ES2881343T3 - Compensación del efecto de bomba de carga para transformador de aislamiento de alta frecuencia en suministros de energía de dispositivos de iluminación - Google Patents

Compensación del efecto de bomba de carga para transformador de aislamiento de alta frecuencia en suministros de energía de dispositivos de iluminación Download PDF

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Abstract

Un aparato (500A, 500B, 800) para suministrar energía a un diodo emisor de luz, LED, carga (20), comprendiendo el aparato: un transformador (120) de aislamiento que tiene un par de terminales (1S/1F) de entrada configurados para recibir energía eléctrica de CA y que tiene un par de terminales (2S/2F) de salida, en el que el transformador de aislamiento proporciona aislamiento de CC entre los terminales de entrada en un lado primario del mismo y los terminales de salida en un lado secundario del mismo; un rectificador (130) que tiene un par de terminales de entrada y un par de terminales de salida, en el que los terminales de entrada del rectificador están conectados a los terminales de salida del transformador de aislamiento y los terminales de salida del rectificador están conectados a través de la carga del LED, y en el que el rectificador comprende: un primer diodo (D1) conectado desde el primero de los terminales de entrada del rectificador al primero de los terminales de salida del rectificador, un segundo diodo (D2) conectado desde un segundo de los terminales de entrada del rectificador al primero de los terminales de salida del rectificador, un tercer diodo (D3) conectado desde un segundo de los terminales de salida del rectificador al primero de los terminales de entrada del rectificador, y un cuarto diodo (D4) conectado desde el segundo de los terminales de salida del rectificador al segundo de los terminales de entrada del rectificador; y primer y segundo condensadores (510/520, 810/812), en los que una primera capacitancia del primer condensador es aproximadamente la misma que una segunda capacitancia del segundo condensador, y en el que: el primer condensador (510, 810) está conectado a través del primer diodo (D1) y el segundo condensador (520, 812) está conectado a través del segundo diodo (D2), o el primer condensador (510, 810) está conectado a través del tercer diodo y el segundo condensador (520, 812) está conectado a través del cuarto diodo (D4).

Description

DESCRIPCIÓN
Compensación del efecto de bomba de carga para transformador de aislamiento de alta frecuencia en suministros de energía de dispositivos de iluminación
Campo técnico
La presente invención está dirigida generalmente a fuentes de alimentación para dispositivos de iluminación (por ejemplo, dispositivos de iluminación de diodos emisores de luz (LED)) y otras fuentes de alimentación de modo de conmutación donde la entrada está aislada de la salida mediante un transformador de aislamiento de alta frecuencia. Más particularmente, diversos métodos y aparatos de la invención divulgados en este documento se refieren a dispositivos y métodos de compensación del efecto de bomba de carga para un transformador de aislamiento de alta frecuencia en fuentes de alimentación para dispositivos de iluminación (por ejemplo, dispositivos de iluminación LED) y otras fuentes de alimentación de modo de conmutación.
Antecedentes
Por razones de seguridad, en muchas o la mayoría de las fuentes de alimentación para dispositivos de iluminación LED y otras fuentes de alimentación de modo de conmutación, la entrada está aislada de la salida mediante un transformador de aislamiento de alta frecuencia. Este transformador de aislamiento recibe en su lado primario energía eléctrica de CA de alta frecuencia (por ejemplo, 40-100 kHz), por ejemplo, energía eléctrica de CA generada por un inversor, y envía la energía eléctrica de CA a un rectificador en su lado secundario. Una salida de CC de baja ondulación del rectificador se obtiene proporcionando un filtro o condensador de suavizado a través de la salida del rectificador.
Existe una capacitancia parásita entre los devanados primario y secundario de un transformador de aislamiento. Esta capacitancia parásita se distribuye de una manera que depende de la construcción del transformador de aislamiento (por ejemplo, cómo se devana el transformador de aislamiento).
En algunos casos, esta capacitancia parásita puede producir un efecto de bomba de carga que conduce a un aumento no deseado en el voltaje de salida del rectificador cuando la salida del rectificador está descargada o ligeramente cargada.
Este alto voltaje de salida causado por este efecto de bomba de carga puede ser una violación de la especificación de voltaje de salida máximo para la fuente de alimentación. Además, cuando uno de los devanados (primario, secundario u otros devanados auxiliares) del transformador de aislamiento se utiliza para detectar el voltaje de salida, el voltaje pico detectado ya no será proporcional al voltaje de salida real ya que el voltaje a través del devanado secundario es menor que el voltaje de salida debido al efecto de bomba de carga.
Una solución tradicional a este problema es usar una carga ficticia en la salida (es decir, la salida del rectificador) que sea lo suficientemente grande como para que la caída de voltaje a través de esta carga ficticia causada por la corriente de la bomba de carga sea menor que el voltaje de salida requerido sin carga (circuito abierto). Sin embargo, este enfoque provoca una gran pérdida de disipación de energía y puede imponer una tensión térmica sustancial a la carga ficticia.
Por lo tanto, existe una necesidad en la técnica de proporcionar compensación por un aumento en un voltaje de salida a través de la salida de una fuente de alimentación para un dispositivo de iluminación (por ejemplo, un dispositivo de iluminación LED) u otra fuente de alimentación de modo de conmutación debido a un efecto de bomba de carga de una capacitancia parásita del transformador de aislamiento.
DIANBO FU ET AL: “A 700kHz High-Efficiency High-Power-Density Three-Level Parallel Resonant DCDC Converter for High-Voltage Charging Applications”, Conferencia de electrónica de potencia aplicada, APEC 2007-Vigésimo segundo IEEE anual, publicado 2007-02-01, páginas 962 - 968, ISBN 978-1-4244-0713-2; ISBN 1-4244-0713-3 divulga un convertidor resonante paralelo de tres niveles de conmutación de voltaje cero (ZVS) de frecuencia variable, que es capaz de utilizar los componentes parásitos del transformador de alta relación de espiras. La tensión de voltaje de los interruptores primarios es la mitad de la tensión de entrada. Se pueden aplicar MOSFET de bajo voltaje con mejor rendimiento. La conmutación de corriente cero (ZCS) se logra para diodos rectificadores. Se aplica la técnica de integración magnética. Solo se requiere un componente magnético en este convertidor. Se propone y analiza el concepto de factor de potencia de los convertidores resonantes. Se propone un nuevo esquema de control del factor de potencia constante. Con base en esta estrategia de control, la energía circulante de los convertidores resonantes se reduce considerablemente. Se puede obtener una alta eficiencia para aplicaciones de carga de alto voltaje y alta potencia. El principio de funcionamiento del convertidor se analiza y verifica en un prototipo de 700 kHz, 3.7 kW. La densidad de potencia de 72 W/pulgada se logra con una eficiencia superior al 88 %.
Resumen
La presente invención proporciona tres aparatos alternativos para suministrar energía a un diodo emisor de luz, LED, carga, de acuerdo con las reivindicaciones 1, 10 y 17. Las realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.
