изобретением, показывающая светодиодную нагрузку 10, содержащую ряд светодиодов 100, и схему регулирования 11, 12, содержащую схему 11 контроля напряжения и схему 12 управления током. Выходные выводы соответствующего источника питания постоянного тока могут быть подсоединены к входным выводам 13_hi, 13_1o светодиодного светового модуля 1. Светодиодная нагрузка 10 включена последовательно с первым полупроводниковым переключателем Q1 и с токоизмерительным резистором R_sense. Первый полупроводниковый переключатель Q l является биполярным n-p-n транзистором, а вывод его базы соединен с выходом схемы 12 управления током.

Схема 12 управления током содержит операционный усилитель 120 и второй полупроводниковый переключатель Q2. Опорный вход 121 операционного усилителя 120 соединен с постоянным напряжением, то есть с опорным уровнем, обозначенным символом источника питания. Вывод подачи положительного напряжения операционного усилителя 120 соединен с выводом положительного входного напряжения, а вывод подачи отрицательного напряжения соединен с землей.

Величина токоизмерительного резистора R_sense определяет ток по умолчанию или номинальный ток возбуждения светодиода. Этот токоизмерительный резистор R_sense при нормальной работе светового устройства способствует регулированию тока I_LED светодиода до по существу постоянного уровня возбуждения. С этой целью токоизмерительный резистор R_sense через узел N подключен к управляющему входу 122 схемы 12 управления током.

Узел N подсоединен также к схеме 11 контроля напряжения, которая выполнена в виде программируемого шунтирующего регулятора 110. До тех пор, пока входное напряжение U_in ниже установленного цепочкой Rl, R2 делителя напряжения верхнего порогового уровня, напряжение на узле N (и, следовательно, "уровень управления током" управляющего входа 122 в операционный усилитель 120) будет изменяться только в ответ на изменение входного тока I_LED в светодиод. Операционный усилитель 120 реагирует на любую незначительную разницу между напряжениями на опорном входе 121 и на управляющем входе 122 посредством изменения напряжения на выводе базы второго транзисторного переключателя Q2, тем самым косвенно регулируя напряжение на выводе базы первого транзисторного переключателя Ql. Поэтому, до тех пор, пока входное напряжение U_in выше некоторого минимального уровня (в зависимости от количества светодиодов в светодиодной нагрузке 10) и ниже верхнего порогового уровня, ток I_LED светодиода будет оставаться по существу постоянным на уровне возбуждения, а световой выход тоже будет оставаться по существу постоянным на уровне 100% светового выхода. Верхний пороговый уровень или "триггерный уровень уменьшения светимости" - это номинальное или расчетное напряжение для светодиодной нагрузки 10. Действие замкнутого контура схемы, содержащей токоизмерительный резистор R_sense, операционный усилитель 120 и второй транзисторный переключатель Q2, состоит в том, чтобы всегда стараться удерживать напряжение на управляющем входе 122 равным напряжению на опорном входе 121 или на "уровне управления током". Другими слова, назначением этого замкнутого контура является коррекция напряжения на уровне управления током, чтобы сделать его равным опорному напряжению.

Когда входное напряжение U_in возрастает выше порогового напряжения, шунтирующий регулятор 110 схемы 11 контроля напряжения будет увеличивать проходящий по нему ток. Этот проходящий ток поднимет напряжение на узле N, поскольку он создает дополнительное падение напряжения на резисторе R4 и на токоизмерительном резисторе R_sense. Другими словами, шунтирующий регулятор 110 будет поднимать напряжение на управляющем входе 122 над опорным уровнем. В результате ток через токоизмерительный резистор R_sense должен уменьшиться, чтобы вернуть напряжение на управляющем входе 122 к опорному уровню. Повышенное напряжение на управляющем входе 122 операционного усилителя 120 увеличивает напряжение на базе второго транзисторного переключателя Q2, так что он потребляет больший ток, тем самым снижая напряжение на базовом выводе первого транзисторного переключателя Q1 и уменьшая ток I_LED светодиода. Снижение тока I_LED светодиода приводит к более низкому или уменьшенному световому выходу. Схема 12 управления током эффективно реагирует на изменение в падении напряжения между узлом N и землей (обозначенной стрелкой) и стремится удерживать напряжения и на опорном входе 121, и на управляющем входе 122 на одинаковом уровне.

