ES2348841T3 - Procedimientos y aparato para controlar led conectados en serie. - Google Patents
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- Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
Abstract
Aparato (100A), que comprende: al menos dos LED (104A, 104B) conectados en serie entre un primer nodo (108A) y un segundo nodo (108B), en el que fluye una corriente en serie entre el primer nodo y el segundo nodo cuando se aplica una tensión de funcionamiento a lo largo del primer nodo y el segundo nodo; al menos una trayectoria (312A) de corriente controlable conectada en paralelo con al menos un primer LED de los al menos dos LED para desviar al menos parcialmente la corriente en serie alrededor del primer LED; caracterizado por al menos un controlador (105A) para monitorizar al menos un parámetro representativo de la tensión de funcionamiento y determinar un número máximo de LED de los al menos dos LED que puede activarse mediante la tensión de funcionamiento, controlando el al menos un controlador (105A) la al menos una trayectoria (312A) de corriente controlable de modo que aumente la cantidad de la corriente en serie que se desvía alrededor de al menos el primer LED cuando el número máximo es inferior al número total de todos los al menos dos LED conectados en serie.
Description
Procedimientos y aparato para controlar LED
conectados en serie.
Los diodos emisores de luz (LED) son fuentes de
luz basadas en semiconductores empleadas frecuentemente en
instrumentación de baja potencia y aplicaciones de aparatos con
fines de indicación. Los LED están disponibles convencionalmente en
una variedad de colores (por ejemplo, rojo, verde, amarillo, azul,
blanco), basándose en los tipos de materiales usados en su
fabricación. Esta variedad de colores de los LED se ha aprovechado
recientemente para crear fuentes de luz basadas en LED novedosas que
tienen un rendimiento lumínico suficiente para nuevas aplicaciones
de iluminación de espacios. Por ejemplo, tal como se comentó en la
patente estadounidense n.º 6.016.038, múltiples LED de diferente
color pueden combinarse en una luminaria, en la que la intensidad
de los LED de cada color diferente se varía independientemente para
producir varios tonos diferentes. En un ejemplo de un aparato de
este tipo, se usan LED rojos, verdes y azules en combinación para
producir literalmente cientos de tonos diferentes a partir de una
única luminaria. Adicionalmente, las intensidades relativas de los
LED rojos, verdes y azules pueden controlarse por ordenador,
proporcionando de ese modo una fuente de luz multicolor
programable. Tales fuentes de luz basadas en LED se han empleado en
una variedad de aplicaciones de alumbrado en las que se desean
efectos de alumbrado de color variable.
Por ejemplo, la patente estadounidense n.º
6.777.891 (la "patente '891"), contempla disponer una
pluralidad de unidades de alumbrado basadas en LED como "hilera
de luces" controlable por ordenador, en la que cada unidad de
alumbrado constituye un "nodo" controlable individualmente de
la hilera de luces. Las aplicaciones adecuadas para tales hileras
de luces incluyen aplicaciones de alumbrado orientadas al
espectáculo y decorativas (por ejemplo, luces de árboles de
navidad, luces de pantallas, alumbrado de parques temáticos,
alumbrado de salas de videojuegos y otros juegos, etc.). A través
de un control informático, una o más hileras de luces de este tipo
pueden proporcionar una variedad de efectos de alumbrado con cambio
de color y temporales complejos. En muchas implementaciones, se
comunican datos de alumbrado a uno o más nodos de una hilera de
luces dada en serie, según una variedad de esquemas de
procesamiento y transmisión de datos diferentes, mientras que se
proporciona potencia en paralelo a unidades de alumbrado respectivas
de la hilera (por ejemplo, procedente de una fuente de alta tensión
rectificada, en algunos casos con una tensión de ondulación
sustancial).
La tensión de funcionamiento requerida por cada
unidad de alumbrado (así como la hilera, debido a la interconexión
de potencia en paralelo de las unidades de alumbrado) normalmente se
refiere a la tensión directa de los LED en cada unidad de alumbrado
(por ejemplo, desde aproximadamente 2 hasta 3,5 voltios dependiendo
del tipo/color de LED), cuántos LED se emplean para cada "canal de
color" de la unidad de alumbrado y cómo se interconectan, y cómo
se organizan los canales de color respectivos para recibir potencia
desde una fuente de alimentación. Por ejemplo, la tensión de
funcionamiento para una unidad de alumbrado que tiene una
disposición paralela de canales de color respectivos para recibir
potencia, incluyendo cada canal un LED que tiene una tensión
directa del orden de 3 voltios y conjuntos de circuitos
correspondientes para proporcionar corriente al canal, puede ser
del orden de 4 a 5 voltios, que se aplica en paralelo a todos los
canales para albergar el un LED y conjuntos de circuitos de
corriente en cada canal. Por consiguiente, en muchas aplicaciones,
algún tipo de dispositivo de conversión de tensión es deseable con
el fin de proporcionar una tensión de funcionamiento generalmente
menor a una o más unidades de alumbrado basadas en LED con respecto
a tensiones de suministro de mayor potencia disponibles comúnmente
(por ejemplo, 12 VCC, 15 VCC, 24 VCC, una tensión de línea
rectificada, etc.).
Un impedimento para la adopción extendida de LED
de baja tensión y unidades de alumbrado basadas en LED de baja
tensión como fuentes de luz en aplicaciones en las que generalmente
están fácilmente disponibles tensiones de suministro de mayor
potencia es la necesidad de convertir energía de una tensión a otra,
lo que, en muchos casos, da como resultado una ineficacia de
conversión y energía desperdiciada. Además, la conversión de energía
implica normalmente componentes de gestión de potencia de un tipo y
tamaño que generalmente impiden la integración. Convencionalmente,
se proporcionan los LED como paquetes de LED individuales, o
múltiples LED conectados en serie o en paralelo en un paquete.
Actualmente, no están disponibles paquetes de LED que incluyen uno o
más LED integrados junto con algún tipo de conjuntos de circuitos
de conversión de potencia. Una barrera significativa para la
integración de LED y conjuntos de circuitos de conversión de
potencia se refiere al tipo y tamaño de componentes de gestión de
potencia necesarios para convertir energía a niveles de tensión
relativamente menores requeridos normalmente para activar los
LED.
Por ejemplo, un aparato de conversión de tensión
(por ejemplo, convertidores CC a CC) utiliza normalmente inductores
como elementos de almacenamiento de energía, que no pueden
integrarse de forma eficaz en chips de silicio para formar
circuitos integrados. El tamaño del inductor también es una barrera
importante para implementaciones de circuito integrado, tanto en
cuanto a un componente de inductor individual como parte de
cualquier circuito integrado, así como más específicamente en
paquetes de LED. Además, normalmente no puede hacerse que los
inductores tanto sean eficaces como manejen un intervalo de
tensiones relativamente amplio, y los convertidores inductivos
generalmente requieren una capacitancia significativa para almacenar
energía durante el funcionamiento del convertidor. Por tanto, un
aparato de conversión de tensión convencional basado en inductores
tiene una huella bastante significativa en comparación con un único
o múltiples paquetes de LED, y ellos mismos no se prestan a la
integración con paquetes de LED.
Los sistemas de conversión de tensión
capacitivos presentan retos similares. Los sistemas capacitivos no
pueden convertir tensión directamente, y en su lugar crean
tensiones multiplicadas o divididas fraccionales fijas. El número
de condensadores requerido está directamente relacionado con el
producto de los números enteros en el numerador y el denominador de
la fracción. Puesto que cada condensador también requiere
generalmente múltiples conmutadores para conectarlo entre la fuente
de alimentación de mayor tensión y una carga de tensión
relativamente menor, el número de componentes aumenta drásticamente
a medida que aumentan el numerador y el denominador, con una
disminución correspondiente en la eficacia. Si la eficacia es un
requisito destacado, estos sistemas deben tener razones prácticas
con un denominador o numerador unitario; de ahí, o bien la entrada
o bien la salida son de baja tensión a mayor corriente, lo que
disminuye de forma eficaz la eficacia. Por tanto, inevitablemente
es necesario que la eficacia esté equilibrada a cualquier tensión de
funcionamiento particular para disminuir la complejidad y hacer las
fracciones más sencillas.
El solicitante ha reconocido y aprecia que a
menudo es útil considerar la conexión de múltiples unidades de
alumbrado o fuentes de luz (por ejemplo, LED), así como otros tipos
de cargas, para recibir potencia de funcionamiento en serie en vez
de en paralelo. Una interconexión en serie de múltiples LED puede
permitir el uso de tensiones de funcionamiento que son
significativamente superiores a las tensiones directas de LED
típicas, y también puede permitir el funcionamiento de múltiples
LED o unidades de alumbrado basadas en LED sin requerir un
transformador entre una fuente de alimentación (por ejemplo,
tensión de línea o potencia de pared tal como 120 VCA o 240 VCA) y
las cargas (es decir, múltiples cargas conectadas en serie pueden
operarse "directamente" desde una tensión de línea).
Por consiguiente, diversas realizaciones de la
presente invención se refieren generalmente a procedimientos y
aparato para controlar fuentes de luz basadas en LED, en los que
elementos respectivos de una fuente de luz de múltiples elementos,
y/o múltiples fuentes de luz por sí mismas, se acoplan en serie para
recibir potencia de funcionamiento. Una interconexión en serie de
tales componentes permite generalmente un aumento en la tensión de
funcionamiento global del sistema; por ejemplo, tres LED o unidades
de alumbrado basadas en LED que tienen, cada una, una tensión de
funcionamiento nominal de aproximadamente 3 a 7,4 VCC pueden
conectarse en serie y operarse a tensiones de 9 a 24 VCC.
Naturalmente, casi cualquier número apropiado de LED o unidades de
alumbrado basadas en LED puede acoplarse en serie de manera similar
dependiendo al menos en parte de la tensión de funcionamiento
nominal de cada LED o unidad de alumbrado, y la tensión de
suministro nominal esperada proporcionada por una fuente de
alimentación disponible. Para los fines del siguiente análisis, se
analizan diversos conceptos relacionados con LED conectados en
serie; sin embargo, debe apreciarse que muchos, si no todos, de los
conceptos analizados en el presente documento pueden aplicarse de
manera simular a los diversos agrupamientos de LED (disposiciones
en serie, en paralelo y/o en serie/paralelo), así como múltiples
unidades de alumbrado basadas en LED, que se acoplan en serie para
recibir potencia de funcionamiento.
En una realización a modo de ejemplo, múltiples
LED se conectan de manera nominal en serie entre dos nodos a los
que se aplica una tensión de funcionamiento, y una o más
trayectorias de corriente controlables se conectan en paralelo con
uno o más de los LED conectados en serie. En diversos aspectos,
la(s) trayectoria(s) de corriente
controlable(s) puede(n) implementarse como uno o más
conmutadores controlables para desviar completamente la corriente
alrededor de un LED dado, o como fuentes de corriente fijas o
variables controlables configuradas para desviar la totalidad o
sólo una parte de la corriente en serie que fluye entre los dos
nodos alrededor del LED dado. De esta manera, puede controlarse el
brillo de un LED dado y, en extremo, los LED pueden desconectarse
por completo desviando la corriente por completo alrededor del
mismo. En otro aspecto, un controlador está configurado para
controlar la una o más trayectorias de corriente controlables según
una cualquiera de varias técnicas; por ejemplo, un controlador
puede operar una o más trayectorias de corriente controlables
basándose en datos recibidos como instrucciones de alumbrado, y/o
uno o más parámetros medidos relacionados con la tensión de
funcionamiento disponible aplicada a los dos nodos.
Más específicamente, en una realización, la
capacidad para desviar la corriente parcial o totalmente alrededor
de uno o más LED conectados en serie se emplea en circunstancias en
las que una tensión de funcionamiento esperada nominal, aplicada a
los dos nodos entre los que se conectan los dispositivos conectados
en serie, disminuye por debajo de una tensión de funcionamiento
mínima necesaria para activar todos los dispositivos conectados en
serie. Por ejemplo, en aplicaciones en automóviles basadas en un
sistema eléctrico que incluye una batería de coche de 12 voltios
convencional, la tensión de funcionamiento disponible para
accesorios de automóvil cuando está en marcha el motor y el sistema
eléctrico está cargando, normalmente es de entre 13,8 y 14,5
voltios; sin embargo, cuando el motor no está en marcha, la tensión
de funcionamiento disponible puede reducirse rápidamente hasta de
12 a 12,8 voltios, o incluso menor (por ejemplo, cuando están
presentes altas cargas, y/o a medida que se descarga adicionalmente
la batería de coche). Por tanto, un aparato de alumbrado para
aplicaciones de automóviles basadas en LED conectados en serie debe
tener en cuenta todas las posibles circunstancias que afectan a la
tensión de funcionamiento disponible.
En vista de lo anterior, una realización de la
presente invención se refiere a un aparato de alumbrado que incluye
múltiples LED conectados en serie, una o más trayectorias de
corriente controlables conectadas en paralelo con uno o más de los
LED conectados en serie, y un controlador para controlar una o más
de las trayectorias de corriente controlables basándose en uno o
más parámetros monitorizados representativos de una tensión de
funcionamiento disponible para los LED conectados en serie. Debe
apreciarse que aunque se proporcionó anteriormente un ejemplo de
una aplicación en automóviles, diversas implementaciones de esta
realización no se limitan necesariamente a aplicaciones en
automóviles ni al intervalo particular de tensiones de
funcionamiento contempladas para tales aplicaciones. De manera más
general, en un aspecto de esta realización, el controlador puede
estar configurado para controlar una o más de las trayectorias de
corriente controlables de modo que aumente una cantidad de
corriente que se desvía alrededor de un LED correspondiente cuando
uno o más parámetros indican que la tensión de funcionamiento es
inferior a la requerida para activar todos los LED conectados en
serie, de modo que, por consiguiente, se reduzca la tensión de
funcionamiento requerida necesaria para activar los dispositivos
conectados en serie. Por ejemplo, en una implementación, las
trayectorias de corriente controlables pueden ser conmutadores que
desvían por completo la corriente alrededor de un LED
correspondiente de modo que se provoque esencialmente un
cortocircuito de los LED y los elimine de la conexión en serie de
dispositivos. De esta manera, la tensión de funcionamiento
necesaria para operar los LED conectados en serie restantes se
reduce por la tensión de funcionamiento individual de cada LED del
que se provoca su cortocircuito debido a la desviación de
corriente.
Aún en otra realización, un aparato de alumbrado
basado en múltiples LED conectados en serie, una o más trayectorias
de corriente controlables conectadas en paralelo con uno o más de
los LED conectados en serie, y un controlador para controlar una o
más de las trayectorias de corriente controlables, puede
implementarse como uno o más circuitos integrados. Además, las
implementaciones de circuito integrado pueden empaquetarse de manera
apropiada para su facilidad de instalación, despliegue y/o uso en
una cualquiera de varias aplicaciones, que incluyen aquellas
aplicaciones en las que están fácilmente disponibles tensiones de
funcionamiento convencionales. Por ejemplo, en una realización, una
unidad de alumbrado basada en LED que incluye múltiples LED
conectados en serie, una o más trayectorias de corriente
controlables en paralelo con uno o más de los LED, y un controlador
para controlar las trayectorias de corriente puede implementarse
como uno o más circuitos integrados en un único paquete que incluye
uno o más conectores eléctricos apropiados que fácilmente pueden
acoplarse directamente a una fuente de alimentación a una
cualquiera de varias tensiones de funcionamiento convencionales (por
ejemplo, para aplicaciones en automóviles, de manera nominal de 12
a 14 voltios CC).
En resumen, una realización de la presente
invención se refiere a un aparato, que comprende al menos dos LED
conectados en serie entre un primer nodo y un segundo nodo, en el
que fluye una corriente en serie entre el primer nodo y el segundo
nodo cuando se aplica una tensión de funcionamiento a lo largo del
primer nodo y el segundo nodo. El aparato comprende además al menos
una trayectoria de corriente controlable conectada en paralelo con
al menos un primer LED de los al menos dos LED para desviar al menos
parcialmente la corriente en serie alrededor del primer LED. El
aparato comprende además al menos un controlador para monitorizar al
menos un parámetro representativo de la tensión de funcionamiento y
determinar un número máximo de LED de los al menos dos LED que
puede activarse mediante la tensión de funcionamiento. El al menos
un controlador controla la al menos una trayectoria de corriente
controlable de modo que aumente una cantidad de la corriente en
serie que se desvía alrededor de al menos el primer LED cuando el
número máximo es inferior al número total de todos los al menos dos
LED conectados en serie.
Otra realización se refiere a un procedimiento
de activación de una pluralidad de LED conectados en serie entre un
primer nodo y un segundo nodo, en el que fluye una corriente en
serie entre el primer nodo y el segundo nodo cuando se aplica una
tensión de funcionamiento a lo largo del primer nodo y el segundo
nodo. El procedimiento comprende: A) monitorizar al menos un
parámetro representativo de la tensión de funcionamiento; B)
determinar un número máximo de LED de los al menos dos LED que
puede activarse mediante la tensión de funcionamiento; y C) cuando
el número máximo es inferior al número total de todos los al menos
dos LED conectados en serie, provocar el cortocircuito de al menos
uno de la pluralidad de LED de modo que un número inferior a todos
de la pluralidad de LED se activan simultáneamente.
Otra realización se refiere a un aparato, que
comprende una pluralidad de LED conectados en serie entre un primer
nodo y un segundo nodo, en el que fluye una corriente en serie entre
el primer nodo y el segundo nodo cuando se aplica una tensión de
funcionamiento a lo largo del primer nodo y el segundo nodo. El
aparato comprende además una pluralidad de trayectorias de
corriente controlables, conectándose cada trayectoria de corriente
en paralelo con un LED correspondiente de la pluralidad de LED para
desviar la corriente en serie alrededor del LED correspondiente de
la pluralidad de LED, y una fuente de corriente conectada en serie
con la pluralidad de LED entre el primer nodo y el segundo nodo
para fijar la corriente en serie. El aparato comprende además al
menos un controlador para monitorizar al menos un parámetro
relacionado con la tensión de funcionamiento y para controlar de
manera intermitente la pluralidad de trayectorias de corriente
controlables de modo que se desvíe la corriente en serie alrededor
de LED correspondientes respectivos de la pluralidad de LED en una
secuencia temporizada cuando el al menos un parámetro monitorizado
indica que la tensión de funcionamiento es inferior a un valor
umbral predeterminado, de tal manera que un número inferior a todos
de la pluralidad de LED se activan simultáneamente.