Generalmente, en un aspecto, un aparato para suministrar energía a una carga de diodo emisor de luz (LED) comprende: un transformador de aislamiento, un rectificador y un primer y segundo condensadores. El transformador de aislamiento tiene un par de terminales de entrada configurados para recibir energía eléctrica de CA, y también tiene un par de terminales de salida, y el transformador de aislamiento proporciona aislamiento de CC entre los terminales de entrada en un lado primario del mismo y los terminales de salida en un lado secundario del mismo. El rectificador tiene un par de terminales de entrada y un par de terminales de salida. Los terminales de entrada del rectificador están conectados a los terminales de salida del transformador de aislamiento y los terminales de salida del rectificador están conectados a través de la carga del LED. El rectificador comprende: un primer diodo conectado desde un primero de los terminales de entrada del rectificador a un primero de los terminales de salida del rectificador, un segundo diodo conectado desde un segundo de los terminales de entrada del rectificador al primero de los terminales de salida del rectificador, un tercer diodo conectado desde un segundo de los terminales de salida del rectificador al primero de los terminales de entrada del rectificador, y un cuarto diodo conectado desde el segundo de los terminales de salida del rectificador al segundo de los terminales de entrada del rectificador. La primera capacitancia del primer condensador es aproximadamente la misma que una segunda capacitancia del segundo condensador, y: el primer condensador está conectado a través del primer diodo y el segundo condensador está conectado a través del segundo diodo, o el primer condensador está conectado a través del tercer diodo y el segundo condensador está conectado a través del cuarto diodo.
Generalmente, en otro aspecto, un aparato para suministrar energía a una carga de LED comprende: un transformador de aislamiento, un rectificador y un condensador de compensación. El transformador de aislamiento tiene un par de terminales de entrada configurados para recibir energía eléctrica de CA y también tiene un par de terminales de salida. El transformador de aislamiento proporciona aislamiento de CC entre los terminales de entrada en un lado primario del mismo y los terminales de salida en un lado secundario del mismo. El transformador de aislamiento tiene una capacitancia parásita entre uno de sus terminales de entrada y uno de sus terminales de salida. El rectificador tiene un par de terminales de entrada y un par de terminales de salida. Los terminales de entrada del rectificador están conectados a los terminales de salida del transformador de aislamiento y los terminales de salida del rectificador están conectados a través de la carga del LED. El rectificador comprende una pluralidad de diodos conectados en un puente de diodos. El condensador de compensación está conectado a través de uno de los diodos del puente de diodos, y la capacitancia del condensador de compensación es aproximadamente la misma que la capacitancia parásita.
Generalmente, en otro aspecto más, un aparato para suministrar energía a una salida incluye un transformador de aislamiento y un rectificador. El transformador de aislamiento tiene una capacitancia parásita entre uno de sus terminales de entrada y uno de sus terminales de salida. El rectificador tiene un par de terminales de entrada y un par de terminales de salida. Los terminales de entrada del rectificador están conectados a los terminales de salida del transformador de aislamiento y los terminales de salida del rectificador están conectados a través de la salida del aparato. El rectificador incluye una pluralidad de diodos conectados en un puente. El aparato también incluye un dispositivo de compensación para compensar un aumento en un voltaje de salida a través de la salida del aparato debido a un efecto de bomba de carga de la capacitancia parásita. El dispositivo de compensación incluye al menos un condensador de compensación conectado a través de uno de los diodos del puente.
Como se usa en este documento para los propósitos de la presente divulgación, el término “LED” debe entenderse que incluye cualquier diodo electroluminiscente u otro tipo de sistema basado en unión/inyección de portador que sea capaz de generar radiación en respuesta a una señal eléctrica. Por lo tanto, el término l Ed incluye, pero no se limita a, diversas estructuras basadas en semiconductores que emiten luz en respuesta a la corriente, polímeros emisores de luz, diodos emisores de luz orgánicos (OLED), tiras electroluminiscentes y similares. En particular, el término LED se refiere a diodos emisores de luz de todo tipo (incluidos diodos emisores de luz semiconductores y orgánicos) que pueden configurarse para generar radiación en uno o más del espectro infrarrojo, espectro ultravioleta y diversas porciones del espectro visible espectro (que generalmente incluye longitudes de onda de radiación de aproximadamente 400 nanómetros a aproximadamente 700 nanómetros). Algunos ejemplos de LED incluyen, pero no se limitan a, diversos tipos de LED infrarrojos, LED ultravioleta, LED rojos, LED azules, LED verdes, LED amarillos, LED ámbar, LED naranjas y LED blancos (discutidos más adelante). También debe apreciarse que los LED pueden configurarse y/o controlarse para generar radiación con diversos anchos de banda (por ejemplo, anchos completos a la mitad del máximo, o FWHM) 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 categorización de color general dada.
Por ejemplo, una implementación de un LED configurado para generar luz esencialmente blanca (por ejemplo, un LED blanco) puede incluir una serie de matrices 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 asociarse con un material de fósforo que convierte la electroluminiscencia que tiene un primer espectro en un segundo espectro diferente. En un ejemplo de esta implementación, la electroluminiscencia que tiene una longitud de onda relativamente corta y un espectro de ancho de banda estrecho “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, como se discutió anteriormente, un LED puede referirse a un único dispositivo emisor de luz que tiene múltiples matrices que están configuradas para emitir respectivamente diferentes espectros de radiación (por ejemplo, que puede o no ser controlable individualmente). Además, un LED puede estar asociado con un fósforo que se considera una porción integral del 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 chip en placa, LED de montaje en paquete T, LED de paquete radial, LED de paquete de energía, l Ed 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, incluidas, pero que no se limitan a, fuentes basadas en LED (incluidos uno o más LED como se definió 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 halogenuros metálicos), láseres, otros tipos de fuentes electroluminiscentes, fuentes piroluminiscentes (por ejemplo, llamas), fuentes luminiscentes de velas (por ejemplo, mantos de gas, fuentes de radiación de arco de carbono), fuentes fotoluminiscentes (por ejemplo, fuentes de descarga gaseosa), fuentes luminiscentes catódicas que utilizan saciedad electrónica, fuentes galvanoluminiscentes, fuentes cristalinoluminiscentes, fuentes cineluminiscentes, fuentes termoluminiscentes, fuentes triboluminiscentes, fuentes sonoluminiscentes, fuentes radioluminiscentes y polímeros luminiscentes.
Una fuente de luz determinada puede configurarse para generar radiación electromagnética dentro del espectro visible, fuera del espectro visible o una combinación de ambos. Por lo tanto, los términos “ luz” y “radiación” se utilizan indistintamente en el presente documento. Además, una fuente de luz puede incluir como componente integral uno o más filtros (por ejemplo, filtros de color), lentes u otros componentes ópticos. Además, debe entenderse que las fuentes de luz pueden configurarse 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 eficazmente un espacio interior o exterior. En este contexto, “suficiente intensidad” se refiere a suficiente energía radiante en el espectro visible generado en el espacio o entorno (la unidad “ lúmenes” a menudo se emplea para representar la salida de luz total de una fuente de luz en todas las direcciones, en términos de energía radiante o “flujo luminoso”) para proporcionar iluminación ambiental (es decir, luz que puede percibirse indirectamente y que puede reflejarse, por ejemplo, en una o más de una variedad de superficies intermedias antes de ser percibida en su totalidad o en parte).
Debe entenderse que el término “espectro” se refiere a una o más frecuencias (o longitudes de onda) de radiación producida por una o más fuentes de luz. Por consiguiente, el término “espectro” se refiere a frecuencias (o longitudes de onda) no solo en el rango visible, sino también a frecuencias (o longitudes de onda) en el infrarrojo, ultravioleta y otras áreas del espectro electromagnético general. Además, un espectro dado puede tener un ancho de banda relativamente estrecho (por ejemplo, un FWHM que tiene esencialmente pocos componentes de frecuencia o longitud de onda) o un ancho de banda relativamente amplio (varios componentes de frecuencia o longitud de onda que tienen diversas intensidades relativas). También debe apreciarse que un espectro dado puede ser el resultado de una mezcla de otros dos o más espectros (por ejemplo, mezcla de radiación emitida respectivamente por múltiples fuentes de luz).
