Método y sistema de alimentación de una carga constituida por una pluralidad de cargas elementales,

en particular de led.

La presente invención describe un método y sistema de alimentación de una carga constituida por una pluralidad de cargas elementales, en particular de LED, preferentemente para HBLED, a partir de la red eléctrica con una reducida inyección de armónicos de corriente. Este método de control está basado en dividir la carga en varios módulos y hacer funcionar cada uno de ellos de forma espaciada en el tiempo. Como consecuencia, la energía que se requiere almacenar es radicalmente reducida, y se puede evitar la utilización de condensadores de tipo electrolítico.

Método y sistema de alimentación de una carga constituida por una pluralidad de cargas elementales, en particular de led

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención describe un método y sistema de alimentación de una carga constituida por una pluralidad de cargas elementales, en particular de LED, preferentemente para HBLED, a partir de la red eléctrica con una reducida inyección de armónicos de corriente. Este método de control está basado en dividir la carga en varios módulos y hacer funcionar cada uno de ellos de forma espaciada en el tiempo. Como consecuencia, la energía que se requiere almacenar es radicalmente reducida, y se puede evitar la utilización de condensadores de tipo electrolítico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La eficiencia energética es una preocupación de toda la sociedad, y la iluminación en particular es un campo en el que se prevé un cambio radical en la manera de utilizar la energía eléctrica. Como ejemplo, una nueva directiva de la UE establece los plazos para la retirada gradual de las bombillas incandescentes.

Los HBLED (high brigth/brightness light emitting diodes, o diodos emisores de luz de alto brillo) son una alternativa muy interesante en la sustitución de medios convencionales de iluminación, especialmente aquellos que utilizan la energía de forma poco eficiente. A lo largo de la patente se ha hecho referencia a los HBLED, sin embargo, el método y sistema propuesto es igualmente válido para los LEDs convencionales.

Las características más importantes de los HBLED son las siguientes:

• Larga duración, que se puede establecer entre 50000 y 100000 horas de vida. Esta gran ventaja de los HBLED debe ir acompañada de una duración del equipo electrónico que los alimenta igual o superior, con el fin de hacer viable la aplicación de la iluminación con HBLEDs a entornos de media o alta potencia. Como dato comparativo, el tiempo de vida típico de una lámpara fluorescente se puede situar en el entorno de 20000 horas.

• Elevado rendimiento lumínico: las mejores expectativas se sitúan en torno a los 100 Lm/W.

• Mejora del impacto medioambiental: los procesos de fabricación y la utilización de los HBLED producen menos residuos medioambientalmente peligrosos, como el mercurio y el plomo presentes en lámparas fluorescentes.

• Facilidad para regular el flujo luminoso (dimming) . Los HBLED proporcionan un flujo luminoso proporcional a la corriente que los atraviesa.

• Rapidez de encendido. El LED no necesita un periodo de calentamiento ni encendido en rampa tal como las lámparas de bajo consumo, sino que su encendido puede llegar a ser muy rápido, lo cual redunda en el nivel de confort del usuario, tanto de luminarias de interior como de exterior.

Actualmente se pretende extender el uso de HBLED para la iluminación de entornos residenciales, industriales, comerciales, etc. En estos casos, la potencia de la luminaria abarca un intervalo de decenas de vatios hasta incluso pocas centenas de vatios. Además, las luminarias se conectan a la red convencional de corriente alterna (CA = 220V 50 Hz en Europa) . Todo ello hace que se necesiten convertidores de potencia, tanto para la conexión a red como para el gobierno de los HBLED.

La iluminación mediante HBLEDs para su implantación en el mercado, requiere en primer lugar no exigir el cambio de la línea de alimentación de las luminarias actualmente en uso. Por tanto la energía se deberá tomar de una red por ejemplo de CA de 220V eficaces en el caso español. Por otro lado, la alimentación final del LED más eficaz pasa por una corriente continua aunque pueda presentar un cierto nivel de rizado. Por todo ello se requiere una conversión ca/cc con los siguientes requisitos:

• Corrección del factor de potencia, CFP. Este término hace referencia a la exigencia de que el convertidor ca/cc demande de la red una corriente lo más sinusoidal posible y en fase con la tensión de la red. En Europa la norma EN 61000-3-2 limita legalmente los armónicos de corriente que se pueden inyectar a la red siendo especialmente restrictivos los límites para la denominada Clase C aplicable a los equipos de iluminación.