Otra realización se refiere a un aparato de
alumbrado para automóviles, que comprende al menos un chip de
circuito integrado. El al menos un chip de circuito integrado
comprende: i) un primer número de LED conectados en serie entre un
primer nodo y un segundo nodo, en el que fluye una corriente en
serie entre el primer nodo y el segundo nodo cuando se aplica una
tensión de funcionamiento a lo largo del primer nodo y el segundo
nodo; ii) un segundo número de trayectorias de corriente
controlables, en el que el segundo número es igual a o inferior al
primer número, conectándose cada trayectoria de corriente en
paralelo con un LED correspondiente del primer número LED para
desviar la corriente en serie alrededor del LED correspondiente del
primer número de LED; iii) una fuente de corriente conectada en
serie con el primer número de LED entre el primer nodo y el segundo
nodo para fijar la corriente en serie; y (iv) al menos un
controlador para monitorizar al menos un parámetro representativo
de la tensión de funcionamiento y determinar un número máximo de LED
del primer número de LED que puede activarse mediante la tensión de
funcionamiento. El al menos un controlador controla el segundo
número de trayectorias de corriente controlables de modo que se
desvíe la corriente en serie alrededor de LED correspondientes
respectivos del primer número de LED cuando el número máximo es
inferior al primer número, de tal manera que un número inferior a
todos del primer número de LED se activan simultáneamente. El
aparato de alumbrado para automóviles comprende además un paquete
para el al menos un chip de circuito integrado, incluyendo el
paquete al menos un primer conector eléctrico configurado para
acoplarse con un conector eléctrico complementario o arnés de cable
de un automóvil. El al menos un primer conector eléctrico incluye
al menos un primer conductor conectado eléctricamente al primer nodo
y un segundo conductor conectado eléctricamente al segundo nodo
para aplicar la tensión de funcionamiento a lo largo del primer nodo
y el segundo nodo.
Tal como se usa en el presente documento para
los fines de la presente descripción, el término "LED" debe
entenderse que incluye cualquier diodo electroluminiscente u otro
tipo de sistema basado en unión/inyección de portadores que puede
generar radiación en respuesta a una señal eléctrica. Por tanto, el
término LED incluye, pero no se limita a, diversas estructuras
basadas en semiconductores que emiten luz en respuesta a polímeros
emisores de luz, corrientes, diodos emisores de luz orgánicos
(OLED), bandas electroluminiscentes, y similares.
En particular, el término LED se refiere a
diodos emisores de luz de todos los tipos (que incluyen diodos
emisores de luz semiconductores y orgánicos) que pueden estar
configurados para generar radiación en uno o más del espectro
infrarrojo, espectro ultravioleta y diversas partes del espectro
visible (que incluyen generalmente longitudes de onda de radiación
de desde aproximadamente 400 nanómetros hasta aproximadamente 700
nanómetros). Algunos ejemplos de LED incluyen, pero no se limitan
a, diversos tipos de LED infrarrojos, LED ultravioletas, LED rojos,
LED azules, LED verdes, LED amarillos, LED ámbares, LED naranjas y
LED blancos (analizado adicionalmente a continuación). También debe
apreciarse que los LED pueden estar configurados y/o controlados
para generar radiación que tiene diversos anchos de banda (por
ejemplo, anchos totales a la mitad del máximo, o FWHM, full
width at half maximum) para un espectro dado (por ejemplo, ancho
de banda estrecho, ancho de banda amplio), y una variedad de
longitudes de onda dominantes dentro de una clasificación de colores
general dada.
Por ejemplo, una implementación de un LED
configurado para generar luz esencialmente blanca (por ejemplo, un
LED blanco) puede incluir varios dados que emiten respectivamente
diferentes espectros de electroluminiscencia que, en combinación,
se mezclan para formar luz esencialmente blanca. En otra
implementación, un LED de luz blanca puede estar asociado con un
material de fósforo que convierte electroluminiscencia que tiene un
primer espectro en un segundo espectro diferente. En un ejemplo de
esta implementación, una electroluminiscencia que tiene un espectro
de ancho de banda estrecho y longitud de onda relativamente corta
"bombea" el material de fósforo, que a su vez irradia una
radiación de longitud de onda más larga que tiene un espectro algo
más amplio.
También debe entenderse que el término LED no
limita el tipo de paquete físico y/o eléctrico de un LED. Por
ejemplo, tal como se analizó anteriormente, un LED puede referirse a
un único dispositivo emisor de luz que tiene múltiples dados que
están configurados para emitir respectivamente diferentes espectros
de radiación (por ejemplo, que pueden controlarse o pueden no
controlarse individualmente. Además, un LED puede estar asociado
con un fósforo que se considera como parte integral de los LED (por
ejemplo, algunos tipos de LED blancos). En general, el término LED
puede referirse a LED empaquetados, LED no empaquetados, LED de
montaje en superficie, LED de tipo chip sobre placa, LED de montaje
en paquete T, LED de paquete radial, LED de paquete de potencia,
LED que incluyen algún tipo de revestimiento y/o elemento óptico
(por ejemplo, una lente difusora), etc.
El término "fuente de luz" debe entenderse
que se refiere a una o más de una variedad de fuentes de radiación,
incluyendo, aunque sin limitarse a, fuentes basadas en LED (que
incluyen uno o más LED tal como se definieron anteriormente),
fuentes incandescentes (por ejemplo, lámparas de filamento, lámparas
halógenas), fuentes fluorescentes, fuentes fosforescentes, fuentes
de descarga de alta intensidad (por ejemplo, vapor de sodio, vapor
de mercurio, y lámparas de haluros metálicos), láseres, fuentes
electroluminiscentes, fuentes piroluminiscentes (por ejemplo,
llamas), fuentes luminiscentes a base de velas (por ejemplo, camisas
para gas, fuentes de radiación de arco de carbono), fuentes
fotoluminiscentes (por ejemplo, fuentes de descarga de gas), fuentes
luminiscentes de cátodo que usan cebado electrónico, fuentes
galvanoluminiscentes, fuentes cristaloluminiscentes, fuentes
cineluminiscentes, fuentes termoluminiscentes, fuentes
triboluminiscentes, fuentes sonoluminiscentes, fuentes
radioluminiscentes, y polímeros luminiscentes.
Una fuente de luz dada puede estar configurada
para generar radiación electromagnética dentro del espectro
visible, fuera del espectro visible, o una combinación de ambos.
Así, los términos "luz" y "radiación" se usan de manera
intercambiable en el presente documento. Adicionalmente, una fuente
de luz puede incluir como componente integral uno o más filtros
(por ejemplo, filtros de colores), lentes u otros componentes
ópticos. Además, debe entenderse que las fuentes de luz pueden
estar configuradas para una variedad de aplicaciones, que incluyen,
pero no se limitan a, indicación, visualización y/o iluminación. Una
"fuente de iluminación" es una fuente de luz que está
configurada particularmente para generar radiación que tiene una
intensidad suficiente para iluminar de manera eficaz un espacio
interior o exterior. En este contexto, "suficiente intensidad"
se refiere a suficiente potencia radiante en el espectro visible
generada en el espacio o entorno (la unidad "lúmenes" se
emplea a menudo para representar la emisión de luz total de una
fuente de luz en todas las direcciones, en cuanto a potencia
radiante o "flujo luminoso") para proporcionar iluminación
ambiental (es decir, luz que puede percibirse indirectamente y que
puede, por ejemplo, reflejarse hacia fuera de una o más de una
variedad de superficies intermedias antes de percibirse en su
totalidad o en parte).
El término "espectro" debe entenderse que
se refiere a una o más frecuencias cualesquiera (o longitudes de
onda) de radiación producidas por una o más fuentes de luz. Por
consiguiente, el término "espectro" se refiere a frecuencias
(o longitudes de onda) no sólo en el rango visible, sino también
frecuencias (o longitudes de onda) en el infrarrojo, el
ultravioleta y otras zonas del espectro electromagnético global.
Además, un espectro dado puede tener un ancho de banda
relativamente estrecho (por ejemplo, un FWHM que tiene esencialmente
pocas componentes de frecuencia o longitud de onda) o un ancho de
banda relativamente amplio (varias componentes de frecuencia o
longitud de onda que tienen diversas intensidades relativas).
También debe apreciarse que un espectro dado puede ser el resultado
de un mezclado de dos o más de otros espectros (por ejemplo,
mezclado de radiación emitida respectivamente por múltiples fuentes
de luz).
Para los fines de esta descripción, el término
"color" se usa de manera intercambiable con el término
"espectro". Sin embargo, el término "color" generalmente
se usa para referirse principalmente a una propiedad de la radiación
que puede percibir un observador (aunque esta utilización no
pretende limitar el alcance de este término). Por consiguiente, las
expresiones "diferentes colores" se refieren implícitamente a
múltiples espectros que tienen diferentes componentes de longitud
de onda y/o anchos de banda. También debe apreciarse que el término
"color" puede usarse en relación tanto con luz blanca como no
blanca.
El término "temperatura de color"
generalmente se usa en el presente documento en relación con luz
blanca, aunque esta utilización no pretende limitar el alcance de
este término. Temperatura de color se refiere esencialmente a una
tonalidad o contenido de color particular (por ejemplo, rojizo,
azulado) de la luz blanca. La temperatura de color de una muestra
de radiación dada se caracteriza convencionalmente según la
temperatura en grados Kelvin (K) de un radiador de cuerpo negro que
irradia esencialmente el mismo espectro que la muestra de radiación
en cuestión. Las temperaturas de color de radiador de cuerpo negro
generalmente se encuentran dentro de un intervalo de desde
aproximadamente 700ºK (normalmente considerado lo primero que es
visible para el ojo humano) hasta más de 10.000ºK; generalmente luz
blanca se percibe a temperaturas de color superiores a
1500-2000ºK.
Menores temperaturas de color generalmente
indican luz blanca que tiene una componente roja más significativa
o una "sensación más cálida", mientras que mayores temperaturas
de color generalmente indican luz blanca una componente azul más
significativa o una "sensación más fría". A modo de ejemplo, el
fuego tiene una temperatura de color de aproximadamente 1.800ºK,
una bombilla incandescente convencional tiene una temperatura de
color de aproximadamente 2848ºK, la luz del sol por la mañana
temprano tiene una temperatura de color de aproximadamente 3.000ºK,
y el cielo cubierto a mediodía tiene una temperatura de color de
aproximadamente 10.000ºK. Una imagen a color que se visualiza bajo
luz blanca que tiene una temperatura de color de aproximadamente
3.000ºK tiene un tono relativamente rojizo, mientras que la misma
imagen a color visualizada bajo luz blanca que tiene una
temperatura de color de aproximadamente 10.000ºK tiene un tono
relativamente azulado.
El término "luminaria" se usa en el
presente documento para referirse a una implementación o disposición
de una o más unidades de alumbrado en un factor de forma, conjunto
o paquete particular. La expresión "unidad de alumbrado" se
usa en el presente documento para referirse a un aparato que incluye
una o más fuentes de luz del mismo tipo o de diferentes tipos. Una
unidad de alumbrado dada puede tener una cualquiera de una variedad
de disposiciones de montaje para la(s) fuente(s) de
luz, disposiciones de recinto/alojamiento y formas, y/o
configuraciones de conexión eléctrica y mecánica. Adicionalmente,
una unidad de alumbrado dada puede estar asociada opcionalmente con
(por ejemplo, incluyen, estar acoplada y/o empaquetada junto con)
otros componentes diversos (por ejemplo, conjuntos de circuitos de
control) relacionados con el funcionamiento de la(s)
fuente(s) de luz. Una "unidad de alumbrado basada en
LED" se refiere a una unidad de alumbrado que incluye una o más
fuentes de luz basadas en LED tal como se analizó anteriormente,
solas o en combinación con otras fuentes de luz distintas a las
basadas en LED. Una unidad de alumbrado "multicanal" se refiere
a una unidad de alumbrado basada en LED o distinta a las basadas en
LED que incluye al menos dos fuentes de luz configuradas para
generar respectivamente diferentes espectros de radiación, en las
que cada espectro de fuente diferente puede denominarse
"canal" de la unidad de alumbrado multicanal.
El término "controlador" se usa en el
presente documento generalmente para describir diversos aparatos
relacionados con el funcionamiento de una o más fuentes de luz. Un
controlador puede implementarse de numerosas maneras (por ejemplo,
tal como con hardware dedicado) para realizar diversas funciones
analizadas en el presente documento. Un "procesador" es un
ejemplo de un controlador que emplea uno o más microprocesadores que
pueden programarse usando software (por ejemplo, microcódigo) para
realizar diversas funciones analizadas en el presente documento. Un
controlador puede implementarse con o sin emplear un procesador, y
también puede implementarse como una combinación de hardware
dedicado para realizar algunas funciones y un procesador (por
ejemplo, uno o más microprocesadores programados y conjuntos de
circuitos asociados) para realizar otras funciones. Los ejemplos de
componentes de controlador que pueden emplearse en diversas
realizaciones de la presente descripción incluyen, pero no se
limitan a, microprocesadores convencionales, circuitos integrados de
aplicación específica (ASIC), y disposiciones de puerta
programables en campo (FPGA).
En diversas implementaciones, un procesador o
controlador puede estar asociado con uno o más medios de
almacenamiento (denominados genéricamente en el presente documento
como "memoria", por ejemplo, memoria informática volátil y no
volátil tal como RAM, PROM, EPROM y EEPROM, discos flexibles, discos
compactos, discos ópticos, cinta magnética, etc.). En algunas
implementaciones, los medios de almacenamiento pueden estar
codificados con uno o más programas que, cuando se ejecutan en uno
o más procesadores y/o controladores, realizan al menos algunas de
las funciones analizadas en el presente documento. Diversos medios
de almacenamiento pueden fijarse dentro de un procesador o
controlador o pueden ser transportables, de tal manera que el uno o
más programas almacenados en los mismos pueden cargarse en un
procesador o controlador de modo que se implementen diversos
aspectos de la presente descripción analizados en el presente
documento. Las expresiones "programa" o "programa
informático" se usan en el presente documento en un sentido
genérico para referirse a cualquier tipo de código informático (por
ejemplo, software o microcódigo) que puede emplearse para programar
uno o más procesadores o controladores.
El término "direccionable" se usa en el
presente documento para referirse a un dispositivo (por ejemplo, una
fuente de luz en general, una unidad de alumbrado o luminaria, un
controlador o procesador asociado con una o más fuentes de luz o
unidades de alumbrado, otros dispositivos relacionados que no son de
alumbrado, etc.) que están configurados para recibir información
(por ejemplo, datos) concebidos para múltiples dispositivos, que
incluyen el mismo, y para responder selectivamente a información
particular concebida para el mismo. El término "direccionable"
se usa a menudo en relación con un entorno en red (o una "red",
tratado adicionalmente a continuación), en el que múltiples
dispositivos se acoplan juntos a través de ciertos medios o medio de
comunicación.
En una implementación de red, uno o más
dispositivos acoplados a una red pueden servir como controlador para
uno o más de otros dispositivos acoplados a la red (por ejemplo, en
una relación maestro/esclavo). En otra implementación, un entorno
en red puede incluir uno o más controladores dedicados que están
configurados para controlar uno o más de los dispositivos acoplados
a la red. Generalmente, múltiples dispositivos acoplados a la red
pueden tener cada uno acceso a datos que están presentes en el medio
o medios de comunicación; sin embargo, un dispositivo dado puede
ser "direccionable" porque está configurado para intercambiar
selectivamente datos con (es decir, recibir datos de y/o transmitir
datos a) la red, basándose, por ejemplo, en uno o más
identificadores particulares (por ejemplo, "direcciones")
asignados al mismo.
El término "red" tal como se usa en el
presente documento se refiere a cualquier interconexión de dos o más
dispositivos (incluyendo controladores o procesadores) que facilita
el transporte de información (por ejemplo para el control de
dispositivos, almacenamiento de datos, intercambio de datos, etc.)
entre dos o más dispositivos cualesquiera y/o entre múltiples
dispositivos acoplados a la red. Tal como puede apreciarse
fácilmente, diversas implementaciones de redes adecuadas para
interconectar múltiples dispositivos pueden incluir cualquiera de
una variedad de topologías de red y emplear cualquiera de una
variedad de protocolos de comunicación. Adicionalmente, en diversas
redes según la presente descripción, una conexión cualquiera entre
dos dispositivos puede representar una conexión dedicada entre los
dos sistemas, o alternativamente una conexión no dedicada. Además de
portar información concebida para los dos dispositivos, tal
conexión no dedicada puede portar información no concebida
necesariamente para cualquiera de los dos dispositivos (por ejemplo,
una conexión de red abierta). Además, debe apreciarse fácilmente
que diversas redes de dispositivos tal como se analiza en el
presente documento pueden emplear uno o más enlaces inalámbricos,
alámbricos/por cable y/o de fibra óptica para facilitar el
transporte de información por toda la red.
La expresión "interfaz de usuario" tal como
se usa en el presente documento se refiere a una interfaz entre un
usuario humano u operario y uno o más dispositivos que permiten la
comunicación entre el usuario y el/los dispositivo(s).
Ejemplos de interfaces de usuario que pueden emplearse en diversas
implementaciones de la presente descripción incluyen, pero no se
limitan a, conmutadores, potenciómetros, botones, selectores,
correderas, un ratón, teclado, teclado numérico, diversos tipos de
controladores de juegos (por ejemplo, palancas de mando
(joysticks)), bolas de mando, pantallas de visualización,
diversos tipos de interfaces gráficas de usuario (GUI), pantallas
táctiles, micrófonos y otros tipos de sensores que puede recibir
cierta forma de estímulo generado por el ser humano y generar una
señal en respuesta al mismo.
