CONFIGURACIÓN DE CIRCUITO PARA GENERAR UNA SEÑAL MODULADA EN ANCHURA DE PULSOS, PARA ACCIONAR CARGAS ELÉCTRICAS.

Configuración de circuito para generar una señal modulada en anchura de pulsos, para accionar cargas eléctricas La presente invención está relacionada en general con el suministro y control de fuentes de luz, particularmente fuentes de luz que pertenecen a sistemas de iluminación para aplicaciones aviónicas, y más específicamente a una configuración de circuitos para la activación por modulación de anchura de pulsos de una fuente de luz. Se utilizan cada vez más los LED para sustituir las lámparas incandescentes, como fuentes de luz en la iluminación del panel de instrumentos en las cabinas de las aeronaves. Con el fin de conseguir la gran gama dinámica de luminosidad requerida, es necesario desarrollar una solución de circuitos eléctricos de control que sea diferente de la convencional asociada con lámparas incandescentes, representada por una simple fuente de alimentación. La solución estándar es accionar la carga (una fuente de luz de LED) por medio de una señal modulada en anchura de pulsos (PWM), y se caracteriza por la propiedad de combinar en una sola señal de activación el suministro de energía a la fuente y el control de su luminosidad (intensidad y espectro) por la variación de los parámetros eléctricos de la tensión (o corriente) de activación y el ciclo de trabajo. La señal de activación (fuente de alimentación y control) se genera por medio de un circuito de activación de tensión que en realidad implementa una conversión de potencia desde una señal de alimentación continua a una señal modulada en anchura de pulsos, y debe reunir unos requisitos predeterminados de seguridad (protección de cortocircuito), simplicidad (menor número de componentes y menor tamaño de circuito), fiabilidad y cumplimiento de las regulaciones de compatibilidad electromagnética. Un circuito de activación PWM diseñado específicamente para activar los LED en aplicaciones aviónicas debe reunir también otros requisitos, tales como una amplia gama dinámica de luminosidad (la relación entre la luminosidad máxima y mínima de alrededor de 4000 o incluso más, la posibilidad de controlar la luminosidad de acuerdo con las diferentes funciones de iluminación requeridas, y la capacidad de activar una carga no lineal (para una tensión de activación por debajo de un umbral, se apaga un LED) y una carga variable (con una demanda de corriente desde unos pocos mA hasta 1-3 A) de acuerdo con el número de fuentes de luz a encender. Con el fin de conseguir la amplia gama dinámica requerida, es necesario ajustar la amplitud de la señal de control y modular simultáneamente su anchura de pulso. En el documento US 2006/0043911 A1 se divulga un método y un circuito para activar un diodo emisor de luz alimentado por batería. Se genera una señal PWM de control para regular una corriente de activación para activar un LED, en función de la señal de tensión de la batería, con el fin de ampliar la vida de la batería cuando su tensión cae al final de la carga de la batería. Además, el circuito de activación debe estar adaptado para recibir una tensión de alimentación variable de acuerdo con las diversas regulaciones que gobiernan la aplicación pretendida (DO-160E, MIL-STD-704, etc.). En detalle, el equipo diseñado para proporcionar una línea de alimentación de tensión PWM para aplicaciones aviónicas se suministra normalmente desde la línea de la fuente de alimentación externa. Esta línea puede estar sometida a variaciones de la tensión de trabajo, a pulsos espurios de alta energía y a transitorios anómalos (por ejemplo, pueden alcanzarse tensiones de 80 V durante 100 ms sobre líneas de corriente continua de 28 V nominales). La solución del circuito más simple es el uso de un dispositivo de conmutación que se abra y cierre de acuerdo con una onda cuadrada de control (figura 1). En este caso, el número de componentes, las dimensiones globales y el peso se reducen a los niveles más pequeños posibles. Sin embargo, la generación de la señal PWM origina muchos problemas en términos de la emisión de energía electromagnética en una amplia gama de frecuencias entre la fundamental y 1 GHz. Con el fin de mantener estas emisiones por debajo de los límites permitidos por las regulaciones, es posible utilizar cables apantallados o conexiones retorcidas (con el cable de salida de la señal PWM retorcido con la correspondiente línea de retorno). La alternativa, en el caso de conexiones simples, es controlar la pendiente de los bordes