WO2015155393A1 - Fuente de alimentación inteligente, con comunicación digital a través de la línea eléctrica - Google Patents

Fuente de alimentación inteligente, con comunicación digital a través de la línea eléctrica Download PDF

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Definitions

  • the invention refers to an intelligent power supply, with digital communication through the power line, which provides, to the function to which it is intended, several advantages and characteristics of A novelty that will be described in detail below and that represent a remarkable improvement over the systems currently known in the state of the art for the same purpose.
  • the object of the invention focuses on a power supply, particularly intended to power the LED luminaire diodes, which among other elements contemplates the incorporation of a microprocessor integrated therein that allows it to have a wide range of input, output, frequency and power voltages, as well as to receive and transmit information through the power cables, to store and transmit operating parameters (input and output voltage and current, hours of use, temperature) and in turn receive instructions for switching off, on and reducing or increasing the output current, so that it maintains a low level of harmonics even reducing the current and output voltage, so that it supports input voltage peaks of at least 4KV, and to offer an average performance greater than 90% even with the consumption of PLC communications.
  • a microprocessor integrated therein that allows it to have a wide range of input, output, frequency and power voltages, as well as to receive and transmit information through the power cables, to store and transmit operating parameters (input and output voltage and current, hours of use, temperature) and in turn receive instructions for switching off, on and reducing or increasing the output current,
  • the field of application of the present invention focuses on the industry sector dedicated to the manufacture of electronic devices, focusing particularly on the field of drives or controllers, power supplies and communication between electronic devices, more particularly to the power supplies that feed the LEDs that make up the LED luminaires and that communicate with each other through the power cable.
  • LED type lighting devices need a direct current to power them. These devices are connected to the alternating current, so they require a power supply that converts this alternating current into continuous.
  • These power supplies are electronic devices that receive the alternating signal and transform it into continuous to power the LED lighting diodes.
  • the sources are analog, have an output voltage with a small range and a fixed output current, and do not store their operating parameters, and in some cases have an input (1-10V), DALI or ( PWM) which allows to regulate the output current.
  • Some include an electric cable communication, but using two separate systems, either internally or externally, which increases costs.
  • what the invention advocates is a power source that, especially intended to power the LEDs of a luminaire, is specifically developed with the aim of, in a first aspect, allowing it to receive and transmit information and orders to through the power cable, in a second aspect, allow to store all the operating information of the source, and in a third aspect, allow to be a repeater of the information or instructions directed to a second source or auxiliary source connected to the Same power line. All this, integrating within a single device with a microprocessor that manages all the necessary functions, instead of using separate systems. Due to all of the above, several technological advantages are achieved over the current LED lighting solution: - Simplify and reduce the cost of LED luminaire installations, since no wiring must be done apart from supplying the luminaires with alternating voltage.
  • composition of the recommended power supply has the particularity of having, at least, a microprocessor that controls all its operation, protections, communications, auxiliary power supplies and Parameter and data storage.
  • the power supply optionally includes a second auxiliary power supply integrated in the first or main one, which allows the LED lighting to be turned off, but to maintain the operation of communications and data retransmission for other sources.
  • the recommended source is equipped with fast diodes that allow it to be blocked when a high voltage pulse arrives and prevents any of the internal components from suffering or breaking down.
  • it also has varistors that protect the source from voltage peaks up to ios 4KV.
  • the power supply of the invention also has transistors and power diodes controlled by the microprocessor, which turns them on using a mathematical formula that allows keeping the harmonics and the power factor below the limit required by the standard, even when we lower the output current or voltage, as well as maintaining the output current at the required value.
  • the power supply also has at least one high frequency transformer, a diode and transistors that maintain the average efficiency above 90%, even when the source is communicating.
  • the power supply also has an NTC (Negative Temperature Coefficient) resistance that measures the temperature of the source and, optionally, an input to measure the temperature of the LEDs.
  • NTC Negative Temperature Coefficient
  • the microprocessor controls the source and also a transistor and a transformer and a circuit, thereby detecting the zero crossing of the input voltage and stops the source for an instant to emit pulses at the zero crossings of the alternating input voltage, also allowing the source to communicate with other sources, since at that time there is no noise in the network and also all sources are stopped at that time, reducing the generation of noise caused by the source itself.
  • the power supply has an operating protocol that, even with the power off (solution without emitting light), listens to the information received by the power line and interprets and retransmits it if necessary.
  • the communication through the power line allows to program the output current for each independent source after finishing the production of the source in more than 60 levels, which allows to have a universal source for all applications.
  • a standard double level system allows to establish a fixed period of time during which the luminosity is reduced, usually to 50%, so that the luminosity when turning on the luminaire at dusk begins at 100%, then it is reduced to 50% in the Central hours of the night and finally back up to 100% at dawn, before the final shutdown.
  • the solution included in the recommended power supply it is possible to define up to ⁇ periods of time between switching on and off, assigning to each of them a certain level of brightness and a duration in time that it is set to% over the total time between switching on and off the previous day.
  • the solution allows you to adjust to the variable duration of the days throughout the year as well as the lighting needs of each installation, increasing the efficiency of the installation light.
  • being configurable by PLC allows it to adapt much faster to particular needs.