Резистор R4 выбирают значительно большим, чем токоизмерительный резистор R_sense, чтобы обеспечивать, что протекающий через шунтирующий регулятор 110 малый ток будет создавать большое падение при токе I_LED светодиода. Таким образом, общий ток через контур будет уменьшаться.

Процесс уменьшения тока I_LED светодиода при увеличении входного напряжения будет продолжаться до тех пор, пока первый транзисторный переключатель Q1 не будет эффективно отключен, что приведет к 0%-му световому выходу (100%-е уменьшение светимости). При регулировании тока светодиода на понижение уменьшением светимости реверсным напряжением рассеиваемая мощность первого транзистора Q1 также будет уменьшаться, и когда ток I_LED светодиода достигнет 0 мА, опустится до 0 Вт.

Триггерный уровень уменьшения светимости, то есть уровень входного напряжения U_in, при котором начинается уменьшение светимости светодиодной нагрузки 10, может быть установлен соответствующими величинами резисторов R1, R2, R3, R4.

Принцип работы светодиодного светового модуля 1 показан на фигуре 2. Здесь на графике 20 показан световой выход [%] в зависимости от напряжения U_in, приложенного к светодиодному световому модулю 1. До и ниже верхнего порогового уровня напряжения V_dim или напряжения триггерного уровня уменьшение светимости световой выход составляет 100% или является полным световым выходом. Когда напряжение U_in становится выше верхнего порогового уровня напряжения V_dim, световой выход начинает уменьшаться. Когда напряжение U_in приближается к максимальному напряжению V_max, световой выход приближается к нулю. Поскольку увеличенное входное напряжение U_in приводит к уменьшению тока через светодиодную нагрузку 10, то, таким образом, простым и элегантным способом может быть достигнута защита от перенапряжения. Таким же образом, - для того чтобы уменьшить световой выход светодиодной нагрузки 10, напряжение U_in может быть преднамеренно увеличено, - это и есть принцип "уменьшения светимости реверсным напряжением" согласно изобретению. В отличие от установленных принципов возбуждения светодиодного модуля напряжение на светодиодном модуле может быть преднамеренно увеличено выше номинального напряжения без нанесения какого-либо повреждения светодиодам, а функция защиты от перенапряжения при этом может удвоить функциональность уменьшения светимости. Использованная для достижения этих эффектов сравнительно простая схема делает светодиодный модуль по настоящему изобретению привлекательным с точки зрения стоимости и функционирования.

Повышающий преобразователь 11 и модуль 12 уменьшения светимости, предпочтительно, реализованы таким образом, чтобы они соответствовали друг другу по характеристикам, например, таким образом, что повышающий преобразователь 11 выполнен с возможностью увеличения напряжения в определенном интервале или диапазоне (например, 3,0 В), а модуль 12 уменьшения светимости (который приводится в действие от выходного вывода повышающего преобразователя 11) выполнен с возможностью уменьшения тока I_LED светодиода во всем диапазоне уменьшения светимости от уровня возбуждения (100%-й световой выход) до отключения (0%-й световой выход).

Фиг. 3 показывает блок-схему, представляющую функциональные этапы светодиодного светового устройства 1 в соответствии с изобретением. Входное напряжение подается на первом этапе 30, который должен включать в себя подключение к сети питания, подключение к выпрямленному сетевому напряжению и т. д. Входное напряжение, подаваемое на этапе 30, должно линейно возрастать, проходя через верхний пороговый уровень V_dim, - до максимального уровня V_max. Как описано выше, этап 31 управления током и этап 32 контроля напряжения предназначены для регулирования на этапе 33 тока светодиода, проходящего через светодиодную нагрузку 10.

