BR112020007251A2 - sistema de distribuição de potência digital e método para regular a transferência de energia a partir de um lado de fonte - Google Patents

Abstract

Trata-se de um sistema de distribuição de potência digital que inclui um sensor de fonte configurado para fornecer retroalimentação que inclui um sinal indicativo de tensão através dos terminais de fonte; um controlador de fonte configurado para receber a retroalimentação a partir do sensor de fonte e para gerar um sinal de controle que substancialmente aumenta ou diminui impedância entre a fonte de alimentação e os terminais de fonte; uma carga não linear configurada de modo que a corrente elétrica extraída dos terminais de carga diminua em pelo menos uma ordem de magnitude abaixo de um limiar de tensão diferente de zero; capacitância reduzida no lado de carga para armazenar carregamento e descarga desse carregamento durante o período de amostra, em que a capacitância reduzida é reduzida para um nível para fornecer a corrente elétrica menor que pelo menos uma ordem de magnitude extraída pela carga não linear abaixo do limiar de tensão; e um dispositivo de desconexão de fonte responsivo ao sinal de controle a partir do controlador de fonte.

Description

SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE POTÊNCIA DIGITAL E MÉTODO PARA REGULAR A TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA A PARTIR DE UM LADO DE FONTE ANTECEDENTES

[001] Potência elétrica digital, ou eletricidade digital, pode ser caracterizada como qualquer formato de potência em que a potência elétrica seja distribuída em unidades controláveis distintas de energia. A transferência de energia por pacotes (PET) é um novo tipo de protocolo de potência elétrica digital revelado na patente U.S. nº

8.068.937; patente nº 8.781.637 (Eaves, 2012) e patente U.S. nº 9.419.436 (patente do receptor de Eaves).

[002] O principal fator de discernimento em um sistema de transmissão de potência digital em comparação com sistemas de potência analógica tradicionais é que a energia elétrica é separada em unidades distintas; e unidades individuais de energia podem ser associadas a informações analógicas e/ou digitais que podem ser usadas com o propósito de otimizar a segurança, a eficiência, a resiliência, oO controle ou o roteamento. Visto que a energia em um sistema de PET é transferida como quantidades distintas, ou parcelas, a mesma pode ser denominada “potência digital” ou “eletricidade digital”.

[003] Conforme descrito por Eaves, 2012, um controlador de fonte e um controlador de carga são conectados por linhas de transmissão de potência. O controlador de fonte de Eaves, 2012, isola (desconecta) periodicamente as linhas de transmissão de potência da fonte de alimentação e analisa, no mínimo, as características de tensão presentes nos terminais de controlador de fonte diretamente antes e após as linhas serem isoladas. O período de tempo durante o qual as linhas de potência estão isoladas foi denominado por Eaves, 2012, como o “período de amostra”, e o período de tempo durante o qual a fonte está conectada é denominado “período de transferência”. A taxa de elevação e queda da tensão nas linhas antes, durante e após o período de amostra revela se uma condição de falha está presente nas linhas de transmissão de potência. Falhas mensuráveis incluem, porém sem limitação, curto-circuito, alta resistência de linha ou a presença de um indivíduo que entrou indevidamente em contato com as linhas.

[004] A publicação do pedido de patente U.S. nº 2016/0134331 (Elementos de potência de Eaves) descreve a embalagem dos componentes do lado de fonte de Eaves, 2012, em várias configurações, em um dispositivo denominado transmissor de potência digital.

[005] A patente US nº 9.419.436 (patente do receptor de Eaves) descreve a embalagem de várias configurações dos componentes do lado de carga de Eaves, 2012, em um dispositivo denominado receptor de potência digital. O receptor converte o formato de eletricidade digital de volta para o formato de CC analógica tradicional.

[006] O pedido de publicação de patente US. nº 2017/0214236 Al descreve métodos e aparelho para colocar múltiplos receptores de potência digital com conexão paralela a uma única linha de transmissão, reduzindo, assim, a quantidade de hardware de transmissor alocado em cada receptor.

Sumário

[007] Métodos e aparelho para configurar um sistema de eletricidade digital para alimentar uma carga não linear, tal como iluminação LED, são descritos no presente documento, em que várias modalidades dos métodos e do aparelho para realizar o método podem incluir alguns ou todos os elementos, recursos e etapas descritos abaixo.

[008] Um sistema de distribuição de potência digital inclui um sensor de fonte configurado para fornecer a retroalimentação que inclui um sinal indicativo de tensão através dos terminais de fonte; um controlador de fonte configurado para receber a retroalimentação a partir do sensor de fonte e para gerar um sinal de controle que aumenta ou diminui substancialmente a impedância entre a fonte de alimentação e os terminais de fonte; uma carga não linear configurada de modo que a corrente elétrica extraída dos terminais de carga diminua em pelo menos uma ordem de magnitude abaixo de um limiar de tensão diferente de zero; capacitância reduzida (isto é, uma capacitância reduzida a partir da capacitância que seria necessária se a carga fosse linear) no lado de carga para armazenar o carregamento e descarregar esse carregamento durante o período de amostra, em que a capacitância reduzida é reduzida para um nível para fornecer a corrente elétrica menor que pelo menos uma ordem de magnitude extraída pela carga não linear abaixo do limiar de tensão; e um dispositivo de desconexão de fonte responsivo ao sinal de controle proveniente do controlador de fonte. O controlador de fonte é configurado para interromper periodicamente o suprimento de potência para a carga não linear mediante a abertura do dispositivo de desconexão de fonte durante o período de amostra, permitindo que pelo menos a tensão do terminal de fonte seja medida durante a interrupção. Um dispositivo lógico é implantado pelo menos no controlador de fonte e configurado para abrir o dispositivo de desconexão de fonte e para realizar pelo menos uma medição de tensão de terminal de fonte quando o dispositivo de desconexão de fonte está aberto. A medição de tensão de terminal de fonte é representativa da impedância entre os terminais de fonte e uma taxa de descarga correspondente da capacitância entre os terminais de fonte, e para determinar se a medição de tensão de terminal de fonte se situa fora dos limites altos e baixos predeterminados. A medição de tensão de terminal de fonte que está fora dos limites altos e baixos predeterminados indica que existe um objeto estranho ou indivíduo entrando em contato com os terminais de fonte ou carga, ou com a linha de transmissão, ou que existe uma falha no sistema de distribuição de potência digital. O dispositivo lógico gera um sinal para fechar o dispositivo de desconexão de fonte se a medição de tensão se situar dentro dos limites altos e baixos predeterminados.

