CZ308249B6 - Napájecí zdroj - Google Patents

Abstract

Elektrotechnické zařízení dle vynálezu představuje napájecí zdroj jehož součástí je řídicí blok (1), blok (2) měření proudu a světelný zdroj a dále obsahuje modul (6) pro komunikaci se sítí Ethernet a blok (5) Bias-T pro zajištění modulace vysokorychlostních dat na stejnosměrný napájecí proud. Toto zařízení umožňuje svítidlům s výhodou přenos vysokorychlostních dat a jejich následné šíření modulovaným světelným svazkem pro komunikaci typu optické bezvláknové sítě (tzv. BroadbandLIGHT).

Description

Vynález spadá do oblasti elektrotechniky. Jedná se o zařízení umožňující svítidlům, např. s technologií LED, přenos vysokorychlostních dat a jejich následné šíření modulovaným světelným svazkem pro komunikaci typu optické bezvláknové sítě.

Dosavadní stav techniky

Dle dosavadního stavu techniky se běžně využívají LED svítidla, která buď nemají možnost regulace intenzity osvětlení nebo využívají regulace principem tzv. PWM (Pulse Width Modulation - pulzně šířková modulace). Tato řešení neumožňují plně využít možnost úspor energie, jaké nabízí technologie LED a také neumožňují kontinuální vysokorychlostní přenos dat. Příkladem může být svítidlo bez regulace osvětlení, viz obrázek 1. Což znamená, že řídicí blok obsahuje: napájecí usměrňovač, obvody pro filtraci usměrněného napětí (případně i tzv. PFC „power factor corection“ pro korekci vstupního proudu), řídicí obvod pro udržování konstantního proudu výkonovými LED (většinou je využito některého z typických zapojení pro impulsní zdroje, které mají podstatně vyšší energetickou účinnost než zdroje analogové), který může obsahovat i prvek pro galvanické oddělení napájecích obvodů (např. transformátor) a který většinou obsahuje i prvky pro akumulaci energie (např. cívku, kondenzátor apod.). Dále blok měření proudu obsahuje: obvod pro měření hodnoty procházejícího proudu, který může být tvořen např. rezistorovým bočníkem, snímačem využívajícím Hallův jev atd. Blok může také obsahovat zesilovač změřeného signálu. A následně LED blok obsahuje alespoň jednu, ale většinou větší množství výkonových LED zapojených v různých sério - paralelních kombinacích a většinou mechanicky upevněných na chladicích plochách pro zajištění odvodu vznikajícího tepla.

Dalším příkladem může být svítidlo s regulací osvětlení (viz obrázek 2), které obsahuje stejné bloky, jako v předchozím případě, ale navíc v řídicím bloku je řídicí obvod pro udržování konstantního proudu výkonovými LED doplněn o možnost analogové regulace např. 0-10 V, která má ale nevýhodu, že není použitelná při větší vzdálenostech svítidel. Nebo mezi řídicí blok a blok měření proudu může být umístěn nízkofrekvenční PWM regulátor, který není vhodný pro přenos vysokorychlostních dat světelným paprskem, protože produkuje přerušovaný (pulsní) proud napájející LED.

V elektronice pro slučování napájecího a rádio frekvenčního signálu či pro oddělení rádiového signálu od napájecího používáme zapojení minimálně 1 kondenzátoru a minimálně 1 indukčnosti zvané bias-T modulátor. V současné době jsou v patentových spisech popsána řešení bias - T modulátoru s omezením buď ve vysokofrekvenční (VF) oblasti úzkou nebo jinak nevhodnou šířkou přenášeného frekvenčního pásma nebo s omezením v napájecí oblasti limitací maximálním přenášeným proudem či maximálním vstupním napětím. Všechna tato omezení jsou vylučujícím faktorem realizace širokopásmového bezdrátového přenosu dat s využitím viditelného spektra záření (VLC Visible light communication), (BL BroadbandLIGHT) za použití interiérového či pouličního LED osvětlení.

Řešení Wide bandwidth bias tee (širokopásmový bias T) US 6657522 popisuje zapojení širokopásmového bias - T modulátoru navrženého pro použití v rádio frekvenční technice (RF) s rozsahem 1GHz až 40GHz což nesplňuje ani frekvenční požadavky na technologii minimální frekvenci /„„„=2MHz ani parametry napájení LED osvětlení U_min=l 12V, /„„„=700mA.

