Комбінована система електричного освітлення зі світлодіодними джерелами світла, з динамічним регулюванням кольорової температури і яскравості та симетруванням навантаження

Реферат: Комбінована система електричного освітлення зі світлодіодними джерелами світла, з динамічним регулюванням кольорової температури і яскравості та симетруванням навантаження містить джерело живлення, лампи світлодіодні, групові регулятори кольорової температури і яскравості, датчики, задатчики кольорової температури та мікроконтролери кольору. Джерело живлення складається з трифазного симетрувального тиристорного регулятора потужності для однофазних електроприймачів. UA 68048 U (12) UA 68048 U UA 68048 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до освітлювального обладнання, зокрема до напівпровідникової світлотехніки, і може використовуватись майже в кожній галузі народного господарства. Відомо кілька систем освітлення змінної напруги, які виконані з лампами розжарювання, лінійними і компактними люмінесцентними лампами, а також почали застосовуватись лампи світлодіодні (ЛСД). Наприклад, трифазні чотирипровідні системи змінного струму з глухозаземленою нейтраллю живильного трансформатора напругою 220/127, 380/220 В з частотою 50 Гц. Найпоширенішими в Україні є мережі 380/220 В [1]. Найближчий аналог [1] запропонованої корисної моделі - систему 380/220 В, яка може працювати як освітлювальна з різними джерелами світла (ДС). Як приклад, розглянемо цю систему з лампами світлодіодними [2], що не мають оптичного зворотного зв'язку регулювання кольорової температури і яскравості. Вона складається з трифазного силового трансформатора, фаз L1, L 2 , L 3 і нейтрального робочого проводу N, нейтраль трансформатора глухозаземлена, ЛСД вмикаються на фазні напруги 220 В за схемою «зірка з нулем». Наряду з багатьма перевагами система має і недоліки. Основними з них є: - відсутність постійної підтримки заданої кольорової температури і інтенсивності випромінювання (яскравості) світлового потоку ЛСД в процесі експлуатації. Виникає ця проблема через відмінність в швидкості деградації кристалів світлодіодів (СД) [3], СД і ламп в цілому, що обумовлена як відмінностями у властивостях кристалів, їх упакування, так і відмінностями в умовах відведення тепла від різних ділянок загальної теплопровідної підкладки, температури навколишнього середовища і часу експлуатації. Це впливає на світловіддачу, інтенсивність випромінювання, кольорову температуру, кольоровий індекс CR1, термін служби СД і ЛСД в цілому. Впливає також на психічний і фізіологічний стан людини, на його зорові органи; - не враховуються сумарні світлові потоки від ЛСД і відбиті від стель, підлог, стін, обладнання та ін., що впливає на якість світла в просторовому об'ємі групи світлодіодних ламп; - деградація світлодіодів відбувається нерівномірно і тому світловий потік ламп, електрична потужність, струм та ін. будуть зменшуватись неоднаково в кожній лампі. Це призводить до нерівномірного навантаження фаз системи та виникненню струмів прямої I1 , зворотної I2 і нульової послідовності I0 , що викликає додаткові втрати напруги і потужності в мережі, зменшення коефіцієнта потужності та спотворенню синусоїди за рахунок появи вищих гармонійних складових струму і напруги. Крім того, несиметричні режими можуть виникати від випадкового включення однофазних джерел світла. Доведено, що ніякими первинними рівномірними розподілами по фазах однофазних приймачів не можна усунути несиметрію навантаження, яка виникає в процесі експлуатації [5]; - система 380/220 В не забезпечує повної електробезпеки дотику людини до струмонесучих частин, хоча при цьому і використовуються ефективні захисні системи заземлення TN-C-S або TN-S, які працюють сумісно з пристроями захисного відключення (ПЗВ). В основу корисної моделі поставлена задача по створенню такої електричної системи освітлення, устрій і робота якої дозволяли