[009] As modalidades de métodos e aparelho descritas no presente documento se baseiam no trabalho anterior de Eaves, 2012, e na patente do receptor de Eaves concentrando-se em uma configuração de eletricidade digital inovadora para diodos emissores de luz (LEDs) ou outras cargas (tais como diodos, por exemplo, para aquecimento ambiente, ou células solares) que tenham características semelhantes ao diodo. Um diodo é uma carga não linear com uma extração de corrente que não é linearmente proporcional à tensão aplicada à mesma. Diodos têm uma tensão limítrofe, ponto no qual os mesmos passam de extrair essencialmente nenhuma corrente elétrica para extrair corrente substancial da fonte. No caso em que um sistema de eletricidade digital alimenta uma carga não linear, receptores simplificados de custo mais baixo podem ser empregados. Também estão descritos no presente documento métodos e aparelho para explorar as características específicas de cargas não lineares.

[010] Na execução do protocolo de transferência de energia por pacote (PET) inerente à eletricidade digital, uma porção do período de pacote de energia total é alocada para a transferência de energia da fonte para a carga. Essa porção do período de pacote é denominada período de transferência. O tempo restante no período de pacote está alocado para detectar falhas e transferir dados. Essa porção do período de pacote é denominada período de amostra. Em uma modalidade, o controlador no lado de fonte do sistema monitora a queda na tensão de linha de transmissão durante o período de amostra. Uma mudança na taxa de queda pode indicar uma variedade de condições de falha, incluindo um curto-circuito ou contato humano com os condutores de linha de transmissão.

[011] No lado de carga do sistema, um dispositivo denominado receptor converte o formato de potência digital de volta para o formato de CC analógica tradicional. Um receptor contém tipicamente um comutador de desconexão do lado de carga que permite que a corrente elétrica flua apenas na direção de alimentação da fonte para a carga. Em sua forma mais simples, um comutador de desconexão de carga é um diodo. A corrente elétrica flui através do comutador de desconexão para uma seção de enlace de CC do receptor. Em formas anteriores de receptores, o enlace de CC inclui tipicamente um capacitor para armazenar energia durante o período de amostra do período de pacote de energia quando a corrente é interrompida para o receptor. Sem o armazenamento de energia fornecido pelo capacitor de enlace, a tensão do enlace de CC diminuiria para zero durante o período de amostra, quando qualquer carga apreciável é extraída do receptor. Essa diminuição, por sua vez, interromperia a potência para a carga em cada período de amostra, que é, na maioria dos casos, uma condição inaceitável para a maioria dos dispositivos de carga. Além disso, cada vez que um novo período de pacote começa, o transmissor de potência digital precisaria reiniciar o dispositivo de carga. Visto que muitos dispositivos de carga extraem uma corrente de inicialização que é muito mais alta do que sua corrente de estado estacionário, o reinício constante da carga causaria picos na corrente no transmissor que resultariam na interrupção, pelo transmissor, da linha devido a uma falha de curto-circuito.

[012] No caso em que o comutador de desconexão de carga é um diodo simples e não existe capacitor de enlace de CC, a diminuição na tensão através do enlace de CC durante o período de amostra também resultaria em uma perda de tensão nas linhas de transmissão de potência digital que se estendem do transmissor para o receptor. Essa perda de tensão ocorre porque a tensão de linha de transmissão não pode ser significativamente mais alta do que o enlace de CC com a configuração de diodo especificada. A queda de tensão da linha de transmissão seria percebida como uma condição de falha pelo transmissor, visto que o algoritmo do transmissor interpretaria a diminuição de tensão como uma falha causada por um curto-circuito entre linhas ou contato humano com as linhas de transmissão.

[013] Uma coluna de luz de LED (ou outra carga semelhante a diodo) é uma aplicação exclusiva, visto que podem ser aceitáveis interrupções periódicas em que a coluna pode ser operada no modo modulado por largura de pulso (PWM). Nesse modo, a razão entre o tempo “ativado” e o tempo “desativado” ao longo de um período de tempo predeterminado pode ser modulada de modo a ajustar a intensidade de luz a ser emanada. Se o período de tempo for curto o suficiente e repetido em uma frequência suficientemente alta, as transições entre ativado e desativado se tornam indiscerníveis ao olho humano e são observadas simplesmente como uma intensidade de luz mais baixa ou mais alta.

[014] Essa propriedade oferece a oportunidade para remover o capacitor de enlace de CC do receptor e, adicionalmente, permite que o comutador de desconexão de carga, ou o diodo, seja removido do conjunto de circuitos do receptor. Conforme será mostrado em mais detalhes, os diodos exibem características de carga não linear. No caso de uma coluna de LEDs conectados em série, a relação da carga não linear significa que existe um limiar de tensão predeterminado em que a corrente elétrica começa a fluir para uma matriz de LEDs à medida que a tensão de entrada aumenta. Quando a tensão aplicada à coluna de LED for menor que seu limiar, apenas quantidades mínimas de corrente elétrica fluirão para dentro ou para fora da coluna de LED (por exemplo, menos que 1/10º da corrente elétrica que flui através da coluna de LED acima do limiar). As características podem ser incorporadas no algoritmo de detecção de falha do transmissor, fornecendo o benefício inovador de ter capacidade para detectar se existe uma coluna de LED danificada ou incompatível fixada ao sistema de eletricidade digital. De modo geral, um sistema de potência digital mais seguro, mais confiável e de menor custo pode ser construído ao usar o projeto específico para aplicação descrito para iluminação LED.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[015] A Figura 1 é um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema de distribuição de potência seguro.