Para los propósitos de esta divulgación, el término “color” se usa indistintamente con el término “espectro”. Sin embargo, el término “color” generalmente se usa para referirse principalmente a una propiedad de la radiación que es perceptible por un observador (aunque este uso no pretende limitar el alcance de este término). Por consiguiente, los términos “colores diferentes” 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 con la luz tanto blanca como no blanca.
El término “temperatura de color” generalmente se usa aquí en relación con la luz blanca, aunque este uso no pretende limitar el alcance de este término. La temperatura de color se refiere esencialmente a un contenido o tono de color particular (por ejemplo, rojizo, azulado) de luz blanca. La temperatura de color de una muestra de radiación dada se caracteriza convencionalmente de acuerdo con 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 del radiador de cuerpo negro generalmente caen dentro de un rango de aproximadamente 700 grados K (generalmente considerado el primero visible para el ojo humano) hasta más de 10.000 grados K; La luz blanca generalmente se percibe a temperaturas de color superiores a 1500-2000 grados K.
Las temperaturas de color más bajas generalmente indican que la luz blanca tiene un componente rojo más significativo o una “sensación más cálida”, mientras que las temperaturas de color más altas generalmente indican que la luz blanca tiene un componente azul más significativo o una “sensación más fría”. A modo de ejemplo, el fuego tiene una temperatura de color de aproximadamente 1.800 grados K, una bombilla incandescente convencional tiene una temperatura de color de aproximadamente 2.848 grados K, la luz del día temprano en la mañana tiene una temperatura de color de aproximadamente 3.000 grados K y los cielos nublados del mediodía tienen una temperatura de color de aproximadamente 10.000 grados K. Una imagen en color vista bajo luz blanca que tiene una temperatura de color de aproximadamente 3.000 grados K tiene un tono relativamente rojizo, mientras que la misma imagen en color vista bajo luz blanca con una temperatura de color de aproximadamente 10.000 grados K tiene un tono relativamente azulado.
El término “accesorio de iluminación” se usa en este documento para referirse a una implementación o disposición de una o más unidades de iluminación en un factor de forma, conjunto o paquete particular. El término “unidad de iluminación” se utiliza aquí para referirse a un aparato que incluye una o más fuentes de luz del mismo tipo o de tipos diferentes. Una unidad de iluminación dada puede tener cualquiera de una variedad de disposiciones de montaje para la(s) fuente(s) de luz, disposiciones y formas de encerramiento/alojamiento y/o configuraciones de conexión eléctrica y mecánica. Además, una unidad de iluminación dada puede asociarse opcionalmente con (por ejemplo, incluir, acoplarse y/o empaquetarse junto con) diversos otros componentes (por ejemplo, circuitos de control) relacionados con el funcionamiento de la(s) fuente(s) de luz. Una “unidad de iluminación basada en LED” se refiere a una unidad de iluminación que incluye una o más fuentes de luz basadas en LED como se discutió anteriormente, solas o en combinación con otras fuentes de luz no basadas en LED. Una unidad de iluminación “multicanal” se refiere a una unidad de iluminación basada o no basada en LED que incluye al menos dos fuentes de luz configuradas para generar respectivamente diferentes espectros de radiación, en el que cada espectro de fuente diferente puede denominarse un “canal” de la unidad de iluminación multicanal.
El término “controlador” se usa aquí en general para describir diversos aparatos relacionados con el funcionamiento de una o más fuentes de luz. Un controlador puede implementarse de numerosas formas (por ejemplo, con hardware dedicado) para realizar diversas funciones discutidas en este 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 discutidas en este 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 circuitos asociados) para realizar otras funciones. Ejemplos de componentes de controlador que pueden emplearse en diversas realizaciones de la presente divulgación incluyen, pero no se limitan a, microprocesadores convencionales, circuitos integrados específicos de aplicación (ASIC) y matrices de puertas programables en campo (FPGA).
En diversas implementaciones, un procesador o controlador puede estar asociado con uno o más medios de almacenamiento (referidos genéricamente en este documento como “memoria”, por ejemplo, memoria de ordenador volátil y no volátil como RAM, PROM, EPROM y EEPROM, disquetes, 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 aquí discutidas. Diversos medios de almacenamiento pueden estar fijos dentro de un procesador o controlador o pueden ser transportables, de manera que uno o más programas almacenados en ellos se pueden cargar en un procesador o controlador para implementar diversos aspectos de la presente invención discutidos en este documento. Los términos “programa” o “programa informático” se utilizan aquí en un sentido genérico para hacer referencia a cualquier tipo de código informático (por ejemplo, software o microcódigo) que se puede emplear para programar uno o más procesadores o controladores.
El término “alrededor” como se usa en este documento significa dentro de /- 25 por ciento de un valor nominal. Más específicamente, cuando se dice que dos valores son aproximadamente iguales, se entiende que significan que están dentro de /- 25 por ciento entre sí. De manera similar, cuando se dice que un primer valor está “alrededor del mismo” que un segundo valor, significa que el primer valor está dentro de /- 25 por ciento del segundo valor.
El término “aproximadamente” como se usa en este documento significa dentro de /- 10 por ciento de un valor nominal. Más específicamente, cuando se dice que dos valores son aproximadamente iguales, se entiende que están dentro del diez por ciento entre sí. De manera similar, cuando se dice que un primer valor es “aproximadamente el mismo” que un segundo valor, significa que el primer valor está dentro de /- 10 por ciento del segundo valor.
Debe apreciarse que todas las combinaciones de los conceptos anteriores y conceptos adicionales discutidos con mayor detalle a continuación (siempre que dichos conceptos no sean mutuamente inconsistentes) se contemplan como parte de la materia objeto inventiva divulgada en este documento. En particular, todas las combinaciones de la materia objeto reivindicada que aparecen al final de esta divulgación se contemplan como parte de la materia objeto inventiva divulgada en el presente documento. También debe apreciarse que a la terminología empleada explícitamente en el presente documento que también puede aparecer en cualquier divulgación incorporada por referencia se le debe otorgar un significado más consistente con los conceptos particulares divulgados en el presente documento.
Breve descripción de los dibujos
En los dibujos, los mismos caracteres de referencia se refieren generalmente a las mismas partes en las diferentes vistas. Además, los dibujos no están necesariamente a escala, sino que generalmente se hace hincapié en ilustrar los principios de la invención.
La figura 1 ilustra un ejemplo de un aparato que incluye una fuente de alimentación de aislamiento que suministra energía a una carga de diodo emisor de luz (LED).
La figura 2A ilustra una porción de un ejemplo de suministro de energía aislado con anotaciones que ilustran una ruta de corriente durante un intervalo de carga de una bomba de carga creada por capacitancias parásitas.
La figura 2B ilustra una porción de un ejemplo de suministro de energía aislante con anotaciones que ilustran una ruta de corriente durante un intervalo de descarga de un efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas. La figura 3 ilustra ejemplos simulados de formas de onda de voltaje y corriente para la porción de un ejemplo de suministro de energía de aislamiento durante los intervalos de carga y descarga del efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas, como se ilustra en las figuras 2A y 2B.
Las figuras 4A-D ilustran algunas realizaciones de ejemplo de un circuito de una fuente de alimentación de aislamiento con medios de compensación para compensar un aumento en un voltaje de salida debido a un efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas.
Las figuras 5A-B ilustran algunas realizaciones de ejemplo adicionales de un circuito de una fuente de alimentación de aislamiento con medios de compensación para compensar un aumento en un voltaje de salida debido a un efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas.
La figura 6 ilustra ejemplos simulados de formas de onda de voltaje y corriente para las realizaciones de ejemplo de una fuente de alimentación de aislamiento con medios de compensación para compensar un aumento en un voltaje de salida debido a un efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas ilustradas en las figuras 4 y 5. La figura 7 ilustra una porción de otro ejemplo de aislamiento de la fuente de alimentación.