б враховувати деградацію світлодіодів і максимально підвищити термін служби ЛСД, світловіддачу, яскравість і оптимізувати кольорову температуру на весь період експлуатації і впливу сумарного світлового потоку ЛСД і відбитого від стель, підлог, стін, обладнання та ін. на якість світла з урахуванням фізіологічного впливу на людину, повністю усунути несиметрію від освітлювального навантаження, забезпечити повну електробезпеку дотику людини до струмонесучих частин системи. Поставлена задача розв'язується за рахунок того, що система складається з джерела живлення (ДЖ), виконаного з трифазного симетрувального тиристорного регулятора потужності ої для однофазних електроприймачів (СТРПО) з вихідною напругою 50 В, DC [6], n кількості груп з лампами світлодіодними з RGB-світлодіодами, групових регуляторів кольорової температури і яскравості (РКТіЯ), що складаються з датчиків і задатчиків кольорової температури, мікроконтролерів кольору, які з'єднані з RGB-драйверами ЛСД. Сумісним з найближчим аналогом [1] є трифазна чотирипровідна система з глухозаземленою нейтраллю живильного трансформатора напругою 380/220 В, АС. На кресленні (фіг. 1) зображена блок-схема комбінованої системи електричного освітлення зі світлодіодними джерелами світла з динамічним регулюванням кольорової температури і яскравості і симетруванням навантаження (КСЕОССДСДРКТіЯСН, далі КСЕО). На фіг. 2 показана схема будова ЛСД11 (поз. 11), на фіг. 3 - схема регулятора кольорової температури і яскравості (РКТіЯ) (поз. 2). Запропонована КСЕО містить наступні блоки (фіг. 1-3): 1 - трифазне джерело живлення симетрувальний тиристорний регулятор потужності (напруги) для однофазних 1 UA 68048 U 5 електроприймачів з напругою на вході АС/380 В, 50 Гц, на виході - DC/50 В; 2, 3, n - групові РКТіЯ ламп світлодіодних, відповідних групам - 2  гр. 1, 3  гр. 2, n  гр. n (РКТіЯ прийнятий ADJD-j823 з мікроконтролером кольору ASSP* (* ASSP (англ. Application Specific Standard Product) - спеціалізований стандартний виріб фірми Avago [4]) та чотириканального датчика кольорової температури і яскравості ADJD-S371 - QR999 [3, 4]; 11-16, 21-26, n1-n6 - лампи світлодіодні, наприклад, ЛСД16 (перша цифра індексу означає номер групи - гр. 1, друга - номер позиції лампи - поз. 6). На фіг. 2 показаний, як приклад, будова лампи світлодіодної ЛСД 11, інші виконані аналогічно; 4, 5, 6- драйвери DR ,DG ,DB ; LEDR , LEDG , LEDB відповідно; 10 - розсіювач; ЛЖ23n , ЛЖ3n , ЛЖn - лінії живлення РКТіЯ; L11  L16 , L 21  L 26 , L n1  L n6 - лінії зв'язку відповідних 10 15 20 25 30 ЛСД з груповими РКТіЯ; W11  W16 , W21  W26 , Wn1  Wn6 - світлові потоки білого кольору від відповідних ЛСД до датчиків кольорової температури відповідних групових РКТіЯ;  W сумарний світловий потік всіх ЛСД і відбитий від стель, підлог, стін, обладнання та ін.; 11' інтегрований чотириканальний датчик кольорової температури (Red, Green, Blue, White); 12' RGBW-світлофільтри чотириканальні; 13' - перетворювач чотириканальний RGBW, світлонапруга (або датчик кольорової температури RGB-кольору); 14' - мікроконтролер кольору ASSP; 15' - задатчик кольорової температури RGB (фіг. 3). Робота КСЕО. Працює система наступним чином. Усі елементи схеми (фіг. 1-3) отримують живлення від джерела живлення (ДЖ) 1, напругою 50 В, DC. ДЖ є трифазний симетрувальний тиристорний регулятор потужності для однофазних електроприймачів, тиристори якого ввімкнені за схемою Ларіонова і живляться від існуючої системи 380/220 В, АС, або від трифазної системи 380 В, АС з ізольованою нейтраллю. При цьому, в першому випадку зникає потреба в використанні четвертого проводу N. У зв'язку з тим, що групи електричного освітлення виконані аналогічно, в роботі, як приклад, розглянута група № 1 і ЛСД11. У схемі КСЕО застосовується трикольоровий оптичний зворотний зв'язок, тобто регулятор кольорової температури 2, ADJD-j823 [3], до складу якого входять інтегрований