[016] A Figura 2 é um diagrama de blocos mais detalhado de uma modalidade de um controlador de fonte.

[017] A Figura 3 é um diagrama de um sistema de distribuição de potência em que a carga é uma coluna de LEDs conectados em série.

[018] A Figura 4 é um diagrama de características de tensão da linha de transmissão ao alimentar uma coluna de LED.

[019] A Figura 5 é um diagrama de um sistema de distribuição de potência em que a coluna de LED possibilita um circuito de carga simplificado.

[020] A Figura 6 é um diagrama de um sistema de distribuição de potência em que a carga é uma coluna de LEDs conectados em série equipada com um regulador de corrente em série.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[021] Esses e outros recursos e vantagens supracitados de vários aspectos da invenção (ou invenções) serão aparentes a partir do que se segue, sendo que a descrição mais particular dos vários conceitos e modalidades específicas está dentro dos limites mais amplos da invenção (ou invenções). Vários aspectos da matéria introduzida acima e discutida em mais detalhes abaixo podem ser implementados em qualquer uma das diversas maneiras, já que a matéria não é limitada a qualquer maneira de implementação específica. Os exemplos de implementações e aplicações específicas são fornecidos primariamente para propósitos ilustrativos.

[022] A menos que definido usado ou caracterizado de outro modo no presente documento, os termos que são usados no presente documento (incluindo termos técnicos e científicos) devem ser interpretados como tendo um significado que seja consistente com seu significado aceito no contexto da técnica relevante e não devem ser interpretados em um sentido idealizado ou excessivamente formal, a menos que expressamente definido assim no presente documento.

[023] A terminologia usada no presente documento tem o propósito de descrever as modalidades específicas e não se destina a limitar as modalidades exemplificativas. Conforme usado no presente documento, as formas singulares, tais como “ur” e “uma”, são destinadas a incluir as formas plurais também, a menos que o contexto indique de outro modo. Adicionalmente, os termos “inclui”, “que inclui", “compreende” e “que compreende” especificam a presença dos elementos ou etapas declarados, mas não impossibilitam a presença ou adição de um ou mais outros elementos ou etapas.

[024] Potência elétrica digital, ou eletricidade digital, pode ser caracterizada como qualquer formato de potência em que a potência elétrica seja distribuída em unidades controláveis distintas de energia. Um sistema de eletricidade digital isola periodicamente uma linha de transmissão elétrica dos elementos tanto do transmissor quanto do receptor para analisar características de linha analógica que refletem uma possível falha ou contato humano com o cabeamento de transmissão.

[025] Dispositivos de proteção de segurança do sistema de distribuição de potência podem incluir sistemas de distribuição de potência com monitoramento eletrônico para detectar e desconectar a potência no caso de uma falha elétrica ou risco à segurança, particularmente quando um indivíduo entra em contato com condutores expostos. Mais especificamente, oO sistema de distribuição de potência pode ser usado para iluminação LED.

[026] Um sistema de potência digital representativo, conforme originalmente descrito em Eaves, 2012, é mostrado na Figura l. O sistema compreende uma fonte 1 com terminais de fonte 44, 44” e pelo menos uma carga 2 e terminais de carga 46, 46', sendo que os terminais fornecem acoplamento elétrico entre a fonte 1 e a carga 2. O protocolo de PET é iniciado operando-se meios de comutação (Si) 3 para desconectar periodicamente a fonte das linhas de transmissão de potência. Quando o comutador está em um estado aberto (sem condução), as linhas também são isoladas de qualquer energia armazenada que possa residir na carga pela ação de bloqueio do diodo de isolamento (D:) 4.

[027] Eaves, 2012, ofereceu diversas versões de comutadores alternativos que substituiriam o Di, mas todas as versões teriam resultados similares relacionados à presente invenção. O capacitor (C3;) 5 é representativo de um elemento de armazenamento de energia no lado de carga do circuito.

[028] As linhas de transmissão têm resistência entre linhas (Ra) 6 e capacitância (C1)) 7 inerentes. A arquitetura do sistema de PET, conforme descrito por Eaves, 2012, agrega resistência entre linhas (R;) 8 e capacitância (C2) 9 adicionais. No instante em que o comutador (S1) 3 é aberto, os capacitores (Ci) 7 e (C7)) 9 têm carregamento armazenado que decai a uma taxa que é inversamente proporcional aos valores aditivos dos resistores (R1:) 6 e (R3) 8. O capacitor (C3) 5 não descarrega através dos resistores (R;3) 8 e (R4) 6 devido à ação de bloqueio reversa do diodo (D:) 4. A quantidade de carregamento contido nos capacitores (C1) 7 e (Co) 9 é proporcional à tensão através dos mesmos e pode ser medida no ponto 10 pelo controlador de fonte 11.

[029] Conforme descrito em Eaves, 2012, uma mudança na taxa de queda da energia armazenada nos capacitores (C1) 7 e (Co) 9 pode indicar a existência de uma falha de linha cruzada nas linhas de transmissão. A diferença entre a operação normal e uma falha, conforme apresentado por Eaves, 2012, é ilustrada na Figura 2.

[030] Novamente em referência à Figura 1, a combinação do comutador (S1) 3, do controlador de fonte 11 e do resistor (R;3) 8 pode ser denominada transmissor 20. A combinação do diodo (D:i) 4, capacitor (Cr) 9 e capacitor (C3) pode ser denominada receptor 21.

[031] As linhas de transmissão têm resistência entre linhas (R)))9 6 e capacitância (Ci) 7 inerentes. A arquitetura do sistema de PET, conforme descrito por Eaves, 2012, agrega resistência adicional entre linhas (R;3) 8 e capacitância (C7) 9. No instante em que o comutador (S:;) 3 é aberto, os capacitores (Ci) 7 e (C7)) 9 têm carregamento armazenado que decai a uma taxa que é inversamente proporcional aos valores aditivos das resistências (R')) 6 e (R;3) 8. O capacitor (C;3) 5 não descarrega através dos resistores (R3) 8 e (RR) 6 devido à ação de bloqueio reversa do diodo de isolamento (Di) 4. A quantidade de carregamento contido nos capacitores (C;1) 7 e (C»7) 9 é proporcional à tensão através dos mesmos e pode ser medida no ponto 10 por um controlador de fonte 11.

