Освітлювальний пристрій білого світла з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку

Реферат: Освітлювальний пристрій білого світла з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку містить джерело живлення, закріплені на корпусі світильника групи світлооптичних елементів, які розосереджені по поверхні корпусу світильника таким чином, що їх оптичні діаграми направленості формують світлову пляму в центрі, на перетині їх оптичних осей з віссю світильника, схему управління та стабілізації колірної температури, вихідні сигнали якої приходять на регулятори струму живлення груп світлооптичних елементів, причому групи світлодіодів з одинаковою колірною температурою з'єднані між собою і живляться через окремі керовані регулятори струму живлення, які підключені послідовно зі спільним джерелом живлення причому кожна група світлодіодів забезпечується датчиком рівня світлового потоку, вихідний сигнал якого є сигналом зворотного зв’язку, що приходить на схему управління та стабілізації колірної температури світлового потоку. UA 87473 U (12) UA 87473 U UA 87473 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до засобів, що створюють світлові потоки білого світла, які є фактором виробничого середовища, а саме до освітлювальних пристроїв з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку, зокрема, до медичних освітлювальних приладів (хірургічних світильників). Одним з найбільш важливих факторів виробничого середовища є освітлення. Задача освітлення полягає в забезпеченні оптимальних умов для зорового сприйняття в умовах штучного освітлення. Однак сприйняття світлового випромінювання, яке випромінюється джерелами білого світла або відбивається матеріальними об'єктами залежить не тільки від особливостей зорового аналізатора людини і його здатності сприймати світлове випромінювання, але й від фізичних властивостей світлових потоків, таких як, рівень світлового потоку, його спектр, колірна температура, тощо. Є відомим хірургічний освітлювач з управлінням рівнем світлового випромінювання, що містить закріплені на корпусі освітлювача основні та додаткові групи світлодіодів, які розташовані по його поверхні, причому основні групи світлодіодів закріплені на корпусі таким чином, що перетинання їх оптичних осей з віссю світильника формує центральну світлову пляму, а групи додаткових світлодіодів формують світлову пляму у вигляді кільця, яке розташоване концентрично до центральної світлової плями і утворює з центральною світловою плямою єдине ціле, причому живлення і управління основних та додаткових груп світлодіодів 6 здійснюється роздільно [Патент RU № 2413475. МПК А61В 19/00, F21W 131/205, F21S 2/00 Калетин А.А., Росихина О.М., Цепелев Д.В., Осипов Н.А., Вершинин Н.Ф., опубл. 20.11.2011]. У хірургічному освітлювачі з управлінням рівнем світлового випромінювання, при підключенні світильника до мережі живлення, енергія подається одночасно до обох груп світлодіодів. При необхідності великої площі освітлення, через систему управління, включають основну і додаткову групи світлодіодів. У випадку, коли необхідно освітити невелике за розмірами поле, включають тільки групу з основних світлодіодів. Якщо по технології достатнє тільки підсвічування операційної зони, включають тільки групу додаткових світлодіодів. У цих випадках блоком управління здійснюється коригування балансу струмів, що живлять групи основних та додаткових світлодіодів, забезпечуючи таким чином перерозподіл світлового потоку в межах світлового поля. Недоліком пристрою є неможливість зміни колірної температури світлового потоку. Відомі спосіб та пристрій для освітлення операційного поля направленим потоком білого світла, який складається з випромінюючого модуля та електронного блока. Випромінюючий модуль представляє собою матрицю, яка складається з різнокольорових (червоного, зеленого, синього і жовтого - RGBA-система) світлодіодів. Однорідне світлове поле білого світла створюється за допомогою концентратора та трилінзового об'єктива. Електронний блок включає в себе плату процесора управління, драйвери живлення, засоби обміну даними з керуючим комп'ютером і систему охолодження. Управління світловими параметрами здійснюється з використанням програмного забезпечення, яке дозволяє змінювати рівень освітлюваності та колірні характеристики випромінювання, причому при будь-якій зміні рівня освітлюваності необхідно, з метою збереження колірної температури випромінюваного світлового потоку, змінювати інтенсивність випромінювання світлодіодів кожного кольору окремо, і, відповідно, при необхідності зміни колірної температури випромінюваного світлового потоку пристрою-аналога, також необхідно змінювати інтенсивність випромінювання світлодіодів кожної колірної температури окремо [Аладов А.