de la señal; en otras palabras, la forma de onda de la tensión de salida debe ser al menos trapezoidal (con bordes de pendiente constante) y no una inda cuadrada (aunque ésta sería la ideal). Con el fin de obtener estos bordes inclinados, debe utilizarse una etapa de control y conmutación de la tensión lineal, en lugar del simple dispositivo de conmutación que se abre y se cierra (ON/OFF). Esto tiene la ventaja también de que, como la tensión de salida puede ser controlada, la carga está protegida de transitorios sobre la 2 línea de la fuente de alimentación. ES 2 365 553 T3 El método más sencillo de construir un circuito de este tipo es conectar un transistor MOSFET en serie con la línea de la fuente de alimentación, y activarlo de manera que sea alternativamente conductor y no conductor, de acuerdo con un ciclo de trabajo predeterminado (figura 2). En este caso, la forma de onda de la tensión de control se reproduce en la salida con una amplificación predeterminada. En general, esta solución proporciona un control eficiente de la señal de activación y el control de la pendiente del borde delantero de los pulsos de tensión. Sin embargo, la sencilla topología no permite drenar energía de la carga en el periodo en el cual el transistor no conduce, y por tanto la segunda parte de la forma de onda de la señal de activación depende de la carga. El enfoque convencional para la resolución de este problema es utilizar etapas en contrafase (push-pull), pero estas requieren fuentes de alimentación negativas y circuitos de control exclusivos. En aplicaciones en las cuales los aspectos tales como el tamaño y el peso son de importancia fundamental, la solución antes mencionada puede ser difícil de implementar. Los requisitos de compatibilidad electromagnética impuestos para limitar las emisiones originadas por la generación de la señal PWM, hacen necesario proporcionar un filtrado potente de la señal de salida del circuito de activación PWM, lo cual requiere un condensador en la línea de salida (figura 3), y esto degrada el rendimiento de la etapa de salida del circuito, en términos de estabilidad y respuesta a las variaciones de la carga. El borde trasero del pulso de tensión es en realidad estrictamente dependiente de la carga. Con corrientes de salida altas no existen problemas, ya que la carga descarga la energía almacenada en el filtro capacitivo y la forma de onda trapezoidal es prácticamente ideal. Con pequeñas corrientes de salida, el filtro no se descarga por completo y como resultado la forma de onda se distorsiona. El fenómeno está ilustrado en las figuras 3 y 4. En el intervalo t0 - t1, no fluye corriente a través del conmutador lineal LS y la tensión Vout de salida es cero. En el intervalo t1 - t2, se utiliza una corriente ILS para alimentar la carga (con su parte I) y para cargar el condensador (con su parte IC en el sub-intervalo t1 - t1). En el intervalo t2 - t3, el condensador se descarga debido a la carga, y no hay control por el interruptor lineal de la salida, ya que este último solamente puede suministrar corriente a la carga. La forma de la tensión de salida tiene una correlación cercana con la constante de tiempo RC, que es una función de la resistencia de la carga y de la capacitancia del condensador del filtro. Si RC << (t3 - t2), la tensión de salida sigue el control; en otro caso, aparece una distorsión. Si (t3 - t2) << RC << (t4 - t2), la tensión de salida está representada por la forma de onda de la figura 5a; si RC >> (t4 - t2), la tensión de salida está representada por la forma de onda de la figura 5b; en otras palabras, la forma de onda PWM se pierde por completo. La distorsión resultante aumenta la luminosidad de la fuente activada de una manera no deseada, ya que el ciclo de trabajo es mayor. Se pierde por tanto el control de la luminosidad. Si la carga fuera fija de antemano, la corriente de salida podría ser convenientemente predeterminada. Sin embargo, en muchas aplicaciones, incluyendo las aplicaciones aviónicas, la carga es variable. Esto es debido a que el valor de la carga es una función del número de lámparas indicadoras iluminadas en un momento dado, y este número es variable, ya que las lámparas pueden ser apagadas o encendidas independientemente. La resistencia de la carga puede variar generalmente desde infinito (circuito abierto) a un valor mínimo de alrededor... [Seguir leyendo]

