ITCS20110016A1 - Sistema elettronico di alimentazione e regolazione della corrente per lampade a led - Google Patents

Description

SISTEMA ELETTRONICO DI ALI-MENTAZIONE E REGOLAZIONE DELLA CORRENTE PER LAMPADE A LED

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un sistema elettronico di alimentazione e regolazione della corrente per lampade a LED formato da due dispositivi principali: un alimentatore ed un regolatore di corrente, in cui il regolatore di corrente riduce il valore della corrente sulla lampada a LED in modo inversamente proporzionale al valore della tensione continua che gli viene fornita dall’alimentatore.

Attualmente una lampada a LED à ̈ realizzata ponendo in serie un certo numero di LED. Quando l’intensità luminosa da raggiungere deve essere più elevata rispetto a quanto la singola serie à ̈ capace di generare, più serie vengono connesse in parallelo.

La caratteristica funzionale dei LED à ̈ assimilabile a quella dei diodi, della cui famiglia essi fanno parte, e mostra un assorbimento di corrente molto sensibile alle variazioni di tensione e/o di temperatura. Ne consegue che il modo più performante per alimentare una lampada a LED à ̈ quella di controllare ogni serie che caratterizza la lampada in modo separato ed autonomo. Una soluzione tecnica certamente ottimale che presenta però i seguenti svantaggi:

• Ogni serie di LED dovrà avere un proprio controllore.

• Ogni controllore dovrà gestire le problematiche di compatibilità elettromagnetica che gli sono proprie in modo autonomo.

Una struttura funzionale quindi abbastanza complessa se rapportata ad un dispositivo tradizionalmente piuttosto semplice come una lampada.

Attualmente, il problema viene affrontato e risolto semplificando alcuni aspetti; ad esempio;

• Si considerano le varie serie di LED non molto dissimili fra loro, anche se ciò non à ̈ vero almeno per gli attuali LED in produzione.

• Si considera la differenza di temperatura tra le serie dei LED pressoché trascurabile poiché montati sullo stesso contenitore, anche se, in realtà, i LED connessi nella parte esterna dell’aletta di raffreddamento e quelli collegati nella sua parte interna mostrano una differenza di temperatura abbastanza sensibile.

Attuando queste semplificazioni, quindi, possibile far gestire ad un singolo regolatore più stringhe connesse in parallelo. In questo modo viene attenuato anche il problema della compatibilità elettromagnetica data la riduzione di regolatori singoli presenti suH’alimentatore. Un’altra importante caratteristica degli alimentatori elettronici per lampade a LED à ̈ quella di rendere possibile la regolazione della potenza e quindi del flusso luminoso della lampada. Ciò à ̈ ottenuto quasi esclusivamente utilizzando o un’interfaccia analogica esterna di tipo 1-10V o un’interfaccia digitale esterna basata sul protocollo DALI (Digital Adressable Lighting Interface) o equivalente.

La presente invenzione supera i problemi evidenziati sia per quanto concerne l’alimentatore che il regolatore di corrente, utilizzando un sistema integrato formato da due dispositivi principali; un alimentatore ed un regolatore di corrente, in cui il regolatore di corrente riduce il valore della corrente sulla lampada a LED in modo inversamente proporzionale al valore della tensione continua che gli viene fornita dall’alimentatore. Ciò viene attuato utilizzando un regolatore di corrente in elettronica lineare.

I convertitori elettronici realizzati con elettronica lineare sono caratterizzati da una bassa efficienza ma a loro vantaggio hanno però una totale mancanza di problemi di compatibilità elettromagnetica ed una totale essenza di ripple e/o perturbazioni magnetiche in genere. L’uso di un regolatore di corrente che riduce il valore della corrente sulla lampada a LED in modo inversamente proporzionale al valore della tensione continua che gli viene fornita dall’alimentatore consente di attenuare in modo sensibile il problema dell’ efficienza.