Фиг. 4 представляет собой упрощенную блок-схему одного варианта осуществления светодиодного светового устройства 4 в соответствии с изобретением. В этом приведенном в качестве примера варианте осуществления светодиодное световое устройство 4 может использоваться в сочетании с источником 41 напряжения уменьшения светимости, выполненным с возможностью подачи номинального напряжения светодиодного модуля 1 при полном световом выходе. В ответ на выбранную пользователем уставку уменьшения светимости источник 41 напряжения уменьшения светимости обеспечивает на светодиодном световом устройстве 1¹⁾ входной сигнал 410 уменьшения светимости, где он посредством входного преобразователя 43 уменьшения светимости преобразуется в управляющий сигнал для модуля 42 повышения напряжения. Входной преобразователь 43 уменьшения светимости "переводит" требуемый уменьшенный световой выход (то есть, уставку уменьшения светимости) в управляющий сигнал 430, который вызывает увеличение напряжения на выходе модуля повышения напряжения в соответствии с принципом уменьшения светимости реверсным напряжением по настоящему изобретению, как это описано выше. Схема 43 преобразования и модуль 42 повышения напряжения выполнены с возможностью преобразования уставки, уменьшающей 100%-ю светимость во входное напряжение U_in верхнего порогового уровня V_dim, как показано на фиг. 2 вверху, и преобразования уставки, уменьшающей 100%-ю светимость (например, уставки 80%-го светового выхода, 60%-го светового выхода и т. д.) во входное напряжение U_in, которое больше, чем верхний пороговый уровень V_dim, что приводит к уменьшению тока светодиода и, соответственно, - к уменьшенному световому выходу, как объяснялось выше в связи с фиг. 1. Уставка уменьшения светимости до 0%, соответствующая нулевому световому выходу, будет преобразована в максимальное напряжение V_max показанного на фигуре 2 верхнего предела диапазона напряжений. В этом примерном варианте осуществления светодиодное световое устройство 4 включает в себя светодиодный световой модуль 1, а также схему 43 преобразования и модуль 42 повышения напряжения, как это показано пунктирной линией.

На фиг. 5 представлено схематичное изображение светодиодного светового устройства 4 согласно изобретению, выполненного в виде модифицированной лампочки. Здесь светодиоды 100 светодиодной нагрузки установлены в корпусе 50 отражательной лампочки. Схема управления светодиодного светового модуля, включающая в себя схему 12 управления током и схему 11 контроля напряжения, расположена соответствующим образом в основании корпуса 50. Модифицированная лампочка может иметь соответствующий интерфейс разъема, показанный в этом примере в виде двухштырьковой вилки 51. Схема управления светодиодным световым устройством 4 в соответствии с изобретением может быть очень компактной, так что возможно построение миниатюрных лампочек.

Фиг. 6 представляет собой схематичное изображение светового прибора 6, содержащего несколько модернизированных свечеобразных лампочек 4. Каждая модифицированная свечеобразная лампочка 4 может иметь миниатюрный корпус, заключающий в себе один или более светодиодов 100, и схему 11, 12 регулирования, выполненную в основании корпуса лампочки. В этом варианте осуществления физически отдельная схема 61 возбуждения соединена с сетью 40 источника электропитания и выполнена с возможностью преобразования напряжения сети переменного тока в соответствующее входное напряжение U_in постоянного тока, подаваемое на модернизированные лампочки 4. С этой целью схема 61 возбуждения содержит модуль 61A повышения напряжения и преобразователь 61B сигнала уменьшения светимости. Преобразователь 16²⁾ сигнала уменьшения светимости в ответ на ввод пользователя преобразует входной сигнал 620 уменьшения светимости в сигнал управления переключателя повышающего преобразователя 61А. Входной сигнал 620 уменьшения светимости может представлять собой беспроводной сигнал, исходящий от ручного контроллера 62, такого как смартфон и т. д. с программным устройством 6 уменьшения светимости, установленным в качестве приложения уменьшения светимости. В ответ на выбранную пользователем уставку уменьшения светимости модуль 61A повышения напряжения повышает входное напряжение U_in до уровня, при котором будет достигнуто требуемое падение светового выхода, или уменьшает входное напряжение U_in до уровня, при котором будет достигнуто требуемое повышение светового выхода. Диапазон выходного напряжения модуля 61A повышения напряжения заключен между напряжением V_dim триггерного уровня уменьшение светимости и напряжением V_max максимального уровня, как это объяснялось выше применительно к фиг. 2.

