ES2717895T3 - Circuito de iluminación LED aislado por transformador con control de atenuación de lado secundario - Google Patents

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Description

DESCRIPCIÓN
Circuito de iluminación LED aislado por transformador con control de atenuación de lado secundario
Campo de la invención
1. Campo de la invención
La presente invención se refiere, en general, a lámparas de diodos emisores de luz (LED) atenuables, y en particular a una fuente de alimentación de lámpara LED que controla la atenuación de los LED desde el lado secundario de un transformador.
Antecedentes de la invención
2. Antecedentes de la invención
Los circuitos integrados (IC) de control de iluminación y fuente de suministro eléctrico son de uso común tanto en los sistemas electrónicos como en los dispositivos de iluminación reemplazables de los consumidores, por ejemplo, los repuestos de diodos emisores de luz (LED) y lámparas fluorescentes compactas (CFL) para las bombillas incandescentes tradicionales.
La conversión de energía requerida para operar las lámparas LED de manera eficiente es normalmente desde una fuente de suministro eléctrico de línea de CA rectificada de tensión relativamente alta (por ejemplo, 120 VCA o 240 VCA rectificada a 180 VCC o 360 VCC), hasta la caída de tensión directa de uno o más LED dispuestos en "cadena" conectada en serie, que es del orden de 5 V-15 V para el dispositivo de repuesto de bombilla incandescente típico. Dado que, sin filtrado, esta tensión de línea rectificada variará a una velocidad lenta (por ejemplo, 120 Hz), la energía debe almacenarse para evitar variar la corriente suministrada a los LED. Por lo tanto, deben proporcionarse condensadores de almacenamiento suficiente para filtrar la tensión de línea rectificada, y/o la tensión de línea rectificada debe convertirse en una tensión de CC más baja para proporcionar la tensión operativa adecuada para los LED. Por lo tanto, es deseable convertir la tensión de línea rectificada en una tensión de CC más baja usando una topología acoplada por transformador, tal como un convertidor de retorno.
Sin embargo, usando una topología acoplada por transformador, el control del nivel de atenuación en dispositivos de iluminación LED atenuables normalmente requiere otra trayectoria de señal aislada, tal como un aislador óptico o un transformador de señales para permitir la comunicación de la información de atenuación (es decir, la forma de la forma de onda de la línea de CA que se proporciona desde un atenuador basado en tiristores) al lado secundario del transformador, lo que aumenta el coste del dispositivo de iluminación de repuesto, así como la complejidad del circuito.
Por lo tanto, sería deseable proporcionar un circuito de fuente de alimentación aislado por transformador de menor coste que pueda suministrar a LED sin requerir una trayectoria de señal aislada separada para controlar el brillo de una o más cadenas de LED conforme con un nivel de atenuación determinado a partir de la forma de la tensión de línea de CA de entrada.
El documento WO 2011/008635 A1 describe una lámpara LED en la que la intensidad de la luz de salida de los LED en la lámpara LED se ajusta basándose en la tensión de entrada a la lámpara LED. Una unidad de control de atenuador detecta un tipo de conmutador atenuador durante un proceso de configuración. Usando el tipo de atenuador detectado, la unidad de control de atenuador genera señales de control apropiadas para el tipo de atenuador detectado para proporcionar corriente regulada a los LED y lograr el efecto de atenuación deseado. La lámpara LED puede ser un repuesto directo de las lámparas incandescentes convencionales en las configuraciones de cableado típicas que se encuentran en aplicaciones de iluminación de edificios residenciales y comerciales que usan conmutadores atenuadores convencionales.
El documento US 2010/0213859 A1 se refiere a un aparato, un sistema y un método para la conversión de energía para proporcionar iluminación de estado sólido que se puede acoplar a un primer conmutador tal como un conmutador atenuador.
En el documento US 2008/0018261 A1, se desvela un circuito excitador de LED que tiene la capacidad de excitar una cadena única de LED de alimentación.
El documento US 2011/0080110 A1 describe un excitador de diodo emisor de luz adaptado para controlar la magnitud de la corriente conducida a través de una fuente de luz LED o la magnitud de una tensión generada a través de la fuente de luz LED.