\vskip1.000000\baselineskip
\bullet Patente estadounidense n.º 6.016.038,
concedida el 18 de enero de 2000, titulada "Multicolored LED
Lighting Method and Apparatus";
\bullet Patente estadounidense n.º 6.211.626,
concedida el 3 de abril de 2001, titulada "Illumination
Components";
\bullet Patente estadounidense n.º 6.608.453,
concedida el 19 de agosto de 2003, titulada "Methods and Apparatus
for controlling Devices in a Networked Lighting System";
\bullet Patente estadounidense n.º 6.777.891
concedida el 17 de agosto de 2004, titulada "Methods and Apparatus
for controlling Devices in a Networked Lighting System"; y
\bullet Solicitud de patente estadounidense
con n.º de serie 11/836.560, presentada el 9 de agosto de 2007,
titulada "Methods and Apparatus for Simulating Resistive
Loads".
\vskip1.000000\baselineskip
En los dibujos, los caracteres de referencia
similares se refieren generalmente a partes iguales en todas las
diferentes vistas. Además, los dibujos no son necesariamente a
escala, poniéndose en su lugar énfasis generalmente en ilustrar los
principios de la invención.
La figura 1 es un diagrama que ilustra una
unidad de alumbrado según diversas realizaciones de la
invención.
La figura 2 es un diagrama que ilustra un
sistema de alumbrado en red según diversas realizaciones de la
invención.
La figura 3 es un diagrama de bloques de un
aparato de alumbrado que incluye múltiples LED conectados en serie
y una o más trayectorias de corriente controlables, según una
realización de la invención.
La figura 4 es un diagrama que ilustra una
implementación de circuito a modo de ejemplo del aparato de
alumbrado mostrado en la figura 3, según una realización de la
presente invención.
Las figuras 5A-5D ilustran
ejemplos respectivos de trayectorias de corriente controlables
adecuadas para su uso en el circuito de la figura 4, según diversas
realizaciones de la presente invención.
La figura 6 ilustra un paquete a modo de ejemplo
para el aparato de alumbrado de la figura 4, según una realización
de la presente invención.
La figura 7 ilustra un circuito a modo de
ejemplo para controlar la tensión nodal a lo largo de un LED dado
en un apilamiento de LED conectados en serie, según una realización
de la presente invención.
La figura 8 ilustra un aparato de alumbrado
según otra realización de la presente invención que emplea
suministros de potencia de amplificador operacional para generar
tensiones nodales respectivas en un apilamiento de LED conectados
en serie, y fuentes de corriente individuales para cada LED.
La figura 9 ilustra un aparato de alumbrado
según otra realización de la presente invención que tiene diferentes
agrupamientos de canales controlables con fuentes de corriente
correspondientes.
la figura 10 ilustra un aparato de alumbrado
según otra realización de la presente invención que está configurado
particularmente para simular una carga resistiva.
Las figuras 11 y 12 ilustran una arquitectura de
"división de raíles" para proporcionar potencia a múltiples
unidades de alumbrado a partir de una tensión de funcionamiento,
según una realización de la presente invención.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se describen diversas
realizaciones de la presente invención, incluyendo determinadas
realizaciones relacionadas particularmente con fuentes de luz
basadas en LED. Debe apreciarse, sin embargo, que la presente
descripción no se limita a ninguna manera particular de
implementación, y que las diversas realizaciones analizadas
explícitamente en el presente documento son principalmente para
fines de ilustración. Por ejemplo, los diversos conceptos
analizados en el presente documento pueden implementarse de manera
adecuada en una variedad de entornos que implican fuentes de luz
basadas en LED, otros tipos de fuentes de luz que no incluyen LED,
entornos que implican tanto LED como otros tipos de fuentes de luz
en combinación, y entornos que implican dispositivos relacionados
que no son de alumbrado solos o en combinación con diversos tipos de
fuentes de luz.
La figura 1 ilustra un ejemplo de una unidad 100
de alumbrado según una realización de la presente descripción.
Pueden hallarse algunos ejemplos generales de unidades de alumbrado
basadas en LED similares a las que se describieron anteriormente en
relación con la figura 1, por ejemplo, en la patente estadounidense
n.º 6.016.038, concedida el 18 de enero de 2000 a Mueller et
al., titulada "Multicolored LED Lighting Method and
Apparatus", y la patente estadounidense n.º 6.211.626, concedida
el 3 de abril de 2001 a Lys et al, titulada "Illumination
Components".
La unidad 100 de alumbrado mostrada en la figura
1 puede usarse sola o junto con otras unidades de alumbrado
similares en un sistema de unidades de alumbrado (por ejemplo, tal
como se analiza adicionalmente a continuación en relación con la
figura 2). Usada sola o en combinación con otras unidades de
alumbrado, la unidad 100 de alumbrado puede emplearse en una
variedad de aplicaciones que incluyen, pero no se limitan a,
alumbrado de espacios interiores o exteriores de visión directa o
visión indirecta (por ejemplo, arquitectónicos) e iluminación en
general, iluminación directa o indirecta de objetos o espacios,
alumbrado para efectos especiales/basados en espectáculos teatrales
u otros, alumbrado decorativo, alumbrado orientado a la seguridad,
alumbrado de vehículos, alumbrado asociado con, o iluminación de,
exposiciones y/o mercancías (por ejemplo para publicidad y/o en
entornos de venta al por menor/consumidores), sistemas de
comunicación y alumbrado o iluminación combinados, etc., así como
para diversos fines de indicación, visualización e información.
Adicionalmente, una o más unidades de alumbrado similares a la que
se describe en relación con la figura 1 pueden implementarse en una
variedad de productos que incluyen, pero no se limitan a, diversas
formas de módulos o bombillas de luz que tienen diversas formas y
disposiciones de acoplamiento eléctricas/mecánicas (incluyendo
módulos de sustitución o "reajuste" o bombillas adaptadas para
su uso en luminarias o casquillos convencionales), así como una
variedad de productos domésticos y/o para consumidores (por
ejemplo, luces nocturnas, juguetes, juegos o componentes de juegos,
componentes o sistemas de ocio, utensilios, aparatos, robots de
cocina, productos de limpieza, etc.) y componentes arquitectónicos
(por ejemplo, paneles iluminados para paredes, suelos, techos,
molduras iluminadas y componentes decorativos, etc.).
En diversas implementaciones y realizaciones, la
unidad 100 de alumbrado mostrada en la figura 1 incluye una o más
fuentes 104A, 104B, 104C y 104D de luz (mostradas colectivamente
como 104), en la que una o más de las fuentes de luz pueden ser una
fuente de luz basada en LED que incluye uno o más diodos emisores de
luz (LED). En un aspecto de esta realización, dos o más
cualesquiera de las fuentes de luz pueden estar adaptadas para
generar radiación de diferentes colores (por ejemplo rojo, verde,
azul); a este respecto, tal como se analizó anteriormente, cada una
de las fuentes de luz de diferentes colores genera un espectro de
fuente diferente fuente que constituye un "canal" diferente de
una unidad de alumbrado "multicanal". Aunque la figura 1
muestra cuatro fuentes 104A, 104B, 104C y 104D de luz, debe
apreciarse que la unidad de alumbrado no está limitada a este
respecto, ya que pueden emplearse diferentes números y diversos
tipos de fuentes de luz (todas las fuentes de luz basadas en LED,
fuentes de luz basadas en LED y no basadas en LED en combinación,
etc.) adaptadas para generar radiación de una variedad de
diferentes colores, incluyendo luz esencialmente blanca, en la
unidad 100 de alumbrado, tal como se analiza adicionalmente a
continuación.
Tal como se muestra en la figura 1, la unidad
100 de alumbrado también puede incluir un controlador 105 que está
configurado para emitir una o más señales de control para activar
las fuentes de luz de modo que se generen diversas intensidades de
luz desde las fuentes de luz. Por ejemplo, en una implementación, el
controlador 105 puede estar configurado para emitir al menos una
señal de control para cada fuente de luz de modo que se controle
independientemente la intensidad de luz (por ejemplo, potencia
radiante en lúmenes) generada por cada fuente de luz;
alternativamente, el controlador 105 puede estar configurado para
emitir una o más señales de control para controlar colectivamente
un grupo de dos o más fuentes de luz de forma idéntica. Algunos
ejemplos de señales de control que puede generarse por el
controlador para controlar las fuentes de luz incluyen, pero no se
limitan a, señales moduladas por impulsos, señales moduladas por
ancho de impulso (PWM, pulse width modulated), señales
moduladas por amplitud de impulso (PAM, pulse amplitude
modulated), señales moduladas por código de impulso (PCM,
pulse code modulated), señales analógicas de control (por
ejemplo, señales de control de corriente, señales de control de
tensión), combinaciones y/o modulaciones de las señales anteriores,
u otras señales de control. En un aspecto, particularmente en
relación con fuentes basadas en LED, una o más técnicas de
modulación proporcionan un control variable usando un nivel de
corriente fija aplicado a uno o más LED, de modo que se mitiguen
posibles variaciones indeseables o impredecibles en la emisión de
los LED que pueden surgir si se usara una corriente de activación
de LED variable. En otro aspecto, el controlador 105 puede
controlar otros conjuntos de circuitos dedicados (no mostrados en la
figura 1) que a su vez controlan las fuentes de luz de modo que se
varíen sus intensidades respectivas.
En general, la intensidad (potencia de emisión
radiante) de la radiación generada por la una o más fuentes de luz
es proporcional a la potencia promedio suministrada a la(s)
fuente(s) de luz durante un periodo de tiempo dado. Por
consiguiente, una técnica para variar la intensidad de radiación
generada por la una o más fuentes de luz implica modular la
potencia suministrada a (es decir, la potencia de funcionamiento de)
la(s) fuente(s) de luz. Para algunos tipos de fuentes
de luz, incluyendo fuentes basadas en LED, esto puede lograrse de
forma eficaz usando una técnica de modulación por ancho de impulso
(PWM).
En una implementación a modo de ejemplo de una
técnica de control de PWM, para cada canal de una unidad de
alumbrado se aplica periódicamente una tensión predeterminada fijada
V_{fuente} a lo largo de una fuente de luz dada que
constituye el canal. La aplicación de la tensión V_{fuente}
puede lograrse mediante uno o más conmutadores, no mostrados en la
figura 1, controlados por el controlador 105. Aunque la tensión
V_{fuente} se aplica a lo largo de la fuente de luz, se
permite que fluya una corriente predeterminada fijada
I_{fuente} (por ejemplo, determinada por un regulador de
corriente, tampoco mostrada en la figura 1) a través de la fuente
de luz. De nuevo, recuérdese que una fuente de luz basada en LED
puede incluir uno o más LED, de tal manera que la tensión
V_{fuente} puede aplicarse a un grupo de LED que
constituyen la fuente, y la corriente I_{fuente} puede
extraerse por el grupo de LED. La tensión fijada V_{fuente}
a lo largo de la fuente de luz cuando se activa, y la corriente
regulada I_{fuente} extraída por la fuente de luz cuando
se activa, determina la cantidad de potencia de funcionamiento
instantánea P_{fuente} de la fuente de luz
(P_{fuente} = V_{fuente} \cdot
I_{fuente}). Tal como se mencionó anteriormente, para
fuentes de luz basadas en LED, el uso de una corriente regulada
mitiga posibles variaciones indeseables o impredecibles en la
emisión de los LED que pueden surgir si se empleara una corriente de
activación de LED variable. Según la técnica PWM, aplicando
periódicamente la tensión V_{fuente} a la fuente de luz y
variando el tiempo en que se aplica la tensión durante un ciclo de
encendido-apagado dado, puede modularse la potencia
promedio suministrada a la fuente de luz con el tiempo (la potencia
de funcionamiento promedio). En particular, el controlador 105
puede estar configurado para aplicar la tensión V_{fuente}
a una fuente de luz dada en modo pulsado (por ejemplo, emitiendo
una señal de control que hace funcionar uno o más conmutadores para
aplicar la tensión a la fuente de luz), preferiblemente a una
frecuencia que es mayor que la que puede detectarse por el ojo
humano (por ejemplo, mayor que aproximadamente 100 Hz). De esta
manera, un observador de la luz generada por la fuente de luz no
percibe los ciclos de encendido-apagado
diferenciados (denominado comúnmente como "efecto de
parpadeo"), sino que más bien la función de integración del ojo
percibe una generación de luz esencialmente continua. Ajustando el
ancho de impulso (es decir el tiempo encendido, o "ciclo de
trabajo") de ciclos de encendido-apagado de la
señal de control, el controlador varía la cantidad de tiempo
promedio en que se activa la fuente de luz en cualquier periodo de
tiempo dado, y así varía la potencia de funcionamiento promedio de
la fuente de luz. De esta manera, el brillo percibido de la luz
generada a partir de cada canal puede variarse a su vez.
Tal como se analiza con mayor detalle a
continuación, el controlador 105 puede estar configurado para
controlar cada canal de fuente de luz diferente de una unidad de
alumbrado multicanal a una potencia de funcionamiento promedio
predeterminada para proporcionar una potencia de emisión radiante
correspondiente para la luz generada por cada canal.
Alternativamente, el controlador 105 puede recibir instrucciones
(por ejemplo, "órdenes de alumbrado") de una variedad de
orígenes, tales como una interfaz 118 de usuario, una fuente 124 de
señales, o uno o más puertos 120 de comunicación, que especifican
las potencias de funcionamiento recomendadas para uno o más canales
y, así, las potencias de emisión radiante correspondientes para la
luz generada por los respectivos canales. Variando las potencias de
funcionamiento recomendadas para uno o más canales (por ejemplo,
conforme a diferentes instrucciones u órdenes de alumbrado), pueden
generarse diferentes niveles de brillo y colores percibidos de luz
por la unidad de alumbrado.
En una realización de la unidad 100 de
alumbrado, tal como se mencionó anteriormente, una o más de las
fuentes 104A, 104B, 104C y 104D de luz mostradas en la figura 1
pueden incluir un grupo de múltiples LED u otro tipos de fuentes de
luz (por ejemplo, diversas conexiones en paralelo y/o en serie de
LED u otro tipos de fuentes de luz) que se controlan juntas por el
controlador 105. Adicionalmente, debe apreciarse que una o más de
las fuentes de luz pueden incluir uno o más LED que están adaptados
para generar radiación que tiene cualquiera de una variedad de
espectros (es decir, longitudes de onda o bandas de longitud de
onda), que incluyen, pero no se limitan a, diversos colores
visibles (incluyendo luz esencialmente blanca), diversas
temperaturas de color de luz blanca, ultravioleta o infrarroja.
Pueden emplearse LED que tienen una variedad de anchos de banda
espectral (por ejemplo, banda estrecha, banda más amplia) en
diversas implementaciones de la unidad 100 de alumbrado.
En otro aspecto de la unidad 100 de alumbrado
mostrada en la figura 1, la unidad 100 de alumbrado puede
construirse y disponerse para producir una amplia gama de radiación
de color variable. Por ejemplo, en una realización, la unidad 100
de alumbrado puede disponerse particularmente de tal manera que se
combina luz de intensidad variable controlable (es decir, potencia
radiante variable) generada por dos o más de las fuentes de luz para
producir una luz coloreada mezclada (incluyendo luz esencialmente
blanca que tiene una variedad de temperaturas de color). En
particular, el color (o la temperatura de color) de la luz coloreada
mezclada puede variarse variando una o más de las intensidades
respectivas (potencia radiante emitida) de las fuentes de luz (por
ejemplo, en respuesta a una o más señales de control emitidas por el
controlador 105). Además, el controlador 105 puede estar
configurado particularmente para proporcionar señales de control a
una o más de las fuentes de luz de modo que se generen una variedad
de efectos de alumbrado estáticos o variables con el tiempo
(dinámicos) de múltiples colores (o múltiples temperaturas de
color). Para este fin, en una realización, el controlador puede
incluir un procesador 102 (por ejemplo, un microprocesador)
programado para proporcionar señales de control de este tipo a una
o más de las fuentes de luz. En varios aspectos, el procesador 102
puede estar programado para proporcionar señales de control de este
tipo de manera autónoma, en respuesta a órdenes de alumbrado, o en
respuesta a diversas entradas de usuarios o señales.
Por tanto, la unidad 100 de alumbrado puede
incluir una amplia variedad de colores de LED en diversas
combinaciones, incluyendo dos o más de LED rojos, verdes y azules
para producir una mezcla de colores, así como uno o más de otros
LED para crear colores y temperaturas de color variables de luz
blanca. Por ejemplo, puede mezclarse rojo, verde y azul con ámbar,
blanco, UV, naranja, IR u otros colores de LED. Adicionalmente,
pueden emplearse múltiples LED blancos que tienen diferentes
temperaturas de color (por ejemplo, uno o más primeros LED blancos
que generan un primer espectro correspondiente a una primera
temperatura de color, y uno o más segundos LED blancos que generan
un segundo espectro correspondiente a una segunda temperatura de
color diferente de la primera temperatura de color), en una unidad
de alumbrado con todos los LED blancos o en combinación con otros
colores de LED. Tales combinaciones de LED de diferentes colores y/o
LED blancos de diferentes temperaturas de color en la unidad 100 de
alumbrado pueden facilitar la reproducción exacta de una gran
cantidad de condiciones de espectros de alumbrado deseables, cuyos
ejemplos incluyen, pero no se limitan a, una variedad de luz solar
exterior equivalentes a diferentes momentos del día, diversas
condiciones de alumbrado interior, condiciones de alumbrado para
simular un fondo complejo de múltiples colores, y similares. Pueden
crearse otras condiciones de alumbrado deseables eliminando partes
particulares del espectro que pueden absorberse, atenuarse o
reflejarse específicamente en determinados entornos. El agua, por
ejemplo tiende a absorber y atenuar los colores de la luz distintos
al azul y distintos al verde, de modo que las aplicaciones
submarinas pueden beneficiarse de condiciones de alumbrado que se
adaptan a medida para enfatizar o atenuar algunos elementos
espectrales en relación a otros.