La figura 8 ilustra un ejemplo de un aparato que incluye una fuente de alimentación de aislamiento con medios de compensación para compensar un aumento en un voltaje de salida debido a un efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas.
Descripción detallada
Como se describió anteriormente, la capacitancia parásita de un transformador de aislamiento de una fuente de alimentación para un dispositivo de iluminación (por ejemplo, un dispositivo de iluminación LED) u otra fuente de alimentación de modo de conmutación puede producir un efecto de bomba de carga que conduce a un aumento no deseado en el voltaje de salida del rectificador cuando la salida del rectificador está descargada o ligeramente cargada. Este alto voltaje de salida causado por este efecto de bomba de carga puede ser una violación de la especificación de voltaje de salida máximo para la fuente de alimentación. Además, cuando uno de los devanados (primario, secundario u otros devanados auxiliares) del transformador de aislamiento se utiliza para detectar el voltaje de salida, el voltaje pico detectado ya no será proporcional al voltaje de salida real ya que el voltaje a través del devanado secundario es menor que el voltaje de salida debido al efecto de bomba de carga.
De manera más general, los solicitantes han reconocido y apreciado que sería beneficioso compensar un aumento en un voltaje de salida a través de la salida de una fuente de alimentación para un dispositivo de iluminación (por ejemplo, un dispositivo de iluminación LED) u otra fuente de alimentación de modo de conmutación debido a un efecto de bomba de carga de una capacitancia parásita de un transformador de aislamiento de la fuente de alimentación. En vista de lo anterior, diversas realizaciones e implementaciones de la presente invención están dirigidas a métodos y aparatos para compensar un aumento en un voltaje de salida a través de la salida de una fuente de alimentación para un dispositivo de iluminación (por ejemplo, un dispositivo de iluminación LED) u otra fuente de alimentación de modo de conmutación debido a un efecto de bomba de carga de una capacitancia parásita del transformador de aislamiento.
La figura 1 ilustra un ejemplo de un aparato 10 que incluye una fuente 100 de alimentación de aislamiento que suministra energía a una carga 20 de diodo emisor de luz (LED). En este caso, el término “fuente de alimentación de aislamiento” se entiende que significa una fuente de alimentación que está configurada para recibir energía eléctrica en un lado de entrada del mismo y para suministrar energía eléctrica (por ejemplo, a una carga de LED) en un lado de salida del mismo, y que proporciona aislamiento galvánico entre el lado de entrada y el lado de salida en ausencia de efectos parásitos, por ejemplo, por razones de seguridad. Aquí, el aparato 10 puede comprender una unidad de iluminación, que incluye, por ejemplo, un accesorio de iluminación.
La fuente 100 de alimentación de aislamiento incluye un inversor 110, un transformador 120 de aislamiento, un rectificador 130 y un filtro o condensador de suavizado (Co) 135.
En algunas realizaciones, el inversor 110 puede ser reemplazado por otra fuente de energía eléctrica de CA, o puede eliminarse, en cuyo caso la fuente 100 de alimentación de aislamiento recibe energía eléctrica de CA de una fuente o suministro externo.
El transformador 120 de aislamiento incluye al menos un devanado 122 primero o primario en un lado primario o de entrada del mismo y un devanado 124 segundo o secundario en un lado secundario o de salida del mismo. En algunas realizaciones, el transformador 120 de aislamiento puede incluir bobinados auxiliares adicionales, por ejemplo, para detectar una o más corrientes o voltajes de la fuente 100 de alimentación de aislamiento.
El rectificador 130 es un rectificador de onda completa configurado como un puente de diodos. El rectificador 130 tiene un par de terminales de entrada y un par de terminales de salida, en el que los terminales de entrada del rectificador están conectados a los terminales de salida del transformador 120 de aislamiento y los terminales de salida del rectificador están conectados a través de la carga 20 de LED. El rectificador comprende: un primer diodo D1 conectado desde un primero de los terminales de entrada del rectificador 130 a un primero de los terminales de salida del rectificador 130, un segundo diodo D2 conectado desde un segundo de los terminales de entrada del rectificador 130 al primero de los terminales de salida del rectificador 130, un tercer diodo D3 conectado desde un segundo de los terminales de salida del rectificador 130 al primero de los terminales de entrada del rectificador 130, y un cuarto diodo D4 conectado desde el segundo de los terminales de salida del rectificador 130 al segundo de los terminales de entrada del rectificador 130.
En algunas realizaciones, la carga 20 de LED incluye una pluralidad de LED 22 conectados en una o más cadenas. Los LED 22 pueden incluir cualquier combinación deseada de LED blancos y/o de colores para producir una luz de color deseada de una intensidad deseada. En un caso en el que la carga 20 de LED produzca luz blanca, la temperatura de color puede seleccionarse para que tenga un valor deseado mediante elecciones apropiadas de los diversos LED que se emplean. En realizaciones alternativas, la carga 20 de LED se puede reemplazar por una carga diferente, que incluye, por ejemplo, otros dispositivos de iluminación además de los LED.
Aunque no se muestra en la figura 1, en algunas realizaciones, el aparato 10 puede incluir un controlador que tiene uno o más procesadores para controlar la energía eléctrica que se suministra a la carga 20 de LED para producir un efecto de iluminación deseado. En algunas realizaciones, el aparato 10 también puede incluir uno o más sensores de corriente y/o voltaje para detectar voltaje(s) y/o corriente(s) apropiados en el aparato 10 para proporcionar retroalimentación para tal controlador. En algunas realizaciones, dicho procesador puede proporcionarse en el exterior del aparato 10.
En funcionamiento, el inversor 110 recibe en su entrada energía eléctrica de CC y emite energía eléctrica de CA de alta frecuencia a la entrada del transformador 120 de aislamiento. En algunas realizaciones, la energía eléctrica de CC recibida por el inversor 110 tiene un voltaje de alrededor 460 V y una salida de energía eléctrica de CA por el inversor tiene un voltaje regulado a un cierto nivel de acuerdo con los requisitos de salida. En algunas realizaciones, la frecuencia de la energía eléctrica de CA de alta frecuencia es de al menos 10 kHz. En algunas realizaciones, la frecuencia de la energía eléctrica de CA de alta frecuencia está entre aproximadamente 40 kHz y aproximadamente 100 kHz.
El transformador 120 de aislamiento proporciona aislamiento galvánico entre el lado de entrada del mismo en el devanado 122 primario y el lado secundario del mismo en el devanado 124 secundario. Más específicamente, el transformador 120 de aislamiento proporciona aislamiento galvánico entre la salida del inversor 110 y el rectificador 130 y la carga 20 de LED.
En el lado primario del transformador 120 de aislamiento, los voltajes pueden estar referenciados a una tierra 102 primaria, mientras que en el lado secundario del transformador 120 de aislamiento, los voltajes pueden estar referenciados a una tierra 104 secundaria que es diferente de la tierra 102 primaria. En algunas realizaciones, el aparato 100 puede incluir además uno o más condensadores de seguridad entre la tierra 102 primaria y la tierra, y uno o más condensadores de seguridad adicionales entre la tierra 104 secundaria y la tierra. En algunas otras realizaciones, la tierra 102 primaria puede estar conectada directamente a la tierra 104 secundaria con uno o más condensadores de seguridad. Estos condensadores de seguridad proporcionan reducción de ruido electromagnético para el aparato 10. La capacitancia formada por estos condensadores de seguridad está representada por Cp-s entre la tierra 102 primaria y la tierra 104 secundaria, como se muestra en la figura 1.