El documento WO 2010/035155 A2 enseña un excitador para proporcionar potencia variable a una matriz de LED que puede acoplarse a través de un atenuador a una fuente de suministro eléctrico de CA que comprende un filtro y una unidad de rectificación, una unidad de alimentación de conmutación y una unidad de control.
Divulgación de la invención
La invención se define en las reivindicaciones 1 y 9, respectivamente. En las reivindicaciones dependientes se exponen realizaciones particulares.
En particular, la invención se materializa en un circuito para suministrar potencia a múltiples dispositivos de iluminación, un IC que incluye dicho circuito y un método de operación del circuito.
El circuito es un circuito aislado que incluye un transformador que tiene un devanado primario acoplado a un primer circuito convertidor de potencia que convierte una tensión de línea de CA rectificada en una tensión inferior, y un devanado secundario acoplado a un condensador de almacenamiento. El circuito incluye además un segundo circuito convertidor de potencia que suministra corriente a una o más cadenas de LED desde el condensador de almacenamiento conforme con un valor de atenuación. El valor de atenuación es comunicado a través del transformador mediante patrones o códigos proporcionados en impulsos de conmutación del primer circuito convertidor de potencia, o como alternativa mediante una señal modulada especial proporcionada además de los impulsos de conmutación.
Los anteriores, y otros objetivos, características y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción, más particular, de la realización preferida de la invención, como se ilustra en los dibujos adjuntos.
Descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de bloques que representa conexiones de un dispositivo de iluminación 10.
La figura 2 es un diagrama pictórico que representa una configuración física del dispositivo de iluminación 10. La figura 3 es un diagrama esquemático simplificado que representa detalles dentro del dispositivo de iluminación 10.
La figura 4 es un diagrama esquemático simplificado que representa otros detalles dentro del dispositivo de iluminación 10.
La figura 5 es un diagrama de forma de onda de señal que ilustra señales dentro del dispositivo de iluminación 10.
La figura 6 es un diagrama de forma de onda de señal que ilustra señales dentro del dispositivo de iluminación 10.
Mejor modo para llevar a cabo la invención
La presente invención abarca circuitos y métodos para alimentar y controlar diodos de iluminación (LED), en los que se usa un transformador para aislar los LED de la línea de CA de entrada y en los que la información de atenuación se transmite a través del transformador codificando la información de atenuación ya sea en las posiciones de impulsos de conmutación usados para acoplar la energía a través del transformador, o mediante información adicional acoplada a través del transformador.
Con referencia ahora a la figura 1, se muestra un dispositivo de iluminación de repuesto 10 conectado a una fuente de tensión de línea de CA 6 mediante un atenuador basado en Triac 8, tal como se encuentra generalmente en aplicaciones de iluminación domésticas. El dispositivo de iluminación de repuesto 10 incluye cadenas de LED LEDA,LEDB que producen iluminación en lugar de una bombilla incandescente típica, que proporciona una vida más larga, menos calor y menos consumo de energía que la bombilla incandescente equivalente. Un transformador T1, proporciona aislamiento entre un circuito de lado primario acoplado al atenuador basado en Triac 8 y un circuito de lado secundario que suministra corriente a cadenas de LED LEDA,LEDB.
Un circuito integrado (IC) de controlador de lado primario 20 opera un transistor de conmutación N1, que se ilustra como externo al IC de controlador de lado primario 20, pero que, como alternativa, puede estar incluido dentro del IC de controlador de lado primario 20. El IC de controlador de lado primario 20 incluye un modulador de anchura de impulsos, u otro controlador adecuado capaz de controlar la cantidad de energía aplicada al devanado primario del transformador T1, mediante la activación del transistor de conmutación N1, de acuerdo con valores de atenuación que se determinan a partir de la detección de un nivel de atenuación del atenuador basado en Triac 8 a partir de una forma de onda de la tensión de fuente de suministro eléctrico Vs , que se genera a partir de la tensión de CA de entrada suministrada desde el atenuador basado en Triac 8 mediante un puente rectificador BR y un condensador de filtro C1. El dispositivo de iluminación de repuesto 10 también incluye un convertidor de potencia de conmutación de lado secundario 28 que controla la corriente suministrada a cada una de las cadenas de LED LEDA,LEDB, e incluye un circuito de volcado 32 que disipa cualquier exceso de energía transferido desde el lado primario del transformador T1. Un circuito integrado de control 30 opera el convertidor de potencia de conmutación de lado secundario 28.