В., Васильева Е.Д., Закгейм А.П., Иткинсон Г.Н., Лундин В.В., Мизеров М.Н., Устинов В.М., Цацульников А.Ф. О современных мощных светодиодах и их светотехническом применении. СВЕТОТЕХНИКА, 2010. - № 3. - С. 8-16]. До недоліків пристрою, що вибраний як аналог даної корисної моделі слід віднести, поперше, складність управління світловими параметрами, яка визначається тим, що при будь-якій зміні рівня освітлюваності, з метою збереження рівня колірної температури, необхідно змінювати інтенсивність випромінювання світлодіодів кожної колірної температури окремо, і, відповідно, при необхідності зміни колірної температури випромінювання в цілому всього пристрою-аналога, також необхідно змінювати інтенсивність випромінювання світлодіодів кожної колірної температури окремо. По-друге, пристрій-аналог має низький рівень надійності створення світлового поля білого світла, який пов'язаний з низьким захистом пристрою від катастрофічних змін кольору випромінювання. І дійсно вихід з ладу хоча б одного з драйверів живлення світлодіодів, який забезпечує випромінювання одного з кольорів, червоного, зеленого, синього або жовтого, приводить до катастрофічної зміни кольору випромінювання (білий колір випромінювання, під час виконання хірургічного втручання раптово зміниться, наприклад, на оранжевий або фіолетовий), що рівнозначно виходу з ладу всього пристрою. 1 UA 87473 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 За прототип корисної моделі, що пропонується, приймається освітлювальний пристрій білого світла з управлінням кольоровою температурою світлового потоку, що містить джерело живлення, закріплені на корпусі світильника світлооптичні елементи та систему управління інтенсивністю та колірною характеристикою, світлооптичні елементи виконані у вигляді груп світлодіодів, розосереджених по поверхні корпусу світильника таким чином, що оптичні діаграми направленості формують світлову пляму в центрі, на перетині їх оптичних осей з віссю світильника, причому одна третина світлодіодів в кожній групі розрахована на створення світлового потоку з кольоровою температурою в 2600-3700 °К, друга третина світлодіодів в групах розрахована на створення світлового потоку з кольоровою температурою в 3700-5000 °К, третя - розрахована на створення світлового потоку з кольоровою температурою в 5000-10000 °К, світлодіоди з однаковою кольоровою температурою з'єднані між собою і живляться через окремі керовані регулятори струму живлення які змінюють інтенсивність світлового потоку, і які підключені до спільного джерела живлення та системи управління інтенсивністю та колірною 11 характеристикою пристрою в цілому. [Заявка UA а201214949 від 26.12.12. МПК : А61В 19/00: F 21W 131/205; F21S 2/00 Патон Б.Є., Коротинський О.Є., Скопюк М.І., Сорокін В.М. Освітлювальний пристрій білого світла з управлінням кольоровою температурою світлового потоку. Статус заявки: кваліфікаційна експертиза]. Робота освітлювального пристрою білого світла з управлінням колірною температурою світлового потоку відбувається наступним чином. При підключенні освітлювального пристрою білого світла до мережі струм від джерела живлення подається одночасно до світлодіодів різної кольорової температури, які входять до складу групи світлодіодів. При необхідності зміни кольорової температури в межах 2600-10000 °К, яка виникає з причини недостатнього контрасту в світовій плямі, здійснюють коригування балансу струмів (збільшують або зменшують величину струму живлення світлодіодів, що приводить до зміни інтенсивності світлового потоку і, відповідно, до зміни колірної температури сумарного світлового потоку), що проходять через масиви світлодіодів з різною колірною характеристикою за допомогою системи управління інтенсивністю та колірною характеристикою пристрою, забезпечуючи при цьому перерозподіл світлового потоку в межах світлового поля як з інтенсивністю, так і за колірною характеристикою. Недоліком пристрою, який вибраний як прототип даної корисної моделі є, по-перше, низька стабільність рівня світлового потоку, через те, що в системі управління інтенсивністю світлового потоку використовується сигнал зворотного зв'язку, який пропорційний величині струму живлення групи світлодіодів. В силу того, що величина струму живлення та інтенсивність світлового потоку пов'язані між собою нелінійним зв'язком, використання величини струму живлення групи світлодіодів, як сигналу зворотного зв'язку, приводить до виникнення похибки яка знижує точність управління рівнями світлових потоків та їх стабільністю, що в свою чергу змінює перерозподіл світлового потоку в межах груп світлодіодів з різними колірними характеристиками і приводить, відповідно, до зміни колірної температури сумарного світлового потоку. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення стабільності рівня колірної температури світлового потоку в умовах, які дозволяють її регулювання. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в освітлювальному пристрої білого світла з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку, що містить джерело живлення, закріплені на корпусі світильника групи світлооптичних елементів, які розосереджені по поверхні корпусу світильника таким чином, що їх оптичні діаграми направленості формують світлову пляму в центрі, на перетині їх оптичних осей з віссю світильника, схему управління та стабілізації колірної температури, вихідні сигнали якої приходять на регулятори струму живлення груп світлооптичних елементів, причому групи світлодіодів з одинаковою колірною температурою з'єднані між собою і живляться через окремі керовані регулятори струму живлення, які підключені послідовно зі спільним джерелом живлення, відповідно до запропонованої корисної моделі, кожна група світлодіодів забезпечується датчиком рівня світлового потоку, вихідний сигнал якого є сигналом зворотного зв'язку, що приходить на схему управління та стабілізації колірної температури світлового потоку. Технічний результат, що досягається при реалізації запропонованої конструкції освітлювального пристрою білого світла з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку полягає в підвищенні рівня стабілізації колірної температури пристрою в цілому через підвищення стабільності рівня світлового потоку, яка досягається використанням сигналу зворотного зв’язку, який пропорційний інтенсивності світлового потоку. Корисна модель пояснюються кресленнями, на яких: 2 UA 87473 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - на Фіг. 1 зображена блок-схема електричної системи управління та стабілізації колірної температури освітлювального пристрою білого світла з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку; - на Фіг. 2 зображена блок-схема живлення та управління для однієї з груп світлодіодів одинакової колірної температури світлового потоку; - На Фіг. 3 наведено приклад виконання освітлювального пристрою білого світла з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку на основі імпульсного регулятора з широтно-імпульсним управлінням. До електричної блок-схеми освітлювального пристрою білого світла з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку (Фіг. 1) входять спільне джерело живлення 1 та групи білих світлодіодів 2, 3, 4 різної колірної температури. Групи світлодіодів живляться через окремі керовані регулятори струму 5, 6, 7 живлення світлодіодів. Кожна група світлодіодів 2, 3, 4 обладнана датчиками рівня світлового потоку 8, 9 та 10, виходи яких підключені до входів схеми управління 11 колірною температурою світлового потоку, на виходах якої формуються сигнали управління регуляторами струму живлення світлодіодів 5, 6, 7. Опис роботи освітлювального пристрою білого світла з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку зручно зробити на прикладі блок-схеми живлення та управління по збуренню для однієї з груп світлодіодів однакової колірної температури світлового потоку, яка показана на Фіг. 2. При підключенні освітлювального пристрою білого світла до мережі живлення струм від джерела живлення 1 подається одночасно до всіх груп білих світлодіодів різної колірної температури, зокрема до групи світлодіодів 2. На виході датчика рівня світлового потоку 8 встановлюється вихідний сигнал, прямо пропорційний інтенсивності світіння групи світлодіодів 2. Цей сигнал надходить на вхід формувача сигналу розугодження 12, на другий вхід якого подається постійна напруга з пристрою уставки колірної температури 13, величина якої задає рівень інтенсивності випромінювання групи світлодіодів 2 даної колірної температури. Сигнал різниці з виходу формувача сигналу розугодження 12 підсилений пристроєм 14 (підсилювач помилки) використовується як сигнал управління регулятором 5 струму живлення