Además, existe una capacitancia parásita entre los devanados 122 y 124 primario y secundario del transformador 120 de aislamiento. Esta capacitancia parásita se distribuye de una manera que depende de la construcción del transformador 120 de aislamiento (por ejemplo, cómo está devanado el transformador 120 de aislamiento). Esta capacitancia parásita distribuida se puede representar como una sola capacitancia Cp como se muestra en la figura 1. Esta capacitancia parásita Cp se puede conectar entre dos pines cualesquiera del transformador 120 de aislamiento a través de los devanados 122 y 124 primario y secundario, dependiendo de la forma en que se construya el transformador 120 de aislamiento (por ejemplo, cómo está devanado el transformador 120 de aislamiento), por ejemplo, 1S a 2S, 1F a 2F, etc. Debe entenderse que la conexión de Cp de 1F a 2S que se ilustra en la figura 1 es solo una conexión representativa.
Las capacitancias parasitarias Cp y CP-s junto con otros componentes del circuito forman una bomba de carga y aumentan el voltaje Vsalida a través del condensador 135 de suavizado y la salida del rectificador 130 cuando la fuente 100 de alimentación de aislamiento está abierta y cargada (falta la carga 20 del LED o en circuito abierto, por ejemplo, debido a un fallo de un componente) o con una carga ligera, como se explicará a continuación con respecto a las figuras 2A, 2B y 3, donde se supone que la salida del rectificador 130 está ligeramente cargada.
La figura 2A ilustra un circuito 200 que es una porción de un ejemplo de aislamiento de la fuente 100 de alimentación con anotaciones o flechas 205 que ilustran una ruta de corriente durante un intervalo de carga de una bomba de carga creada por las capacitancias parásitas Cp y Cp-s. Los números de referencia y los caracteres de la figura 2A que son los mismos que en la figura 1 designan los mismos elementos y características, una descripción de los cuales no se repetirá. El intervalo de carga representa la mitad de un período de la energía eléctrica de CA que se suministra al circuito 200 (por ejemplo, por el inversor 110).
Durante el intervalo de carga, los extremos 1S y 2S de los devanados 122 primario y secundario del transformador 120 de aislamiento, marcados con un punto en las figuras 2A y 2B, son positivas y la ruta de carga se identifica por la dirección de las flechas 205 en la figura 2A. La corriente de carga proporcionada por el devanado 124 secundario sale del extremo “2S” del devanado 124 secundario y pasa a través de Cp, Cp-s, D3, y vuelve al extremo “2F” del devanado 124 secundario. Como se explicará más adelante con mayor detalle con respecto a la figura 3, dado que Cp-s es mucho más grande que Cp, Cp se carga cerca del voltaje pico (V2_pk) a través del devanado 124 secundario, y el voltaje a través de Cp-s permanece casi sin cambios. Debido al efecto de bomba de carga que se explicará en el intervalo de descarga a continuación, el voltaje de salida Vsalida es mayor que V2_pk y, por lo tanto, no fluye corriente a través del condensador 135 de suavizado en el intervalo de carga.
La figura 2B ilustra el comportamiento del circuito 200 de aislamiento de la fuente 100 de alimentación con anotaciones o flechas 205 que ilustran una ruta de corriente durante un intervalo de descarga de un efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas Cp y Cp-s. Los números de referencia y los caracteres de la figura 2B que son los mismos que en la figura 1 designan los mismos elementos y características, una descripción de los cuales no se repetirá. El intervalo de descarga representa la mitad de un período de la energía eléctrica de CA que se suministra al circuito 200 (por ejemplo, por el inversor 110).
Durante el intervalo de descarga, los extremos “sin puntos” de los devanados 122 primario y secundario del transformador 120 de aislamiento (extremos 1F y 2F) son positivos y la ruta de descarga se identifica por la dirección de las flechas 205 en la figura 2B. La corriente de descarga sale de Cp y fluye a través del devanado 124 del transformador secundario, D1, el condensador 135 de suavizado, Cp-s, y vuelve a Cp. Nuevamente, el voltaje a través de Cp-s permanece casi sin cambios y la carga en Cp se descarga al condensador 135 de suavizado. Cabe señalar que en el caso donde el circuito 200 está ligeramente cargado, parte de la carga permanece en el condensador Cp al final del intervalo de descarga. El Cp se descarga completamente solo cuando la carga es mayor que la carga mínima requerida para eliminar el efecto de la bomba de carga, como se indica en la ecuación 1 a continuación. Durante este proceso de descarga, el voltaje a través de Cp es positivo y en la misma dirección que el voltaje a través del devanado 124 secundario del transformador. Como se explicará con mayor detalle a continuación con respecto a la figura 3, el voltaje pico a través del devanado 124 del transformador secundario sigue siendo V2_pk debido a la simetría del voltaje del transformador en un ciclo de conmutación. Por lo tanto, el voltaje total visto por el condensador 135 de suavizado es (V2_pk Vcp), y el pico es mayor que V2_pk. Esto da como resultado un voltaje de salida Vsalida que es mayor que V2_pk. Como se explicó anteriormente, esto no es deseable.
La corriente de carga mínima necesaria para eliminar el efecto de bomba de carga es:
(1) I(min _ Ioad)=V2_pk*Cp*Fsw,
donde Fsw es la frecuencia de conmutación del circuito;
Siempre que la corriente de salida sea menor que esta corriente de carga mínima I (min_load), el voltaje de salida Vsalida será mayor que V2_pk.
La figura 3 ilustra ejemplos simulados de formas de onda de voltaje y corriente para el circuito 120 durante un intervalo 302 de carga y un intervalo 304 de descarga del efecto de bomba de carga creado por las capacitancias parásitas Cp y Cp-s, como se ilustra en las figuras 2A y 2B. En el ejemplo ilustrado en la figura 3, se supone que la tensión de CA de entrada proporcionada al devanado 122 primario tiene una magnitud de 100 V y una frecuencia de 50 kHz. También se supone que el transformador 120 de aislamiento tiene una relación de espiras de 1: 1 entre el devanado 122 primario y el devanado 124 secundario.
La figura 3 muestra cinco formas de onda 310, 320, 330, 340 y 350, apiladas verticalmente y sincronizadas en el tiempo. En la figura 3, el eje horizontal (eje x) representa el tiempo y el eje vertical (eje y) representa voltaje o corriente, dependiendo de la forma de onda. Para la discusión que sigue, consideramos un período de conmutación completo de la energía eléctrica de CA de 19,97 ms a 19,99 ms, incluido un intervalo de carga de 19,97 ms a 19,98 ms y un intervalo de descarga de 19,98 ms a 19,99 ms.
La primera forma de onda 310 muestra V2_pk, que es un voltaje reflejado del devanado 122 primario. Como se mencionó anteriormente, se ve que el voltaje de CA de entrada proporcionado al devanado 122 primario es de 100 VCA en magnitud y 50 kHz en frecuencia.
La segunda forma de onda 320 muestra Vcp, el voltaje a través de la capacitancia parásita Cp. Tenga en cuenta que el voltaje más bajo de los pulsos de voltaje durante un intervalo 304 de descarga no es cero sino alrededor de 65V. Esto se debe a que la capacitancia parásita Cp no se descarga completamente durante el intervalo 304 de descarga. La capacitancia parásita Cp solo se puede descargar a la carga 20 de LED durante el intervalo 304 de descarga. Cuando la carga 20 de LED falta, está abierta o es demasiado liviana (no es una impedancia lo suficientemente baja para volcar toda la carga que se acumuló en la capacitancia parásita Cp en el intervalo 302 de carga), un voltaje de CC permanece a través de la capacitancia parásita Cp al final del intervalo 304 de descarga. Este voltaje de CC se suma al V2_pk para hacer que el voltaje de salida Vsalida sea mayor que V2_pk durante el ciclo de descarga.