Con referencia adicionalmente a la figura 2, se muestra un diagrama pictórico del dispositivo de iluminación de repuesto 10. Un circuito convertidor CONV incluye el puente rectificador BR, el IC de controlador de lado primario 20, el condensador C1, el transistor N1, el transformador T1, y cualquier otro componente requerido para el circuito de lado primario. Un disipador térmico HS está incluido dentro del dispositivo de iluminación de repuesto 10 para disipar el calor generado por las cadenas de LED LEDA,LEDB, y se usa también para montar las cadenas de LED LEDA,LEDB y el convertidor de potencia de conmutación 28, así como disipar calor generado por el convertidor de potencia de conmutación 28. Colocar el control de corriente suministrada a las cadenas de LED LEDA,LEDB en el lado secundario del transformador T1 puede permitir transistores y condensadores de tensión inferior y conmutación de mayor frecuencia (lo que reduce los tamaños del inductor y el condensador), reduciendo el coste de suministrar y controlar corriente a múltiples cadenas de LED. Además, dado que tanto el disipador térmico HS como el circuito de volcado 32 están en el lado secundario aislado del transformador T1, el disipador térmico HS se puede usar para disipar el calor generado por el circuito de volcado 32.
Con referencia ahora a la figura 3, se muestran detalles del IC de controlador de lado primario 20, de acuerdo con un ejemplo descrito a continuación. Un detector de atenuación 12 detecta un valor de atenuación del atenuador basado en Triac 8 a partir de la forma de onda de la tensión de fuente de suministro eléctrico Vs , lo que puede realizarse midiendo el tiempo encendido o tiempo apagado del atenuador basado en Triac 8 en condiciones de carga adecuadas. El valor de atenuación se comunica a través del transformador T1 mediante cualquiera del patrón, la frecuencia y/o la temporización de impulsos de conmutación que corresponden a activaciones del transistor de conmutación N1, o mediante señales adicionales inyectadas por un modulador 13 durante intervalos cuando el transistor de conmutación N1 está apagado, por ejemplo, después de que toda la energía requerida ha sido transferida durante un ciclo dado de la forma de onda de CA de entrada. Un circuito de detección de tensión 16 detecta la tensión a lo largo del devanado primario del transformador T1, que, cuando el transistor N1 está apagado y el diodo D1 tiene polarización directa, indica la tensión a lo largo del condensador C2. Tener una indicación de la tensión a lo largo del condensador C2 desde el devanado primario del transformador T1 permite al IC de controlador de lado primario 20 regular la tensión a lo largo del condensador C2 sin una trayectoria de retroalimentación aislada adicional. La tensión a lo largo del condensador C2 indicada se usa para controlar la conmutación del controlador de lado primario 14, que en el ejemplo es un modulador de la anchura de impulsos. De este modo, el IC de controlador de lado primario 20 puede ser un circuito relativamente simple con pocas clavijas conectoras, dado que la tarea de controlar la corriente suministrada a las cadenas de LED Le DA,lEd B es delegada al convertidor de potencia de conmutación de lado secundario 28.
Con referencia ahora a la figura 4, se muestran detalles del convertidor de potencia de conmutación de lado secundario 28. Un circuito de convertidor de potencia de lado secundario 40A, 40B separado atrae energía desde el condensador C2, y suministra una corriente a la correspondiente de las cadenas de LED LEDA,LEDB de acuerdo con el valor de atenuación de corriente. Es necesario un control separado de corriente, dado que la cantidad de corriente requerida para un brillo dado difiere entre los tipos de LED (colores de LED) y la cantidad de brillo necesaria para simular adecuadamente la atenuación de una bombilla incandescente varía por separado para las diferentes cadenas de LED LEDA,LEDB. Por ejemplo, a niveles de iluminación inferiores, la parte roja del espectro domina a medida que la intensidad de iluminación disminuye.