• Tiempo de vida del convertidor ca/cc comparable al de los HBLEDs. La solución más extendida para los convertidores ca/cc con CFP utiliza un convertidor cc/cc elevador o Flyback cuya corriente de entrada, se modula para quesu contenido armónico esté por debajo de la norma. Éste es el denominado emulador de resistencia. Este convertidor requiere para su funcionamiento un condensador electrolítico de elevada capacidad y tamaño, conectado en su salida en paralelo con la carga, capaz de proporcionar la energía suficiente a la carga, cuando en la entrada no está disponible ya que la tensión sinusoidal de la red está pasando por cero. Y es precisamente el condensador de almacenamiento quien limita el tiempo de vida del convertidor ca/cc y en consecuencia del sistema completo, restándole a la iluminación mediante HBLEDs una de sus principales ventajas, que es el número de horas de vida del dispositivo emisor de luz.

Puesto que una de las mayores ventajas de los LEDs de alto brillo es su tiempo de vida, los equipos

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electrónicos utilizados como acondicionadores de energía para este tipo de dispositivos deberían tratar de evitar tecnologías como la de los condensadores electrolíticos, que reducen significativamente el tiempo de vida del equipo. Actualmente, los HBLED son utilizados para la retroiluminación de pantallas, iluminación en coches, luces de emergencia, comerciales, residenciales e iluminación de calles, debido a su alto tiempo de vida, compromiso con el medio ambiente y alto rendimiento en términos de la relación entre potencia y emisión de luz.

En muchas de estas aplicaciones, es necesario proporcionar la energía de funcionamiento de los HBLED a partir de la red eléctrica, empleando un convertidor ca/cc que debe cumplir con la normativa de inyección de armónicos a la red eléctrica. Para que las soluciones basadas en HBLED sean atractivas desde un punto de vista económico, el tiempo de vida de este acondicionador debe ser similar al tiempo de vida de la propia lámpara. Considerando este aspecto, el componente más crítico en un convertidor ca/cc convencional es el condensador de almacenamiento, que limita significativamente el tiempo de vida del convertidor electrónico. Un sistema convencional de alimentación de una lámpara HBLED consiste en un convertidor ca/cc como el de la Figura 1, donde la carga consume una potencia constante. Si se asume que el convertidor va a funcionar como un emulador de resistencia, es necesario que exista un almacenamiento de energía intermedio, puesto que la red eléctrica sinusoidal no puede proporcionar potencia constante. Debido a la capacidad requerida y la tensión de funcionamiento, la energía se suele almacenar en condensadores electrolíticos que limitan el tiempo de vida de la fuente de alimentación.

Hay trabajos previos en convertidores ca/cc que pueden aplicarse para la resolución de este problema, como convertidores ca/cc en una única etapa, en los que se permite algo de distorsión en la corriente de entrada para reducir el condensador de almacenamiento, por supuesto siempre respetando la normativa de inyección de armónicos de corriente a la red. Considerando otras posibles soluciones, en otros trabajos se propone una estrategia de control para un convertidor ca/cc en una única etapa que alimenta una lámpara de HBLED cumpliendo la normativa correspondiente a aplicación de iluminación (EN-61000-3-2 Class C para potencias menores que 25W) . Por medio de una rampa de compensación apropiada, la corriente de entrada cumple la normativa empleando un circuito estándar de bajo coste y muy sencillo.

Por otra parte, también existe en el estado de la técnica un convertidor corrector del factor de potencia con un condensador de almacenamiento reducido gracias a la selección de la topología. En otros trabajos, la estrategia de reducción del condensador de almacenamiento consiste en aumentar intencionadamente el rizado de tensión en el condensador de almacenamiento, de modo que tiene una capacidad menor y puede emplearse un condensador de film en lugar de uno electrolítico. Otro método para reducir el condensador consiste en inyectar un tercer armónico en la corriente de entrada de referencia, de tal...

1. Método de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de diodos LED, en donde el sistema está alimentado por una fuente de corriente alterna (ca) y compren

el método comprendiendo las siguientes etapas,

- discretizar la potencia a consumir por la carga (2) en una pluralidad de niveles, de modo que la potencia instantánea en la carga (2) se adapte a la potencia que la fuente de corriente alterna de entrada puede suministrar, la discretización comprendiendo,

- generar señales de control que producen la conexión o desconexión de una secuencia de módulos interruptores (4) con un decalaje en el tiempo a lo largo del ciclo de tensión de la fuente de corriente alterna (ca) , en donde la conexión de un módulo interruptor (4) produce el crecimiento en un nivel de la potencia de entrada a la carga (2) en un escalón, y la desconexión de un módulo interruptor (4) produce la disminución en un nivel de la potencia de entrada a la carga (2) en un escalón, y en donde el número de cargas elementales (D1-Dn) a gestionar es igual al número de niveles de discretización buscado de la potencia máxima a consumir por la carga (2) , y

- sincronizar la generación de señales de control con la evolución de la potencia de la fuente de corriente alterna (ca) de alimentación del sistema,

, y

- de tal modo que la conexión de un módulo interruptor (4) para producir el crecimiento en un nivel de la potencia de entrada a la carga (2) supone la alimentación de una carga elemental adicional (Dx) previamente no alimentada y la desconexión de un módulo interruptor (4) para producir la disminución en un nivel de la potencia de entrada a la carga (2) supone retirar la alimentación de una carga elemental adicional (Dx) previamente alimentada.