La tercera forma de onda 330 muestra la corriente de carga y descarga a través de la capacitancia parásita Cp. Los pulsos positivos representan la corriente de carga y los pulsos negativos representan la corriente de descarga. En estado estable, la corriente de carga es igual a la corriente de descarga. Nota: el voltaje de CC a través de la capacitancia parásita Cp se carga durante el tiempo transitorio cuando el circuito 200 aún no ha alcanzado el estado estable.
La cuarta forma de onda 340 muestra el voltaje a través de D3, que es la suma de V2_pk (100 V) y Vcp durante el intervalo 304 de descarga. Debido al Vcp distinto de cero (aproximadamente 65 V), este voltaje es de aproximadamente 165 V durante el intervalo 304 de descarga y, como resultado, Vsalida (mostrado en la quinta forma de onda 350) permanece en alrededor de 165 V durante todo el período de conmutación de la energía eléctrica de CA, mucho más alto que V2_pk (100 V).
La figura 4A ilustra una realización de ejemplo de un circuito 400A de una fuente de alimentación de aislamiento que incluye un elemento de compensación para compensar un aumento en un voltaje de salida debido a un efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas. Los números de referencia y los caracteres de la figura 4A que son los mismos que en la figura 1 designan los mismos elementos y características, una descripción de los cuales no se repetirá.
El circuito 400A incluye un condensador 410 de compensación que está conectado a través del diodo D3 (en paralelo con el diodo D3) del rectificador 130.
La figura 4A ilustra el comportamiento de un circuito 400A con anotaciones o flechas 205 que ilustran una ruta de corriente durante un intervalo de descarga de un efecto de bomba de carga creado por las capacitancias parásitas Cp y Cp-s. Como puede verse en las flechas 205, durante el intervalo de descarga, la carga que se ha acumulado en la capacitancia parásita Cp durante el intervalo de carga se descarga al condensador 410 de compensación y, como resultado, no se transfiere carga al condensador 135 de suavizado. En consecuencia, el voltaje a través del condensador 135 de suavizado es igual al voltaje pico del devanado 2 (V2_pk).
Beneficiosamente, la capacitancia del condensador 410 de compensación debería estar cerca de la capacitancia parásita Cp. Si la capacitancia del condensador 410 de compensación es menor que la capacitancia parásita Cp, entonces una parte de la carga en capacitancia parásita Cp aún se transferirá al condensador 135 de suavizado. Si la capacitancia del condensador 410 de compensación es mayor que la capacitancia parásita Cp, entonces una capacitancia equivalente de Cüif = (capacitancia del condensador 410 de compensación) - (capacitancia parásita Cp) causará el mismo efecto de bomba de carga con la diferencia de que los intervalos de carga y descarga se invertirán. Por consiguiente, en algunas realizaciones, la capacitancia del condensador 410 de compensación es aproximadamente la misma que la capacitancia parásita Cp. En algunas realizaciones, la capacitancia del condensador 410 de compensación es aproximadamente la misma que la capacitancia parásita Cp. En algunas realizaciones, la capacitancia del condensador 410 de compensación es igual a la capacitancia parásita Cp, dentro de un valor de tolerancia de componente del condensador 410 de compensación.
Debido a la simetría del circuito 400A, en una realización alternativa, el condensador 410 de compensación se puede conectar a través del diodo D1 (en paralelo con el diodo D1). La figura 4B ilustra dicho circuito 400B alternativo en el que el condensador 410 está conectado a través del diodo D1. En la figura 4B se emplean los mismos números de referencia y caracteres que en la figura 4A.
Sin embargo, mover el condensador 410 de compensación a la otra pata del rectificador 130 (es decir, a través del diodo D2 o del diodo D4) no funcionará bajo la configuración de capacitancia parásita particular mostrada en las figuras 4A y 4B (es decir, donde la capacitancia parásita Cp está conectada entre 1F y 2S).
Sin embargo, en otras configuraciones del transformador 120 de aislamiento, por ejemplo, cuando los devanados 122 y 124 primario y secundario están devanados de manera diferente, el condensador parásito Cp aparecerá a través de un par diferente de terminales del transformador 120 de aislamiento. En ese caso, el condensador de compensación necesitaría estar conectado a través de la otra pata del rectificador 130 (es decir, a través del diodo D2 o el diodo D4) para que funcione. Las figuras 4C y 4D ilustran circuitos 400C y 400D alternativos, donde el condensador 410 está conectado a través del diodo D4 en la figura 4C y conectado a través del diodo D2 en la figura 4D. En las figuras 4C y 4D se emplean los mismos números de referencia y caracteres que en la figura 4A.
Por lo tanto, se ve que en estas realizaciones en las que el medio de compensación es un condensador de compensación que está conectado a través de uno de los diodos del rectificador 130: (1) la capacitancia del condensador de compensación debería estar razonablemente cerca de la capacitancia parásita Cp; y (2) el condensador de compensación debe instalarse en un “pata” particular del rectificador 130 dependiendo de la construcción/configuración del transformador 120 de aislamiento. En la práctica, la capacitancia parásita Cp puede ser desconocida y/o puede variar significativamente del transformador 120 de aislamiento al transformador 120 de aislamiento, o de circuito a circuito. Por consiguiente, puede resultar difícil en algunos casos asegurar que la capacitancia del condensador de compensación esté razonablemente cerca de la capacitancia parásita Cp.
Para eliminar estas dos condiciones, las figuras 5A y 5B ilustran realizaciones adicionales que utilizan un condensador de compensación en cada pata del rectificador 130.
La figura 5A ilustra un circuito 500A de una fuente de alimentación de aislamiento que incluye elementos de compensación para compensar un aumento en un voltaje de salida debido a un efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas. Los números de referencia y los caracteres de la figura 5 que son los mismos que en la figura 1 designan los mismos elementos y características, una descripción de los cuales no se repetirá.
El circuito 500A incluye como medio de compensación un primer condensador 510 de compensación que está conectado a través del diodo D3 (en paralelo con el diodo D3) del rectificador 130 y un segundo condensador 520 de compensación que está conectado a través del diodo D4 (en paralelo con el diodo D4) del rectificador 130.
Beneficiosamente, los valores de capacitancia de los condensadores 510 y 520 de compensación primero y segundo deberían ser cercanos entre sí y mucho mayores que la capacitancia parásita Cp. En esta solución, la carga en capacitancia parásita Cp es absorbida por la capacitancia mayor C3 o C4, dependiendo de la forma en que la capacitancia parásita Cp está conectada a través de los diversos terminales del transformador 120 de aislamiento, de acuerdo con la configuración/construcción del transformador 120 de aislamiento (por ejemplo, cómo está devanado el transformador 120 de aislamiento). Como resultado, no se transfiere ninguna carga significativa al condensador 135 de suavizado y el voltaje de salida Vsalida está cerca del voltaje pico V2_pk del devanado 124 secundario.
Por consiguiente, en algunas realizaciones, la capacitancia del primer condensador 510 de compensación es alrededor de la misma que la capacitancia del segundo condensador 520 de compensación. En algunas realizaciones, la capacitancia del primer condensador 510 de compensación es aproximadamente la misma que la capacitancia del segundo condensador 520 de compensación. En algunas realizaciones, la capacitancia del primer condensador 510 de compensación es igual a la capacitancia del segundo condensador 520 de compensación, dentro de un valor de tolerancia de componente del primer y segundo condensador 510 y 520 de compensación.