Další příklad Bias-T circuit (zapojení bias T) US 20070063771 AI popisuje speciální obvodové řešení umožňující poskytnout velký výkon na výstupu včetně velké šířky pásma. Nevýhodou je

- 1 CZ 308249 B6 použití vysokofrekvenčního tranzistoru omezujícího minimální frekvenci RF signálu/„₁,„=30GHz (požadováno /„,„=2 MHz) a zároveň je řešení značně limitováno maximálním napájecím napětím dle použitého tranzistoru do hodnoty běžně U_max=3QN (požadováno í/_mi„=112V).

Řešení Bias-t apparatus and center conductor of the same (bias t aparát a centrální vodič v jednom) EP 1525679 popisuje zapojení vhodné k integraci do mobilních komunikačních zařízení, respektive pro poskytování radiofrekvenčních signálů a zdroje energie pro venkovní vybavení základnové vysílací stanice (BTS) v mobilním komunikačním systému. Frekvenční parametry i parametry napájení nevhodné pro BL.

Řešení Reduced size bias tee (minimalizovaný bias-T) US 8922306 B2 popisuje postup redukce zapojení bias-T určeného pro RF technologie s ohledem na minimální rozměry. Opět pro použití vysokorychlostního datového přenosu a LED osvětlovači je jak frekvenční pásmo, tak rozsah napájení nevhodný.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje vynález, který používá kombinace nového inteligentního LED napájecího zdroje s komunikačním rozhraním Ethernet, již existujícího převodníku napájecí síť 230V 50Hz / Ethernet (BPL Broadband over PowerLine), nového bias-T modulátoru a svítidel. Kombinací prvků vzniká inteligentní svítidlo s funkcí přijmu dat po napájecí síti, řízení a regulace osvětlení na dálku a přidanou možností vysílání širokopásmového datového přenosu viditelným spektrem (VLC Visible Light Communication) a přijmu širokopásmového datového přenosu buď v infračervené oblasti, nebo v oblasti bezlicenčního pásma RF 2.402 až 2.480 GHz.

Zařízení tedy představuje elektrický obvod pro napájení svítidel, který je napojen na síťový napájecí rozvod např. 230V/50Hz a umožňuje regulovat intenzitu osvětlení pomocí datového přenosu sítě Ethernet a zároveň využívat emitované světlo pro přenos vysokorychlostních dat po světelném paprsku.

Toto zařízení je znázorněno na obrázku 3. Řídicí blok je napojen na napájecí síť 230/50Hz, přičemž řídicí obvod, který jev řídicím bloku obsažen, je doplněn modulem pro komunikaci se sítí Ethernet a dále je řídicí blok s výhodou propojen s blokem měření proudu. Díky modulu pro komunikaci se sítí Ethernet není v zařízení nutný nízkofrekvenční PWM a je možné datovou komunikací přímo řídit úroveň konstantního proudu do světelného zdroje a tím intenzitu osvětlení. Výhodou tohoto řešení je, že napájecí proud do světelného zdroje je čistě stejnosměrný bez přerušování, rušivého zvlnění, modulací apod. Dále toto zařízení obsahuje blok Bias-T, který je umístěn mezi blokem měření proudu a blokem světelného zdroje.

Blok Bias-T zajišťuje modulaci vysokorychlostních dat na stejnosměrný napájecí proud do světelného zdroje (např. LED).

BPL převodník přijímá datovou komunikaci standardu Ethernet po stávajícím napájecím vedení, tj. bez nutnosti budování dodatečné nové strukturované kabeláže s použitím OFDM modulace (Orthogonal frequency division multiplexing). Navazujícím blokem je ethemetový přepínač (switch) umožňující konektivitu dalších zařízení jak řídicích obvodů, tak obvodů zpětné vazby či přídavná zařízení například senzory meteorologických veličin / kamery / audio zařízení. Řídicí obvod představuje napájecí zdroj s rozhraním ethemet, funkcí spínání osvětlení a nastavení jasu. Tento napájecí zdroj (ethemet LED driver) je speciální konstrukce LED napájecího drivem, která umožňuje vzdálenou regulací pomocí standardu Ethemet a moderního komunikačního protokolu MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) a zároveň je jeho stejnosměrný (DC) výstup pro napájení filtrovaný, resp. je zamezen negativní vliv DC-PWM na přenos dat v rámci elektronických komunikací prostřednictvím VLC. Dalším funkčním celkem je výkonový modulátor na bázi Bias-T. Tento koncept modulátom vychází z tzv. napájecí výhybky, která se