2. Método de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de diodos LED, según la reivindicación 1, donde el ciclo de trabajo de cada carga elemental (Dx) es igual al 50%.

3. Método de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de diodos LED, según las reivindicaciones 1 y 2, donde la frecuencia de conexión de cada carga elemental (Dx) es el doble que la frecuencia de la fuente de corriente alterna (ca) .

4. Método de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de LED, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el diodo LED es del tipo HBLED.

5. Método de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de LED, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la corriente de entrada a un modulo convertidor ca/cc (1) es sinusoidal.

6. Sistema de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de diodos LED, en donde dicho sistema de alimentación está alimentado por una fuente de corriente alterna (ca) y comprende,

- un modulo convertidor ca/cc (1) , que convierte la fuente de corriente alterna (ca) en corriente continua, -al menos un módulo convertidor cc/cc (3) conectado al módulo convertidor ca/cc, para la alimentación de una o más cargas elementales, -una pluralidad de módulos interruptores (4) susceptibles de ser conectados y desconectados por respectivas señales de control, y -un sistema de control generador de las referidas señales de control que producen la conexión o desconexión de las cargas elementales (D1-Dn) ,

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caracterizado porque el sistema de control comprende,

- un módulo de sincronización referenciado a la fuente de corriente alterna (ca) , y -un módulo generador de señales de control, sincronizado con la fuente de corriente alterna (ca) por el referido módulo de sincronización,

en donde el módulo generador de señales de control está adaptado para discretizar la potencia máxima a consumir por la carga (2) en una pluralidad de niveles, de modo que la potencia instantánea en la carga (2) se adapte a la potencia que la fuente de corriente alterna (ca) de entrada puede suministrar, generando para ello señales de control que producen la conexión o desconexión de una secuencia de módulos interruptores (4) con un decalaje en el tiempo a lo largo del ciclo de tensión de la fuente de corriente alterna (ca) , de modo que la conexión de un módulo interruptor (4) produce el crecimiento en un nivel de la potencia de entrada a la carga

(2) en un escalón, y la desconexión de un módulo interruptor (4) produce la disminución en un nivel de la potencia de entrada a la carga (2) en un escalón, y

en donde el número de cargas elementales (D1-Dn) a gestionar es igual al número de niveles de discretización buscado de la potencia máxima a consumir por la carga (2) .

7. Sistema de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de diodos LED, según la reivindicación 6, donde los diodos LED son del tipo HBLED.

8. Sistema de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de diodos LED, según cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, que comprende:

• una pluralidad de módulos convertidores cc/cc (3.1 a 3.n) ,

• al menos igual número de módulos interruptores (4.x) en paralelo con una carga elemental (Dx) que módulos convertidores cc/cc (3) , donde dichos módulos interruptores (4) se conectan a los módulos convertidores cc/cc (3) , y

• donde dichos módulos convertidores cc/cc (3) se disponen en paralelo entre sí.

9. Sistema de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de diodos LED, según cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, que comprende:

• un único módulo convertidor cc/cc (3) ,

• una pluralidad de módulos interruptores (4.1 a 4.n) en paralelo con unas cargas elementales (D1-Dn) , y

• donde las cargas elementales (D1-Dn) se disponen en serie entre sí y conectadas al módulo convertidor cc/cc (3) .

10. Sistema de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de LED, según cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7, que comprende

• un único módulo convertidor cc/cc (3) ,

• n cargas elementales (D1-Dn) en serie entre sí, conectadas al convertidor cc/cc (3) ,

• un primer grupo de interruptores (4.1a-4. (n-1) a) con un terminal común (9) conectado al módulo convertidor cc/cc (3) ,

• un segundo grupo de interruptores (4.1b-4. (n-1) b) con un terminal común (10) conectado al módulo convertidor cc/cc (3) , y

• el otro terminal de cada interruptor (4.xa, 4.xb) está conectado a la salida de la carga elemental Dx.

11. Sistema de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de LED, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10 donde el número de cargas elementales (D1-Dn) es mayor que 3 y preferentemente, mayor que 9.

12. Sistema de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de LED, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, donde en cada carga elemental (Dx) , en el caso de haber más de un LED, éstos están conectados en serie.

13. Sistema de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de LED, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, donde en cada carga elemental (Dx) , en el caso de haber más de un LED, éstos están conectados en paralelo.

14. Sistema de alimentación de una carga (2) constituida por una pluralidad de cargas elementales (D1-Dn) , en particular de LED, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 13 donde se emplea un condensador de película, como medio de almacenamiento de energía.

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