Además, en algunas realizaciones, la capacitancia del primer condensador 510 de compensación y la capacitancia del segundo condensador 520 de compensación son cada una al menos el doble de la capacitancia parásita Cp. En algunas realizaciones, la capacitancia del primer condensador 510 de compensación y la capacitancia del segundo condensador 520 de compensación son cada una al menos aproximadamente diez veces la capacitancia parásita Cp. En una realización alternativa como se ilustra en la figura 5B, el primer condensador 510 de compensación se puede conectar a través del diodo D1 (en paralelo con el diodo D1) y el segundo condensador 520 de compensación se puede conectar a través del diodo d 2 (en paralelo con el diodo D2).
Beneficiosamente, el circuito 500A que incluye como medio de compensación los condensadores 510 y 520 de compensación primero y segundo tiene la ventaja de que compensará un efecto de bomba de carga causado por la capacitancia parásita independientemente de cómo esté configurado o construido el transformador 120 de aislamiento. Además, no es necesario conocer y hacer coincidir con precisión el valor de la capacitancia parásita Cp; todo lo que se necesita es que los valores de capacitancia del primer y segundo condensadores 510 y 520 de compensación deben ser cercanos (preferiblemente iguales) entre sí y mucho mayores que la capacitancia parásita Cp.
La figura 6 ilustra ejemplos simulados de formas de onda de voltaje y corriente para las realizaciones de ejemplo de una fuente de alimentación de aislamiento con medios de compensación para compensar un aumento en un voltaje de salida debido a un efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas que se ilustran en las figuras 4 y 5.
La figura 6 muestra cinco formas de onda 310, 620, 630, 640 y 650, apiladas verticalmente y sincronizadas en el tiempo. En la figura 6, el eje horizontal (eje x) representa el tiempo y el eje vertical (eje y) representa voltaje o corriente, dependiendo de la forma de onda. Para la discusión que sigue, consideramos un período de conmutación completo de la energía eléctrica de CA de 19,97 ms a 19,99 ms, incluido un intervalo de carga de 19,97 ms a 19,98 ms y un intervalo de descarga de 19,98 ms a 19,99 ms.
En la figura 6, la primera forma de onda 310 muestra V2_pk (igual que en la figura 3), la segunda forma de onda 620 muestra Vcp, la tercera forma de onda 630 muestra la corriente de carga y descarga a través de la capacitancia parásita Cp, la cuarta forma de onda 640 muestra el voltaje a través del diodo D3 y la quinta forma de onda 650 muestra el voltaje de salida Vsalida.
Las principales diferencias significativas entre las formas de onda mostradas en la figura 6 y los correspondientes mostrados en la figura 3 son los siguientes.
En la segunda forma de onda 620, el nivel inferior del voltaje VCP durante el intervalo 304 de descarga es cero. Esto se debe a que toda la carga en capacitancia parásita Cp se descarga al primer condensador 510 de compensación durante el intervalo 304 de descarga.
En la cuarta forma de onda 640, el voltaje a través del diodo D3 es ahora igual a V2_pk durante el intervalo 304 de descarga porque el voltaje a través de la capacitancia parásita Cp se descarga completamente a cero.
La quinta forma de onda 650, Vsalida, sigue a V2_pk a 100V. En consecuencia, se compensa un aumento en el voltaje de salida causado por un efecto de bomba de carga del condensador parásito Cp, y no se aumenta el voltaje de salida. A partir del análisis proporcionado anteriormente, la corriente de carga mínima requerida para eliminar el efecto de bomba de carga es directamente proporcional al voltaje de salida Vsalida, la frecuencia de conmutación y la capacitancia parásita Cp del transformador de aislamiento. El voltaje de salida Vsalida generalmente está determinado por los requisitos de diseño y no se puede cambiar, pero los otros dos factores se pueden usar hasta cierto punto para mejorar este efecto de bomba de carga. El transformador de aislamiento se puede construir para minimizar la capacitancia parásita Cp. La frecuencia de conmutación se puede ajustar lo más baja posible. Sin embargo, existe un límite para estas dos optimizaciones de diseño debido a otras restricciones de diseño, como el tamaño del transformador y los requisitos de pérdida de potencia.
La forma en que el transformador 120 de aislamiento está conectado en un circuito también es crítica. Para minimizar el efecto de bomba de carga, los devanados 122 y 124 primario y secundario del transformador 120 de aislamiento deben conectarse de tal manera que el voltaje total producido por estos dos devanados en la ruta de carga sea mínimo. Desde este punto de vista, la peor conexión del transformador 120 de aislamiento ocurre cuando los voltajes de los devanados primario y secundario se refuerzan entre sí.
La figura 7 ilustra un circuito 700 de una fuente de alimentación de aislamiento. Los números de referencia y los caracteres de la figura 7 que son los mismos que en la figura 1 designan los mismos elementos y características, una descripción de los cuales no se repetirá.
Una diferencia entre el circuito 700 y el circuito 200 es la forma en que el transformador 120 de aislamiento está conectado en el lado primario en el circuito 700. En particular, con esta conexión, los voltajes de los devanados 122 y 124 primario y secundario del transformador 120 de aislamiento se refuerzan mutuamente. Como resultado, el efecto de bomba de carga generado por el circuito 700 es peor que el del circuito 200.
La figura 8 ilustra un ejemplo de un aparato 80 que incluye una fuente de alimentación de aislamiento que tiene un circuito 800 con medios de compensación para compensar un aumento en un voltaje de salida debido a un efecto de bomba de carga creado por capacitancias parásitas. Los números de referencia y los caracteres de la figura 8 que son los mismos que en la figura 1 designan los mismos elementos y características, una descripción de los cuales no se repetirá.
El circuito 800 del aparato 800 es similar al circuito 500A, con las siguientes diferencias significativas.
En primer lugar, el circuito 800 incluye una fuente 118 de voltaje CA en lugar del inversor 100. Debe entenderse que el inversor 110 o la fuente 118 de voltaje CA podrían emplearse con los circuitos de las figuras 4A-D y 5A-B.
Además, el circuito 800 incluye como elementos de compensación uno o ambos condensadores 810 y/o 812 de compensación, como se discutió anteriormente con respecto a las figuras 4A-D y 5A-B.
Además, en muchos casos sería deseable traer la información de corriente desde el lado secundario del transformador 120 de aislamiento de vuelta al lado primario para que sea controlada por un controlador. Con este fin, el circuito 800 incluye un (pequeño) transformador 820 de detección de corriente en la ruta secundaria de CA.
Beneficiosamente, la corriente detectada no debería incluir, sin embargo, la corriente generada por el primer/segundo condensador(es) 810 u 812 de compensación, ya que esto dará una medición distorsionada que se hace claramente visible cuando se pasa a corrientes de salida bajas.
Al colocar el transformador 820 de detección de corriente en la ubicación correcta, uno puede todavía tener la compensación de la capacitancia parásita Cp por el(los) condensador(es) 810 y/o 812 de compensación añadidos, y mantener una medición de corriente precisa. Aquí, el transformador 820 de detección de corriente tiene un devanado primario conectado entre uno de los terminales de salida del transformador 120 de aislamiento y uno de los terminales de entrada del rectificador 130, y el segundo condensador 812 está conectado entre uno de los terminales de salida del transformador 120 de aislamiento y uno de los terminales de salida del rectificador 130.