Tal como se muestra en la figura 1, la unidad
100 de alumbrado también puede incluir una memoria 114 para
almacenar información. Por ejemplo, la memoria 114 puede emplearse
para almacenar una o más órdenes de alumbrado o programas para su
ejecución por el procesador 126 (por ejemplo, para generar una o más
señales de control para las fuentes de luz), así como diversos
tipos de datos útiles para generar radiación de color variable (por
ejemplo, información de calibración, analizado adicionalmente a
continuación). La memoria 114 también puede almacenar uno o más
identificadores particulares (por ejemplo, un número de serie, una
dirección, etc.) que puede usarse o bien localmente o bien en un
nivel de sistema para identificar la unidad 100 de alumbrado. En
diversas realizaciones, tales identificadores pueden preprogramarse
por un fabricante, por ejemplo, y pueden ser o bien alterables o
bien inalterables posteriormente (por ejemplo, mediante algún tipo
de interfaz de usuario ubicada en la unidad de alumbrado, mediante
uno o más datos o señales de control recibidos por la unidad de
alumbrado, etc.). Alternativamente, tales identificadores pueden
determinarse en el momento del uso inicial de la unidad de
alumbrado en el campo, y de nuevo pueden ser alterables o
inalterables posteriormente.
Haciendo referencia todavía a la figura 1, la
unidad 100 de alumbrado puede incluir opcionalmente una o más
interfaces 118 de usuario que se proporcionan para facilitar
cualquiera de varios ajustes o funciones seleccionables por el
usuario (por ejemplo, generalmente controlar la emisión de luz de la
unidad 100 de alumbrado, cambiar y/o seleccionar diversos efectos
de alumbrado preprogramados para que los genere la unidad de
alumbrado, cambiar y/o seleccionar diversos parámetros de efectos
de alumbrado seleccionados, fijar identificadores particulares
tales como direcciones o números de serie para la unidad de
alumbrado, etc.). En diversas realizaciones, la comunicación entre
la interfaz 118 de usuario y la unidad de alumbrado puede lograrse a
través de transmisión inalámbrica, alámbrica o por cable. En una
implementación, el controlador 105 de la unidad de alumbrado
monitoriza la interfaz 118 de usuario y controla una o más de las
fuentes 104A, 104B, 104C y 104D de luz basándose al menos en parte
en una operación por parte del usuario de la interfaz. Por ejemplo,
el controlador 105 puede estar configurado para responder a la
operación de la interfaz de usuario originando una o más señales de
control para controlar una o más de las fuentes de luz.
Alternativamente, el procesador 126 puede estar configurado para
responder seleccionando una o más señales de control preprogramadas
almacenadas en la memoria, modificando señales de control generadas
ejecutando un programa de alumbrado, seleccionando y ejecutando un
nuevo programa de alumbrado de la memoria, o afectando de otro modo
a la radiación generada por una o más de las fuentes de luz.
En particular, en una implementación, la
interfaz 118 de usuario puede constituir uno o más conmutadores (por
ejemplo, un conmutador de pared convencional) que interrumpe la
potencia al controlador 105. En un aspecto de esta implementación,
el controlador 105 está configurado para monitorizar la potencia
controlada por la interfaz de usuario, y a su vez controlar una o
más de las fuentes de luz basándose al menos en parte en una
duración de una interrupción de potencia provocada por la operación
de la interfaz de usuario. Tal como se analizó anteriormente, el
controlador puede estar configurado particularmente para responder a
una duración predeterminada de una interrupción de potencia
interrupción, por ejemplo, seleccionando una o más señales de
control preprogramadas almacenadas en la memoria, modificando
señales de control generadas ejecutando un programa de alumbrado,
seleccionando y ejecutando un nuevo programa de alumbrado de la
memoria, o afectando de otro modo a la radiación generada por una o
más de las fuentes de luz.
La figura 1 también ilustra que la unidad 100 de
alumbrado puede estar configurada para recibir una o más señales
122 desde una o más de otras fuentes 124 de señales. En una
implementación, el controlador 105 de la unidad de alumbrado puede
usar la(s) señal(es) 122, o bien solas o bien en
combinación con otras señales de control (por ejemplo, señales
generadas ejecutando un programa de alumbrado, una o más salidas de
una interfaz de usuario, etc.), de modo que se controlen una o más
de las fuentes 104A, 104B, 104C y 104D de luz de manera similar a
la analizada anteriormente en relación con la interfaz de
usuario.
Los ejemplos de la(s) señal(es)
122 que pueden recibirse y procesarse por el controlador 105
incluyen, pero no se limitan a, una o más señales de audio, señales
de vídeo, señales de potencia, diversos tipos de señales de datos,
señales que representan información obtenida de una red (por
ejemplo, Internet), señales que representan una o más condiciones
detectables/detectadas, señales de unidades de alumbrado, señales
que consisten en luz modulada, etc. En diversas implementaciones,
la(s) fuente(s) 124 de señales pueden estar ubicadas
de forma remota con respecto a la unidad 100 de alumbrado, o estar
incluidas como un componente de la unidad de alumbrado. En una
realización, una señal de una unidad 100 de alumbrado podría
enviarse por una red a otra unidad 100 de alumbrado.
Algunos ejemplos de una fuente 124 de señales
que pueden emplearse en, o usarse en relación con, la unidad 100 de
alumbrado de la figura 1 incluyen cualquiera de una variedad de
sensores o transductores que generan una o más señales 122 en
respuesta a cierto estímulo. Los ejemplos de sensores de este tipo
incluyen, pero no se limitan a, diversos tipos de se sensores de
condiciones del entorno, tales como sensores sensibles térmicamente
(por ejemplo, de temperatura, infrarrojo), sensores de humedad,
sensores de movimiento, fotosensores/sensores de luz (por ejemplo,
fotodiodos, sensores que son sensibles a uno o más espectros de
radiación electromagnética particulares tal como
espectrorradiómetros o espectrofotómetros, etc.), diversos tipos de
cámaras, sensores de sonido o vibración u otros transductores de
presión/fuerza (por ejemplo, micrófonos, dispositivos
piezoeléctricos), y
similares.
similares.
Los ejemplos adicionales de una fuente 124 de
señales incluyen diversos dispositivos de medición/detección que
monitorizan características o señales eléctricas (por ejemplo,
tensión, corriente, potencia, resistencia, capacitancia,
inductancia, etc.) o características químicas/biológicas (por
ejemplo, acidez, presencia de uno o más agentes químicos o
biológicos particulares, bacterias, etc.) y proporcionan una o más
señales 122 basándose en valores medidos de las señales o
características. Aún otros ejemplos de una fuente 124 de señales
incluyen diversos tipos de escáneres, sistemas de reconocimiento de
imágenes, sistemas de reconocimiento de voz u otro sonido, sistemas
robóticos y de inteligencia artificial, y similares. Una fuente 124
de señales también podría ser una unidad 100 de alumbrado, otro
controlador o procesador, o uno cualquiera de muchos dispositivos
que generan señales disponibles, tales como reproductores de medios,
reproductores de MP3, ordenadores, reproductores de DVD,
reproductores de CD, fuentes de señales de televisión, fuentes de
señales de cámaras, micrófonos, altavoces, teléfonos, teléfonos
móviles, dispositivos de mensajería instantánea, dispositivos para
SMS, dispositivos inalámbricos, dispositivos de organizadores
personales, y muchos otros.
En una realización, la unidad 100 de alumbrado
mostrada en la figura 1 también puede incluir uno o más elementos
130 ópticos para procesar de forma óptica la radiación generada por
las fuentes 104A, 104B, 104C y 104D de luz. Por ejemplo, uno o más
elementos ópticos pueden estar configurados de modo que se cambie
una o ambas de una distribución espacial y una dirección de
propagación de la radiación generada. En particular, uno o más
elementos ópticos pueden estar configurados para cambiar un ángulo
de difusión de la radiación generada. En un aspecto de esta
realización, uno o más elementos 130 ópticos pueden estar
configurados particularmente para cambiar de forma variable una o
ambas de una distribución espacial y una dirección de propagación de
la radiación generada (por ejemplo, en respuesta a cierto estímulo
eléctrico y/o mecánico). Los ejemplos de elementos ópticos que
pueden estar incluidos en la unidad 100 de alumbrado incluyen, pero
no se limitan a, materiales reflectantes, materiales refractivos,
materiales translúcidos, filtros, lentes, espejos y fibras ópticas.
El elemento 130 óptico también puede incluir un material
fosforescente, material luminiscente, u otro material que pueda
responder a o interaccionar con la radiación
generada.
generada.
Tal como se muestra también en la figura 1, la
unidad 100 de alumbrado puede incluir uno o más puertos 125 de
comunicación para facilitar el acoplamiento de la unidad 100 de
alumbrado a cualquiera de una variedad de otros dispositivos. Por
ejemplo, uno o más puertos 125 de comunicación pueden facilitar el
acoplamiento de múltiples unidades de alumbrado juntas como un
sistema de alumbrado en red, en que al menos algunas de las
unidades de alumbrado son direccionables (por ejemplo, tienen
identificadores o direcciones particulares) y responden a datos
particulares transportados a lo largo de la red.
En particular, en un entorno de sistema de
alumbrado en red, tal como se analiza con mayor detalle
adicionalmente a continuación (por ejemplo, en relación con la
figura 2), cuando se comunican datos a través de la red, el
controlador 105 de cada unidad de alumbrado acoplada a la red puede
estar configurado para responder a datos particulares (por ejemplo,
órdenes de control de alumbrado) que le pertenecen (por ejemplo, en
algunos casos, tal como dictan los identificadores respectivos de
las unidades de alumbrado en red). Una vez que un controlador dado
identifica datos particulares concebidos para ello, puede leer los
datos y, por ejemplo, cambiar las condiciones de alumbrado
producidas por sus fuentes de luz según los datos recibidos (por
ejemplo, generando señales de control apropiadas para las fuentes
de luz). En un aspecto, la memoria 127 de cada unidad de alumbrado
acoplada a la red puede cargarse, por ejemplo, con una tabla de
señales de control de alumbrado que corresponden a datos que recibe
el procesador 126 del controlador. Una vez que el procesador 126
recibe datos de la red, el procesador puede consultar la tabla para
seleccionar las señales de control que corresponden a los datos
recibidos, y controlar, por consiguiente, las fuentes de luz de la
unidad de alumbrado.
En un aspecto de esta realización, el procesador
102 de una unidad de alumbrado dada, ya estén acoplados o no a una
red, puede estar configurado para interpretar datos/instrucciones de
alumbrado que se reciben en un protocolo DMX (tal como se analiza,
por ejemplo, en las patentes estadounidenses 6.016.038 y 6.211.626),
que es un protocolo de órdenes de alumbrado empleado
convencionalmente en la industria del alumbrado para algunas
aplicaciones programables de alumbrado. En el protocolo DMX, se
transmiten las instrucciones de alumbrado a una unidad de alumbrado
como datos de control que se formatean en paquetes que incluyen 512
bytes de datos, en el que cada byte de datos está constituido por 8
bits que representan un valor digital de entre cero y 255. Estos
512 bytes de datos están precedidos por un byte de "código de
inicio". Un "paquete" completo que incluye 513 bytes
(código de inicio más datos) se transmite en serie a 250 kbit/s
conforme a los niveles de tensión de RS-485 y
prácticas de cableado, en los que el inicio de un paquete viene
expresado por una interrupción de al menos 88 microsegundos.
En el protocolo DMX, cada byte de datos de los
512 bytes en un paquete dado pretende ser una orden de alumbrado
para un "canal" particular de una unidad de alumbrado
multicanal, en el que un valor digital de cero indica que no hay
potencia de emisión radiante para un canal dado de la unidad de
alumbrado (es decir, canal apagado), y un valor digital de 255
indica potencia de emisión radiante total (100% de potencia
disponible) para el canal dado de la unidad de alumbrado (es decir,
canal totalmente encendido). Por ejemplo, en un aspecto,
considerando por el momento una unidad de alumbrado de tres canales
basada en LED rojos, verdes y azules (es decir, una unidad de
alumbrado "R-G-B"), una orden
de alumbrado en el protocolo DMX puede especificar cada una de una
orden de canal rojo, una orden de canal verde y una orden de canal
azul como datos de ocho bits (es decir, un byte de datos) que
representan un valor de desde 0 hasta 255. El valor máximo de 255
para uno cualquiera de los canales de color instruye al procesador
102 para que controle la(s) fuente(s) de luz
correspondiente(s) para que funcione a la máxima potencia
disponible (es decir, 100%) para el canal, generando de ese modo la
máxima potencia radiante disponible para ese color (una estructura
de órdenes de este tipo para una unidad de alumbrado
R-G-B se denomina comúnmente control
de color de 24 bits). Así, una orden del formato [R, G, B] = [255,
255, 255] haría que la unidad de alumbrado generase la máxima
potencia radiante para cada una de luz roja, verde y azul (creando
de ese modo luz blanca).
Por tanto, un enlace de comunicación dado que
emplea el protocolo DMX puede soportar convencionalmente hasta 512
canales de unidad de alumbrado diferentes. Una unidad de alumbrado
dada diseñada para recibir comunicaciones formateadas en el
protocolo DMX generalmente está configurada para responder sólo a
uno o más bytes de datos particulares de los 512 bytes en el
paquete correspondientes al número de canales de la unidad de
alumbrado (por ejemplo, en el ejemplo de una unidad de alumbrado de
tres canales, se usan tres bytes por la unidad de alumbrado), e
ignorar los demás bytes, basándose en una posición particular del/de
los byte(s) de datos deseado(s) en la secuencia
global de los 512 bytes de datos en el paquete. Para este fin,
unidades de alumbrado basadas en DMX pueden equiparse con un
mecanismo de selección de dirección que puede ajustarse manualmente
por un usuario/instalador para determinar la posición particular
del/de los byte(s) de datos a los que responde la unidad de
alumbrado en un paquete de DMX dado.
Debe apreciarse, sin embargo, que las unidades
de alumbrado adecuadas para los fines de la presente descripción no
se limitan a un formato de órdenes de tipo DMX, ya que las unidades
de alumbrado según diversas realizaciones pueden estar configuradas
para responder a otros tipos de protocolos de comunicación/formatos
de órdenes de alumbrado de modo que se controlen sus fuentes de luz
respectivas. En general, el procesador 102 puede estar configurado
para responder a órdenes de alumbrado en una variedad de formatos
que expresan potencias de funcionamiento recomendadas para cada
canal diferente de una unidad de alumbrado multicanal según alguna
escala que representa de cero a la máxima potencia de
funcionamiento disponible para cada canal.
Por ejemplo, en otra realización, el procesador
102 de una unidad de alumbrado dada puede estar configurado para
interpretar datos/instrucciones de alumbrado que se reciben en un
protocolo Ethernet convencional (o protocolo similar basado en
conceptos de Ethernet). Ethernet es una conocida tecnología de
conexión en red informática empleada a menudo para redes de área
local (LAN) que define requisitos de cableado y señalización para
los dispositivos interconectados que forman la red, así como
formatos de trama y protocolos para datos transmitidos por la red.
Los dispositivos acoplados a la red tienen direcciones únicas
respectivas, y los datos para uno o más dispositivos direccionables
en la red se organizan como paquetes. Cada paquete de Ethernet
incluye una "cabecera" que especifica una dirección de destino
(hacia donde se dirige el paquete) y una dirección fuente (de donde
procede el paquete), seguida por "carga útil" que incluye
varios bytes de datos (por ejemplo, en el protocolo de trama de
Ethernet de tipo II, la carga útil puede ser de desde 46 bytes de
datos hasta 1500 bytes de datos). Un paquete concluye con un código
de corrección de errores o "suma de comprobación". Como con el
protocolo DMX analizado anteriormente, la carga útil de paquetes de
Ethernet sucesivos concebidos para una unidad de alumbrado dada
configurada para recibir comunicaciones en un protocolo Ethernet
puede incluir información que representa potencias radiantes
recomendadas respectivas para diferentes espectros de luz
disponibles (por ejemplo, diferentes canales de color) que pueden
generarse por la unidad de alumbrado.
Aún en otra realización, el procesador 102 de
una unidad de alumbrado dada puede estar configurado para
interpretar datos/instrucciones de alumbrado que se reciben en un
protocolo de comunicación en serie tal como se describe, por
ejemplo, en la patente estadounidense n.º 6.777.891. En particular,
según una realización basándose en un protocolo de comunicación de
base en serie, múltiples unidades 100 de alumbrado se acoplan juntas
a través de sus puertos 120 de comunicación para formar una
conexión en serie de unidades de alumbrado (por ejemplo, una
topología en anillo o en cadena tipo margarita), en las que cada
unidad de alumbrado tiene un puerto de comunicación de entrada y un
puerto de comunicación de salida. Los datos/instrucciones de
alumbrado transmitidos a las unidades de alumbrado se disponen
secuencialmente basándose en una posición relativa en la conexión
en serie de cada unidad de alumbrado. Debe apreciarse que aunque se
analiza una red de alumbrado basándose en una interconexión en
serie de unidades de alumbrado, particularmente en relación con una
realización que emplea un protocolo de comunicación en serie, la
descripción no está limitada a este respecto, ya que se analizan
además a continuación otros ejemplos de topologías de red de
alumbrado contempladas por la presente descripción, en relación con
la figura 3.
En una realización que emplea un protocolo de
comunicación en serie, a medida que el procesador 102 de cada
unidad de alumbrado en la conexión en serie recibe datos,
"quita" o extrae una o más partes iniciales de la secuencia de
datos concebida para ello y transmite el resto de la secuencia de
datos a la siguiente unidad de alumbrado en la conexión en serie.
Por ejemplo, considerando de nuevo una interconexión en serie de
múltiples unidades de alumbrado de tres canales (por ejemplo,
"R-G-B"), se extraen tres
valores de múltiples bits (uno valor de múltiples bits por canal)
por cada unidad de alumbrado de tres canales de la secuencia de
datos recibida. Cada unidad de alumbrado en la conexión en serie
repite a su vez este procedimiento, concretamente, quitando o
extrayendo una o más partes iniciales (valores de múltiples bits) de
una secuencia de datos recibida y transmitiendo el resto de la
secuencia. La parte inicial de una secuencia de datos que quita a su
vez cada unidad de alumbrado puede incluir potencias radiantes
recomendadas respectivas para diferentes espectros de luz
disponibles (por ejemplo, diferentes canales de color) que pueden
generarse por la unidad de alumbrado. Tal como se analizó
anteriormente en relación con el protocolo DMX, en diversas
implementaciones cada valor de múltiples bits por canal puede ser
un valor de 8 bits, u otro número de bits (por ejemplo, 12, 16, 24,
etc.) por canal, dependiendo en parte de una resolución de control
deseada para cada canal.