  • a flow reducer is a system installed in the headboards of conventional lighting installations (incandescence, etc.) that allows to regulate the intensity of the lighting by reducing the voltage and consequently of the power applied to the lamps connected to the lamps.
  • the power supplies for conventional LEDs that are usually found on the market try to keep the lighting intensity constant regardless of the input voltage applied to them. That is why they are incompatible with flow regulators. Since current regulators flow regulators are very extended, it is important to offer a solution so that the power supply is compatible with them.
  • the recommended power supply adapts to the flow regulators, allowing the light intensity to be gradually reduced from a certain minimum voltage (170v), reducing the output current proportionally to the input voltage detected by the source.
  • the source is monitoring its internal temperature and, optionally, the temperature of the LEDs, and when it receives that this temperature is exceeded, the output power of the IEDs will be lowered to keep the temperature below the level operating maximum
  • the source optionally has an input that allows you to connect a simple external button and make it turn off or vary its output current autonomously and programmably.
  • the current be zero (or its absolute value is as close to zero as possible) in the time interval (or angle) between that, in addition, each of the coefficients is less than the limit established by the standard, that is
  • Figure number 1 Shows a block diagram of the set of elements that contemplates the power supply, object of the invention, in a preferred embodiment thereof, the arrangement of said elements being appreciated.
  • Figure number 2. Shows a block diagram of the input unit provided in the source of the invention, showing the arrangement of its elements.
  • Figure number 3. Shows a block diagram of the power step unit and the LED output unit, showing the arrangement of the elements they comprise.
  • Figure number 4.- Shows a diagram of! PLC modem that contemplates the source according to the invention, the arrangement of the elements comprising it being appreciated.
  • Figure number 5. Shows a diagram of the Detection of the Q-Resonant (quasi-resonant) point of the power supply object of the invention, by means of the CPU microprocessor itself.
  • Figure number 6. Shows a diagram of the PLC modem transmission
  • Figure number 7. Shows a diagram of the calculation of the output current and harmonic correction.
  • the source (1) in question is distinguished because it incorporates integrated in the same compact set, in addition to the input unit (3) and the power step (4) (which is the regulator or stage of the source responsible for handling high voltages and / or currents), a CPU microprocessor (10) and a PLC modem (11) for communication via power line, said PLC modem (11) being connected to the input unit ( 3) which allows, when detecting the zero crossing, the communication is without noise in the network, for which said CPU microprocessor (10) is programmed to detect the quasi-resonant QR point and the zero crossing of the voltage of input, as well as to calculate the output current in combination with the harmonic correction, determining that the source communicates with other sources at the time that there is less noise in the network and, in turn, stopping the generation of the noise produced by the source itself.
  • the source (1) in question consists of an electronic device which, integrated in said compact set, contemplates as known elements:
  • the power step (4) which, as noted above, constitutes the stage of the source that regulates the voltages and currents,
  • a CPU microprocessor 10
  • a PLC modem 11
  • power line through which the start-up, power, synchronism, temperature, voltage and other functions of the source (1) are controlled
  • the input unit (3) to the power passage (4), preferably also having an auxiliary source (9).
  • Figure 2 shows in greater detail how the input unit (3), after the protection element (2), contemplates an EMI electromagnetic interference filter (12), after which the line is connected to the PLC modem (11). ), then a harmonic filter (13) PFC or power factor compensator, and then a bridge diode (14) and a capacitor (15) before connection to the power step (4).
  • the power step (4) of the source incorporates transistors (16) that , interposing the transformer (5), connects with the CPU microprocessor (10), and connected recovery diodes (17), also interposing power transformers (5), in the output unit (6), to a rectifier (18) , after which an LCS filter (19) is installed (resonant circuit formed by an inductance coil of value L and a capacitor of capacity C placed in series) and an electromagnetic interference filter (12) EMI and from this it is connected to the LEDs (8).
  • an LCS filter (19) is installed (resonant circuit formed by an inductance coil of value L and a capacitor of capacity C placed in series) and an electromagnetic interference filter (12) EMI and from this it is connected to the LEDs (8).
  • the most important feature of the power step in order to attack LEDs is that it must be a source of current and not voltage and, therefore, must ensure that it operates in the so-called discontinuous mode of type power converters. "flyback.”
  • the microprocessor will perform the appropriate calculations that make it work in that area and, more specifically, at the point of that area where the performance is maximum called Q-R or quasi-resonant point.
  • Figure 4 shows how in the PLC modem (11), after the input unit (3) a LCS filter (19), transformer (5), an LCP filter (20) (resonant circuit) is contemplated formed by an inductance coil of value L and a capacitor of capacity C placed in parallel) that connects with the CPU microprocessor (10) and an operational filter (22) that connects directly with the CPU microprocessor (10).
  • FIG 5 there is a diagram of the Detection of the Q-Resonant (quasi-resonant) Q point of the recommended power supply (1), by means of the CPU microprocessor itself (10).
  • the microprocessor detects the point A at which the auxiliary supply secondary coil ( Figure 1, winding 23) passes through zero volts and adds the corresponding time to 90 ° of the sine (1/4 of the period) that It forms spontaneously when the secondary of the transformer (5) of Figure 1 has discharged all the energy in the LEDs and reconnects the transistors at that point called QR, where the losses in the transistor are minimal because it is the voltage lower and, therefore, be less energy (1/2 C v 2 ) to dissipate from the parasitic capacitor of the transistors.