чотириканальний кольоровий датчик 11' з світлофільтрами RGBW-кольору 12' і датчик кольорової температури 13' мікроконтролер кольору ASSP 14' і задатчик кольорової температури (ЗКТ) 15' (фіг. 1, 3). За допомогою ЗКТ 15' задається відповідна кольорова температура для кожного кольору RGB наступними напругами UR ЗАД , UG ЗАД , UB ЗАД , UW ЗАД . В джерелі світла ЛСД11 11 (фіг. 2) різні кольори світла від LEDR , LEDG , LEDB відповідно 7, 8, 9 змішуються і виходить біле світло W11 з відповідною кольоровою температурою і яскравістю. Біле світло W11  W16 від усіх ЛСД11-ЛСД16 і відбите від стель, підлог, стін, обладнання та ін. змішується, усереднюється в просторі приміщення і усереднений сумарний світловий потік 35 ( W  W11  W12  W13  W14  W15  W16  Wстель  Wпідл  Wстін  Wобл  Wін ) W надходить до 11'.  W , проходячи крізь RGBW-світлофільтри, фільтрується на окремі усереднені кольорові світлові потоки  R,  G,  B,  W , які надходять до відповідних RGBW датчиків кольорової температури 13', де відбувається перетворення RGBW-світла в електричні сигнали напруги відповідно UR , UG , UB , UW , які надходять до перетворювача кольору системи ASSP 14'. 40 45 50 Фотодатчик білого кольору  W , і відповідно, світлофільтр, призначені для регулювання яскравості. При проектуванні системи освітлення датчик кольорової температури 11' розташовується сумісно з мікроконтролером кольору 14' або окремо, це робиться таким чином, щоб на нього потрапляли якомога більше світлових потоків від усіх ДС даної групи освітлення з урахуванням відбитого світла. ДКТ може бути виконаний будь-якої об'ємної конструкції, наприклад, в вигляді кола, куба, паралелепіпеда та ін., але таким чином, щоб розміщення фотодатчиків було виконане на всій поверхні з таким розрахунком, щоб якомога більше охопити сумарні усереднені світлові потоки об'єкта, що проектується. Тому розташуванню ДКТ приділяють особливу увагу. Фільтри нижніх частот виконують «усереднення» сигналу датчика, що виходить таким чином, що на блок порівняння контролера 14' передається постійний рівень напруги виміряної UВИМ. Сигнал розбіжності U  UВИМ  UЗАД подається на блок алгоритму обробки кольору 14', де оброблюється і надходить до ШІМ-генератора блока 14', який регулює коефіцієнт заповнення ШІМ-сигналу керування і драйверів 4, 5, 6 ЛСД11 відповідних каналів RGB (фіг. 2, 3). 2 UA 68048 U Після драйверів струм керування IR ,IG ,IB надходить до світлодіодів джерела світла LEDR , LEDG , LEDB відповідно 7, 8, 9. Система зворотного зв'язку ASSP [3] буде регулювати вихідні дані до тих пір, поки наступить залежність U  0 . В цьому випадку UЗАД  UВИМ , тобто на виході з джерела світла, буде 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 підтримуватись постійне значення заданої кольорової температури і яскравості в залежності від деградації кристалів світлодіодів. При цьому струм RGB-світлодіодів буде зростати і термін служби ЛСД і системи в цілому буде подовжено. Важливо пам'ятати, що у міру старіння світлодіодів інтенсивність їх свічення зменшується. Отже, яскравість світлодіодної RGB-системи, що максимально досягається, з часом буде знижуватись. В більшості даних із літературних джерел поступове зниження яскравості припустиме, неприпустимою є зміна кольору свічення RGB-світлодіодів. Мікросхема ASSP контролює зниження яскравості світлодіодної RGB-системи таким чином, що кольоровість залишається постійною (в межах допуску) навіть при зменшенні максимально допустимої яскравості. Треба передбачити, щоб яскравість, яка максимально установлюється, була менше тієї, що максимально досягається, протягом потрібного терміну експлуатації. Таким чином, впровадження оптичної системи зворотного зв'язку для RGB-системи дозволить поліпшити якість світла з можливістю установлювати будь-які значення кольорових температур і їх підтримувати постійно протягом періоду експлуатації. КСЕО може легко керуватись дистанційно за заданою