Aún en otra implementación a modo de ejemplo de
un protocolo de comunicación en serie, en lugar de quitar una parte
inicial de una secuencia de datos recibida, un indicador está
asociado con cada parte de una secuencia de datos que representa
datos para múltiples canales de una unidad de alumbrado dada, y una
secuencia de datos completa para múltiples unidades de alumbrado se
transmite por completo de una unidad de alumbrado a otra en la
conexión en serie. Cuando una unidad de alumbrado en la conexión en
serie recibe la secuencia de datos, examina la primera parte de la
secuencia de datos en la que el indicador indica que una parte dada
(que representa uno o más canales) aún no la ha leído ninguna
unidad de alumbrado. Con el hallazgo de una parte de este tipo, la
unidad de alumbrado lee y procesa la parte para proporcionar una
emisión de luz correspondiente, y fija el indicador correspondiente
para indicar que la parte se ha leído. De nuevo, la secuencia de
datos completa se transmite por completo de una unidad de alumbrado
a otra, en la que el estado de los indicadores indica la siguiente
parte de la secuencia de datos disponible para la lectura y el
procesamiento.
En una realización relacionada con un protocolo
de comunicación en serie, el controlador 105 una unidad de
alumbrado dada configurada para un protocolo de comunicación en
serie puede implementarse como un circuito integrado de aplicación
específica (ASIC) designado para procesar específicamente un flujo
de datos/instrucciones de alumbrado recibido según el proceso de
"eliminación/extracción de datos" o proceso de "modificación
con indicador" analizados anteriormente. Más específicamente, en
una realización a modo de ejemplo de múltiples unidades de
alumbrado acopladas juntas en una interconexión en serie para formar
una red, cada unidad de alumbrado incluye un controlador 105
implementado en ASIC que tiene la funcionalidad del procesador 102,
la memoria 114 y el/los puerto(s) 120 de comunicación
mostrado(s) en la figura 1 (naturalmente no es necesario
incluir la interfaz 118 de usuario y la fuente 124 de señales
opcionales en algunas implementaciones). Se analiza una
implementación de este tipo en detalle en la patente estadounidense
n.º 6.777.891.
En una realización, la fuente 104 de luz puede
incluir y/o estar acoplada a una o más fuentes 108 de alimentación.
En diversos aspectos, los ejemplos de fuente(s) 108 de
alimentación incluyen, pero no se limitan a, fuentes de
alimentación de CA, fuentes de alimentación de CC, baterías, fuentes
de alimentación solares, fuentes de alimentación termoeléctricas o
mecánicas y similares. Adicionalmente, en un aspecto, la(s)
fuente(s) 108 de alimentación puede(n) incluir o
estar asociada(s) a uno o más dispositivos de conversión de
potencia o conjuntos de circuitos de conversión de potencia (por
ejemplo, en algunos casos internos a la fuente 104 de luz) que
convierten la potencia recibida por una fuente de alimentación
externa en una forma adecuada para el funcionamiento de los
diversos componentes de circuito internos y fuentes de luz de la
fuente 104 de luz. En una implementación a modo de ejemplo
analizada en la patente estadounidense n.º 7.256.554, titulada
"LED Power Control Methods and Apparatus"; el controlador 105
de la fuente 104 de luz puede estar configurado para aceptar una
tensión de línea de CA convencional procedente de la fuente 108 de
alimentación y proporciona una potencia de funcionamiento de CC
apropiada para las fuentes de luz y otros conjuntos de circuitos de
la unidad de alumbrado basándose en conceptos relacionados con la
conversión CC-CC, o conceptos de "conmutación"
del suministro de potencia. En un aspecto de tales
implementaciones, el controlador 105 puede incluir conjuntos de
circuitos no sólo para aceptar una tensión de línea de CA
convencional sino para garantizar que se extrae potencia de la
tensión de línea con un factor de potencia significativamente
alto.
La figura 2 ilustra un ejemplo de un sistema 200
de alumbrado en red según una realización de la presente
descripción. En la realización de la figura 2, varias unidades 100
de alumbrado, similares a las analizadas anteriormente en relación
con la figura 1, se acoplan juntas para formar el sistema de
alumbrado en red. Debe apreciarse, sin embargo, que la
configuración y disposición particulares de las unidades de
alumbrado mostradas en la figura 2 es para fines de ilustración
únicamente, y que la descripción no se limita a la topología de
sistema particular mostrada en la figura 2.
Adicionalmente, aunque no se muestra
explícitamente en la figura 2, debe apreciarse que el sistema 200 de
alumbrado en red puede estar configurado de manera flexible para
incluir una o más interfaces de usuario, así como una o más fuentes
de señales tales como sensores/transductores. Por ejemplo, una o más
interfaces de usuario y/o una o más fuentes de señales tales como
sensores/transductores (tal como se analizó anteriormente en
relación con la figura 1) pueden estar asociadas con una cualquiera
o más de las unidades de alumbrado del sistema 200 de alumbrado en
red. Alternativamente (o además de lo anterior), una o más
interfaces de usuario y/o una o más fuentes de señales pueden
implementarse como componentes "autónomos" en el sistema 200 de
alumbrado en red. Ya sean componentes autónomos o particularmente
asociados con una o más unidades 100 de alumbrado, estos
dispositivos pueden "compartirse" por las unidades de alumbrado
del sistema de alumbrado en red. Expuesto de diferente manera, una
o más interfaces de usuario y/o una o más fuentes de señales tales
como sensores/transductores pueden constituir "recursos
compartidos" en el sistema de alumbrado en red que puede usarse
en relación con el control de una cualquiera o más de las unidades
de alumbrado del sistema.
Tal como se muestra en la realización de la
figura 2, el sistema 200 de alumbrado puede incluir uno o más
controladores 208A, 208B, 208C y 208D de unidad de alumbrado (a
continuación en el presente documento "LUC", light unit
controller), en el que cada LUC es responsable de comunicarse
con y generalmente controlar una o más unidades 100 de alumbrado
acopladas al mismo. Aunque la figura 2 ilustra una unidad 100 de
alumbrado acoplada a cada LUC, debe apreciarse que la descripción
no está limitada a este respecto, ya que pueden acoplarse
diferentes números de unidades 100 de alumbrado a un LUC dado en una
variedad de diferentes configuraciones (conexiones en serie,
conexiones en paralelo, combinaciones de conexiones en serie y en
paralelo, etc.) usando una variedad de diferentes comunicación
media y protocolos.
En el sistema de la figura 2, cada LUC puede
estar acoplado a su vez a un controlador 202 central que está
configurado para comunicarse con uno o más LUC. Aunque la figura 2
muestra cuatro LUC acoplados al controlador 202 central a través de
una conexión 212 genérica (que puede incluir cualquier número de una
variedad de dispositivos de acoplamiento, conmutación y/o conexión
en red convencionales), debe apreciarse que según diversas
realizaciones, diferentes números de LUC pueden estar acoplados al
controlador 202 central. Adicionalmente, según diversas
realizaciones de la presente descripción, los LUC y el controlador
central pueden acoplarse juntos en una variedad de configuraciones
usando una variedad de protocolos y medios de comunicación
diferentes para formar el sistema 200 de alumbrado en red. Además,
debe apreciarse que la interconexión de LUC y el controlador
central, y la interconexión de unidades de alumbrado a LUC
respectivos, puede lograrse de diferentes maneras (por ejemplo,
usando diferentes configuraciones, medios de comunicación y
protocolos).
Por ejemplo, según una realización de la
presente descripción, el controlador 202 central mostrada en la
figura 2 puede estar configurado para implementar comunicaciones
basadas en Ethernet con los LUC, y a su vez los LUC pueden estar
configurados para implementar una de comunicaciones de protocolo
basado en Ethernet, basado en DMX o en serie con las unidades 100
de alumbrado (tal como se analizó anteriormente, se analizan en
detalle protocolos en serie a modo de ejemplo adecuados para
diversas implementaciones en red en la patente estadounidense n.º
6.777.891. En particular, en un aspecto de esta realización, cada
LUC puede estar configurado como un controlador basado en Ethernet
direccionable y, por consiguiente, puede ser identificable para el
controlador 202 central a través de una dirección única particular
(o un grupo único de direcciones y/u otro identificadores) usando
un protocolo basado en Ethernet. De esta manera, el controlador 202
central puede estar configurado para soportar comunicaciones de
tipo Ethernet por toda la red de LUC acoplados, y cada LUC puede
responder a esas comunicaciones concebidas para ello. A su vez,
cada LUC puede comunicar información de control de alumbrado a una
o más unidades de alumbrado acopladas al mismo, por ejemplo, a
través de un protocolo basado en Ethernet, DMX o en serie, en
respuesta a las comunicaciones de tipo Ethernet con el controlador
202 central (en las que las unidades de alumbrado están
configuradas apropiadamente para interpretar información recibida de
los LUC en protocolos basados en Ethernet, DMX o en serie).
Los LUC 208A, 208B y 208C mostrados en la figura
2 pueden estar configurados para ser "inteligentes", pudiendo
estar configurado el controlador 202 central para comunicar órdenes
de nivel superior al LUC que es necesario que interpreten los LUC
antes de que pueda retransmitirse la información de control de
alumbrado a las unidades 100 de alumbrado. Por ejemplo, un operario
del sistema de alumbrado puede querer generar un efecto de cambio
de color que varía los colores de una unidad de alumbrado a otra de
tal manera que se genere el aspecto de un arco iris de colores que
se propagan ("persecución del arco iris"), dada una colocación
particular de unidades de alumbrado unas con respecto a otras. En
este ejemplo, el operario puede proporcionar una simple instrucción
al controlador 202 central para realizar esto, y a su vez el
controlador central puede comunicarlo a uno o más LUC usando una
orden de alto nivel de protocolo basado en Ethernet para generar una
"persecución del arco iris". La orden puede contener
información de temporización, intensidad, tono, saturación u otra
información relevante, por ejemplo. Cuando un LUC dado recibe una
orden de este tipo, puede interpretar entonces la orden y comunicar
órdenes adicionales a una o más unidades de alumbrado usando uno
cualquiera de una variedad de protocolos (por ejemplo, basados en
Ethernet, DMX, en serie), en respuesta a que las fuentes respectivas
de las unidades de alumbrado se controlan a través de cualquiera de
una variedad de técnicas de señalización (por ejemplo, PWM).
Además, uno o más LUC de una red de alumbrado
pueden estar acoplados a una conexión en serie de múltiples
unidades 100 de alumbrado (por ejemplo, véase el LUC 208A de la
figura 2, que está acoplado a dos unidades 100 de alumbrado
conectadas en serie). Por ejemplo, cada LUC acoplado de esta manera
está configurado para comunicarse con las múltiples unidades de
alumbrado usando un protocolo de comunicación en serie, del que se
analizaron anteriormente ejemplos. Más específicamente, en una
implementación a modo de ejemplo, un LUC dado puede estar
configurado para comunicarse con un controlador 202 central, y/o uno
o más de otros LUC, usando un protocolo basado en Ethernet, y a su
vez comunicarse con las múltiples unidades de alumbrado usando un
protocolo de comunicación en serie. De esta manera, un LUC puede
considerarse en un sentido como un convertidor de protocolos que
recibe datos o instrucciones de alumbrado en el protocolo basado en
Ethernet, y pasa las instrucciones a múltiples unidades de
alumbrado conectadas en serie usando el protocolo en serie.
Naturalmente, en otras implementaciones de red que implican
unidades de alumbrado basadas en DMX dispuestas en una variedad de
topologías posibles, debe apreciarse que un LUC dado puede
considerarse de manera similar como un convertidor de protocolos
que recibe datos o instrucciones de alumbrado en el protocolo
Ethernet, y pasa las instrucciones formateadas en un protocolo
DMX.
Debe apreciarse de nuevo que el ejemplo anterior
de uso de múltiples implementaciones de comunicación diferentes
(por ejemplo, Ethernet/DMX) en un sistema de alumbrado según una
realización de la presente descripción es para fines de ilustración
únicamente, y que la descripción no se limita a este ejemplo
particular.
A partir de lo anterior, puede apreciarse que
una o más unidades de alumbrado tal como se analizó anteriormente
pueden generar luz de color variable altamente controlable en una
amplia gama de colores, así como luz blanca de temperatura de color
variable en una amplia gama de temperaturas de color.
Tal como se analizó previamente, a menudo es
útil considerar la conexión de múltiples unidades de alumbrado o
fuentes de luz (por ejemplo, LED) para recibir potencia de
funcionamiento en serie en vez de en paralelo. Una interconexión en
serie de múltiples LED puede permitir el uso de tensiones de
funcionamiento que son significativamente superiores a las
tensiones directas de LED típicas, y también puede permitir el
funcionamiento de múltiples LED o unidades de alumbrado basadas en
LED sin requerir un transformador entre una fuente de alimentación
(por ejemplo, tensión de línea o potencia de pared tal como 120 VCA
o 240 VCA) y las cargas (es decir, múltiples cargas conectadas en
serie pueden operarse "directamente" desde una tensión de
línea).
Por consiguiente, otras realizaciones de la
presente invención generalmente se refieren a procedimientos y
aparato para controlar fuentes de luz basadas en LED, en los que
elementos respectivos de una fuente de luz de múltiples elementos,
y/o múltiples fuentes de luz en sí mismas, se acoplan en serie para
recibir potencia de funcionamiento. En diversas realizaciones
analizadas adicionalmente a continuación, debe apreciarse que puede
acoplarse en serie prácticamente cualquier número apropiado de LED o
unidades de alumbrado basadas en LED dependiendo al menos en parte
de la tensión de funcionamiento nominal de cada LED o unidad de
alumbrado, y la tensión de suministro nominal esperada
proporcionada por una fuente de alimentación disponible. Para los
fines del análisis siguiente, se analizan en primer lugar diversos
conceptos relacionados con LED conectados en serie; sin embargo,
debe apreciarse que muchos, si no todos, los conceptos analizados en
el presente documento pueden aplicarse de manera similar a diversos
agrupamientos de LED (disposiciones en serie, en paralelo y/o en
serie/en paralelo), así como múltiples unidades de alumbrado basadas
en LED, que se acoplan en serie para recibir potencia de
funcionamiento.
La figura 3 es un diagrama de bloques de un
aparato 100A de alumbrado basado en LED que incluye múltiples LED
conectados en serie, según una realización de la presente invención.
En el aparato de la figura 3, múltiples LED se conectan de manera
nominal en serie entre un primer nodo 108A y un segundo nodo 108B a
los que se aplica una tensión de funcionamiento (una fuente 108 de
alimentación se analizó de forma general anteriormente en relación
con la figura 1) para formar un "apilamiento" de dispositivos
conectados en serie. Para los fines del siguiente análisis, la
posición de uno o más LED en el "apilamiento" de dispositivos
conectados en serie, con respecto a uno de los dos potenciales de
tensión aplicados respectivamente a los nodos primero y segundo, se
denomina la "altura" en el "apilamiento".
En la figura 3, una primera fuente 104B de luz
(representada por un único LED para fines de ilustración) se
muestra en una primera altura en el apilamiento, y una segunda
fuente 104A de luz (de nuevo representada mediante un único LED
para fines de ilustración) se muestra en una segunda altura en el
apilamiento. Aunque la figura 3 ilustra un aparato a modo de
ejemplo con dos fuentes de luz, tal como se indicó anteriormente
debe apreciarse que la presente invención no está limitada a este
respecto, ya que puede conectarse prácticamente cualquier número de
fuentes de luz en serie en un aparato dado. La figura 3 también
muestra una fuente 310 de corriente conectada en serie con los LED
entre los nodos primero y segundo; en un aspecto, la fuente 310 de
corriente fija una corriente en serie (I_{serie}) que
fluye entre los nodos primero y segundo, a través de uno o más de
los LED conectados en serie, cuando la tensión de funcionamiento se
aplica a lo largo de los nodos primero y segundo.
Tal como se analizó anteriormente en relación
con la figura 1, en diversas implementaciones las fuentes 104A y
104B de luz del aparato 100A mostrado en la figura 3 puede incluir
cada una un único LED o múltiples LED (por ejemplo, interconectados
en una disposición paralela). Adicionalmente, las fuentes 104A y
104B de luz pueden generar radiación que tienen espectros similares
o prácticamente idénticos (por ejemplo, que constituyen luz
coloreada o esencialmente blanca), o las fuentes 104A y 104B de luz
pueden generar respectivamente diferentes espectros. Por
consiguiente, a cada altura diferente en el apilamiento de
dispositivos conectados en serie, en diferentes implementaciones
pueden emplearse uno o más LED; además, pueden generarse diferentes
espectros de luz coloreada (o diferentes temperaturas de color de
luz blanca) a diferentes alturas en el apilamiento, o esencialmente
puede generarse un mismo espectro de luz a cada altura en el
apilamiento. De nuevo, para fines de ilustración en el análisis que
sigue, cada una de las fuentes 104A y 104B de luz en la figura 3 se
denomina simplemente LED, aunque debe apreciarse que diversas
implementaciones de la presente invención no se limitan a que
tengan un único LED a cada altura en el apilamiento de dispositivos
conectados en serie.