[032] Conforme descrito em Eaves, 2012, uma mudança na taxa de queda da energia armazenada nos capacitores (01) 7 e (Co) 9 pode indicar que existe uma falha de linha cruzada nas linhas de transmissão. A diferença na queda de tensão entre a operação normal 25 e a queda de tensão durante uma falha de linha cruzada 26 é ilustrada na Figura 2.

[033] Um fator de diferenciação nos métodos descritos no presente documento para operar um sistema de potência digital com uma coluna de LED é encontrado na exploração das características de carga não linear de LEDs para implementar um projeto de receptor simplificado que utiliza um valor pequeno ou negligenciável de capacitância para o capacitor (C3;3) 5 da Figura l, permitindo, assim, os benefícios da atenuação da modulação por largura de pulso (PWM) a partir do transmissor e a eliminação das preocupações com custo e confiabilidade do capacitor (C3) 5. Em uma modalidade, os LEDs podem servir no local de desconexão de carga (D:i) 4, simplificando ainda mais que o receptor exija apenas oO capacitor (C>) 9. Um algoritmo executado pelo controlador de fonte 11 detecta a queda mais rápida da tensão da linha de transmissão abaixo da tensão limítrofe que ocorre devido a uma falha entre linhas e interrompe a potência mediante a abertura do comutador (S:) 3.

[034] Na Figura 3, a carga 2 compreende uma coluna de LEDs em série 30, 30', 30'"”, 30'""", conforme seria típica para uma luz de LED. Se a capacitância do capacitor (C3) for pequena em comparação com a energia extraída pela coluna de LED durante o período de amostra, a tensão através do capacitor (C3) 5 diminuirá rapidamente e manterá o diodo (D1) 4 diretamente polarizado. Essa diminuição de tensão através do capacitor (C3) 5 fará, por sua vez, com que a tensão através das linhas de transmissão diminua rapidamente, conforme ilustrado na Figura 4. A diminuição de tensão é ilustrada como a diferença entre a tensão no ponto 34 imediatamente antes de o comutador (Si) 3 ser aberto e a tensão no ponto 36 imediatamente após o comutador (S1) 3 ser aberto. A drástica diminuição na taxa de queda do ponto 36 para o ponto 38 é uma diminuição de tensão proporcional à resistência em série das linhas de transmissão multiplicada pela corrente elétrica, também denominada queda de IR da linha de transmissão. A próxima transição é dos pontos 36 ao 38. Essa transição é uma queda moderada na tensão que ocorre devido à drenagem dos capacitores (C>) 9 e (C3) 5 da Figura 3, visto que a coluna de LED continua a extrair potência após a abertura do comutador de desconexão (Si) 3. Em referência à Figura 4, a taxa mais lenta de queda de tensão ocorre entre os pontos 38 e 40. Durante esse período, a tensão decaiu abaixo da tensão limítrofe de ativação da coluna de LED; e os LEDs extraem pouca ou nenhuma potência. Nesse ponto, o diodo (Di) 4 se tornará inversamente polarizado, impedindo a descarga do capacitor (C3) 5; e a queda de tensão da linha de transmissão ocorrerá devido à descarga dos capacitores (Ci) 7 e (C)) 9 através dos resistores (R;3) 8 e (R)) 6. Se existir uma falha de linha cruzada nas linhas de transmissão, a taxa de queda aumentará conforme foi previamente descrito e ilustrado na Figura 2.

[035] Há vantagens específicas na redução do valor do capacitor (C3) 5. Quando o capacitor (C3) 5 é grande,

o mesmo apresenta um gasto e volume significativos no receptor. Nas aplicações de iluminação LED, os LEDs produzem calor que pode ser acoplado ao capacitor. Essa transferência de calor diminui a vida útil do capacitor. Os capacitores usados nas fontes de alimentação de LED historicamente têm sido um importante ponto de falha. Uma outra vantagem de tornar o capacitor (C3) 5 pequeno é que permite que a razão entre o tempo de transferência e o tempo de amostra no pacote de energia seja variada para atenuação ou permite a variação da intensidade da luz de LED.

[036] A variação da razão entre tempo de ativação e tempo de desativação é comumente conhecida na indústria como modulação por largura de pulso (PWM). Para que a atenuação de PWM seja possível, a tensão no capacitor (C;3) 5 deve decair rapidamente durante cada período de amostra para reduzir a corrente elétrica que flui para a coluna de LED.

[037] A tentativa de implementar a PWM em baixas razões de tempo de ativação com uma grande capacitância C3 resultaria em correntes de pico muito altas cada vez que O capacitor (C3) 5 precisar ser carregado no começo da porção de tempo de ativação do ciclo de PWM. Novamente, essa propriedade leva a uma vantagem de implementar valores de capacitância pequenos ou até negligenciáveis no capacitor (C3;) 5, quando é desejável permitir a atenuação de PWM da coluna de LED.

[038] Em representações anteriores de receptores de potência digital, tais como em Eaves, 2012, e na patente do receptor de Eaves, o diodo (D;i) 4 da Figura 3 foi uma modalidade do dispositivo de desconexão de carga e foi descrito como parte do lado de carga de um sistema de potência digital. Entretanto, em casos em que a atenuação de PWM deve ser implementada, oO capacitor (C3) 5 da Figura 3 pode ser removido; e os LEDs, que são dispositivos de diodo, podem servir como o dispositivo de desconexão de carga. Essa configuração é representada na Figura 5, em que um ou mais dos LEDs 30 ,30' ,30''", 30''"" servem no lugar do diodo (Di) 4 do receptor 21 da Figura 3. Com à ausência do capacitor (C3) 5, o receptor 21 da Figura 5 é reduzido a apenas o capacitor (C;) 9. São as características de carga não linear da coluna de LED que tornam a transferência de energia por pacote possível após a remoção do capacitor (C3) 5, visto que os LEDs não continuam a extrair potência durante todo o período de amostra do pacote de energia. Conforme descrito anteriormente, em referência à Figura 4, entre os pontos 38 e 40, a tensão de linha de transmissão decaiu abaixo da tensão limítrofe de ativação da coluna de LED, e os LEDs extraem pouca ou nenhuma potência. Se a coluna de LED tivesse uma característica de carga linear, não tendo, assim, limiar de ativação mínimo (como um resistor, por exemplo), a linha de transmissão decairia rapidamente para zero, impossibilitando a detecção da queda de tensão indicativa de uma falha da linha de transmissão, e impossibilitando, assim, a implementação da transferência de energia por pacote.