програмою, яка враховує динаміку зміни світла впродовж доби і всілякі річні зміни, а також настроюватись на підвищення продуктивності праці в кінці зміни, коли відчувається втома робітників, при цьому підвищується кольорова температура і яскравість. Ця система економна, як за капітальними, так і за експлуатаційними витратами. Зменшуються витрати на кольорові метали, тому що переріз проводів зменшуються в декілька разів. Витрати електроенергії зменшуються приблизно в 6-10 разів при порівнянні з лампами розжарювання при однаковому світловому потоці. ЛСД екологічно чисті, в них відсутні шкідливі речовини, які впливають на навколишнє середовище, а також зменшуються викиди СО2 на електростанціях та ін. Що стосується несиметрії навантаження, то вона повністю усувається шляхом використання симетрувальних тиристорних регуляторів потужності для однофазних електроприймачів [6]. При цьому джерела світла переводяться на постійний струм. Зменшуються втрати напруги і потужності в мережі змінного струму, покращується коефіцієнт потужності і зменшується спотворення синусоїди за рахунок зменшення вищих гармонійних складових струму і напруги, при цьому підвищується якість електроенергії і надійність роботи системи в цілому. Наведені витрати на створення системи зменшаться ще через відсутність нейтрального проводу N і можливого використання чорного металу для мереж DC. Є можливість відмовитись від чотирипровідних мереж електропостачання освітлювальних установок [5]. Використання напруги 50 В, DC забезпечить повну електробезпеку дотику людини до струмонесучих частин установки і це підтверджує Міжнародна електротехнічна комісія, що встановила припустиму безпечну напругу дотику UL50 В. В зв'язку з вищезазначеним КСЕО можна застосовувати в першу чергу там, де потребується регулювання кольорової температури і яскравості в безперервному динамічному регулюванні основних параметрів системи, як світлотехнічних, так і електричних. Таким чином, великі переваги запропонованої системи електропостачання ЛСД з регульованою кольоровою температурою і яскравістю, повного симетрування навантаження і забезпечення високої електробезпеки дозволяють рекомендувати її для застосування майже в кожній галузі народного господарства. Джерела інформації: 1. Справочная книга для проектирования электрического освещения. Под ред. Г. М. Кнорринга. Л.: Энергия, 1976. - 384 с: ил. (прототип). 2. М. І. Носанов, В. І. Тимченко та ін. Лампа на основі над'яскравих світлодіодів комбінована. Патент України на КМ № 24232. Бюл. № 9 від 26.05.2007 р. (прототип). 3. Анна Буданова. Управление цветом комбинированного светодиодного RGB-источника света. / Полупроводниковая светотехника. 2010. - № 3. - С. 32-35. 4. RGB цифровые датчики цвета. Каталог фирмы Avago Technologies, 2007 (http://www.avagotech.com). 5. Куренный Э. Г., Носанов Н. И. Устранение несимметрии в низковольтных сетях с однофазными электроприемниками. / Проблемы технической электродинамики. 1977. - Вып. 64. - С. 63-66. 3 UA 68048 U 6. Носанов Н. И. Симметрирующий тиристорный регулятор мощности для однофазных электроприемников. / Промышленная энергетика. 1976. - № 11. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Комбінована система електричного освітлення зі світлодіодними джерелами світла, з динамічним регулюванням кольорової температури і яскравості та симетруванням навантаження, що містить джерело живлення (ДЖ), n y - кількість груп з лампами світлодіодними (ЛСД), які складаються з RGB-світлодіодів, групові регулятори кольорової температури і яскравості (РКТіЯ), яка відрізняється тим, що ДЖ складається з трифазного симетрувального тиристорного регулятора потужності для однофазних електроприймачів, який з'єднаний з груповими РКТіЯ, що складаються з датчиків і задатчиків кольорової температури та мікроконтролерів кольору, які з'єднані з RGB-світлодіодами ЛСД. Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4