Tal como se muestra también en la figura 3, el
aparato 100A incluye una o más trayectorias 312A y 312B de
corriente controlables (abreviadas como "CCP", controlable
current path) conectadas en paralelo con uno o más de los LED
conectados en serie. En varios aspectos, las trayectorias de
corriente controlables pueden implementarse como conmutadores
controlables para desviar completamente la corriente en serie
I_{serie} alrededor de un LED dado, o como fuentes de
corriente fija o variable controlables configuradas para desviar la
totalidad o sólo una parte de la corriente en serie alrededor del
LED dado. De esta manera, puede controlarse el brillo de un LED
dado y, en extremo, el LED puede apagarse por completo desviando la
corriente por completo alrededor del mismo. Aunque la figura 3
ilustra una correspondencia uno a uno entre las trayectorias 312A y
312B de corriente controlables y los LED 104A y 104B, debe
apreciarse que la invención no está limitada a este respecto. En
particular, según diversas realizaciones analizadas adicionalmente a
continuación, no es necesario que cada LED en la conexión en serie
esté asociado con una trayectoria de corriente controlable
dedicada/correspondiente; más bien, en algunas implementaciones,
puede no estar asociada ninguna trayectoria de corriente
controlable con uno o más LED de la conexión en serie, y/o una
trayectoria de corriente controlable dada puede estar asociada con
múltiples LED de la conexión en serie.
En otro aspecto de la realización mostrada en la
figura 3, el aparato 100A incluye un controlador 105A configurado
para controlar una o más trayectorias 312A y 312B de corriente
controlables a través de las señales 314A y 314B de control
respectivas. En la figura 3, el controlador se muestra acoplado a la
tensión de funcionamiento aplicada a lo largo de los nodos primero
y segundo de modo que se obtiene potencia de funcionamiento.
Alternativamente, el controlador 105A puede acoplarse en serie con
la fuente 310 de corriente y los LED conectados en serie de modo
que se obtiene potencia de funcionamiento. En una implementación, el
controlador 105A puede operar una o más trayectorias 312A y 312B de
corriente controlables basándose en datos recibidos como
instrucciones de alumbrado a través de uno o más puertos 120A de
comunicación (tal como se analizó anteriormente en relación con las
figuras 1 y 2). Para este fin, el controlador puede estar
configurado para responder a un protocolo de datos en serie, e
incluir al menos dos puertos de comunicación (por ejemplo, un puerto
de entrada de datos y un puerto de salida de datos) para facilitar
la comunicación de datos en serie entre controladores respectivos
de múltiples aparatos de alumbrado similares al aparato 100A.
En otra implementación, el controlador 105A
puede estar configurado para operar una o más trayectorias de
corriente controlables basándose en uno o más parámetros medidos
relacionados con la tensión de funcionamiento disponible aplicada a
lo largo de los nodos 108A y 108B primero y segundo. Más
específicamente, en una realización, la capacidad para desviar
corriente parcial o totalmente alrededor de uno o más LED conectados
en serie se emplea en circunstancias en las que una tensión de
funcionamiento esperada nominal aplicada a lo largo de los nodos
primero y segundo disminuye por debajo de una tensión de
funcionamiento mínima necesaria para activar todos los dispositivos
conectados en serie. En diversas implementaciones, esta tensión de
funcionamiento mínima puede depender al menos en parte del número y
tipo de LED empleados en el apilamiento conectado en serie de
dispositivos y, más específicamente, las tensiones de funcionamiento
directas respectivas de los LED individuales empleados en el
apilamiento.
En vista de lo anterior, en una realización el
controlador 105A del aparato 100A mostrado en la figura 3 controla
una o más de las trayectorias de corriente controlables basándose al
menos en parte en uno o más parámetros monitorizados
representativos de una tensión de funcionamiento disponible para los
LED conectados en serie. A partir del/de los parámetro(s)
monitorizado(s), el controlador determina un número máximo de
LED conectados en serie que puede activarse mediante la tensión de
funcionamiento, y controla una o más de las trayectorias de
corriente controlables de modo que aumente la cantidad de corriente
en serie que se desvía alrededor de uno o más de los LED conectados
en serie cuando el número máximo es inferior al número total de
todos los LED conectados en serie. Por ejemplo, en una
implementación, las trayectorias de corriente controlables pueden
ser conmutadores que desvían por completo la corriente alrededor de
un LED correspondiente de modo que provoque esencialmente un
cortocircuito del LED y lo elimine de la conexión en serie de
dispositivos. De esta manera, la tensión de funcionamiento
necesaria para operar los LED conectados en serie restantes se
reduce mediante la tensión de funcionamiento individual (directa)
de cada LED del que se provoca su cortocircuito debido a la
desviación de corriente.
En algunas implementaciones a modo de ejemplo,
el controlador puede estar configurado para controlar una o más de
las trayectorias de corriente controlables de modo que aumente la
cantidad de corriente que se desvía alrededor de un LED
correspondiente (por ejemplo, cortocircuito del LED correspondiente)
cuando el/los parámetro(s) monitorizado(s) indican
que la tensión de funcionamiento es inferior a un valor umbral
predeterminado. En un aspecto, el valor umbral predeterminado puede
representar una tensión de funcionamiento mínima necesaria para
activar todos los LED conectados en serie en un aparato dado y, de
esta manera, puede depender al menos en parte del número de LED en
un aparato dado y las tensiones directas respectivas de los LED.
Asimismo, si en algún punto la tensión de funcionamiento es
inferior a cierto valor umbral predeterminado y luego aumenta por
encima del valor umbral, el controlador puede controlar
apropiadamente una o más de las trayectorias de corriente
controlables para añadir uno o más LED "cortocircuitados" de
nuevo en el apilamiento conectado en serie de modo que se activan
mediante la corriente en serie. De manera más general, a través
del/de los parámetro(s) monitorizado(s)
representativo(s) de la tensión de funcionamiento, el
controlador puede realizar una determinación (y puede hacerlo de
manera prácticamente continua o periódica) en cuanto al número de
LED que pueden activarse de manera eficaz basándose en la tensión
de funcionamiento disponible en cualquier momento dado, y controlar,
por consiguiente, una o más trayectorias de corriente controlables
para activar todos o un número inferior a todos los LED conectados
en serie del aparato. Tal como se analiza adicionalmente a
continuación, el controlador 105A puede implementar una variedad de
estrategias de control para controlar de manera estática o dinámica
una o más de las trayectorias de corriente controlables durante un
periodo de tiempo dado y/o una variedad de condiciones de tensión
de funcionamiento.
Aún en otros aspectos del aparato 100A mostrado
en la figura 3, la fuente 310 de corriente puede ser una fuente de
corriente fijada (es decir, puede fijarse el valor de la corriente
en serie I_{serie}), o la fuente de corriente puede ser
una fuente de corriente controlable de tal manera que la corriente
en serie I_{serie} es variable. Para este fin, en una
realización el controlador 105A puede controlar adicionalmente la
fuente 310 de corriente, tal como se indica mediante la conexión
315 de control sombreada mostrada en la figura 3. En diversos
aspectos, el controlador puede controlar la fuente de corriente para
fijar la corriente en serie basándose al menos en parte en el/los
parámetro(s) monitorizado(s) que representa(n)
la tensión de funcionamiento, y para aumentar o disminuir la
corriente en serie basándose en cambios en la tensión de
funcionamiento disponible según cualquiera de una variedad de
relaciones (por ejemplo, proporcional, inversamente proporcional,
etc.). Por ejemplo, el controlador puede estar configurado para
controlar la fuente de corriente de modo que aumente la corriente
en serie a medida que disminuye la tensión de funcionamiento de modo
que se mantenga un brillo esencialmente constante de la luz
generada por los LED activados del aparato. El controlador 105A
también puede cambiar el valor de la corriente en serie para
reducir el brillo, o cambiar de otro modo la corriente en serie
basándose en un cambio en la tensión de funcionamiento. El
controlador 105A puede efectuar diversas relaciones dinámicas entre
la corriente en serie y la tensión de funcionamiento; por ejemplo,
en una implementación, la corriente en serie puede reducirse
lentamente a medida que disminuye la tensión de funcionamiento, pero
luego aumentarse en cierta cantidad (por ejemplo, el 25%) cuando
comienza el proceso de cortocircuito de los LED. De esta manera, no
habría una disminución repentina en el brillo global a medida que
disminuye la tensión de funcionamiento. Aún en otro aspecto, el
controlador 105A puede controlar la fuente 310 de corriente de modo
que module por ciclo de trabajo la corriente en serie, para
proporcionar una corriente en serie promedio o bien fijada o bien
variable.
La figura 4 es un diagrama que ilustra una
implementación de circuito a modo de ejemplo del aparato 100A
mostrado en la figura 3, según una realización de la presente
invención. En un aspecto de esta realización, el aparato de la
figura 4 es particularmente adecuado para aplicaciones de alumbrado
en automóviles en las que las tensiones de funcionamiento nominales
esperadas están en el intervalo de aproximadamente 12 a 14,5
voltios. En particular, en aplicaciones en automóviles basadas en
un sistema eléctrico que incluye una batería de coche de 12 voltios
convencional, la tensión de funcionamiento disponible para
accesorios de automóvil cuando está en marcha el motor y el sistema
eléctrico está cargando, normalmente es de entre 13,8 y 14,5
voltios; sin embargo, cuando el motor no está en marcha, la tensión
de funcionamiento disponible puede reducirse rápidamente hasta de 12
a 12,8 voltios, o incluso menor (por ejemplo, cuando están
presentes altas cargas, y/o a medida que se descarga adicionalmente
la batería de coche). Teniendo en cuenta lo anterior, consideremos
un aparato de alumbrado similar al mostrado en la figura 3, en el
que se emplean cuatro LED conectados en serie que tienen, cada uno,
una tensión directa de aproximadamente 3,0 a 3,3 voltios (por
ejemplo, basado en la tecnología de GaN), de tal manera que un
apilamiento conectado en serie de los cuatro LED, más una fuente de
corriente en serie con los LED, requiere una tensión de
funcionamiento de aproximadamente 13,0 a 13,5 voltios. En un
aspecto, un aparato configurado de este modo se basa en un
principio "coste de área constante"; concretamente, una
estructura de semicondutor de LED de un tamaño fijado cuesta una
cantidad fijada equitativamente para implementarlo,
independientemente de en cuántas secciones pueda dividirse. Por
tanto, si una estructura de semiconductor de LED se divide en
cuatro secciones que luego se conectan en serie, resulta un
dispositivo que tiene esencialmente un coste igual que un LED,
opera a una cuarta parte de la corriente y tiene una tensión de
funcionamiento cuatro veces la tensión directa de un único LED.
Naturalmente, para aplicaciones en automóviles
tal como se analizó anteriormente, un aparato de alumbrado basado
en LED conectados en serie necesita tener en cuenta el intervalo
completo de posibles tensiones de funcionamiento disponibles; es
decir, si la tensión de funcionamiento disponible procedente del
sistema eléctrico del automóvil disminuye por debajo de
aproximadamente 13,0 a 13,5 voltios, puede no haber suficiente
tensión para activar los cuatro LED conectados en serie. Para este
fin, en el circuito de la figura 4, cuatro LED 104A - 104 D
conectados en serie se emplean junto con cuatro trayectorias
312A-312D de corriente controlables, en paralelo
con los LED en una correspondencia uno a uno, y que responden a
señales 314A-314D de control correspondientes
proporcionadas por el controlador 105A. En la figura 4, las
trayectorias de corriente controlables se implementan como
conmutadores SW1 - SW4 unipolares de una sola vía (SPST,
single-pole single-throw) de
modo que se desvíe la corriente en serie I_{serie}
alrededor de los LED correspondientes. La fuente 310 de corriente
se implementa mediante el amplificador U7A operativo, el transistor
Q35 de efecto de campo de tipo N y la resistencia R41. En el
circuito de la figura 4, la fuente 310 de corriente no está bajo el
control del controlador 105A, sino que más bien la corriente en
serie I_{serie} proporcionada por la fuente 310 de
corriente sigue la pista de la tensión de funcionamiento a través
del divisor de tensión formado por las resistencias R43 y R42.
Tal como se analizó anteriormente en relación
con la figura 3, el controlador 105A en el circuito de la figura 4
(U8) puede acoplarse entre los nodos 108A y 108B primero y segundo
para obtener potencia de funcionamiento directamente a partir de la
tensión de funcionamiento aplicada a estos nodos. Adicionalmente, el
controlador puede incluir opcionalmente un primer puerto 120A de
comunicación y un segundo puerto 120B de comunicación para
transmitir y recibir datos que representan diversa información, tal
como se analiza adicionalmente a continuación. Tal como se analizó
también anteriormente en relación con la figura 3, el controlador
105 en el circuito de la figura 4 puede implementar una variedad de
técnicas de control para operar las trayectorias de corriente
controlables formadas por los conmutadores
SW1-SW4.
Por ejemplo, a medida que disminuye la tensión
de funcionamiento aplicada a los nodos 108A y 108B primero y
segundo por debajo de un nivel requerido para activar apropiadamente
los cuatro LED 104A-104D, el controlador 105A puede
empezar controlando los conmutadores SW1-SW4 de modo
que se provoque un cortocircuito en un LED en un momento (por
ejemplo, en una secuencia temporizada) de modo que todos los LED
parece que permanecen encendidos para un observador; expuesto de
diferente manera, a medida que disminuye la tensión de
funcionamiento hasta un nivel que es insuficiente para proporcionar
potencia apropiadamente a los cuatro LED conectados en serie, sólo
tres o menos de los LED se activan simultáneamente en cualquier
momento dado. De esta manera, el controlador desvía de manera
intermitente la corriente en serie alrededor de los LED respectivos.
En un aspecto, diferentes agrupamientos de menos de cuatro LED se
activan sucesivamente de manera que es generalmente imperceptible
para un observador. En otro aspecto, puede provocarse el
cortocircuito de más de un LED al mismo tiempo para permitir
reducciones adicionales de la tensión de funcionamiento mientras que
todavía se genera luz desde el aparato (por ejemplo, pueden
activarse sólo dos LED en cualquier momento dado, con diferentes
grupos de dos LED activados sucesivamente a una velocidad apropiada
de modo que sea generalmente imperceptible para un observador).
En el circuito de la figura 4, el controlador
105A puede emplear una cualquiera o más de varias técnicas para
monitorizar uno o más parámetros representativos de la tensión de
funcionamiento aplicada entre los nodos 108A y 108B, y determinar
un número apropiado de LED que puede activarse de modo que se
controlen de manera eficaz las trayectorias de corriente
controlables implementadas por los conmutadores
SW1-SW4. Para este fin, el controlador 105A puede
incluir una o más entradas para recibir señales para monitorizar una
o más de la propia tensión de funcionamiento (a través de la línea
324), una tensión de drenaje del FET Q35 (a través de la línea
320), y una tensión de puerta del FET Q35 (a través de la línea
322).
En un ejemplo, el controlador 105A monitoriza
tanto la tensión de puerta y la tensión de drenaje del FET Q35, en
el que una tensión de puerta relativamente superior indica que la
tensión de funcionamiento ha disminuido y puede haber una necesidad
de provocar el cortocircuito de uno o más LED, mientras que una
tensión de drenaje relativamente superior indica que la tensión de
funcionamiento ha disminuido y que puede ser posible provocar el
cortocircuito de menos LED. Por ejemplo, en una implementación
particular basada en una tensión de funcionamiento esperada nominal
de aproximadamente 13,5-14,5 voltios (por ejemplo,
aplicaciones en automóviles), y un aparato 100A que incluye cuatro
LED conectados en serie, una tensión de puerta de aproximadamente 4
voltios indica que la tensión de funcionamiento se ha reducido
hasta un valor en el que es necesario provocar el cortocircuito de
al menos un LED, y una tensión de drenaje de aproximadamente 5
voltios indica una tensión de funcionamiento suficiente para
incluir los cuatro LED en el apilamiento conectado en serie. En otro
ejemplo, el controlador 105A monitoriza sólo una de la tensión de
drenaje y de puerta del FET Q35, y se basa en la detección precisa
de tensiones de drenaje altas y bajas para tomar la decisión, o el
funcionamiento especulativo de los conmutadores para determinar el
número correcto de LED para los que debe provocarse su
cortocircuito. Aún en otro ejemplo, el controlador 105A puede
monitorizar directamente la tensión de funcionamiento, y emplear una
estrategia predictiva en la que la tensión de funcionamiento
monitorizada se mapea directamente en cierto número de LED
cortocircuitados. Para este fin, en una realización el controlador
puede emplear uno o más valores umbral predeterminados, y a medida
que se reduce la tensión de funcionamiento por debajo de un valor
umbral predeterminado dado, se requiere que se provoque el
cortocircuito de uno o más LED. Pueden usarse otras técnicas
diversas, que incluyen estimar indirectamente la tensión de
drenaje, fuente y/o de puerta del FET Q35, con el objetivo de
determinar el número correcto de LED para los que debe provocarse su
cortocircuito.
Aunque el controlador 105A no controla la fuente
310 de corriente en el circuito de la figura 4, los expertos
habituales en la técnica apreciarán fácilmente que, tal como se
analizó anteriormente en relación con la figura 3, pueden
realizarse otras implementaciones de circuitos en las que el
controlador 105A también puede cambiar el valor de la corriente en
serie que fluye a través de la hilera de LED activados, y puede
modular por ciclo de trabajo la fuente de corriente, para mantener
el brillo global de la luz generada, reducir el brillo, o cambiar
de otro modo algún aspecto de funcionamiento del aparato basándose
en un cambio en la tensión de funcionamiento. Además, en
implementaciones alternativas del aparato 100A basadas generalmente
en la arquitectura de circuitos mostrada en la figura 4, la fuente
de corriente puede implementarse de una cualquiera de numerosas
maneras conocidas por los expertos habituales en las técnicas
relevantes, incluyendo circuitos que emplean uno o más
amplificadores operativos, y transistores de tipo n o de tipo p
tales como BJT o FET. Asimismo, las trayectorias
312A-312D de corriente controlables implementadas
como los conmutadores SW1-SW4 pueden ser de diversos
diseños.
Por ejemplo, las figuras 5A a 5D ilustran cuatro
circuitos a modo de ejemplo no limitativo, pudiéndose emplear uno
cualquiera de los mismos para implementar los conmutadores
SW1-SW4 mostrados en la figura 4. Para fines de
ilustración, los diagramas de circuito en las figuras
5A-5D representan cuatro posibilidades diferentes
para el conmutador SW4 (trayectoria 312A de corriente controlable)
mostrado en la figura 4, en el que los nodos 313A y 313B para la
conexión a lo largo de los LED 104A se indican en las figuras. Debe
apreciarse que puede emplearse uno cualquiera de los diseños de
conmutadores mostrados en las figuras 5A-5D para uno
cualquiera o más de los conmutadores SW1-SW4
mostrados en la figura 4. Como con las diferentes implementaciones
de la fuente 310 de corriente, los conmutadores pueden incluir uno
o ambos de dispositivos de tipo n o de tipo p. En otros aspectos,
puede emplearse una arquitectura de condensador de refuerzo o bomba
de carga capacitiva para aumentar las tensiones de puerta de
conmutador disponibles.