1. Configuración de circuito para la activación, modulada en anchura de pulsos, de una carga (L) conectada a la línea (SL) de tensión de alimentación, incluyendo: - medios (LS) de control/conmutación de tensión interpuestos entre dicha línea (SL) de alimentación y la carga (L), y adaptados para hacerse conductores de acuerdo con un ciclo de trabajo predeterminado; y - medios (C) de filtro capacitivo colocados aguas abajo de dichos medios (LS) de control/conmutación de la tensión, en paralelo con la carga (L), - caracterizada porque comprende también medios controlados (S) de sumidero de corriente, conectados a dichos medios (C) de filtro capacitivo, y adaptados para funcionar como un sumidero de corriente proporcionado por la descarga de la energía almacenada por dichos medios (C) de filtro capacitivo, estando adaptados dichos medios (S) de sumidero de corriente para ser conmutados a un estado de activación cuando dichos medios (LS) de control/conmutación de la tensión no están conduciendo, y a un estado inactivo cuando dichos medios (LS) de control/conmutación de la tensión están conduciendo. 2. Configuración según la reivindicación 1, en la que dichos medios (S) de sumidero de corriente están adaptados para ser conmutados a un estado activado cuando dichos medios (LS) de control/conmutación de la tensión no están conduciendo y dichos medios (C) de filtro capacitivo han almacenado una carga distinta de cero. 3. Configuración según la reivindicación 1 o 2, en la que dichos medios (S) de sumidero de corriente incluyen un circuito sumidero de corriente constante activado por una señal de tensión (VI_CTR). 4. Configuración según la reivindicación 3, en la que dicha señal (VI_CTR) de tensión de activación es emitida por un circuito (D2) de activación de los medios (S) de sumidero de corriente controlados por una unidad de control dispuesta para controlar un circuito (D1) de activación del ciclo de trabajo de dichos medios (LS) de control/conmutación. 5. Configuración según la reivindicación 3 o 4, en la que dichos medios (S) de sumidero de corriente comprenden un transistor de unión bipolar, que tiene su terminal de emisor conectado a un potencial de referencia a través de una resistencia (R) de realimentación, y conmutado al estado de conducción o no conducción en función de una tensión (VON/OFF) de polarización aplicada al terminal de la base, siendo la corriente constante sustancialmente igual a la relación entre la tensión (VON/OFF) de polarización y el valor de la resistencia (R) de realimentación. 6. Configuración según la reivindicación 3 o 4, en la que dichos medios (S) de sumidero de corriente comprenden un transistor de unión bipolar que es conmutado a un estado de conducción o no conducción, en función de una tensión aplicada al terminal de la base, y que está conectada por su terminal de emisor al potencial de referencia a través de una resistencia (R) de realimentación, en la cual la tensión aplicada al terminal de la base se establece en la salida del circuito del amplificador operacional, que tiene una primera entrada sobre la cual se establece una señal (VREF) de la tensión de activación, y una segunda entrada a la cual se realimenta la tensión establecida en dicho terminal de emisor, siendo la corriente constante sustancialmente igual a la relación entre la tensión (VREF) de activación y el valor de la resistencia (R) del emisor. 7. Configuración según la reivindicación 3 o 4, en la cual los medios (S) de sumidero de corriente comprenden un circuito espejo de la corriente. 8. Configuración según la reivindicación 3, en la que la señal de la tensión de activación para los medios (S) de sumidero de corriente es emitida por un circuito de activación en una configuración de amplificador diferencial (DC) que recibe en su entrada una primera señal (VCTR) de tensión desde dicha unidad (D2) de control y está adaptada para realizar un control de realimentación con referencia a una corriente predeterminada. 9. Configuración según la reivindicación 3, en la que la señal de la tensión de activación para los medios (S) de sumidero de corriente es emitida por un circuito de activación en una configuración de amplificador diferencial (DC), que recibe en su entrada una primera señal (VCTR) de tensión desde dicha unidad (D2) de control, y está adaptada para realizar un control de realimentación con referencia a una tensión predeterminada. 10. Configuración según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dichos medios (S) de sumidero de corriente están conectados a través de los terminales de los medios (C) de filtro capacitivo y de la carga (L). 7 ES 2 365 553 T3 8 ES 2 365 553 T3 9 ES 2 365 553 T3 ES 2 365 553 T3 11 ES 2 365 553 T3 12