[039] O controlador de fonte 11 da Figura 5 pode executar um algoritmo de controle para variar o ciclo de trabalho de PWM para manter uma corrente média de operação para os LEDs que otimizam a intensidade, eficiência e vida útil necessárias. A PWM é implementada pelo controlador de fonte 11 que varia o “tempo de ativação” versus “tempo de desativação” do comutador de desconexão de fonte (S1)) 3. É notável que a tensão limítrofe do LED é inversamente proporcional à temperatura do LED e pode ser usada pelo controlador de transmissor para determinar as condições de operação ideais e para ajustar o ciclo de trabalho para variar a corrente média da coluna de LED, conforme é amplamente conhecido por aqueles versados na técnica de projeto de iluminação LED.

[040] Uma área de dificuldade com a implementação de transferência de energia por pacote sem o capacitor (C3) 5 ou com um valor de capacitância muito pequeno para o capacitor (C;) 5 é que fica difícil detectar a diferença entre a queda de IR da linha de transmissão aparente na Figura 4 na transição entre os pontos 34 e 36 e detectar a queda de tensão das linhas de transmissão devido à extração de potência da coluna de LED antes de alcançar a tensão limítrofe mínima da coluna, conforme representado na Figura 4 entre os pontos 36 e 38. Conforme foi descrito por Eaves, 2012, a detecção da queda de IR nas linhas de transmissão é um a importante parte da detecção de falhas em linha. Um exemplo de uma falha em linha é uma conexão insatisfatória ou cabo danificado que aumenta bastante a resistência da linha de transmissão, o que faria com que uma quantidade significativa de energia de falha fosse dissipada na área da anomalia, superaquecendo, assim, o cabo e possivelmente causando incêndio. Nos métodos desta revelação em que a queda de IR é indetectável, um segundo método de detecção de falha em linha atribui um limite alto e baixo de potência à coluna de LED. Uma extração de potência mais alta que o normal pela coluna ocorreria devido ao excesso de energia dissipada fora da coluna de LED, indicando uma condição de falha. Uma extração muito baixa de potência também seria atribuída a uma conexão insatisfatória, coluna de LED danificada ou coluna de LED incompatível.

[041] Em referência à Figura 5, um terceiro método para detectar uma falha em linha calcula a diferença entre uma tensão limítrofe do LED predeterminada e o potencial de tensão da fonte l1. A tensão limítrofe predeterminada é verificada pelo controlador de fonte 11 durante cada pacote de energia medindo-se a tensão de linha de transmissão entre os pontos 38 e 40 ilustrados, conforme ilustrado na Figura 4. Uma corrente máxima pode, então, ser calculada com base na equação [Imáx = Pmáx /dV ], em que TImáx É à corrente elétrica máxima permitida para garantir uma dissipação máxima de potência em linha compósita de Práx. dV é a diferença na tensão entre o potencial de tensão da fonte 1 e a tensão limítrofe, conforme medido pelo controlador de fonte 11. O limite máximo de potência é denominado limite compósito, visto que dV inclui um componente de diminuição de tensão de linha em série devido ao consumo de potência do LED.

Quando a coluna de LED for alimentada, dV incluirá os seguintes três componentes: a) qualquer diminuição de tensão em série nas linhas de transmissão devido à corrente normal de carga do LED, b) a elevação na tensão da coluna de LED acima de seu limiar de ativação devido à alimentação dos LEDs e c) qualquer diminuição de tensão em série adicional devido a uma resistência anormal nas linhas de transmissão devido a uma falha.

Embora não seja uma medição absoluta da diminuição de tensão devido a uma falha em linha, o método garante que a potência em linha dissipada nas linhas de transmissão fora da coluna de LED esteja abaixo de Práx.

Para distribuição máxima de potência para a coluna de LED, é vantajoso ter uma tensão limítrofe do LED que tenha um valor o mais próximo possível daquele da fonte 1, conforme mostrado na Figura 5, tornando dV um valor menor e Imáx um valor correspondentemente maior. Uma vantagem desse terceiro método de limitar a dissipação da potência em linha é que a classificação de potência da coluna de LED não precisa ser predeterminada. Para facilitar o método, a coluna de LED está em conformidade com uma especificação de faixa predeterminada para tensão limítrofe de ativação.

[042] Em todas as metodologias usadas para medir a dissipação de potência em linha, a potência seria interrompida para a coluna de LED se um limite predeterminado fosse excedido pelo controlador de fonte 11 que atua para abrir o comutador de desconexão (S1) 3, conforme mostrado na Figura 5, interrompendo a potência para as linhas de transmissão.

[043] Um aspecto benéfico da configuração da Figura 5, em que o capacitor (C3) 5 da Figura 3 é removido, é que uma falha de linha cruzada que ocorre no conjunto de circuitos internos da coluna de LED, em vez de apenas nas linhas de transmissão, pode ser detectada como uma parte normal da transferência de energia por pacote. Essa capacidade é adicionalmente ilustrada em referência à Figura 4. O período entre os pontos 38 e 40 é a região de queda lenta, em que a tensão da linha de transmissão diminuiu abaixo da tensão limítrofe da coluna de LED. Em referência à Figura 5, se uma resistência de falha for introduzida por meio do resistor (Rs) 32 no conjunto de circuitos da coluna, a tensão limítrofe esperada predeterminada será reduzida; conforme assinalado pela ação do resistor (Rs) 32 ignorando vários LEDs na coluna. A mudança é detectável pelo controlador de fonte 11 da Figura 5, que atuará de modo a abrir o comutador (S1) 3, interrompendo, assim, a potência para as linhas de transmissão.