Cada uno de los circuitos de convertidor de potencia de lado secundario 40A,40B incluye un transistor de conmutación N2, una resistencia de detección de corriente R1 un inductor L1, un diodo de retorno D4 y otro diodo D3 que impide la conducción inversa al interior del condensador C2 y los otros circuitos acoplados al condensador C2. Un condensador de almacenamiento C3 se proporciona a lo largo de la cadena de LED correspondiente LEDA,LEDB para impedir cualquier variación de luz visible debido a la conmutación. Los convertidores de potencia secundarios 40A,40B representados son configuraciones de marco invertido, en las que corriente Il es atraída a través de la cadena de LED correspondiente LEDA,LEDB cuando el transistor N2 es activado por el IC de control de lado secundario 30 y cuando el transistor N2 es desactivado por el IC de control de lado secundario 30, la energía almacenada en el inductor L1 es volcada en el condensador C3 a través del diodo de retorno D4. El circuito de volcado 32 incluye un transistor de conmutación N3 y una resistencia R2 que se usan para disipar cualquier exceso de energía presente en el condensador C2, cuando el controlador de compuerta/volcado 46 determina que la tensión en el condensador C2 ha ascendido demasiado, o directamente de acuerdo con el valor de atenuación, que es detectado a partir del devanado secundario del transformador T1 mediante un detector del valor de atenuación 42.
El detector del valor de atenuación 42 del IC de controlador de lado secundario 30 y el controlador de lado primario 14 (u opcionalmente modulador 13) del IC de controlador de lado primario 20, actúan en concierto para comunicar el valor de atenuación desde el detector de atenuación 12 del IC de controlador de lado primario 20 al controlador de compuerta/volcado 46 del IC de controlador de lado secundario 30. Existen numerosas técnicas de señalización disponibles para comunicar información a través de un transformador de aislamiento de potencia conmutado, incluyendo modulación de frecuencia, transmisión por código de impulsos, etc. En la presente divulgación, las técnicas se agrupan en dos categorías: señalización usando impulsos de conmutación de transferencia de potencia para transmitir la información de atenuación y señalización usando una señal adicional que transmite la información de atenuación.
Con referencia ahora a la figura 5, se ilustran ejemplos de la primera categoría de técnicas de comunicación de atenuación se ilustran de acuerdo con diferentes ejemplos. La tensión de línea de CA Vlínea se ilustra junto con las formas de onda sinusoidal cortada de la salida de atenuación rectificada que forma la tensión de fuente de suministro eléctrico Vs. El Triac en el atenuador basado en Triac 8 se enciende en el tiempo ton1, que representa el comienzo de la transferencia de energía disponible, cuya duración se indica mediante la señal de ejecución, que termina en el cruce por cero de la tensión de línea de CA V línea, y que también indica el valor de atenuación directamente. El Triac en el atenuador basado en Triac 8 se apaga cuando la corriente cae por debajo de la corriente de mantenimiento del Triac, es decir, en los tiempos tz1, tz2, tz3, y tz4. La señal “triac on” muestra el tiempo de encendido del Triac. Dado que un objetivo de las técnicas de comunicación de atenuación de los circuitos ilustrados en el presente documento es comunicar el valor de atenuación indicado mediante la anchura de la señal de ejecución, una manera de proporcionar la indicación es comenzar siempre la operación del controlador de lado primario 14 de la figura 3 cuando la señal de ejecución está contrastada (en los tiempos ton1, W , ton3 y ton4 ) y siempre contrastar (o terminar) un impulso final en un tiempo cuando la señal de ejecución está sin contrastar. Los impulsos finales están ubicados en los tiempos tz1, tz2, tz3 y tz4, incluso aunque la transferencia de energía está sustancialmente completa más pronto, por ejemplo, en tiempo txfc en el primer ciclo ilustrado. El tipo de señalización anteriormente se ilustra mediante la señal de control sw, de acuerdo con un ejemplo. De acuerdo con otro ejemplo, la frecuencia de impulsos en la señal de control sw(alt) se modula para reflejar el valor de atenuación. En ambos de los ejemplos anteriores, el detector del valor de atenuación 42 de la figura 4 está adaptado para medir el intervalo de tiempo entre el impulso de comienzo y el final de la ráfaga de impulsos para el ejemplo de la señal de control sw, o la frecuencia de bordes frontales de los impulsos en la señal de control sw(alt). De acuerdo con otro ejemplo, el valor de atenuación puede estar codificado en patrones dentro de la señal de control sw.