Описанная в контексте данного изобретения техника управления светодиодами может быть в высокой степени миниатюризирована, особенно по сравнению с известными запитываемыми от сети свечеобразными лампочками с уменьшением светимости. Более миниатюрное исполнение может привести к очень привлекательному дизайну лампочки. В дальнейшей конструкции блок 61 преобразователя мощности может быть расположен, ничему не мешая, в центральном месте светового прибора, например, в подвесном крепеже люстры. При разработке обладающего новизной светодиодного светового устройства было замечено, что в наиболее практичных ситуациях имеется достаточный запас напряжения для смягчения эффекта падения напряжения в силовых кабелях.

Фиг. 7 показывает дополнительные графики светового выхода [лм] и мощности [Вт] в зависимости от входного напряжения U_in [В], демонстрирующие эффективность светодиодного светового модуля по настоящему изобретению. Эта диаграмма изображает график 70 светового выхода, показывающий, что световой выход является постоянным до тех пор, пока входное напряжение U_in заключено между минимальным уровнем V_min (в этом примере 9 В) и максимальным уровнем V_max (в этом примере - 15 В). В этом интервале ток светодиода регулируется до его по существу постоянного уровня возбуждения. Как только входное напряжение U_in достигает верхнего порогового уровня V_dim (в этом примере - 12 В), схема контроля напряжения и схема управления током действуют на уменьшение тока I_LED светодиода в соответствии с входным напряжением. Чем выше входное напряжение U_in, тем ниже ток I_LED светодиода. Ток I_LED светодиода уменьшается до 0 мА, когда входное напряжение U_in достигает максимального уровня V_max. В этом примере "диапазон уменьшения светимости" установлен в интервале 3 В - от 12 В до 15 В. Когда входное напряжение U_in достигает минимального уровня V_min, переключатель Q1 начинает рассеивать избыточную мощность, определнную U_in×I_LED. Когда входное напряжение превышает номинальное рабочее напряжение, то есть верхний пороговый уровень V_dim, достигается триггерный уровень уменьшение светимости, и при этом модуль управления током посредством переключателя Q1 уменьшает ток I_LED светодиода. Диаграмма показывает также график 71 рассеиваемой схемой мощности, график 72 мощности, рассеиваемой светодиодной нагрузкой, и график 73 общих потерь мощности. После включения уменьшения светимости реверсным напряжением потери мощности светодиодного светового устройства начинают уменьшаться, в отличие от аналогичных обычных светодиодных схем, которые - даже когда световой выход уменьшен - по-прежнему имеют высокое потребление энергии.

Хотя настоящее изобретение было раскрыто в форме предпочтительных вариантов осуществления и их вариантов, понятно, что в них может быть внесено множество дополнительных модификаций и изменений, не выходящих за рамки объема изобретения.

Для ясности следует понимать, что использование по всей данной заявке признаков единственного числа не исключает множественности, а слов "содержащий" не исключает других этапов или элементов. Наличие слова "блок" или "модуль" не исключает возможности использования более одного модуля или модуля.

Claims

1. Светодиодный световой модуль (1), содержащий

- входные выводы (13_hi, 13_1o) для подсоединения его к входному напряжению (U_in);

- светодиодную нагрузку (10), выполненную с возможностью работы на верхнем пороговом уровне напряжения (V_dim); и

- регулирующую цепь (11, 12), выполненную с возможностью уменьшения тока (I_LED) светодиода через светодиодную нагрузку (10), когда входное напряжение (U_in) больше, чем верхний пороговый уровень напряжения (V_dim).