Aunque en una implementación el controlador 105A
de la figura 4 puede controlar sucesivamente diferentes, o
múltiples conmutadores diferentes, de los conmutadores
SW1-SW4 de manera intermitente, tal como se analizó
anteriormente debe apreciarse que pueden implementarse varias
técnicas de control por el controlador 105A según diversas
realizaciones de modo que se controlen las trayectorias de corriente
controlables. Por ejemplo, pueden controlarse las trayectorias de
corriente de manera secuencial, según cierto orden aleatorio o
predeterminado y según una variedad de escalas temporales.
Naturalmente, tal como se indicó anteriormente, en una
implementación la velocidad a la que se controlan las diferentes
trayectorias de corriente puede seleccionarse para que sea más
rápida de manera suficiente que la velocidad a la que un observador
normal puede distinguir diferencias perceptibles en las
características de la luz (por ejemplo, mayor que aproximadamente 50
- 60 Hz). En otras realizaciones del aparato de alumbrado similares
a las mostradas en las figuras 3 y 4, un aparato de alumbrado puede
incluir uno o más elementos ópticos (por ejemplo, tal como se
analizó anteriormente en relación con la figura 1) para mezclar,
difundir, combinar o procesar ópticamente de otro modo la luz
generada por los LED respectivos, de tal manera que la luz
percibida resultante es relativamente independiente de qué LED
particulares se activan en cualquier momento dado.
Adicionalmente, para algunas aplicaciones del
aparato 100A mostrado en las figuras 3 y 4, puede no ser necesario
el funcionamiento periódico, secuencial o intermitente de las
trayectorias de corriente controlables para conmutar uno o más LED
dentro y fuera del apilamiento conectado en serie, o desviar de otro
modo cierta parte de la corriente alrededor de uno o más LED; por
ejemplo, puede haber algunas aplicaciones en las que es aceptable
simplemente elegir un estado de funcionamiento particular (por
ejemplo, cierto número de LED activados) basándose en la tensión de
funcionamiento disponible en cualquier instante dado, y mantener ese
estado durante cierto periodo de tiempo o indefinidamente. Para
este fin, debe apreciarse que se emplee o no algún tipo de técnica
de control estático o dinámico para las trayectorias de corriente
controlables, dos o más trayectorias de corriente pueden
controlarse simultáneamente. Asimismo, la tensión de funcionamiento
disponible puede monitorizarse/muestrearse en cualquiera de una
variedad de intervalos, e implementarse diversas técnicas de control
basándose en la tensión de funcionamiento muestreada.
En otros aspectos del aparato mostrado en la
figura 4, debe apreciarse que para algunas aplicaciones (incluyendo
aplicaciones en automóviles y otras aplicaciones), no todos los
conmutadores SW1-SW4 pueden ser necesarios (es
decir, no es necesario que pueda provocarse el cortocircuito
necesariamente de todos los LED conectados en serie). Por ejemplo,
en sistemas eléctricos de automóviles convencionales, puede ser
necesario sólo tener la capacidad para provocar el cortocircuito de
dos o tres LED de los cuatro LED conectados en serie si no se
esperan de manera rutinaria tensiones de funcionamiento
sustancialmente inferiores a de 10 a 12 voltios, o incluso de tan
sólo 5 voltios. Expuesto de diferente manera, tal como se analizó
anteriormente en relación con la figura 3, puede ser aceptable en
algunas implementaciones tener uno o más LED del apilamiento
conectado en serie que no estén asociados con una trayectoria de
corriente controlable correspondiente, y permanecer en el
apilamiento (y activados) a menores tensiones de funcionamiento,
reduciendo de ese modo adicionalmente el número de trayectorias de
corriente controlables requeridas.
Aún en otro aspecto, el controlador 105A puede
estar configurado para controlar las trayectorias de corriente
controlables o conmutadores SW1-SW4 de tal manera
que el aspecto global de la luz generada cambie perceptiblemente
para un observador cuando la tensión de funcionamiento es
insuficiente para hacer funcionar todos los LED en el apilamiento
conectado en serie; es decir, puede ser útil y/o deseable hacer que
un observador sea consciente de la tensión de funcionamiento
reducida a través de un cambio perceptible en la cualidad (por
ejemplo, brillo) de la luz generada. Si se emplean LED de
diferentes colores, este tipo de indicación puede ser bastante
visible (es decir, cambios de cualidad en la luz debidos a cambios
en la tensión de funcionamiento pueden implicar brillo y
color).
Tal como se analizó también anteriormente en
relación con la figura 3, en general debe apreciarse que los LED
del aparato 100A mostrado en la figura 4 pueden ser del mismo color
(o temperatura de color de blanco) o de diferentes colores (o
diferentes temperaturas de color de blanco). En una realización, la
disposición física de los LED de diferentes colores o temperatura
de color en un aparato dado, y/o la técnica de control implementada
por el controlador 105A, puede beneficiarse del uso de LED de
diferentes colores o diferentes temperaturas de color para crear
diversos efectos de alumbrado. De manera más general, la pluralidad
de LED conectados en serie puede incluir al menos un primer LED
para generar una primera radiación que tiene un primer espectro, y
al menos un segundo LED para generar una segunda radiación que tiene
un segundo espectro diferente del primer espectro, y el controlador
puede controlar las trayectorias de corriente controlables de una
manera predeterminada basándose al menos en parte en los diferentes
espectros de los LED.
En una implementación a modo de ejemplo, el
primer LED puede incluir un primer LED blanco, de tal manera que el
primer espectro corresponde a una primera temperatura de color, y el
segundo LED puede incluir un segundo LED blanco, de tal manera que
el segundo espectro corresponde a una segunda temperatura de color
diferente de la primera temperatura de color. En un aspecto, el
controlador puede controlar las trayectorias de corriente
controlables de tal manera que la temperatura de color global de la
luz generada por el aparato, basada en al menos uno del primer
espectro y el segundo espectro, disminuye a medida que disminuye la
tensión de funcionamiento. Por ejemplo, si se usan LED blancos
cálidos en algunas posiciones y se usan LED blancos fríos en otras,
entonces el controlador puede estar configurado para mantener
activados preferiblemente los LED cálidos a medida que se reduce la
tensión de funcionamiento para imitar el efecto producido por una
bombilla de luz incandescente. Si la emisión de luz de LED
activados respectivos está mezclada suficientemente de manera
óptica, la acción de conmutación puede ser bastante brusca, y
todavía crear la cualidad deseada de la emisión de luz. En otros
aspectos, puede ser conveniente tener un control sobre la corriente
en serie proporcionada por la fuente 310 de corriente, y/o provocar
deliberadamente el cortocircuito de LED ocasionalmente, incluso
cuando existe suficiente tensión de funcionamiento para hacer
funcionar todos los LED en el apilamiento conectado en serie, para
lograr el ajuste del color, la temperatura de color y/o el brillo
resultantes de la luz generada.
Aunque se muestran cuatro LED conectados en
serie en el aparato de la figura 4, el aparato no está limitado a
este respecto, ya que se contemplan realizaciones con menos (tan
sólo dos) o más de cuatro LED según la presente descripción, tal
como se analizó anteriormente en relación con la figura 3. De manera
más general, debe apreciarse que aunque se proporcionó
anteriormente un ejemplo de una aplicación en automóviles en
relación con el aparato mostrado en la figura 4, diversas
implementaciones de la presente invención no se limitan
necesariamente a aplicaciones en automóviles ni al intervalo
particular de tensiones de funcionamiento contempladas para tales
aplicaciones. En un aspecto, el número de LED conectados en serie en
un aparato que tiene construcción y funcionalidad similares al
mostrado en las figuras 3 y 4 puede estar dictado en parte por la
tensión de funcionamiento nominal y el intervalo de tensiones de
funcionamiento esperadas en una aplicación dada. Por ejemplo,
aunque cuatro LED que tienen, cada uno, una tensión directa de
aproximadamente 3,0 a 3,3 voltios pueden ser particularmente
adecuados para tensiones de funcionamiento de aproximadamente 13,0 a
14,5 voltios (por ejemplo, tal como se encuentra en aplicaciones en
automóviles), un aparato basado en dos LED que tienen, cada uno,
una tensión directa de desde 2,5 hasta 3 VCC puede ser
particularmente adecuado para aplicaciones que implican tensiones
de funcionamiento de 6 a 9 VCC, y un aparato que tiene siete LED
conectados en serie puede ser particularmente adecuado para
aplicaciones que implican tensiones de funcionamiento de
aproximadamente 24 voltios. De nuevo, el aparato según la presente
invención que incluye cualquier número de LED puede contemplarse
para prácticamente cualquier intervalo de tensión de funcionamiento
esperada para una variedad de aplicaciones.
Tal como se analizó también anteriormente en
relación con la figura 3, puede controlarse más de un LED mediante
una trayectoria de corriente controlable dada, incluyendo grupos de
LED conectados en paralelo a una altura dada en el apilamiento
conectado en serie, o que tiene una única trayectoria de corriente
controlable que controla LED en dos o más alturas en el apilamiento
conectado en serie (en el que, en cada altura, puede haber uno o
más LED). Naturalmente, debe apreciarse que a medida que aumenta el
número de LED por grupo controlado (por ejemplo, a una altura dada
en el apilamiento), aumenta el brillo diferencial de luz generada
por el aparato a medida que se desvía la corriente alrededor de
diferentes alturas en el apilamiento. Por ejemplo, en una
implementación basada en una tensión de funcionamiento de 24
voltios, un aparato puede comprender siete LED conectados en serie
y sólo cinco trayectorias de corriente controlables, en la que los
LED se disponen como tres grupos controlables de dos LED conectados
en serie, en serie con dos LED controlables individualmente. En
otras implementaciones basadas en diferentes agrupamientos
controlables de LED, pueden implementarse grupos de número par e
impar de LED a alturas respectivas en el apilamiento conectado en
serie de tal manera que el brillo global de la luz generada por un
aparato puede ajustarse en incrementos de un LED (es decir, sin
tener ninguna altura en el apilamiento con sólo un único LED
controlable). Además, en algunas realizaciones, no es necesario que
todos los LED empleados en un apilamiento conectado en serie sean
controlables con respecto a la desviación de corriente, tal como se
analizó también anteriormente en relación con la figura 3. En una
implementación basada en uno o más LED "fijados" (no
controlables) en un apilamiento conectado en serie (en el que los
LED no controlados generalmente suministran más luz que los otros
LED controlados que se supone que se apagan en algunas
circunstancias), la organización física de los LED en un dispositivo
realizado puede adaptarse a medida para optimizar la eficacia
óptica (por ejemplo, los LED no controlados pueden centrarse dentro
del sistema óptico).
Aún en otra realización, un aparato de alumbrado
similar al mostrado en las figuras 3 y 4, basado en múltiples LED
conectados en serie, una o más trayectorias de corriente
controlables conectadas en paralelo con uno o más de los LED
conectados en serie; y un controlador para controlar una o más de
las trayectorias de corriente controlables, puede implementarse
como uno o más circuitos integrados. Además, las implementaciones de
circuitos integrados pueden empaquetarse apropiadamente para la
facilidad de instalación, despliegue y/o uso en una cualquiera de
varias aplicaciones, incluyendo aquellas aplicaciones en las que hay
tensiones de funcionamiento convencionales fácilmente
disponibles.
Por ejemplo, en una realización relacionada con
el aparato mostrado en la figura 4, particularmente en relación con
aplicaciones de alumbrado en automóviles, el aparato puede
implementarse como uno o más circuitos integrados y estar incluidos
en un paquete que facilita la instalación y el uso en un entorno de
automóvil. Para este fin, todos los componentes de los conjuntos de
circuitos mostrados en la figura 4 pueden implementarse en un único
chip de circuito integrado, o los LED pueden implementarse en un
chip y los conjuntos de circuitos de control asociados
implementarse en otro chip y apilarse con el chip de LED. En
técnicas de fabricación típicas, en primer lugar se unen los LED a
un "submontaje" que a menudo es un dispositivo semiconductor,
habitualmente con diodos de protección de polarización inversa, o
diodos Zener para impedir el fallo del dispositivo debido a altas
tensiones o corrientes transitorias. Los conjuntos de circuitos
mostrados en la figura 4 pueden integrarse totalmente, y requieren
una capacitancia muy baja para su funcionamiento; por tanto, los LED
y conjuntos de circuitos asociados pueden integrarse por
completo.
Un aparato de alumbrado para automóviles según
una realización de la presente invención, basado en el circuito de
la figura 4, puede incluir además un paquete para uno o más chips de
circuito integrado en el que se implementa el circuito. La figura 6
ilustra de manera muy general un paquete 400 a modo de ejemplo para
un aparato de alumbrado de este tipo, en el que el paquete incluye
uno o más chips 404 de circuito integrado en los que se implementa
el aparato 100A, uno o más elementos 402 ópticos (por ejemplo, una
lente) para proteger el/los chip(s) y permitir la emisión de
luz, y al menos un conector 406 eléctrico. En un aspecto, el
conector 406 eléctrico está configurado para acoplarse con un
conector 408 eléctrico complementario acoplado a un arnés 410 de
cable de un automóvil. En otro aspecto, el conector 406 eléctrico
(así como el conector 408 eléctrico) puede incluir un primer
conductor 406A conectado eléctricamente al primer nodo 108A al que
se aplica la tensión de funcionamiento, y un segundo conductor 406B
conectado eléctricamente al segundo nodo 108B al que se aplica la
tensión de funcionamiento. En las técnicas relevantes se conoce una
amplia variedad de conectores eléctricos adecuados para
aplicaciones en automóviles y se contemplan para diversas
implementaciones del aparato de alumbrado mostrado en la figura
6.
Por consiguiente, en una implementación a modo
de ejemplo, un paquete completo para un aparato de alumbrado para
automóviles puede incluir cuatro LED conectados en serie y conjuntos
de circuitos de control asociados en uno o más chips de circuito
integrado, agrupados bajo una lente en un paquete de dos
conductores, y que tiene una potencia de funcionamiento global del
orden de 0,5 a 5 vatios.
Aún en otros aspectos, el paquete 400 mostrado
en la figura 6 puede incluir otros componentes, cuyos ejemplos
típicos incluyen, pero no se limitan a, una o más resistencias para
fijar la corriente o características de corriente/tensión, pequeños
condensadores para una reducción adicional de IEM, y posiblemente
otros componentes de filtrado o protección incluyendo inductores,
condensadores, diodos Zener, etc. El paquete 400 también puede
dotarse de conductores extra o un bastidor de conductores con otras
características, tales como orificios de montaje similares a los
usados en transistores de potencia (por ejemplo, el paquete
TO-220 o TO-247), o zonas de
anclaje de clip de retención. Los conductores adicionales pueden
usarse para diversos fines, incluyendo ajuste de modo o corriente,
comunicaciones (si se añaden tales características al circuito de
control), calibración, o detección y determinación de fallos.
Más específicamente, puesto que los conjuntos de
circuitos de control asociados con los LED en el aparato de la
figura 4 pueden fabricarse como un sustrato para los LED, y tales
sustratos puede tener un tamaño mínimo que puede ser mayor que el
tamaño necesario para implementar los propios conjuntos de circuitos
de control, también pueden incluirse otras funciones. Por tanto, en
otra realización, el controlador 105A puede implementar una
variedad de funciones además del control de las trayectorias de
corriente controlables y/o fuente de corriente. De esta manera,
puede incluirse una funcionalidad significativa en tales
dispositivos de alumbrado con un aumento relativamente pequeño en
el coste con respecto al coste de producción de un LED empaquetado
típico.
Por ejemplo, tal como se analizó anteriormente
en relación con las figuras 3 y 4, el controlador 105A puede
incluir uno o más puertos de comunicación (por ejemplo, 120A y 120B
mostrados en la figura 4) para recibir y/o transmitir información.
Con referencia de nuevo a la figura 6, el conector 406 eléctrico del
paquete 400 puede incluir un tercer conductor 406C conectado
eléctricamente al/a los puerto(s) de comunicación, de tal
manera que el controlador puede recibir una primera información a
través del tercer conductor y al menos uno de los puertos de
comunicación. Asimismo, en una realización el controlador puede
incluir una memoria para almacenar una segunda información, y puede
transmitir al menos parte de la segunda información procedente de
al menos un puerto de comunicación a través del tercer conductor al
arnés 410 de cable del automóvil.
Existen numerosas situaciones a modo de ejemplo
en las que la capacidad para comunicar información (por ejemplo,
datos que representan instrucciones de alumbrado o condiciones
externas relacionadas con algún aspecto del automóvil) a y desde el
controlador del aparato de alumbrado sería extremadamente potente,
incluso en el caso de que el controlador realice alguna función
basándose en la información que puede tener poco o nada que ver con
la generación de luz desde el apilamiento de LED conectados en
serie. Por ejemplo, el controlador puede incluir una memoria que
incluye diversos tipos de información de registro (por ejemplo,
relacionada con pruebas del dispositivo), y/o un de serie único,
accesible a través de uno de los puertos 120A y 120B de
comunicación, para permitir que se siga la pista de piezas de
automóvil en las que se instala el aparato. La información
comunicada al controlador puede estar relacionada con el
funcionamiento del propio aparato de alumbrado, por ejemplo,
detectar una condición externa, tal como temperatura, apertura o
cierre de una puerta, panel, válvula, o funcionamiento de una
interfaz de usuario u otro conmutador, o sensor análogo. La
información transmitida por el controlador también puede usarse
para efectuar operaciones externas, tales como control de
indicadores, motores, solenoides, válvulas, bombas, dispositivos de
bloqueo, ventiladores u otras fuentes de luz en el automóvil.