L’invenzione verrà ora spiegata con riferimento agli schemi di figura 1 e figura 2 mostranti una forma esemplificativa di concetto del sistema elettronico di alimentazione e regolazione di corrente per lampade a LED. Il sistema à ̈ caratterizzato dal fatto che:

1. all’ingresso del sistema à ̈ connesso un alimentatore elettronico (1) il cui scopo à ̈ quello di convertire la tensione alternata, fornita dalla linea di alimentazione, in tensione continua e presenta quindi in uscita una tensione continua tra i due poli: positivo e negativo; 2. l’alimentatore elettronico (1) à ̈ dotato di un’interfaccia (29) di tipo analogico o digitale attraverso cui esso può ricevere dei comandi esterni che comportano una variazione della tensione continua della sua uscita tra un valore massimo ed uno minimo;

3. ai poli di uscita dell’alimentatore elettronico (1) à ̈ connesso un generatore di segnale inverso (2) costituito da:

3.1. un rilevatore di tensione (3) che opera misurando il valore della tensione continua in uscita dall’alimentatore elettronico (1) ed alla cui uscita à ̈ presente un segnale proporzionale al valore di tensione rilevato,

3.2. un generatore di tensione di riferimento (4) il cui ingresso à ̈ connesso ai poli dell’ alimentatore elettronico (1) e fornisce in uscita un segnale sempre costante ed equivalente a quello disponibile in uscita dal rilevatore di tensione continua (3) quando à ̈ presente la massima tensione continua in uscita dall’alimentatore elettronico (1),

3.3. un amplificatore invertente (5) che riceve in ingresso il segnale di uscita del rilevatore di tensione (3) e quello del generatore di tensione di riferimento (4) e genera in uscita un segnale il cui valore à ̈ inversamente proporzionale a quello della tensione continua fornita in uscita dall’alimentatore elettronico (1); 4. à ̈ presente un generatore di comando (9) costituito da:

4.1. un rilevatore di corrente (6) che misura la corrente assorbita dalla serie di LED (10),

4.2. un amplificatore differenziale (7) che riceve in ingresso il segnale di uscita dell’ amplificatore invertente (5) e quello del rilevatore di corrente (6) e genera il comando da inviare al MOSFET (8),

4.3. un MOSFET (8), posto in serie alla serie di LED (10), che determina il valore di corrente assorbito da essa; ^

5. la serie di LED della lampada ha l’anodo dell’ultimo LED posto sul polo positivo dell’alimentatore elettronico ed il catodo del primo LED connesso al terminale di drain del MOSFET.

Il generatore di segnale inverso (2) ed il generatore di comando (9) formano il regolatore di corrente (30).

Il valore della corrente assorbita dalla serie di LED (10) dipende, quindi, in modo inversamente proporzionale dalla tensione continua fornita dall’alimentatore elettronico (1). Quando il valore della tensione continua fornita da esso à ̈ pari al valore di soglia imposto dal generatore di tensione di riferimento (4), il segnale di uscita dell’amplificatore invertente (5) e, conseguentemente, quello dell’amplificatore differenziale (7) sono pari a zero. In questa condizione la serie di LED (10) risulta spenta.

Il caso esemplificativo indicato à ̈ applicato all’ipotesi in cui la lampada a LED à ̈ formata da una sola serie di LED.

Un altro obiettivo principale à ̈ di realizzare un sistema integrato capace di alimentare più lampade costituite da una o più serie di LED (vedasi figura 2 e figura 3), caratterizzate dal fatto che:

• all’ingresso del sistema à ̈ connesso un unico alimentatore elettronico (1) il cui scopo à ̈ quello di convertire la tensione alternata, fornita dalla linea di alimentazione, in tensione continua e presenta quindi in uscita una tensione continua tra i due poli: positivo e negativo;

• l’alimentatore elettronico (1) à ̈ dotato di un’interfaccia (29) di tipo analogico o digitale attraverso cui esso può ricevere dei comandi esterni che comportano una variazione della tensione continua della sua uscita tra un valore massimo ed uno minimo;.