[044] O aparelho e os métodos descritos são compatíveis com os métodos de colocar múltiplos receptores em paralelo em uma linha de transmissão. Isso permitiria que múltiplas colunas de luz de LED compartilhassem uma linha de transmissão, reduzindo os custos do sistema de transmissão. A metodologia foi adicionalmente descrita no pedido de publicação de patente nº 2017/0214236 Al de Eaves.

[045] LEDs são conhecidos por aqueles na indústria como tendo um coeficiente negativo de temperatura para sua tensão direta. Esse coeficiente negativo de temperatura tem o efeito de fazer com que uma coluna de LEDs mais quente extraia mais corrente elétrica do que uma coluna mais fria com a qual está conectada em paralelo. A corrente mais alta faz com que a coluna mais quente alcance temperaturas ainda mais altas; extraindo, assim, correntes ainda mais altas, etc. Em referência à Figura 6, a carga 2 agora compreende coluna de LED em série 30, 30", 30'", 30'”"”"” juntamente com um regulador de corrente em série 42. Reguladores de corrente são bem conhecidos por aqueles versados na técnica de eletrônica de potência e estão disponíveis em versões de comutação linear e ativa de uma variedade de fabricantes. O regulador de corrente mantém uma corrente de LED constante ao longo de uma faixa de tensões de entrada. Múltiplas colunas de LED, equipadas com reguladores de corrente, podem ser colocadas em paralelo na saída do receptor 21; e as colunas de LED manterão uma corrente de LED predeterminada adequada. Alternativamente, múltiplos receptores, em que cada um serve uma coluna de LED com um regulador de corrente, podem ser colocados em paralelo em uma linha de transmissão de PET comum, e os mesmos manterão uma corrente de LED predeterminada adequada.

Ramificações

[046] O controlador de fonte 11 pode incluir um dispositivo lógico, tal como microprocessador, microcontrolador, dispositivo lógico programável ou outro conjunto de circuitos digital adequado para executar os algoritmos de controle. O controlador 11 pode ser um dispositivo de computação, e os sistemas e métodos desta revelação podem ser implementados em um ambiente de sistema de computação. Exemplos de ambientes de sistema de computação bem conhecidos componentes dos mesmos que podem ser adequados para uso com os sistemas e métodos incluem, porém sem limitação, computadores pessoais, computadores servidores, dispositivos portáteis ou computador do tipo laptop, dispositivos do tipo tablet, telefones inteligentes, sistemas multiprocessadores sistemas com base em microprocessador, decodificadores eletrônicos de consumo programáveis, PCs de rede, minicomputadores, computadores mainframe, ambientes de computação distribuídos que incluem qualquer um dos sistemas ou dispositivos acima e semelhantes. Ambientes de sistema de computação típicos e suas operações e componentes são descritos em muitas patentes existentes (por exemplo, a patente US nº

7.191.467, de propriedade da Microsoft Corp.).

[047] Os métodos podem ser realizados por meio de instruções executáveis por computador não transitórias, tais como módulos de programa. Geralmente, módulos de programa incluem rotinas, programas, objetos, componentes, estrutura de dados, e assim por diante, que realizam tarefas específicas ou implementas tipos específicos de dados. Os métodos também podem ser praticados em ambientes de computação distribuídos em que tarefas são realizadas por dispositivos de processamento remoto que são ligados através de uma rede de comunicações. Em um ambiente de computação distribuído, os módulos de programa podem estar localizados tanto nas mídias de armazenamento de computador locais quanto nas remotas, incluindo dispositivos de armazenamento de memória.

[048] Os processos e funções descritos no presente documento podem ser armazenados não transitoriamente sob a forma de instruções de software no computador. Os componentes do computador podem incluir, porém sem limitação, um processador de computador, uma mídia de armazenamento de computador que serve como uma memória e um barramento de sistema que acopla vários componentes de sistema, incluindo a memória, ao processador do computador. O barramento de sistema pode ser de qualquer um dos diversos tipos de estruturas de barramento, incluindo um barramento de memória ou controlador de memória, um barramento periférico e um barramento local que usa qualquer uma dentre uma variedade de arquiteturas de barramento.

[049] O computador inclui tipicamente uma ou mais dentre uma variedade de mídias legíveis por computador acessíveis pelo processador e que incluem tanto mídias voláteis e não voláteis como mídias removíveis e não removíveis. A título de exemplo, as mídias legíveis por computador podem compreender mídias de armazenamento de computador e mídias de comunicação.

[050] As mídias de armazenamento de computador podem armazenar o software e dados em um estado não transitório e incluem mídias voláteis e não voláteis, removíveis e não removíveis implementadas em qualquer método ou tecnologia para armazenamento de software e dados, tais como instruções legíveis por computador, estruturas de dados, módulos de programa ou outros dados. As mídias legíveis por computador incluem, porém sem limitação, RAM, ROM, EEPROM, memória flash ou outra tecnologia de memória, CD-ROM, discos versáteis digitais (DVD) ou outro armazenamento de disco óptico, cassetes magnéticos, fita magnética, armazenamento de disco magnético ou outros dispositivos de armazenamento magnético ou qualquer outra mídia que possa ser usada para armazenar as informações desejadas e que possa ser acessada e executada pelo processador.

[051] A memória inclui mídias de armazenamento de computador sob a forma de memória volátil e/ou não volátil, tal como memória somente de leitura (ROM) e memória de acesso aleatório (RAM). Um sistema básico de entrada/saída (BIOS), contendo as rotinas básicas que ajudam na transferência de informações entre elementos no computador, tal como durante a inicialização, é tipicamente armazenado na ROM. A RAM contém tipicamente dados e/ou módulos de programa que são imediatamente acessíveis e/ou presentemente operados pelo processador.