групи світлодіодів 2. Функціонування схем живлення групи світлодіодів 3 та 4 повністю ідентичне алгоритму взаємодії елементів блок-схеми, яка описана вище, причому регулятори 5, 6, 7 струму живлення груп світлодіодів 2, 3 та 4 можуть бути як аналоговими (схема з керованим резистором, як такий звичайно використовують напівпровідниковий елемент - транзистор) так і імпульсними (напівпровідниковий ключ - транзистор з широтно-імпульсним управлінням). В результаті, світлова пляма на перетині оптичних осей з віссю світильника формується світловими потоками білого світла різної колірної температури. В залежності від інтенсивності світіння груп світлодіодів 2, 3 та 4 колірна температура сумарного світлового потоку білого світла підвищується або понижується. На Фіг. 3 наведено приклад виконання імпульсного регулятора з широтно-імпульсним управлінням, в якому управління колірною температурою здійснюється, шляхом зміни шпаруватості сигналу управління. Згідно з електричною принциповою схемою, що наведена на Фіг. 3, струм від джерела живлення 1 подається одночасно до двох груп світлодіодів 2 та 3. Необхідну колірну температуру отримують за рахунок періодичного перерозподілу світлового потоку в межах світлового поля. Наприклад періодичне збільшення часу світіння групи світлодіодів 2 з одночасним зменшенням часу світіння групи світлодіодів 3 приводить до підвищення колірної температури випромінювання, і навпаки, періодичне збільшення часу світіння групи світлодіодів 3 з одночасним зменшенням часу світіння групи світлодіодів 2 приводить до зниження колірної температури. На виході датчиків рівня світлового потоку 8 та 9 встановлюються вихідні сигнали, які прямо пропорційні інтенсивності світіння груп світлодіодів 2 та 3. Ці сигнали приходять на перші входи формувачів сигналу розугодження 12.1 та 12.2 відповідно. На другі входи формувачів сигналу розугодження 12.1 та 12.2 приходить постійна напруга з пристрою уставки колірної температури 13, яка виконана таким чином, що підвищення напруги на другому вході формувача сигналу розугодження 12.1 автоматично приводить до зменшення напруги на другому вході формувача сигналу розугодження 12.2, і навпаки, підвищення напруги на другому вході формувача сигналу розугодження 12.2 автоматично приводить до зменшення напруги на другому вході формувача сигналу розугодження 12.1. Сигнал різниці з виходу формувачів сигналів розугодження 12.1 та 12.2 використовується як сигнал зворотного зв’язку для управління широтно-імпульсними модуляторами 14.1 та 14.2, які, в режимі періодичного замикання та розмикання регуляторів 4 та 5, визначають тривалість світіння груп світлодіодів 2 та 3, що забезпечує необхідну колірну 3 UA 87473 U 5 10 15 20 характеристику світлового потоку пристрою в цілому. Слід зазначити, що виконання імпульсного регулятора, згідно з схемою, яка описана вище, дозволяє при установці колірної температури використати однофазну схему уставки колірної температури. Таким чином, конструкція та електрична схема запропонованого освітлювального пристрою білого світла з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку забезпечує підвищення стабільності колірної температури світлового потоку в умовах, які дозволяють її регулювання, за рахунок використання сигналу зворотного зв’язку, який безпосередньо пропорційний інтенсивності світлового потоку. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Освітлювальний пристрій білого світла з управлінням та стабілізацією колірної температури світлового потоку, що містить джерело живлення, закріплені на корпусі світильника групи світлооптичних елементів, які розосереджені по поверхні корпусу світильника таким чином, що їх оптичні діаграми направленості формують світлову пляму в центрі, на перетині їх оптичних осей з віссю світильника, схему управління та стабілізації колірної температури, вихідні сигнали якої приходять на регулятори струму живлення груп світлооптичних елементів, причому групи світлодіодів з одинаковою колірною температурою з'єднані між собою і живляться через окремі керовані регулятори струму живлення, які підключені послідовно зі спільним джерелом живлення, який відрізняється тим, що кожна група світлодіодів забезпечується датчиком рівня світлового потоку, вихідний сигнал якого є сигналом зворотного зв’язку, що приходить на схему управління та стабілізації колірної температури світлового потоку. 4 UA 87473 U Комп’ютерна верстка С. Чулій 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 5