  • An important novelty of this design is how that is detected QR point without thereby blocking the entire function of the microprocessor and consists in doing so from time to time since that QR point moves very little.
  • the Q-Resonant point is the peak performance point for a switched power supply.
  • Figure 6 shows a diagram of the PLC transmission or modem (11), where it is observed how the source stops at the zero crossings.
  • the microprocessor controls the source and also a transistor a transformer and a circuit, which detects the zero crossing of the input voltage and stops the source for an instant to emit pulses at the zero crossings of the alternating input voltage, allowing also make the source communicate with other sources, since at that time there is no noise in the network since the power supplies are momentarily stopped.
  • figure 7 shows a diagram of! calculation of the output current and harmonic correction.
  • the average output current to the LEDs is calculated from the peak value of the input voltage, measured directly from the input unit (3) and the average value of the voltage in the LEDs (8) that is reflected in the passage of power through the auxiliary secondary of the power transformer ( Figure 1, winding 23).
  • Figure 1, winding 23 auxiliary secondary of the power transformer
  • T is the repetition period
  • ton is the connection time
  • This instantaneous current must be equal to a constant still to be determined, multiplied by the normalized current as a function of the angle, that is
  • connection time (ton) of the transistors based on the required current of the LEDs of the peak voltage of the input Vp (3) and the average voltage of the Vo LEDs (8):
  • the CPU (10) will be responsible for generating this variable width of the transistors' connection time so that the output current is adequate and that the harmonics have the correct values.
  • the CPU microprocessor (10) has a permanent memory that allows you to remember the duration of the previous day and make the necessary calculations to change the brightness for each up to 8 time intervals based on an extended dual level function, recording the time intervals definition in the CPU memory; and that the PLC modem (11) allows these parameters to be modified through communication by power line.
  • the CPU microprocessor (10) by means of built-in ADC (Analog to Digital) converters allows to measure the input voltage and activate the compatibility mode with a flow reducer that was present in the installation, reducing, from the 170V input, the output current applied to the LEDs (8) proportionally to the input voltage.
  • ADC Analog to Digital

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Abstract

Fuente de alimentación inteligente, con comunicación digital a través de la línea eléctrica aplicable para alimentar diodos LED (8) de luminarias, y constituida por un dispositivo electrónico que contempla unidad de entrada (3) que se conecta a la línea de corriente alterna (230V), el paso de potencia (4) transformadores de potencia (5) y unidad de salida (6) al que se conecta la línea de alimentación (7) eléctrica de los LEDs (8) que comprende, en un conjunto compacto, y vinculados a la unidad de entrada (3) y al paso de potencia (4), un microprocesador CPU (10) y un módem PLC (11 ) a través de los que se controla todo su funcionamiento, es decir, el arranque, la potencia, el sincronismo, la temperatura, el voltaje y demás funciones de la fuente (1 ) así como las protecciones, comunicaciones con otras fuentes y almacenamiento de parámetros y datos.

Description

FUENTE DE ALIMENTACIÓN INTELIGENTE, CON COMUNICACIÓN DIGITAL A TRAVÉS
DE LA LÍNEA ELÉCTRICA
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCION
La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a una fuente de alimentación inteligente, con comunicación digital a través de la línea eléctrica, la cual aporta, a la función a que se destina, varias ventajas y características de novedad que se describirán en detalle más adelante y que suponen una destacable mejora frente a los sistemas actualmente conocidos en el estado dé la técnica para el mismo fin.
Más en particular, el objeto de la invención se centra en una fuente de alimentación, particularmente destinada para alimentar los diodos de luminarias LED, la cual entre otros elementos contempla la incorporación de un microprocesador integrado en la misma que le permite contar con un amplio rango de tensiones de entrada, de salida, de frecuencias y de potencias, así como para recibir y emitir información a través de los cables de alimentación, para que almacene y transmita parámetros de funcionamiento (tensión y corriente de entrada y salida, horas de uso, temperatura) y a su vez reciba instrucciones de apagado, encendido y reducción o aumento de corriente de salida, para que mantenga un nivel bajo de armónicos incluso reduciendo la corriente y tensión de salida, para que soporte picos de tensión de entrada de al menos 4KV, y para que ofrezca un rendimiento medio superior al 90% incluso con el consumo de las comunicaciones PLC.
CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
El campo de aplicación de la presente invención se centra en el sector de la industria dedicado a la fabricación de dispositivos electrónicos, centrándose particularmente en el ámbito de los drives o controladores, fuentes de alimentación y de la comunicación entre dispositivos electrónicos, de manera más particular a las fuentes de alimentación que alimentan a los LED que componen las luminarias LED y que se comunican entre sí a través del cable de alimentación. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Como es sabido, los dispositivos de iluminación tipo LED necesitan una corriente continua para alimentarlos. Dichos dispositivos se conectan a la comente alterna, por lo cual precisan de una fuente de alimentación que convierta esta corriente alterna en continua.