Con referencia ahora a la figura 6, se ilustran los ejemplos de la segunda categoría de técnicas de comunicación de atenuación. Las formas de onda ilustradas son las mismas que las ilustradas en la figura 5, con la excepción de la señal de control sw, de modo que solamente las señales adicionales en la figura 6 se describirán a continuación. La señal sw+mod ilustra una señal de control de acuerdo con un ejemplo, en el que un patrón de código de baja amplitud particular c1 es embebido en la señal de control sw+mod por el modulador 13 de la figura 2 para indicar tiempos de cruce por cero, tiempos tz1, tz2, tz3 y tz4. El detector del valor de atenuación 42 de la figura 4 está adaptado para detectar el patrón de código c1, que se ilustra como un impulso bipolar de baja amplitud, pero puede ser cualquier patrón de código detectable. Otros ejemplos se ilustran mediante la señal de control sw+mod(alt1), que ilustra la inserción de un patrón de código c2 que forma un código binario que codifica directamente el valor de atenuación “atenuar”, que puede ser detectado mediante un decodificador adecuado dentro del detector del valor de atenuación 42 de la figura 4. Finalmente, la señal de control sw+mod(alt2) ilustra la inserción de una ráfaga c3, cuya frecuencia de indica el valor de atenuación “atenuar” que puede ser detectado mediante un detector de frecuencia adecuado dentro del detector del valor de atenuación 42 de la figura 4.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo de iluminación que comprende:
- uno o más diodos emisores de luz, LED, (LEDA, LEDB);
- un transformador (T1) con un devanado primario y un devanado secundario aislado, en el que el devanado primario está acoplado a un circuito integrado de controlador de lado primario (20) configurado para proporcionar una forma de onda de convertidor de potencia de lado primario que comprende impulsos para suministrar energía a los uno o más LED (LEDA, LEDB) e información adicional indicativa de un valor de atenuación a través del transformador (T1),
caracterizado por que el dispositivo de iluminación comprende además un circuito integrado (30) que comprende: - una entrada acoplada al devanado secundario del transformador (T1);
- un decodificador (42) acoplado a la entrada y configurado para decodificar el valor de atenuación codificado en la información adicional de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario proporcionada a lo largo del devanado secundario del transformador (T1); y
- un circuito de control de convertidor de potencia (46) configurado para controlar una corriente suministrada a los uno o más LED (LEDA, LEDB) conforme con el valor de atenuación decodificado.
2. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 1, en el que el valor de atenuación está codificado en la posición de los impulsos en el tiempo.
3. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 1, en el que un periodo de tiempo entre un impulso de inicio y un impulso de fin de un ciclo de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario indica un periodo activo de un circuito atenuador (8) acoplado a una fuente de tensión de línea de CA (6) para generar la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario.
4. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 1, en el que una frecuencia de al menos una parte de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario codifica el valor de atenuación.
5. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 1, en el que el valor de atenuación está codificado en un patrón de impulsos en un ciclo de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario.
6. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 1, en el que los impulsos de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario comprenden impulsos para suministrar energía a los uno o más LED (LEDA, LEDB) y la información adicional indicativa de un valor de atenuación es un componente adicional que comprende impulsos que tienen una tensión máxima sustancialmente inferior a una tensión máxima de los impulsos para suministrar energía a los LED (LEDA, LEDB).
7. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 1, en el que el circuito de control de convertidor de potencia (46) está configurado además para manejar una carga controlable (32) configurada para atraer una corriente de carga desde el devanado secundario para mantener una corriente de carga media mínima en el devanado secundario que supera una corriente requerida para suministrar a los uno o más LED (LEDA, LEDB) para un valor de atenuación dado.
8. El dispositivo de iluminación de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:
- el circuito integrado de controlador de lado primario (20) que comprende:
- un detector de atenuación (12) configurado para generar el valor de atenuación a partir de una forma de una forma de onda proporcionada por un circuito atenuador (8) acoplado a una fuente de tensión de línea de CA (6); - un controlador de lado primario (14) configurado para controlar una cantidad de la energía suministrada al devanado primario del transformador (T1) de acuerdo con el valor de atenuación,
comprendiendo el dispositivo de iluminación, además:
- un circuito rectificador (D1, C2) que comprende un condensador (C2) configurado para almacenar energía transferida a través del transformador (T1) mediante los impulsos, estando el circuito rectificador (D1, C2) configurado para generar una tensión de CC a partir de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario proporcionada a lo largo del devanado secundario del transformador (T1);
- un convertidor de potencia de lado secundario (40A, 40B) que tiene una entrada acoplada al condensador (C2), estando el circuito de convertidor de potencia de lado secundario (40A, 40B) configurado para suministrar energía a los uno o más LED (LEDA, LEDB) desde el condensador (C2),
en el que el circuito de control de convertidor de potencia (46) del circuito integrado (30) está configurado para controlar el circuito de convertidor de potencia de lado secundario (40A, 40B), para controlar la corriente suministrada a los LED (LEDA, LEDB) conforme con el valor de atenuación decodificado.
9. Un método de suministro de energía a uno o más diodos emisores de luz, LED (LEDA, LEDB) comprendiendo el método:
- generar un valor de atenuación a partir de una forma de una forma de onda proporcionada por un circuito atenuador (8) acoplado a una fuente de tensión de línea de CA (6);
- proporcionar impulsos a un devanado primario de un transformador (T1) para suministrar energía a los uno o más LED (LEDA, LEDB) e información adicional indicativa del valor de atenuación, formando los impulsos para suministrar energía y la información adicional una forma de onda de convertidor de potencia de lado primario, el método caracterizado por:
- generar una tensión de CC a partir de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario a lo largo de un devanado secundario aislado del transformador (T1), y almacenar energía en un condensador (C2) cargando el condensador (C2) a partir de la tensión de CC;
- detectar la información adicional indicativa del valor de atenuación y determinar un valor de atenuación detectado a partir de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario a lo largo del devanado secundario del transformador (T1); y
- suministrar energía a los uno o más LED (LEDA, LEDB) desde condensador (C2), en el que al menos una corriente suministrada a los uno o más LED (LEDA, LEDB) está controlada conforme con el valor de atenuación detectado.
10. El método de la reivindicación 9, en el que la información adicional indicativa del valor de atenuación está codificado en la posición de los impulsos en el tiempo.
11. El método de la reivindicación 9, en el que un periodo de tiempo entre un impulso de inicio y un impulso de fin de un ciclo de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario indica un periodo activo del circuito atenuador para generar la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario.
12. El método de la reivindicación 9, en el que una frecuencia de al menos una parte de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario codifica el valor de atenuación.
13. El método de la reivindicación 9, en el que el valor de atenuación está codificado en un patrón de impulsos en un ciclo de la forma de onda de convertidor de potencia de lado primario.
14. El método de la reivindicación 9, en el que la información adicional es un componente adicional que comprende impulsos adicionales que tienen una tensión máxima sustancialmente inferior a una tensión máxima de los impulsos para suministrar energía a los LED (LEDA, LEDB).
15. El método de la reivindicación 9, que comprende además disipar el exceso de energía transferida al condensador usando una carga controlable (32) que atrae una corriente de carga desde el devanado secundario para mantener una corriente de carga media mínima en el devanado secundario que supera una corriente requerida para suministrar a los uno o más LED para un valor de atenuación dado (LEDA, LEDB).
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