[052] O computador também pode incluir outras mídias de armazenamento de computador removíveis/não removíveis, voláteis/não voláteis, tais como (a) uma unidade de disco rígido que lê mídias magnéticas não removíveis, não voláteis ou grava nas mesmas; (b) uma unidade de disco magnético que lê disco magnético removível, não volátil ou grava no mesmo; e (c) uma unidade de disco óptico que lê um disco óptico removível, não volátil ou grava no mesmo, tal como um CD ROM ou outra mídia óptica. A mídia de armazenamento de computador pode ser acoplada ao barramento de sistema por uma interface de comunicação, em que à interface pode incluir, por exemplo, fios eletricamente condutivos e/ou vias de fibra óptica para transmitir sinais digitais ou ópticos entre os componentes. Outras mídias de armazenamento de computador removíveis/não removíveis, voláteis/não voláteis que podem ser usadas no ambiente operacional exemplificativo incluem cassetes de fita magnética, cartões de memória flash, discos versáteis digitais, fita de vídeo digital, RAM de estado sólido, ROM de estado sólido e semelhantes.

[053] As unidades e suas mídias de armazenamento de computador associadas fornecem armazenamento de instruções legíveis por computador, estruturas de dados, módulos de programa e outros dados para o computador. Por exemplo, uma unidade de disco rígido interna ou externa ao computador pode armazenar um sistema operacional, programas de aplicativo e dados de programa.

[054] Embora o exemplo primário de uma carga não linear descrita neste relatório descritivo seja uma matriz de LEDs, há outras aplicações possíveis. Por exemplo, um elemento de aquecimento elétrico pode ser construído a partir de uma matriz de diodos em série. Os diodos criam calor quando uma corrente elétrica os atravessa em uma direção diretamente polarizada. Um uso para o elemento de aquecimento está em um secador de cabelos. O secador de cabelos seria eletricamente seguro mesmo quando imerso em água devido à capacidade do sistema para detectar uma falha elétrica tanto nas linhas de transmissão que suprem o secador de cabelos como em qualquer outro lugar no secador de cabelos.

[055] Exemplos adicionais consistentes com os presentes ensinamentos são apresentados nas seguintes cláusulas enumeradas:

1. Um sistema de distribuição de potência digital para regular a transferência de energia a partir de um lado de fonte que inclui uma fonte de alimentação e terminais de fonte acoplados eletricamente à fonte de alimentação para um lado de carga que inclui terminais de carga, sendo que o sistema de distribuição de potência compreende: a) um sensor de fonte configurado para fornecer retroalimentação que inclui pelo menos um sinal indicativo de tensão através dos terminais de fonte; b) um controlador de fonte no lado de fonte do sistema de distribuição de potência configurado para receber a retroalimentação a partir do sensor de fonte e responsivo à retroalimentação, e configurado para gerar um sinal de controle que aumenta ou diminui substancialmente a impedância entre a fonte de alimentação e os terminais de fonte; Cc) uma carga não linear no lado de carga e acoplada eletricamente aos terminais de carga para extrair corrente elétrica a partir dos terminais de carga, em que a carga não linear é configurada de modo que a corrente elétrica extraída dos terminais de carga diminua em pelo menos uma ordem de magnitude quando uma tensão aplicada diminui abaixo de um limiar de tensão diferente de zero; d) uma capacitância reduzida no lado de carga para armazenar o carregamento e descarregar esse carregamento durante um período de amostra, em que a capacitância reduzida é reduzida para um nível para fornecer a corrente elétrica menor que pelo menos uma ordem de magnitude extraída pela carga não linear abaixo do limiar de tensão; e) um dispositivo de desconexão de fonte responsivo ao sinal de controle a partir do controlador de fonte, em que o controlador de fonte é configurado para interromper periodicamente o suprimento de potência para a carga não linear mediante a abertura do dispositivo de desconexão de fonte durante o período de amostra, permitindo que pelo menos a tensão do terminal de fonte seja medida durante a interrupção; e f) um dispositivo lógico implantado pelo menos no controlador de fonte e configurado para abrir o dispositivo de desconexão de fonte e para realizar pelo menos uma medição de tensão de terminal de fonte quando o dispositivo de desconexão de fonte é aberto, em que a medição de tensão de terminal de fonte é representativa de impedância entre os terminais de fonte e uma taxa de descarga correspondente de capacitância entre os terminais de fonte, e para determinar se a medição de tensão de terminal de fonte se situa fora de limites altos e baixos predeterminados, em que a medição de tensão de terminal de fonte fora dos limites altos e baixos predeterminados indica que existe um objeto estranho ou indivíduo entrando em contato com os terminais de fonte ou carga, ou com a linha de transmissão, ou que existe uma falha no sistema de distribuição de potência digital, e para fechar o dispositivo de desconexão de fonte se a medição de tensão se situar dentro dos limites altos e baixos predeterminados.

2. O sistema de distribuição de potência digital, de acordo com a cláusula 1, em que o controlador de fonte é configurado para variar o tempo que o comutador de desconexão de fonte está aberto em razão do tempo que o mesmo está fechado,

de modo que a potência a partir da fonte de alimentação para a carga não linear seja variada.

3. O sistema de distribuição de potência digital, de acordo com a cláusula 1 ou 2, em que a carga não linear é equipada com um regulador de corrente para permitir a regulação de corrente elétrica através da carga não linear sob a operação paralela ou com variação da tensão de linha de transmissão.

4, O sistema de distribuição de potência digital, de acordo com qualquer uma das cláusulas 1 a 3, em que a carga não linear é configurada para ter uma tensão indicativa da temperatura de componentes de carga, adicionando, assim, a capacidade para estimar condições que podem ser termicamente nocivas para a carga e para ajustar a corrente de fonte para otimizar a vida útil ou o desempenho da carga.