Estas fuentes de alimentación son dispositivos electrónicos que reciben la señal alterna y la transforman en continua para alimentar a los diodos LED de iluminación. En su mayor parte, las fuentes son analógicas, tienen una tensión de salida con un rango pequeño y una corriente de salida fija, y no almacenan sus parámetros de funcionamiento, y en algunos casos tienen una entrada (1-10V), DALI o (PWM) que permite regular la corriente de salida. Algunas incluyen una comunicación por cable eléctrico, pero usando dos sistemas separados, sea interna o externamente, lo que aumenta los costes.
Como referencia al estado actual de la técnica, pues, si bien existen diversos tipos de fuentes de alimentación, al menos por parte del solicitante, se desconoce la existencia de ninguna que presente unas características técnicas, estructurales y constitutivas semejantes a las que presenta la que aquí se preconiza, estando los detalles caracterizadores de la misma, convenientemente recogidos en las reivindicaciones finales que acompañan a la presente memoria descriptiva. EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
De forma concreta, lo que la invención preconiza es una fuente de alimentación que, especialmente destinada para alimentar los LEDs de una luminaria, está específicamente desarrollada con el objetivo de, en un primer aspecto, permitir a la misma recibir y transmitir información y órdenes a través del cable de alimentación, en un segundo aspecto, permitir almacenar toda la información de funcionamiento de la fuente, y en un tercer aspecto, permitir ser un repetidor de la información o de las instrucciones dirigidas a una segunda fuente o fuente auxiliar conectada a la misma línea eléctrica. Todo esto, integrando dentro de un único dispositivo con un microprocesador que gestiona todas las funciones necesarias, en vez de usar sistemas separados. Debido a todo lo anterior, se consiguen varias ventajas tecnológicas sobre la solución actual de iluminación LED: - Simplificar y abaratar las instalaciones de las luminarias LED, puesto que no hay que hacer ningún cableado aparte de alimentar las luminarias con tensión alterna.
- Mejorar la eficiencia de la instalación lumínica reduciendo o aumentando el flujo luminoso cuando sea preciso.
- Mejorar la adaptación a las necesidades lumínicas concretas de las instalaciones regulando el flujo luminoso cuando sea preciso.
- Mantener el nivel de armónicos y el factor de potencia de la instalación estable incluso bajando el flujo luminoso.
- Soportar grandes tensiones en la línea eléctrica sin dañarse.
- Se consigue reducir el coste del mantenimiento preventivo y correctivo de las instalaciones, por conocer si un dispositivo ha fallado, la causa del fallo, las horas de funcionamiento y temperatura de funcionamiento de cada dispositivo.
- Se consigue mantener una eficiencia media del 90% en la fuente incluso con el consumo de las comunicaciones.
- Se consigue abaratar la producción de la fuente porque con un único modelo de rango de salida variable y programable a través de la red eléctrica, se obtiene un rango de salida que permite cubrir 5-10 modelos de las fuentes actuales.
Entrando más en los detalles de la invención, la composición de la fuente de alimentación preconizada presenta la particularidad de contar, al menos, con un microprocesador que controla todo el funcionamiento de la misma, las protecciones, las comunicaciones, fuentes auxiliares de alimentación y el almacenamiento de parámetros y datos.
Asimismo, la fuente de alimentación incluye, opcionalmente, una segunda fuente de alimentación auxiliar integrada en la primera o principal, lo cual permite apagar la iluminación de los LEDs, pero mantener el funcionamiento de las comunicaciones y la retransmisión de datos para otras fuentes.
Además, según otra de las características de la invención, la fuente preconizada, está dotada con unos diodos rápidos que permiten bloquearla cuando llega un pulso de alta tensión y evitan que sufran o se estropeen ninguno de los componentes internos. Según otra característica, cuenta también con unos varistores que protegen a la fuente sobre picos de tensión hasta ios 4KV. La fuente de alimentación de la invención cuenta asimismo con unos transistores y diodos de potencia controlados por el microprocesador, que los enciende utilizando una fórmula matemática qué permite mantener los armónicos y el factor de potencia por debajo del límite que exige la norma, inclusive cuando bajamos la corriente o tensión de salida, así como mantener la corriente de salida en el valor requerido.
Cuenta, también, con al menos un transformador de alta frecuencia, un diodo y unos transistores que mantienen la eficiencia media por encima del 90%, inclusive cuando la fuente se está comunicando. La fuente de alimentación dispone también de una resistencia NTC (Negative Temperature Coefficient - coeficiente de temperatura negativo) que mide la temperatura de la fuente y, opcionalmente, una entrada para medir la temperatura de los leds.
El microprocesador controla la fuente y además un transistor y un transformador y un circuito, con lo que detecta el paso por cero de la tensión de entrada y detiene la fuente un instante para emitir pulsos en los cruces por cero de la tensión alterna de entrada, permitiendo también hacer que la fuente se comunique con otras fuentes, puesto que en ese momento no hay ruido en la red y además todas las fuentes están detenidas en ese momento, reduciendo la generación de ruido provocado por la propia fuente.