Adicionalmente, la memoria del controlador puede usarse para
almacenar información sobre cómo debe responder el controlador a
señales externas. Una funcionalidad de este tipo podría
implementarse como un programa informático almacenado completamente
generalizado.
En vista de lo anterior, se contemplan numerosas
variedades de aparatos de alumbrado para automóviles según la
presente invención con diversas funcionalidades. Por ejemplo, un
aparato de alumbrado dado podría producir tanto luz para una manija
de puerta, así como proporcionar el control de un mecanismo de
bloqueo de puerta. El mismo dispositivo con diferente programación
podría ser una luz cenital, con soporte para conmutadores táctiles
capacitivos para controlar su funcionamiento. Un dispositivo podría
operar con funciones tanto de luz de freno como de marcha
atrás.
Aún en otras realizaciones, pueden emplearse
múltiples aparatos de alumbrado según las figuras 3 ó 4 en
configuraciones en paralelo o en serie. En particular, para
tensiones de funcionamiento significativamente superiores a de 12 a
15 voltios, pueden usarse uno o más LED convencionales o paquetes de
LED convencionales (es decir, sin la funcionalidad de control del
aparato de la figura 4) en serie con un aparato de la figura 4, en
los que se emplea la funcionalidad de control del aparato de la
figura 4 para adaptarse a disminuciones en la tensión de
funcionamiento aplicada a los múltiples dispositivos conectados en
serie. De esta manera, el aparato de la figura 4 sirve como un
elemento "inteligente" o "activo" en una conexión en serie
de tales dispositivos, mientras que el uno o más LED convencionales
o paquetes de LED convencionales son elementos "no
inteligentes" o "pasivos" en la conexión en serie. En un
aspecto, una configuración de elementos de este tipo puede ser
particularmente adecuada para sistemas de 24 voltios.
En otros aspectos, un aparato de alumbrado según
la presente invención similar a los mostrados en las figuras 3 y 4
tiene una capacitancia apreciablemente baja para permitir la
compatibilidad con los denominados "transformadores electrónicos
de baja tensión", que incluyen un rectificador de puente para
proporcionar una tensión de CC derivada de una tensión de línea de
CA. En particular, la naturaleza resistiva del aparato de alumbrado
mostrado en la figura 4 hace al aparato particularmente adecuado
para aplicaciones que requieren un factor de potencia relativamente
alto. Específicamente, la fuente 310 de corriente en el circuito de
la figura 4 está configurada para fijar la corriente en serie
I_{serie} basándose en la tensión de funcionamiento
aplicada a los nodos 108A y 108B, a través del divisor de tensión
formado por las resistencias R43 y R42; de esta manera, la
resistencia R43 realiza una función de "detección de tensión" y
la corriente extraída por el aparato sigue los cambios en la
tensión de funcionamiento. Mediante la configuración de un aparato
de alumbrado basado en LED para que aparezca como carga
esencialmente resistiva o lineal, pueden reducirse la saturación de
transformador, el ruido acústico y las corrientes armónicas de
entrada, y mejorarse de ese modo el factor de potencia.
Aún en otras realizaciones de la invención según
la presente descripción, en lugar de controlar LED conectados en
serie basándose en cambios de la tensión de funcionamiento, un
aparato de alumbrado similar al mostrado en la figura 3 puede estar
configurado de tal manera que el controlador 105A controla cada uno
de los LED 104A y 104B como canales controlables individual e
independientemente de una unidad de alumbrado multicanal conforme a
una o más instrucciones de alumbrado u órdenes de alumbrado
recibidas a través de la puerto 120A de comunicación, tal como se
analizó anteriormente en relación con las figuras 1 y 2. De nuevo,
un aparato de alumbrado dado basado en la arquitectura general de
circuitos mostrada en la figura 3 puede tener dos o más canales
controlables independientemente; por ejemplo, en una realización, un
aparato de alumbrado puede comprender sólo LED blancos, e incluir
un "canal blanco cálido" que tiene uno o más LED blancos
cálidos ubicados en una primera altura en el apilamiento, y un
"canal blanco frío" que tiene uno o más LED blancos fríos
ubicados en una segunda altura en el apilamiento. Alternativamente,
un aparato de alumbrado puede incluir un canal "rojo" que
incluye uno o más LED rojos ubicados en una primera altura en el
apilamiento, un canal "verde" que incluye uno o más LED verdes
ubicados en una segunda altura en el apilamiento, y un canal
"azul" que incluye uno o más LED azules ubicados en una
tercera altura en el apilamiento. Naturalmente, pueden emplearse
diversas combinaciones de LED coloreados y blancos en diferentes
implementaciones.
En muchas aplicaciones, las fluctuaciones de la
tensión nodal basadas en LED que se conmutan dentro o fuera del
apilamiento conectado en serie pueden tener poca o ninguna
consecuencia. Sin embargo, en algunas circunstancias, pueden usarse
opcionalmente dispositivos de equilibrio de tensiones para mantener
una distribución de disipación de potencia y evitar aumentos
bruscos de la tensión en nodos a diferentes alturas en el
apilamiento de LED, ya que esto puede reducir la potencia que se
emplearía de otro modo en la activación de diversas capacitancias
(en algunos casos incluyendo la capacitancia de un LED en sí mismo).
Una implementación de un circuito, que incluye secciones tanto de
equilibrio de tensiones como de desviación de corriente para un LED
dado en un apilamiento conectado en serie, se muestra en la figura
7 y emplea dos amplificadores operativos para controlar los dos la
dos de un par de transistores diferenciales. Las referencias de
tensión para estos amplificadores pueden cambiarse, o pueden
apagarse, para disminuir la tensión de salida de modo que a su vez
conecten/desconecten la trayectoria de corriente apropiada. En
diversos aspectos, las referencias de tensión pueden fijarse como
porcentajes de la tensión de funcionamiento, pueden contener
componentes de tensión tanto radiométricas como fijadas o pueden
ser parcial o totalmente programables (por ejemplo, bajo el control
del controlador 105A).
En otra realización de un aparato de alumbrado
según la presente descripción, se generan múltiples tensiones
nodales diferentes nodo con los amplificadores operativos, y se
utilizan fuentes de corriente controlables que activan LED entre
cada una de las tensiones nodales. Estos circuitos son normalmente
más complejos, y utilizan más dispositivos que deben dimensionarse
para manejar la corriente completa, y así, son menos rentables.
Adicionalmente, pueden requerir condensadores externos para mantener
la estabilidad. Un ejemplo con 3 LED de un aparato 100C de
alumbrado de este tipo se muestra en la figura 8.
En otros aspectos de aparato de alumbrado
multicanal que emplea LED conectados en serie, debe apreciarse que
las disposiciones de circuitos conectados en serie son generalmente
menos eficaces que múltiples canales de LED controlables conectados
en paralelo a lo largo de una tensión de funcionamiento, en los que
todavía fluye corriente a través de la totalidad el circuito, en
lugar de apagarse en un canal dado, cuando no se activan uno o más
canales. Para mitigar este efecto y conservar la potencia, en
algunas realizaciones puede reducirse la corriente en serie que
fluye en el apilamiento de dispositivos, o bien de manera lineal, o
bien tras las señales de activación de los LED. En un aspecto,
puede ser ventajoso generalmente alinear las señales de activación
de los LED de modo que la gran corriente de LED fluye a través de
todos los dispositivos al mismo tiempo, y existe un periodo de
desconexión, durante el cual puede apagarse la fuente de corriente
que fija la corriente en serie. En otros realizaciones del aparato
de alumbrado según la presente descripción, los canales de LED
controlables pueden separarse en grupos, teniendo cada grupo una
fuente de corriente diferente, tal como se muestra mediante el
aparato 100D ilustrado en la figura 9.
La figura 10 ilustra una unidad 100E de
alumbrado basada en LED según aún otra realización de la presente
invención que se basa generalmente en la arquitectura de LED
conectados en serie y desviación de corriente alrededor de los LED
respectivos. El aparato de la figura 10 está configurado
adicionalmente para comportarse esencialmente como un elemento
resistivo o lineal, basado en los conceptos dados a conocer en la
solicitud de patente estadounidense con número de serie 60/883.620,
que se incorpora al presente documento como referencia. En
particular, el aparato de la figura 10 incluye LED D38, D39 y D40
conectados en serie y conmutadores SW1-SW3
correspondientes (formados, por ejemplo, por un transistor en serie
con un diodo Zener) que funcionan en parte como reguladores de
tensión de derivación. El aparato también incluye un circuito 600
espejo de corriente que hace que el aparato 100E aparezca como una
carga esencialmente resistiva o sustancialmente lineal para una
tensión de funcionamiento acoplada a los nodos 108A y 108B.
Dependiendo de los requisitos de tensión del controlador 105B, el
aparato también puede incluir un diodo D37 Zener para proporcionar
una tensión de suministro para el controlador 105B (U7).
Aún en otra realización, la combinación de LED y
un controlador para formar una unidad de alumbrado tal como se
analizó anteriormente en relación con una cualquiera de las figuras
descritas anteriormente también puede apilarse en dúo entre una
tensión de funcionamiento, tal como se muestra en la figura 11 y,
tal como se muestra en la figura 12, múltiples de tales unidades de
alumbrado (marcadas como "A" a "E") pueden compartir un
amplificador en una arquitectura "de división de raíles" para
dividir la tensión de funcionamiento de modo que se proporcione
potencia a todas las unidades de alumbrado. El número de unidades de
alumbrado por encima y por debajo del amplificador de división de
raíles no es necesario que sea idéntico, y no es necesario que las
propias unidades de alumbrado sean similares (por ejemplo, pueden
usarse diferentes LED en diferentes unidades de alumbrado, y no es
necesario que el cableado para datos mantenga ninguna relación con
el nivel de apilamiento). El amplificador puede ser o no un
dispositivo de disipación, por ejemplo, podría ser un suministro de
potencia en modo de conmutación, similar a muchos diseños de
amplificador de audio. Además, el amplificador puede integrarse o
no con uno de los circuitos de control. Además, los circuitos de
control pueden tener entradas de datos, que o bien pueden acoplarse
de manera capacitiva, o bien pueden usar otros esquemas para
comunicarse entre ellos.
Aunque se han descrito e ilustrado varias
realizaciones inventivas en el presente documento, los expertos
habituales en la técnica preverán fácilmente una variedad de otros
medios y/o estructuras para realizan la función y/u obtener los
resultados y/o uno o más de las ventajas descritas en el presente
documento, y se considera que cada una de tales variaciones y/o
modificaciones está dentro del alcance de las realizaciones
inventivas descritas en el presente documento. De manera más
general, los expertos en la técnica apreciarán fácilmente que todos
los parámetros, dimensiones, materiales y configuraciones descritos
en el presente documento pretenden ser a modo de ejemplo y que los
parámetros, dimensiones, materiales y/o configuraciones reales
dependerán de la aplicación o aplicaciones específicas para
la(s) que se use(n) las enseñanzas de la invención.
Los expertos en la técnica reconocerán, o podrán determinar sin
usar más que la experimentación rutinaria, muchos equivalentes a
las realizaciones inventivas específicas descritas en el presente
documento. Por tanto, ha de entenderse que las realizaciones
anteriores se presentan a modo de ejemplo únicamente y que, están
dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y los
equivalentes de las mismas.
Claims (15)
1. Aparato (100A), que comprende: al menos dos
LED (104A, 104B) conectados en serie entre un primer nodo (108A) y
un segundo nodo (108B), en el que fluye una corriente en serie entre
el primer nodo y el segundo nodo cuando se aplica una tensión de
funcionamiento a lo largo del primer nodo y el segundo nodo; al
menos una trayectoria (312A) de corriente controlable conectada en
paralelo con al menos un primer LED de los al menos dos LED para
desviar al menos parcialmente la corriente en serie alrededor del
primer LED; caracterizado por al menos un controlador (105A)
para monitorizar al menos un parámetro representativo de la tensión
de funcionamiento y determinar un número máximo de LED de los al
menos dos LED que puede activarse mediante la tensión de
funcionamiento, controlando el al menos un controlador (105A) la al
menos una trayectoria (312A) de corriente controlable de modo que
aumente la cantidad de la corriente en serie que se desvía alrededor
de al menos el primer LED cuando el número máximo es inferior al
número total de todos los al menos dos LED conectados en serie.
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que
el al menos un controlador (105A) controla la al menos una
trayectoria (312A, 312B) de corriente controlable de modo que
aumente la cantidad de la corriente en serie que se desvía
alrededor del primer LED cuando el al menos un parámetro indica que
la tensión de funcionamiento es inferior a un valor umbral
predeterminado, y en el que el valor umbral predeterminado
representa una tensión de funcionamiento mínima necesaria para
activar todos los al menos dos LED (104A, 104B).
3. Aparato según la reivindicación 1, en el que
el al menos un controlador (105A) controla la al menos una
trayectoria (312A, 312B) de corriente controlable para desviar
sustancialmente la corriente en serie alrededor del primer LED
(104A) de modo que se provoque el cortocircuito del primer LED.
4. Aparato según la reivindicación 1, en el que:
los al menos dos LED incluyen al menos tres LED (104A, 104B, 104C)
conectados en serie entre el primer nodo (108A) y el segundo nodo
(108B); y la al menos una trayectoria de corriente controlable
incluye una pluralidad de trayectorias (312A, 312B, 312C) de
corriente controlables que responden a al menos un controlador
(105A), conectándose cada trayectoria de corriente en paralelo con
al menos uno de los al menos tres LED.
5. Aparato según la reivindicación 4, en el que
los al menos tres LED incluyen un primer número de LED, en el que
la pluralidad de trayectorias de corriente controlables incluye un
segundo número de trayectorias de corriente controlables, y en el
que el primer número y el segundo número son diferentes.
6. Aparato según la reivindicación 4, en el que
los al menos tres LED incluyen un primer número de LED, en el que
la pluralidad de trayectorias de corriente controlables incluye un
segundo número de trayectorias de corriente controlables, en el que
el primer número y el segundo número son iguales, y en el que cada
trayectoria de corriente está conectada en paralelo con un LED
correspondiente de los al menos tres LED.
7. Aparato según la reivindicación 4, en el que
el al menos un controlador controla al menos algunas de la
pluralidad de trayectorias de corriente controlables, y en el que
cada trayectoria de corriente controlable controlada por el
controlador desvía de manera intermitente la corriente en serie
alrededor del correspondiente al menos un LED de los al menos tres
LED, de tal manera que un número inferior a todos los al menos tres
LED se activan simultáneamente.
8. Aparato según la reivindicación 7, en el que
el al menos un controlador controla de manera secuencial las al
menos algunas de la pluralidad de trayectorias de corriente
controlables.
9. Aparato según la reivindicación 7, en el que
el al menos un controlador controla simultáneamente al menos dos de
las al menos algunas de la pluralidad de trayectorias de corriente
controlables.
10. Aparato según la reivindicación 1, que
comprende además una fuente de corriente, conectada en serie con los
al menos dos LED entre el primer nodo y el segundo nodo, para fijar
la corriente en serie.
11. Aparato según la reivindicación 10, en el
que la fuente de corriente está configurada para fijar la corriente
en serie basándose en la tensión de funcionamiento.
12. Aparato según la reivindicación 10, en el
que la fuente de corriente responde a al menos un controlador, y en
el que el al menos un controlador controla la corriente en serie
basándose al menos en parte en el al menos un parámetro
monitorizado representativo de la tensión de funcionamiento.
13. Aparato según la reivindicación 12, en el
que el al menos un controlador está configurado para controlar la
fuente de corriente de modo que aumente la corriente en serie a
medida que disminuye la tensión de funcionamiento.
14. Procedimiento de activación de una
pluralidad de LED (104A, 104B) conectados en serie entre un primer
nodo (108A) y un segundo nodo (108B), en el que fluye una corriente
en serie entre el primer nodo y el segundo nodo cuando se aplica
una tensión de funcionamiento a lo largo del primer nodo y el
segundo nodo, comprendiendo el procedimiento:
A) monitorizar al menos un parámetro
representativo de la tensión de funcionamiento;
B) determinar un número máximo de LED de los al
menos dos LED que puede activarse mediante la tensión de
funcionamiento; y
C) cuando el número máximo es inferior al número
total de todos los al menos dos LED conectados en serie, provocar
el cortocircuito de al menos uno de la pluralidad de LED de modo que
un número inferior a todos de la pluralidad de LED se activan
simultáneamente.
15. Aparato de alumbrado para automóviles, que
comprende: al menos un chip de circuito integrado, que comprende:
un primer número de LED conectados en serie entre un primer nodo y
un segundo nodo, en el que fluye una corriente en serie entre el
primer nodo y el segundo nodo cuando se aplica una tensión de
funcionamiento a lo largo del primer nodo y el segundo nodo; un
segundo número de trayectorias de corriente controlables, en el que
el segundo número es igual a o inferior al primer número,
conectándose cada trayectoria de corriente en paralelo con un LED
correspondiente del primer número LED para desviar la corriente en
serie alrededor del LED correspondiente del primer número de LED;
una fuente de corriente conectada en serie con el primer número de
LED entre el primer nodo y el segundo nodo para fijar la corriente
en serie; y al menos un controlador para monitorizar al menos un
parámetro representativo de la tensión de funcionamiento y
determinar un número máximo de LED del primer número de LED que
puede activarse mediante la tensión de funcionamiento, controlando
el al menos un controlador el segundo número de trayectorias de
corriente controlables de modo que se desvíe la corriente en serie
alrededor de LED correspondientes respectivos del primer número de
LED cuando el número máximo es inferior al primer número, de tal
manera que un número inferior a todos del primer número de LED se
activan simultáneamente; y un paquete para el al menos un chip de
circuito integrado, incluyendo el paquete al menos un primer
conector eléctrico configurado para acoplarse con un conector
eléctrico complementario o arnés de cable de un automóvil,
incluyendo el al menos un primer conector eléctrico al menos un
primer conductor conectado eléctricamente al primer nodo y un
segundo conductor conectado eléctricamente al segundo nodo para
aplicar la tensión de funcionamiento a lo largo del primer nodo y
el segundo nodo.
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