Claims (18)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato (500A, 500B, 800) para suministrar energía a un diodo emisor de luz, LED, carga (20), comprendiendo el aparato:
un transformador (120) de aislamiento que tiene un par de terminales (1S/1F) de entrada configurados para recibir energía eléctrica de CA y que tiene un par de terminales (2S/2F) de salida, en el que el transformador de aislamiento proporciona aislamiento de CC entre los terminales de entrada en un lado primario del mismo y los terminales de salida en un lado secundario del mismo;
un rectificador (130) que tiene un par de terminales de entrada y un par de terminales de salida, en el que los terminales de entrada del rectificador están conectados a los terminales de salida del transformador de aislamiento y los terminales de salida del rectificador están conectados a través de la carga del LED, y en el que el rectificador comprende:
un primer diodo (D1) conectado desde el primero de los terminales de entrada del rectificador al primero de los terminales de salida del rectificador,
un segundo diodo (D2) conectado desde un segundo de los terminales de entrada del rectificador al primero de los terminales de salida del rectificador,
un tercer diodo (D3) conectado desde un segundo de los terminales de salida del rectificador al primero de los terminales de entrada del rectificador, y
un cuarto diodo (D4) conectado desde el segundo de los terminales de salida del rectificador al segundo de los terminales de entrada del rectificador; y
primer y segundo condensadores (510/520, 810/812), en los que una primera capacitancia del primer condensador es aproximadamente la misma que una segunda capacitancia del segundo condensador, y
en el que:
el primer condensador (510, 810) está conectado a través del primer diodo (D1) y el segundo condensador (520, 812) está conectado a través del segundo diodo (D2), o
el primer condensador (510, 810) está conectado a través del tercer diodo y el segundo condensador (520, 812) está conectado a través del cuarto diodo (D4).
2. El aparato (500A, 500B, 800) de la reivindicación 1, en el que el transformador de aislamiento tiene una capacitancia parásita entre uno de los terminales de entrada y uno de los terminales de salida, y
en el que la primera capacitancia y la segunda capacitancia son cada una al menos dos veces la capacitancia parásita.
3. El aparato (500A, 500B, 800) de la reivindicación 1, en el que el transformador de aislamiento tiene una capacitancia parásita entre uno de los terminales de entrada y uno de los terminales de salida, y en el que la primera capacitancia y la segunda capacitancia son cada una al menos aproximadamente diez veces la capacitancia parásita.
4. El aparato (800) de la reivindicación 1, que comprende además un transformador (820) de detección de corriente configurado para detectar una corriente en el lado secundario del transformador de aislamiento, en el que el transformador de detección de corriente tiene un devanado primario conectado entre uno de los terminales de salida del transformador de aislamiento y uno de los terminales de entrada del rectificador.
5. El aparato (500A, 500B, 800) de la reivindicación 1, que comprende además un suministro (110, 118) de CA conectado a los terminales de entrada del transformador de aislamiento y configurado para suministrar energía eléctrica de CA al transformador de aislamiento.
6. El aparato (500A, 500B, 800) de la reivindicación 5, en el que el suministro (110, 118) de CA está configurado para suministrar energía eléctrica de CA a una frecuencia de al menos 10 kHz.
7. El aparato (500A, 500B, 800) de la reivindicación 5, en el que el suministro (110, 118) de CA está configurado para suministrar energía eléctrica de CA a una frecuencia de entre aproximadamente 40 kHz y aproximadamente 100 kHz.
8. El aparato (500A, 500B, 800) de la reivindicación 5, en el que el suministro de CA comprende un inversor (110) de potencia.
9. El aparato (500A, 500B, 800) de la reivindicación 1, que comprende además la carga (20) de LED, en el que la carga de LED comprende al menos una cadena de LED.
10. Un aparato (400A, 400B, 400C, 400D) para suministrar energía a un diodo emisor de luz, LED, carga (20), comprendiendo el aparato:
un transformador (120) de aislamiento que tiene un par de terminales (1S/1F) de entrada configurados para recibir energía eléctrica de CA y que tiene un par de terminales (2S/2F) de salida, en el que el transformador de aislamiento tiene una capacitancia parásita (Cp) entre uno de los terminales de entrada y uno de los terminales de salida, y en el que el transformador de aislamiento proporciona aislamiento de CC entre los terminales de entrada en un lado primario del mismo y los terminales de salida en un lado secundario del mismo;
un rectificador (130) que tiene un par de terminales de entrada y un par de terminales de salida, en el que los terminales de entrada del rectificador están conectados a los terminales de salida del transformador de aislamiento y los terminales de salida del rectificador están conectados a través de la carga del LED, y en el que el rectificador comprende una pluralidad de diodos (D1/D2/D3/D4) conectados en un puente de diodos; y
un condensador (410) de compensación conectado a través de uno de los diodos del puente de diodos, en el que la capacitancia del condensador de compensación es aproximadamente la misma que la capacitancia parásita.
11. El aparato (400A, 400B, 400C, 400D) de la reivindicación 10, que comprende además un suministro (110, 118) de CA conectado a los terminales de entrada del transformador de aislamiento y configurado para suministrar energía eléctrica de CA al transformador de aislamiento.
12. El aparato (400A, 400B, 400C, 400D) de la reivindicación 11, en el que el suministro (110, 118) de CA está configurado para suministrar energía eléctrica de CA a una frecuencia de al menos 10 kHz.
13. El aparato (400A, 400B, 400C, 400D) de la reivindicación 11, en el que el suministro (110, 118) de CA está configurado para suministrar energía eléctrica de CA a una frecuencia de entre aproximadamente 40 kHz y aproximadamente 100 kHz.
14. El aparato (400A, 400B, 400C, 400D) de la reivindicación 10, en el que el puente de diodos comprende:
un primer diodo (D1) conectado desde el primero de los terminales de entrada del rectificador al primero de los terminales de salida del rectificador,
un segundo diodo (D2) conectado desde un segundo de los terminales de entrada del rectificador al primero de los terminales de salida del rectificador,
un tercer diodo (D3) conectado desde un segundo de los terminales de salida del rectificador al primero de los terminales de entrada del rectificador, y
un cuarto diodo (D4) conectado desde el segundo de los terminales de salida del rectificador al segundo de los terminales de entrada del rectificador,
en el que el condensador de compensación está conectado a través de uno de los diodos primero, segundo, tercero y cuarto.
15. El aparato (400A, 400B, 400C, 400D) de la reivindicación 11, en el que el suministro de CA comprende un inversor de potencia.
16. El aparato (400A, 400B, 400C, 400D) de la reivindicación 10, que comprende además la carga (20) de LED, en el que la carga de LED comprende al menos una cadena de LED.
17. Un aparato (400A, 400B, 400C, 400D, 500A, 500B, 800) para suministrar energía a un diodo emisor de luz, LED, carga (20), comprendiendo el aparato:
un transformador (110) de aislamiento que tiene un par de terminales (1S/1F) de entrada configurados para recibir energía eléctrica de CA y que tiene un par de terminales (2S/2F) de salida, en el que el transformador de aislamiento tiene una capacitancia parásita (Cp) entre uno de los terminales de entrada y uno de los terminales de salida, y en el que el transformador de aislamiento proporciona aislamiento de CC entre los terminales de entrada en un lado primario del mismo y los terminales de salida en un lado secundario del mismo;
un rectificador (120) que tiene un par de terminales de entrada y un par de terminales de salida, en el que los terminales de entrada del rectificador están conectados a los terminales de salida del transformador de aislamiento y los terminales de salida del rectificador están conectados a través de la salida del aparato y en el que el rectificador comprende una pluralidad de diodos (D1/D2/D3/D4) conectados en un puente de diodos; y
medios (410, 510/520, 810/812) de compensación para compensar un aumento en un voltaje de salida a través de la salida del aparato debido a un efecto de bomba de carga de la capacitancia parásita, los medios de compensación que comprenden al menos un condensador de compensación conectado a través de uno de los diodos del puente de diodos.
18. El aparato (500A, 500B, 800) de la reivindicación 17, en el que los medios de compensación comprenden dos condensadores (510/520, 810/812) de compensación cada uno conectado a través de uno de los diodos correspondientes del puente de diodos.
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