La fuente de alimentación cuenta con un protocolo de funcionamiento que, incluso con |a fuente apagada (solución sin emitir luz), escucha la información recibida por la línea de alimentación y la interpreta y retransmite si fuera preciso. La comunicación por la línea de alimentación, permite programar la corriente de salida para cada fuente independiente después de terminar la producción de la fuente en más de 60 niveles, lo que permite tener una fuente universal para todas las aplicaciones.
Así mismo, incluye un sistema denominado de doble nivel que es configurable mediante la comunicación PLC (siglas del inglés Power Une Comunications, comunicaciones mediante cable eléctrico) y que incluye importantes ventajas frente a los sistemas de doble nivel estándar que puedan existir en el mercado.
Un sistema de doble nivel estándar permite establecer un período de tiempo fijo durante el cual la luminosidad se reduce, habitualmente al 50%, de forma que la luminosidad al encender la luminaria al anochecer comienza al 100%, posteriormente se reduce al 50% en las horas centrales de la noche y finalmente vuelve a subir al 100% al amanecer, antes del apagado final. A diferencia de un doble nivel estándar, en la solución incluida en la fuente de alimentación preconizada es posible definir hasta β períodos de tiempo entre el encendido y el apagado, asignando a cada uno de ellos un nivel de luminosidad determinado y una duración en tiempo que se establece en un % sobre el tiempo total entre el encendido y el apagado del día anterior.
Al establecer más períodos y al calcularlos en función de tiempo de encendido del día anterior, la solución permite ajustarse a la duración variable de los días a lo largo del año así como a las necesidades de iluminación de cada instalación, aumentado la eficiencia de la instalación lumínica. Así mismo, al ser configurable mediante PLC permite adaptarse mucho más rápido a las necesidades particulares.
Otra de las funciones que permite realizar es la de ser compatible con los denominados "reductores de flujo". Un reductor de flujo es un sistema instalado en los cuadros de cabecera de las instalaciones de iluminación convencional (incandescencia, etc.) que permite regular la intensidad de la iluminación mediante la reducción del voltaje y por consiguiente de la potencia aplicada a las lámparas conectadas al mismo, Las fuentes de alimentación para diodos LED convencionales que se encuentran habitualmente en el mercado intentan mantener la intensidad de iluminación constante independientemente del voltaje de entrada aplicado a las mismas. Es por ello, que son incompatibles con los reguladores de flujo. Dado que en las instalaciones actuales los reguladores de flujo se encuentran muy extendidos, es importante ofrecer una solución para que la fuente de alimentación sea compatible con los mismos.
La fuente de alimentación preconizada se adapta a los reguladores de flujo permitiendo que a partir de cierto voltaje mínimo (170v), se reduzca gradualmente la intensidad luminosa, reduciendo la corriente de salida proporcionalmente al voltaje de entrada detectado por la fuente.
Asimismo cuenta con protección de temperatura, pues la fuente está monitorizando su temperatura interna y, opcionalmente, la temperatura de los leds, y cuando reciba que esta temperatura se supera, bajará la potencia de salida de los ieds para mantener la temperatura por debajo del nivel máximo de funcionamiento.
Finalmente, la fuente tiene opcionalmente una entrada que permite conectar un simple pulsador externo y hacer que se apague o varíe su corriente de salida de forma autónoma y programable.
Es importante destacar que el hecho de que la CPU o el microprocesador sea la que realice el cálculo de la corriente de salida de forma combinada con la corrección de armónicos es una novedad que no está incluida en las fuentes de alimentación existentes actualmente.
Esto está relacionado con la descripción del cálculo de la función de onda. Dado que detenemos la fuente para conseguir una óptima comunicación, eso deforma la onda de la corriente en los pasos por cero y eso exige un tratamiento matemático especial para cumplir la normativa de armónicos / deformación de la onda (EN-61000-3-2), que es lo que soluciona el cálculo de dicha función.
Esta función, denominada es la suma de los
Figure imgf000008_0001
primeros 39 armónicos impares y normalizados a 1 de la corriente consumida por la fuente de alimentación, tal y como exige la norma, en función del ángulo
Figure imgf000008_0002
de la sinusoide de entrada, tomando, sin por ello perder generalidad ninguna, el primer armónico como de amplitud igual a 1 y dejando las demás 38 amplitudes como incógnitas a resolver.
Desde el cruce por cero de la sinusoide de voltaje de la entrada hasta el momento en el que la CPU activa de nuevo la fuente de alimentación transcurre un ángulo o ángulo de conducción, que permite transmitir la información requerida a través del cable eléctrico sin ruidos.
La condición ó restricción que nos permite calcular los coeficientes es que la función
Figure imgf000009_0001
es decir la corriente, sea cero (o su valor absoluto sea lo más próximo a cero posible) en el intervalo de tiempo (o ángulo) entre
Figure imgf000009_0006
que, además, cada uno de los coeficientes sea menor del límite establecido por ia norma, es decir
Figure imgf000009_0002
siendo pf el factor de potencia.
Figure imgf000009_0003
La función a minimizar en valor absoluto más conveniente es Esta integral es
Figure imgf000009_0004
realizable, aunque demasiado grande como para ponerla aquí (tiene 39x39=1521 términos), y nos proporciona un polinomio con los coeficientes como incógnitas ó variables.