• ogni lampada à ̈ costituita da una o più serie di LED in cui ogni serie di LED à ̈ composta da un numero uguale di LED dello stesso tipo e riceve in ingresso la tensione continua di uscita generata dall’alimentatore elettronico (1);

• per ogni lampada à ̈ presente un generatore di segnale inverso (2) costituito da: o un rilevatore di tensione (3) che opera misurando il valore della tensione continua in uscita dall’ alimentatore elettronico (1) ed alla cui uscita à ̈ presente un segnale proporzionale al valore di tensione rilevato,

o un generatore di tensione di riferimento (4) il cui ingresso à ̈ connesso ai poli dell’alimentatore elettronico (1) e fornisce in uscita un segnale equivalente a quello disponibile in uscita dal rilevatore di tensione continua (3) quando à ̈ presente la massima tensione continua in uscita dall’alimentatore elettronico (1),

o un amplificatore invertente (5) il quale riceve in ingresso il segnale di uscita del rilevatore di tensione (3) e quello del generatore di tensione di rife rimento (4) e genera in uscita un segnale il cui valore à ̈ inversamente proporzionale a quello della tensione continua fornita in uscita dall’ alimentatore elettronico (1),

• per ogni serie di LED della lampada à ̈ presente un generatore di comando (9) costituito da:

o un rilevatore di corrente (6) che misura la corrente assorbita dalla serie di LED (10),

o un amplificatore differenziale (7) il quale riceve in ingresso il segnale di uscita dell’ amplificatore invertente (5) e quello del rilevatore di corrente (6) e genera il comando da inviare ad un MOSFET (8),

o un MOSFET (8), posto in serie alla serie di LED (10), che determina il valore di corrente assorbito da essa;

• ogni serie di LED della lampada ha l’anodo dell’ultimo LED posto sul polo positivo dell’ alimentatore elettronico ed il catodo del primo LED connesso al terminale di drain del rispettivo MOSFET del generatore di comando (9).

L’invenzione verrà ora spiegata con riferimento allo schema di figura 4, mostrante una forma di esecuzione del sistema di alimentazione e regolazione della corrente per lampade a LED nel caso in cui essa sia costituita da una sola serie di LED. Il sistema à ̈ caratterizzato dal fatto che:

a. all’ingresso del sistema à ̈ connesso un alimentatore elettronico (1) il cui scopo à ̈ quello di convertire la tensione alternata, fornita dalla linea di alimentazione, in tensione continua e presenta quindi in uscita una tensione continua tra i due poli: positivo e negativo;

b. l’alimentatore elettronico (1) à ̈ dotato di un’interfaccia (29) di tipo analogico o digitale attraverso cui esso può ricevere dei comandi esterni che comportano una variazione della tensione continua della sua uscita tra un valore massimo ed uno minimo. c. un partitore di tensione (11) (12) riduce il valore della tensione continua di uscita dell’alimentatore elettronico (1) ad un valore compatibile con l’ingresso di un amplificatore operazionale generico;

d. il segnale ottenuto in uscita dal partitore di tensione (11) (12) viene bufferato da un primo amplificatore operazionale (13), operante come buffer a guadagno unitario, sulla cui uscita à ̈ posta una resistenza (14);

e. un generatore di tensione di riferimento (4), il cui ingresso à ̈ connesso ai poli dell’alimentatore elettronico (1), fornisce un segnale equivalente a quello disponibile in uscita dal primo amplificatore operazionale (13) quando à ̈ presente la massima tensione continua in uscita dall’alimentatore elettronico (1) e sulla cui uscita à ̈ posta una resistenza (16);

f. un secondo amplificatore operazionale (17) ha l’ingresso invertente connesso al secondo terminale della resistenza (14) posta in uscita del primo amplificatore operazionale (13) e l’ingresso non invertente connesso al secondo terminale della resistenza (16) posta sull’uscita del generatore di tensione di riferimento (4);