5. Um método para regular a transferência de energia a partir de uma fonte de alimentação em um lado de fonte de um sistema de distribuição de potência digital para um lado de carga do sistema de distribuição de potência digital, sendo que o método compreende: a) medir uma tensão através de terminais de fonte no lado de fonte e gerar retroalimentação que inclui pelo menos um sinal indicativo da tensão com o uso de um sensor de fonte; b) receber a retroalimentação em um controlador de fonte, e gerar um sinal de controle em resposta à retroalimentação, em que O sinal de controle aumenta ou diminui substancialmente a impedância entre a fonte de alimentação e os terminais de fonte; c) suprir corrente elétrica a partir da fonte de alimentação para uma carga não linear no lado de carga, em que a corrente elétrica extraída pela carga não linear diminui em pelo menos uma ordem de magnitude quando a tensão aplicada diminui abaixo de um limiar de tensão diferente de zero;

d) armazenar um carregamento com o uso de capacitância reduzida no lado de carga e descarregar esse carregamento para fornecer corrente elétrica menor que pelo menos uma ordem de magnitude para a carga não linear durante um período de amostra com uma tensão abaixo do limiar de tensão aplicada à carga não linear;

e) interromper “periodicamente o suprimento de potência para a carga não linear mediante a abertura de um dispositivo de desconexão de fonte durante o período de amostra, descarregar um carregamento a partir da capacitância reduzida, medir a tensão do terminal de fonte durante a interrupção; e f) usar um dispositivo lógico pelo menos no controlador de fonte, abrir o dispositivo de desconexão de fonte e realizar pelo menos uma medição de tensão de terminal de fonte quando o dispositivo de desconexão de fonte é aberto, em que a medição de tensão de terminal de fonte é representativa de impedância entre os terminais de fonte e uma taxa de descarga correspondente de capacitância entre os terminais de fonte, e determinar se a medição de tensão de terminal de fonte se situa fora dos limites altos e baixos predeterminados, em que a medição de tensão de terminal de fonte que está fora dos limites altos e baixos predeterminados indica que existe um objeto estranho ou indivíduo entrando em contato com os terminais de fonte ou carga, ou com a linha de transmissão, ou que existe uma falha no sistema de distribuição de potência digital, e fechar o dispositivo de desconexão de fonte se a medição de tensão se situar dentro dos limites altos e baixos predeterminados.

6. O método, de acordo com a cláusula 5, que compreende adicionalmente usar o controlador de fonte para variar o tempo que o comutador de desconexão de fonte é aberto, em razão do tempo que o mesmo está fechado, para variar a potência a partir da fonte de alimentação para a carga não linear.

7. O método, de acordo com a cláusula 5 ou 6, em que a carga não linear é equipada com um regulador de corrente, sendo que o método compreende adicionalmente usar o regulador de corrente para regular a corrente elétrica através da carga não linear sob a operação paralela ou com variação da tensão de linha de transmissão.

8. O método, de acordo com qualquer uma das cláusulas a 7, em que a carga não linear é configurada para ter uma tensão indicativa da temperatura de componentes de carga, sendo que o método compreende adicionalmente estimar condições que podem ser termicamente nocivas para a carga e ajustar a corrente de fonte para otimizar a vida útil ou o desempenho da carga.

[056] Assim, o escopo da invenção divulgada deve ser determinado pelas reivindicações anexas e seus equivalentes legais, em vez de pelos exemplos dados. Na descrição das modalidades da invenção, usa-se terminologia específica por questão de clareza. Para o propósito de descrição, os termos específicos destinam-se a pelo menos incluir equivalentes técnicos e funcionais que operem de uma maneira similar para realizar um resultado similar. Adicionalmente, em alguns casos em que uma modalidade específica da invenção inclui uma pluralidade de elementos do sistema ou etapas de método, esses elementos ou etapas podem ser substituídos por um único elemento ou etapa; de modo semelhante, um único elemento ou etapa pode ser substituído por uma pluralidade de elementos ou etapas que servem o mesmo propósito.

Além disso, embora esta invenção tenha sido mostrada e descrita com referências às modalidades específicas da mesma, aqueles versados na técnica compreenderão que várias substituições e alterações na forma e detalhes podem ser feitas na mesma sem se afastar do escopo da invenção.

Ainda adicionalmente, outros aspectos, funções e vantagens também estão dentro do escopo da invenção; e todas as modalidades da invenção não precisam necessariamente alcançar todas das vantagens ou possuir todas as características descritas acima.

Adicionalmente, as etapas, os elementos e os recursos discutidos no presente documento em conexão com uma modalidade podem igualmente ser usados em conjunto com outras modalidades.

Ainda adicionalmente, os componentes, as etapas e os recursos identificados na seção de Antecedentes são integrais a esta revelação e podem ser usados em conjunto ou substituído por componentes e etapas descritos em outro lugar na revelação dentro do escopo da invenção.

Nas reivindicações do método, em que os estágios são referidos em uma ordem específica — com ou sem caracteres de prefácio em sequência adicionados para facilidade de referência — os estágios não devem ser interpretados como sendo temporariamente limitados à ordem na qual os mesmos são recitados, a menos que especificado ou implicado de outro modo pelos termos e fraseado.

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RESUMO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE POTÊNCIA DIGITAL E MÉTODO PARA REGULAR A TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA A PARTIR DE UM LADO DE

FONTE Trata-se de um sistema de distribuição de potência digital que inclui um sensor de fonte configurado para fornecer retroalimentação que inclui um sinal indicativo de tensão através dos terminais de fonte; um controlador de fonte configurado para receber a retroalimentação a partir do sensor de fonte e para gerar um sinal de controle que substancialmente aumenta ou diminui impedância entre a fonte de alimentação e os terminais de fonte; uma carga não linear configurada de modo que a corrente elétrica extraída dos terminais de carga diminua em pelo menos uma ordem de magnitude abaixo de um limiar de tensão diferente de zero; capacitância reduzida no lado de carga para armazenar carregamento e descarga desse carregamento durante o período de amostra, em que a capacitância reduzida é reduzida para um nível para fornecer a corrente elétrica menor que pelo menos uma ordem de magnitude extraída pela carga não linear abaixo do limiar de tensão; e um dispositivo de desconexão de fonte responsivo ao sinal de controle a partir do controlador de fonte.