-2 CZ 308249 B6 běžně používá v RF technice v upraveném zapojení pro dosažení parametrů vhodnějších pro VLC k použití ve svítidlech. Konstruovaný výkonový modulátor na bázi Bias-T vychází z požadovaného frekvenčního pásma čipové sady technologie BPL na bázi standardu IEEE 1901. Tento standard definuje dolní frekvenci f_mm=2 MHz při současné minimální šířce pásma 5=100 MHz. Důvodem je frekvenční rezerva pro možnost současného nasazení úzkopásmové technologie Power Line Communication (dále jen „PLC“). V současnosti dostupné řešení výkonových Bias-T jsou definovány dolní frekvencí f_min, které se pohybují kolem hodnot 10 MHz. Další změna při návrhu Bias-T pro technologii BVL musí reflektovat podmínky vycházející z osvětlovací techniky. V poslední době jev osvětlovací technice trendem snižování hodnoty proudu pracovního bodu Idc při současném zvyšování hodnoty napětí pracovního bodu Udc. Například běžné světlo, určené pro veřejné osvětlení, o výkonu 80 W definuje jeho původní LED driver pracovní bod v podobě 7dc=700 mA a Udc=112 V. Na druhou stranu oblast indoor osvětlení, bodové světlo o výkonu 44 W, definuje jeho driver pracovní bod v podobě //>(=700 mA a Udc=62 V. V současnosti dostupné řešení výkonových Bias-T zvládnou bez problémů velké proudové zatížení (Incma^lS A), ovšem značně limitujícím faktorem je nízká hodnota napětí na DC vstupu (U_DCmax=30 V).

Posledním funkčním celkem je telemetric (zpětné vazby), jak pro potřeby provozu VLC LED driveru, tak i pro potřeby samotného svítidla jako celku.

Pro účely tohoto vynálezu se blok světelného zdroje rozumí - například LED, laser apod.

Objasnění výkresů

Na obrázku 1 je znázorněn stav techniky - napájecí zdroj pro LED svítidlo bez regulace. Obrázek 2 představuje stav techniky - napájecí zdroj pro LED svítidlo s analogovou nebo PWM regulací. Na obrázku 3 je znázorněno příkladné řešení napájecího zdroje dle vynálezu a na obrázku 4 je jeho modifikace popsaná v příkladu uskutečnění 2.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Řídicí blok 1 je napojen na napájecí síť 230V/50Hz, přičemž řídicí obvod, který jev řídicím bloku 1 obsažen, je doplněn modulem 6 pro komunikaci se sítí Ethernet. Dále je řídicí blok 1 propojen s blokem 2 měření proudu. Dále toto zařízení obsahuje blok 5 Bias-T, který je umístěn mezi blokem 2 měření proudu a blokem 3 světelného zdroje. Blok 5 Bias-T zajišťuje modulaci vysokorychlostních dat na stejnosměrný napájecí proud do LED, viz obrázek 3.

Příklad 2

Příklad 2 se od příkladu 1 odlišuje tím, že obsahuje modul 7 Power Line, který je umístěn před řídicím blokem 1 a je napojen na napájecí síť 230V/50Hz, která je modulována datovou komunikací Ethernet, viz obrázek 4.

Příklad 3

Příklad 3 se od příkladu 1 odlišuje tím, že blok 2 měření proudu je sloučen s řídicím blokem E

Příklad 4

Příklad 4 se od příkladu 1 odlišuje tím, že součástí zařízení není blok 2 měření proudu.

-3 CZ 308249 B6

-4 CZ 308249 B6

Průmyslová využitelnost

Zařízení je využitelné v oblastech řízení světelných zdrojů a dále pro přenos vysokorychlostních dat a jejich následné šíření modulovaným světelným svazkem pro komunikaci typu optické bezvláknové sítě (technologie BroadbandLIGHT).

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Napájecí zdroj, jehož součástí je řídicí blok (1), blok (2) měření proudu a světelný zdroj, vyznačující se tím, že na zdroj elektrického proudu je napojen řídicí blok (1), který je propojen s blokem (2) měření proudu a zároveň s modulem (6) pro komunikaci se sítí Ethernet, přičemž blok (2) je dále napojen na blok (3) světelného zdroje.
2. 2. Napájecí zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi blok (2) měření proudu a blok (3) světelného zdroje je umístěn blok (5) Bias-T pro zajištění modulace vysokorychlostních dat na stejnosměrný napájecí proud do bloku (3) světelného zdroje.
3. 3. Napájecí zdroj podle předchozích nároků, vyznačující se tím, že obsahuje modul (7) Power Line, který je umístěn před řídicím blokem (1) a je napojen na napájecí síť 230V/50Hz, která je modulována datovou komunikací Ethernet.