g. all’uscita del secondo amplificatore operazionale (17) à ̈ posta una resistenza (15) il cui secondo terminale à ̈ connesso sull’ingresso invertente dello stesso amplificatore operazionale (17), il quale, quindi, fornisce in uscita un segnale il cui valore à ̈ inversamente proporzionale a quello della tensione continua fornita in uscita dall’ alimentatore elettronico (1);

h. uno shunt (28) à ̈ connesso con un terminale al polo negativo dell’alimentatore elettronico(l) e con il secondo terminale ad una resistenza (18) il cui secondo polo à ̈ collegato all’ingresso non invertente di un terzo amplificatore operazionale (20); i. lo shunt (28) à ̈ utilizzato per misurare la corrente assorbita dalla serie di LED (10); j. l’ingresso invertente del terzo amplificatore operazionale (20) à ̈ connesso ad una prima resistenza (19), il cui secondo terminale à ̈ collegato al polo negativo dell’alimentatore elettronico (1), ed ad una seconda resistenza (21), il cui secondo terminale à ̈ collegato all’uscita del terzo amplificatore operazionale (20) stesso, il quale opera quindi da amplificatore del segnale proveniente dallo shunt (28); k. l’uscita del secondo amplificatore operazionale (17) à ̈ connesso ad un’altra resistenza (22) il cui secondo terminale à ̈ collegato all’ingresso non invertente di un quarto amplificatore operazionale (26);

l. l’uscita del terzo amplificatore operazionale (20) à ̈ connessa ad un’altra resistenza (24) il cui secondo terminale à ̈ connesso all’ingresso invertente del quarto amplificatore differenziale (26);

m. sull’ingresso non invertente del quarto amplificatore operazionale (16) à ̈ collegata un’altra resistenza (23) il cui secondo terminale à ̈ connesso sul polo negativo dell’alimentatore elettronico (1);

n. sull’ingresso invertente del quarto amplificatore operazionale (26) à ̈ connessa un’altra resistenza (25) il cui secondo terminale à ̈ collegato sull’uscita dello stesso amplificatore operazionale (26);

o. il quarto amplificatore operazionale (26) fornisce attraverso una resistenza (27) il segnale di comando al terminale di gate di un MOSFET (8);

p. il MOSFET (8) ha il terminale di source connesso al terminale dello shunt (28) non connesso al polo negativo dell’alimentatore elettronico (1) ed il terminale di drain connesso sul catodo del primo LED della serie di LED (10);

q. l’anodo dell’ultimo LED della serie di LED (10) à ̈ posto sul polo positivo dell’alimentatore elettronico (1).

I risultati ottenuti con il prototipo realizzato mostrano che l’utilizzo di un sistema elettronico di alimentazione e regolazione della corrente per lampade a LED in cui il regolatore di corrente riduce il valore della corrente sulla lampada a LED in modo inversamente proporzionale al valore della tensione continua che gli viene fornita dall’ alimentatore permette di:

• regolare la luminosità su una serie dj LED senza predisporre comandi aggiuntivi, ma utilizzando la stessa tensione di alimentazione come “informazione†sull’ illuminamento voluto;

• attuare questa regolazione in modo inverso rispetto ad un determinato valore di riferimento. Nel caso specifico, maggiore à ̈ la tensione di alimentazione della lampada a LED e minore à ̈ la luminosità che si desidera avere;