Figure imgf000009_0005
Usando métodos conocidos de programación lineal podemos minimizar la integra! ó polinomio en cuestión sometida a las restricciones indicadas arriba, dando como resultado unos coeficientes determinados.
Como ejemplo, después de aplicar el método de cálculo escrito arriba, se obtuvieron los siguientes coeficientes, que cumplen perfectamente con las normativas de armónicos al uso, tomando un ángulo de conducción de 0,33276 radianes:
Figure imgf000009_0007
La descrita fuente de alimentación representa, pues, una estructura innovadora de características estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora para el fin a que se destina, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:
La figura número 1.- Muestra un diagrama de bloques del conjunto de elementos que contempla la fuente de alimentación, objeto de la invención, en un ejemplo de realización preferido de la misma, apreciándose la disposición de dichos elementos.
La figura número 2.- Muestra un diagrama de bloques de la unidad de entrada prevista en la fuente de la invención, mostrando la disposición de sus elementos. La figura número 3.- Muestra un diagrama de bloques de la unidad de paso de potencia y la unidad de salida de LEDs, mostrando la disposición de los elementos que comprenden.
La figura número 4.- Muestra un diagrama de! modem PLC que contempla la fuente según la invención, apreciándose la disposición de los elementos que comprende.
La figura número 5.- Muestra un diagrama de la Detección del punto Q-Resonante (cuasi- resonante) de la fuente de alimentación objeto de la invención, mediante el propio microprocesador CPU. La figura número 6.- Muestra un diagrama de la transmisión del módem PLC
La figura número 7.- Muestra un diagrama del cálculo de la corriente de salida y corrección de armónicos. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo preferido, pero no limitativo, de la fuente de alimentación inteligente, con comunicación a través de la línea eléctrica preconizada. Atendiendo al diagrama de la figura 1, se observa cómo la fuente (1) en cuestión se distingue porque incorpora integrados en un mismo conjunto compacto, además de la unidad de entrada (3) y el paso de potencia (4) (que es el regulador o etapa de la fuente encargada de manejar altos voltajes y/o corrientes), un microprocesador CPU (10) y un módem PLC (11) de comunicación por línea eléctrica, estando dicho módem PLC (11) conectado a la unidad de entrada (3) lo que permite que, al detectar el paso por cero, la comunicación sea sin ruido en la red, para lo cual dicho micorprocesador CPU (10) está programado para detectar el punto Q-R cuasi resonante y el paso por cero de la tensión de entrada, así como para calcular la corriente de salida de forma combinada con la corrección de armónicos, determinando que la fuente se comunique con otras fuentes en el momento que menos ruido hay en la red y, a su vez, deteniendo la generación del ruido producido por la propia fuente.
Más concretamente, en dicho diagrama de la figura 1, se observa cómo la fuente (1) en cuestión consiste en un dispositivo electrónico que, integrados en el mencionado conjunto compacto, contempla como elementos conocidos:
- la unidad de entrada (3), conectada tras unos varistores como elemento de protección (2) al que se conecta la línea de corriente alterna (230V),
- el paso de potencia (4) que, como se ha señalado anteriormente, constituye la etapa de la fuente que regula los voltajes y corrientes,
- y la unidad de salida (6) a la que se conecta la línea de alimentación (7) eléctrica de los LEDs (8) de la luminaria a alimentar eléctricamente, interponiendo entre dicha unidad de salida (6) y el paso de potencia (4) transformadores de potencia (5); y de modo innovador:
- un microprocesador CPU (10) y un módem PLC (11), de comunicación por línea eléctrica, a través de los que se controla el arranque, la potencia, el sincronismo, la temperatura, el voltaje y demás funciones de la fuente (1 ), al estar vinculados a la unidad de entrada (3) al paso de potencia (4) contando, preferentemente, también con una fuente auxiliar (9).
En la figura 2 se aprecia con mayor detalle cómo la unidad de entrada (3), tras el elemento de protección (2), contempla un filtro de interferencia electromagnética (12) EMI, tras el que la línea se conecta al modem PLC (11), a continuación un filtro de armónicos (13) PFC o compensador de factor de potencia, y a continuación un diodo puente (14) y un condensador (15) antes de su conexión al paso de potencia (4).
Atendiendo a la figura 3 donde se detallan los elementos del paso de potencia y la salida a LEDs, se puede apreciar cómo, tras la unidad de entrada (3), el paso de potencia (4) de la fuente incorpora transistores (16) que, interponiendo el transformador (5), conecta con el microprocesador CPU(10), y diodos de recuperación (17) conectados, interponiendo también transformadores de potencia (5), en la unidad de salida (6), a un rectificador (18), tras el que se ínstala un filtro LCS (19) (circuito resonante formado por una bobina de inductancia de valor L y un condensador de capacidad C puestos en serie) y un filtro de interferencia electromagnética (12) EMI y de este se conecta a los LEDs (8).