2. Светодиодный световой модуль по п. 1, в котором

- светодиодная нагрузка (10) включена последовательно с первым полупроводниковым переключателем (Q1) и с токоизмерительным резистором R_sense;

и в котором

- регулирующая цепь (11, 12) содержит

- схему (12) управления током, содержащую опорный вход (121) и "переменный" вход (122), каковая схема (12) управления током выполнена с возможностью регулирования тока (I_LED) светодиода через первый полупроводниковый переключатель (Q1) в соответствии с разностью между опорным входом (121) и "переменным" входом (122); и

- схему (11) контроля напряжения, выполненную с возможностью генерации переменного входа (122) в схему (12) управления током на основе приложенного к светодиодному световому модулю (1) входного напряжения (U_in) и верхнего порогового уровня напряжения (V_dim).

3. Светодиодный световой модуль по п. 2, в котором схема (11) контроля напряжения выполнена с возможностью повышения напряжения на переменном входе (122), когда приложенное к светодиодному световому модулю (1) входное напряжение (U_in) превышает верхний пороговый уровень напряжения (V_dim).

4. Светодиодный световой модуль по п. 2 или 3, в котором схема (11) контроля напряжения содержит программируемый шунтирующий регулятор 110.

5. Светодиодный световой модуль по любому из предшествующих пунктов, в котором токовый контроллер (12) содержит компаратор (120), выполненный с возможностью сравнения переменного входа (122) с опорным входом (121), и в котором усиление компаратора (120) управляется входным напряжением (U_in).

6. Светодиодный световой модуль по п. 5, в котором компаратор (120) подключен для уменьшения тока (I_LED) через первый полупроводниковый переключатель (Q1), когда входное напряжение (U_in) превышает верхний пороговый уровень напряжения (V_dim).

7. Светодиодное световое устройство (4), содержащее

- светодиодный световой модуль (1) по любому из пп. 1-6, и

- модуль (42, 61) преобразования, выполненный с возможностью повышения входного напряжения (U_in) светодиодного светового модуля (1) выше верхнего порогового уровня напряжения (V_dim) светодиодного светового модуля (1) на основе входного сигнала (620) уменьшения светимости светодиодного светового устройства (4).

8. Светодиодное световое устройство по п. 7, выполненное в виде светодиодной световой лампочки (4) с соединительными выводами (51) для вставки в розетку светового прибора.

9. Светодиодное световое устройство по п. 7 или 8, в котором регулирующая цепь (11, 12) светодиодного светового модуля (1) выполнена как часть схемы защиты от перенапряжения.

10. Светодиодное световое устройство по любому из пп. 7-9, в котором регулирующая цепь (11, 12) светодиодного светового модуля (1) выполнена как часть схемы уменьшения светимости светодиодного светового устройство (4), содержащего световой модуль (1).

11. Способ возбуждения светодиодной нагрузки (10), осуществленный с возможностью работы на верхнем пороговом уровне напряжения (V_dim), каковой способ включает в себя этапы:

- подсоединения светодиодной нагрузки (10) к входному напряжению (U_in);

- уменьшения тока (I_LED) светодиода через светодиодную нагрузку (10), когда входное напряжение (U_in) выше, чем верхний пороговый уровень напряжения (V_dim).

12. Способ по п. 11, включающий в себя этап удержания тока (I_LED) светодиода на по существу постоянном уровне возбуждения, когда входное напряжение (U_in) меньше, чем верхний пороговый уровень напряжения (V_dim).

13. Способ по п. 11 или 12, включающий в себя этап уменьшения тока (I_LED) светодиода, когда входное напряжение (U_in) превышает верхний пороговый уровень напряжения (V_dim).

14. Способ по любому из пп. 11-13, включающий в себя этап линейного уменьшения тока (I_LED) светодиода по мере того, как входное напряжение (U_in) повышается над верхним пороговым уровнем напряжения (V_dim).

15. Способ по любому из пп. 11-14, включающий в себя этап уменьшения тока (I_LED) светодиода до нуля, когда входное напряжение (U_in) достигает максимальной величины входного напряжение (U_max).