• raggiungere rendimenti confrontabili con quelli dei circuiti PWM, senza le negatività che caratterizzano questi ultimi per le problematiche di compatibilità elettromagnetica; • regolare la corrente in uscita della singola serie di LED aumentando sensibilmente l’affidabilità della lampada.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un sistema elettronico di alimentazione e regolazione della corrente per lampade a LED formato da due dispositivi: un alimentatore ed un regolatore di corrente, in cui il regolatore di corrente riduce il valore della corrente sulla lampada a LED in modo inversamente proporzionale al valore della tensione continua che gli viene fornita dairalimentatore 2. Un sistema elettronico di alimentazione e regolazione della corrente per lampade a led caratterizzato da: • un alimentatore elettronico che converte la tensione alternata fornita dalla linea di alimentazione, in tensione continua; • un’interfaccia di tipo analogico o digitale attraverso la quale l’alimentatore elettronico può ricevere dei comandi esterni che comportano una variazione della tensione continua della sua uscita tra un valore massimo ed uno minimo; • un rilevatore di tensione che opera misurando il valore della tensione continua in uscita dall’ alimentatore elettronico ed alla cui uscita à ̈ presente un segnale proporzionale al valore di tensione rilevato; • un generatore di tensione di riferimento il cui ingresso à ̈ connesso ai poli dell’ alimentatore elettronico e fornisce in uscita un segnale sempre costante ed equivalente a quello disponibile in uscita dal rilevatore di tensione quando à ̈ presente la massima tensione continua in uscita dall’alimentatore elettronico; • un amplificatore invertente il quale riceve in ingresso il segnale di uscita del rilevatore di tensione e quello del generatore di tensione di riferimento e genera in uscita un segnale il cui valore à ̈ inversamente proporzionale a quello della tensione continua fornita in uscita dall’alimentatore elettronico; • un rilevatore di corrente che misura la corrente assorbita dalla serie di LED; • un amplificatore differenziale il quale riceve in ingresso il segnale di uscita dell’amplificatore invertente e quello del rilevatore di corrente e genera il comando da inviare al terminale di gate di un MOSFET; • un MOSFET in cui il terminale di gate à ̈ connesso all’uscita dell’amplificatore differenziale del generatore di comando, il terminale di source à ̈ connesso al rilevatore di corrente ed il terminale di drain à ̈ connesso al catodo del primo LED della serie di LED; ed in cui l’anodo dell’ultimo LED della serie di LED della lampada à ̈ posto sul polo positivo dell’alimentatore elettronico ed il catodo del primo LED della serie di LED della lampada à ̈ connesso al terminale di drain del MOSFET. 3. Un sistema elettronico di alimentazione e regolazione della corrente per lampade a led secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che il MOSFET viene sostituito da un BJT. 4. Un sistema elettronico di alimentazione e regolazione della corrente per una o più lampade a LED, dove ogni lampada à ̈ costituita da una o più serie di LED ed ogni serie di LED à ̈ composta da un numero uguale di LED dello stesso tipo, caratterizzato da: • un unico alimentatore elettronico che converte la tensione alternata fornita dalla linea di alimentazione in tensione continua; • un’interfaccia di tipo analogico o digitale attraverso la quale l’alimentatore elettronico può ricevere dei comandi esterni che comportano una variazione della tensione continua della sua uscita tra un valore massimo ed uno minimo; • un generatore di segnale inverso per ogni lampada costituito da un rilevatore di tensione che opera misurando il valore della tensione continua in uscita dall’alimentatore elettronico ed alla cui uscita à ̈ presente un segnale proporzionale al valore di tensione rilevato, da un generatore di tensione di riferimento il cui ingresso à ̈ connesso ai poli dell’ alimentatore elettronico e fornisce in uscita un segnale sempre costante ed equivalente a quello disponibile in uscita dal rilevatore di tensione quando à ̈ presente la massima tensione continua in uscita dall’alimentatore elettronico, da un amplificatore invertente il quale riceve in ingresso il segnale di uscita del rilevatore di tensione e quello del generatore di tensione di riferimento (4) e genera in uscita un segnale il cui valore à ̈ inversamente proporzionale a quello della tensione continua fornita in uscita dall’alimentatore elettronico; • un generatore di comando per ogni serie di LED della lampada costituito da un rilevatore di corrente che misura la