La característica más importante del paso de potencia para poder atacar a diodos LED es la de que debe de ser una fuente de corriente y no de tensión y, por lo tanto, debe asegurarse que funcione en el denominado modo discontinuo de los convertidores de potencia tipo "flyback". Para ello, el microprocesador realizará los cálculos oportunos que le hagan trabajar en esa zona y, más concretamente, en el punto de esa zona en el que el rendimiento es máximo denominado punto Q-R ó cuasi resonante. Y, por su parte, la figura 4 muestra cómo en el módem PLC (11), tras la unidad de entrada (3) se contempla un filtro LCS (19), transformador (5), un filtro LCP (20) (circuito resonante formado por una bobina de inductancia de valor L y un condensador de capacidad C puestos en paralelo) que conecta con el microprocesador CPU (10) y un filtro operacional (22) que conecta directamente con el microprocesador CPU (10).
En cuanto a la figura 5, se observa en ella un diagrama de la Detección del punto Q- Resontante (cuasiresonante) de la fuente de alimentación (1 ) preconizada, mediante el propio microprocesador CPU (10). Para ello, el microprocesador detecta el punto A en el que la bobina del secundario auxiliar de alimentación (Figura 1 , bobinado 23) pasa por cero voltios y le añade el tiempo correspondiente a 90° de la senoide (1/4 del periodo) que se forma de manera espontánea cuando el secundario del transformador (5) de la Figura 1 ha descargado toda la energía en los LEDs y conecta de nuevo los transistores en ese punto denominado Q-R, en donde las pérdidas en el transistor son mínimas por tratarse del voltaje más bajo y, por lo tanto, ser menor la energía (1/2 C v2) a disipar desde el condensador parásito de los transistores. Una novedad importante de este diseño es cómo se detecta ese punto Q-R sin que por ello se quede bloqueada toda la función del microprocesador y consiste en hacerlo de vez en cuando puesto que ese punto Q-R se mueve muy poco.
El punto Q-Resonante es el punto de máximo rendimiento para una fuente de alimentación conmutada. El resto de fuentes conocidas, cuando lo hacen, no lo realizan con la CPU sino con un circuito integrado dedicado específico. El hecho de realizarlo con la propia CPU simplifica el circuito y reduce los costes, tamaño, consumo, mejor rendimiento, etc.
Por su parte, la figura 6 muestra un diagrama de la transmisión o módem PLC (11), donde se observa cómo la fuente se detiene en los cruces por cero.
El microprocesador controla la fuente y además un transistor un transformador y un circuito, con lo que detecta el paso por cero de la tensión de entrada y detiene la fuente un instante para emitir pulsos en los cruces por cero de la tensión alterna de entrada, permitiendo también hacer que la fuente se comunique con otras fuentes, puesto que en ese momento no hay ruido en la red puesto que las fuentes de alimentación están detenidas momentáneamente.
Existen otros dispositivos que utilizan la comunicación en el momento del cruce por cero de la tensión de red. La novedad el sistema aquí propuesto es que, dado que el sistema de comunicación PLC y la fuente están integradas, nos es posible detener la actividad de la fuente de alimentación durante los cruces por cero para transmitir/recibir los pulsos de información sin que exista ruido generado por las fuentes, lo que mejora enormemente ¡as comunicación del conjunto de sistema.
Por último, la figura 7 muestra un diagrama de! cálculo de la corriente de salida y corrección de armónicos. En este diseño, la corriente media de salida hacia los LEDs se calcula a partir del valor de pico del voltaje de entrada, medido directamente desde la unidad de entrada (3) y del valor medio del voltaje en los LEDs (8) que es reflejado en el paso de potencia por el secundario auxiliar del transformador de potencia (Figura 1 , bobinado 23). De esta forma, se pueden elegir diferentes valores de la corriente media de salida a los LEDs sin necesidad de estar midiéndola directamente, ahorrando costes. Para poder cumplir las normativas de contenido armónico de la corriente consumida por la fuente, se divide un cuadrante de la onda de entrada en varios puntos (8 en este ejemplo) en los que se modula la corriente instantánea pedida de forma que el resultado del cálculo de la forma de onda corresponda con el cálculo expuesto antes relativo a la "función de armónicos relevantes".
Así, una vez determinada la forma de la corriente que necesitamos mediante la función
Figure imgf000014_0001
explicada en párrafos anteriores, tenemos que hacer que el paso de potencia genere esa corriente mediante algún mecanismo.
Para ello, vemos que la corriente instantánea que consume el paso de potencia a efectos de baja frecuencia es la media de la corriente en varios periodos de conmutación y, tal y como es sobradamente conocido en la técnica, vale para el caso de
Figure imgf000014_0002
tener alcanzado el punto quasi- resonante, en el que
Figure imgf000014_0003
en donde T es el periodo de repetición, ton es el tiempo de conexión
Figure imgf000014_0004
de los transistores,
Figure imgf000014_0005
es el voltaje instantáneo de entrada en función del voltaje de pico Vp, L es la autoinducíancia del primario del transformador, n es la relación de transformación y Vo es el voltaje medio en la salida (los LEDs (8)).
Esta corriente instantánea debe de ser igual a una constante
Figure imgf000014_0006
aún por determinar, multiplicada por la corriente normalizada en función del ángulo , es decir
Figure imgf000014_0007
Figure imgf000014_0008
Para determinar la constante
Figure imgf000014_0010
calculamos la potencia de entrada:
Figure imgf000014_0009
siendo 7sflí la corriente de salida de los LEDs (8).
Combinando las ecuaciones anteriores, (ver figura 7), podemos despejar el tiempo de conexión (ton) de los transistores en función de la corriente requerida de los LEDs
Figure imgf000014_0011
del voltaje de pico de la entrada Vp (3) y del voltaje medio de los LEDs Vo (8):
Figure imgf000014_0012
La CPU (10), se encargará de generar este ancho variable de tiempo de conexión de los transistores para que se cumpla que la corriente de salida es la adecuada y que los armónicos tengan los valores correctos. Finalmente, cabe remarcar además que, como ya se ha comentado en apartados anteriores, el microprocesador CPU (10) tiene una memoria permanente que le permite recordar la duración de encendido del día anterior y realizar los cálculos necesarios para cambiar ¡a luminosidad para cada uno de hasta 8 intervalos de tiempo en base a una función de doble nivel extendida, grabando en la memoria de la CPU la definición de los intervalos de tiempo; y que el módem PLC (11 ) permite que estos parámetros se modifiquen a través de la comunicación por línea eléctrica.
Además, el microprocesador CPU (10), mediante convertidores ADC (Analógico a Digital) incorporados permite realizar una medida de la tensión de entrada y activar el modo de compatibilidad con un reductor de flujo que estuviese presente en la instalación, reduciendo, a partir de los 170V de entrada, la corriente de salida aplicada a los LED (8) de forma proporcional a la tensión de entrada. Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1 ,- FUENTE DE ALIMENTACIÓN INTELIGENTE, CON COMUNICACIÓN DIGITAL A TRAVÉS DE LA LÍNEA ELÉCTRICA que, aplicable para alimentar diodos LED (8) de luminarias, y constituida por un dispositivo electrónico que contempla una unidad de entrada (3) que se conecta a la línea de corriente alterna (230V), el paso de potencia (4) transformadores de potencia (5) y unidad de salida (6) a la que se conecta la línea de alimentación (7) eléctrica de los LEDs (8) está caracterizada porque comprende, integrados en un conjunto compacto, y conectados a la unidad de entrada (3) y ai paso de potencia (4), un microprocesador CPU (10) y un módem PLC (11 ) de comunicación por línea eléctrica, a través de los que se controla el arranque, la potencia, el sincronismo, la temperatura, el voltaje y demás funciones de la fuente (1 ) así como las protecciones, comunicaciones con otras fuentes y almacenamiento de parámetros y datos; porque además comprende diodos rápidos o diodos puente (14) que permiten bloquear la fuente cuando llega un pulso de alta tensión, varistores como elemento de protección (2) que protegen a la fuente sobre picos de tensión hasta los 4KV, transistores (16) y diodos de potencia (17) controlados por el microprocesador CPU (10), así como, al menos, un transformador (5) de alta frecuencia; y porque dicho microprocesador CPU (10) está programado para detectar el punto Q-R cuasi resonante y el paso por cero de la tensión de entrada, así como para calcular la corriente de salida de forma combinada con la corrección de armónicos, determinando que la fuente se comunique con otras fuentes en el momento que menos ruido hay en la red y, a su vez, deteniendo la generación del ruido producido por la propia fuente.
2.- FUENTE DE ALIMENTACIÓN INTELIGENTE, CON COMUNICACIÓN DIGITAL A TRAVÉS DE LA LÍNEA ELÉCTRICA, según la reivindicación 1 , caracterizada porque incorpora una fuente de alimentación auxiliar (9), integrada en la primera o principa!, que permite apagar la iluminación de los LEDs, pero mantener el funcionamiento de las comunicaciones, y la retransmisión de datos para otras fuentes.
3.- FUENTE DE ALIMENTACIÓN INTELIGENTE, CON COMUNICACIÓN DIGITAL A TRAVÉS DE LA LÍNEA ELÉCTRICA, según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada por comprender una resistencia NTC que mide la temperatura de la fuente y una entrada para medir la temperatura de los leds.
4. - FUENTE DE ALIMENTACIÓN INTELIGENTE, CON COMUNICACIÓN DIGITAL A TRAVÉS DE LA LÍNEA ELÉCTRICA, según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizada porque tiene una entrada y un pulsador externo conectado, que permite hacer que se apague o varíe su corriente de salida de forma autónoma y programable.
5. - FUENTE DE ALIMENTACIÓN INTELIGENTE, CON COMUNICACIÓN DIGITAL A TRAVÉS DE LA LÍNEA ELÉCTRICA, según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizada porque el microprocesador CPU (10) cuenta con memoria permanente para recordar la duración de encendido del día anterior y realizar cálculos para cambiar la luminosidad para cada uno de hasta 8 intervalos de tiempo en base una función de doble nivel extendida, grabando en la memoria de la CPU la definición de los intervalos de tiempo.
6. - FUENTE DE ALIMENTACIÓN INTELIGENTE, CON COMUNICACIÓN DIGITAL A TRAVÉS DE LA LÍNEA ELÉCTRICA, según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizada porque el microprocesador CPU (10) incorpora convertidores ADC (Analógico a Digital) para realizar una medida de la tensión de entrada y activar el modo de compatibilidad con un reductor de flujo presente en la instalación, reduciendo, a partir de los 170V de entrada, la corriente de salida aplicada a los LED (8) de forma proporcional a la tensión de entrada.
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