corrente assorbita dalla serie di LED, un amplificatore differenziale che riceve in ingresso il segnale di uscita dell’amplificatore invertente e quello del rilevatore di corrente e che genera il comando da inviare al terminale di gate di un MOSFET; • un MOSFET il cui il terminale di gate à ̈ connesso all’uscita dell’amplificatore differenziale del generatore di comando, il terminale di source à ̈ connesso al rilevatore di corrente ed il terminale di drain à ̈ connesso al catodo del primo LED della serie di LED; ed in cui l’anodo dell’ultimo LED di ogni serie di LED di ogni lampada à ̈ posto sul polo positivo dell’ alimentatore elettronico ed il catodo del primo LED di ogni serie di LED di ogni lampada à ̈ connesso al terminale di drain del MOSFET. 5, Un sistema elettronico di alimentazione e regolazione della corrente per una o più lampade a LED, dove ogni lampada à ̈ costituita da ima o più serie di LED ed ogni serie di LED à ̈ composta da un numero uguale di LED dello stesso tipo, secondo la rivendicazione 4 e caratterizzato dal fatto che il MOSFET viene sostituito da un BIT. 6. Un sistema elettronico di alimentazione e regolazione della corrente per lampade a led caratterizzato da: • un alimentatore elettronico che converte la tensione alternata, fornita dalla linea di alimentazione, in tensione continua; • un’interfaccia di tipo analogico o digitale attraverso la quale l’alimentatore elettronico può ricevere dei comandi esterni che comportano una variazione della tensione continua della sua uscita tra un valore massimo ed uno minimo; • un partitore di tensione che riduce il valore della tensione continua di uscita dell’alimentatore elettronico ad un valore compatibile con l’ingresso di un amplificatore operazionale generico; • un primo amplificatore operazionale che opera come buffer a guadagno unitario del segnale ottenuto in uscita dal partitore di tensione e sulla cui uscita à ̈ posta una resistenza; • un generatore di tensione di riferimento che à ̈ connesso in ingresso ai poli de alimentatore elettronico e che genera in uscita un segnale equivalente a quello disponibile in uscita dal primo amplificatore operazionale quando à ̈ presente la massima tensione continua in uscita dall’alimentatore elettronico e sulla cui uscita à ̈ presente una resistenza; • un secondo amplificatore operazionale che ha ingresso invertente connesso al secondo terminale della resistenza posta in uscita del primo amplificatore ope razionale e ingresso non invertente connesso al secondo terminale della resistenza posta sull’uscita del generatore di tensione di riferimento; • una resistenza che à ̈ posta sull’uscita del secondo amplificatore operazionale ed il cui secondo terminale à ̈ connesso sull’ingresso invertente dello stesso amplificatore operazionale; • uno shunt che à ̈ connesso con un terminale al polo negativo dell’alimentatore elettronico e con l’altro ad una resistenza il cui secondo terminale à ̈ collegato all’ingresso non invertente di un terzo amplificatore operazionale; • un terzo amplificatore operazionale che ha ingresso invertente connesso ad una prima resistenza, il cui secondo terminale à ̈ collegato al polo negativo dell’alimentatore elettronico, ed ad una seconda resistenza, il cui secondo terminale à ̈ collegato all’uscita di questo stesso amplificatore operazionale; • un MOSFET che ha il terminale di source connesso al terminale dello shunt non connesso al polo negativo de alimentatore elettronico e quello di drain comiesso sul catodo del primo LED della serie di LED della lampada; • un quarto amplificatore operazionale che genera attraverso una resistenza il segnale di comando al terminale di gate del MOSFET; • una resistenza che à ̈ connessa tra l’uscita del secondo amplificatore operazionale e l’ingresso non invertente del quarto amplificatore operazionale; • una resistenza che à ̈ connessa tra l’uscita del terzo amplificatore operazionale e l’ingresso invertente del quarto amplificatore differenziale; • una resistenza che à ̈ connessa tra l’ingresso non invertente del quarto amplificatore operazionale ed il polo negativo dell’alimentatore elettronico; • una resistenza connessa tra l’ingresso invertente e uscita del quarto amplificatore operazionale; ed in cui l’anodo d ultimo LED della serie di LED della lampada à ̈ posto sul polo positivo dell’alimentatore elettronico ed il catodo del primo LED della serie di LED della lampada à ̈ connesso al terminale di drain del MOSFET. 7. Un sistema elettronico di alimentazione e regolazione della corrente per lampade a led secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che il MOSFET viene sostituito da un BJT.