Fuente de suministro de energía de modo conmutado, sistema de iluminación por LED y dispositivo de excitación que los comprende.

Una fuente de suministro de energía de modo conmutado, destinada a proporcionar alimentación eléctrica a unacarga (9),

que comprende:

un rectificador (5), que tiene una entrada y una salida, de tal modo que dicho rectificador (5) está dispuestopara convertir una señal de alimentación eléctrica proporcionada en su entrada en una señal de alimentacióneléctrica rectificada que emerge en su salida;

un dispositivo de almacenamiento de energía (6) para almacenar energía eléctrica, de tal manera que dichodispositivo de almacenamiento de energía (6) es susceptible de conectarse a dicha carga (9);

un elemento de conmutación controlable (7), conectado al dispositivo de almacenamiento de energía (6), detal modo que el elemento de conmutación (7) está dispuesto para conmutar la fuente de suministro de energíade modo conmutado entre un estado de carga, en el que el dispositivo de almacenamiento de energía escargado por el rectificador (5) por medio del transporte de carga desde el rectificador (5), y un estado dedescarga, en el que el dispositivo de almacenamiento de energía (6) libera al menos parte de la energíaeléctrica almacenada en él hacia la carga (9);

un controlador (8) del elemento de conmutación, destinado a controlar el elemento de conmutación (7), de talmanera que el controlador (8) del elemento de conmutación está dispuesto para controlar el elemento deconmutación (7) para que conmute o haga pasar la fuente de suministro de energía de modo conmutadodesde el estado de carga al estado de descarga cuando el transporte de carga supera un límite de corriente;de tal modo que, durante el funcionamiento, la fuente de suministro de energía de modo conmutado alternaentre el estado de carga y el estado de descarga a una frecuencia de conmutación que es sustancialmentemás alta que una frecuencia de la señal de alimentación eléctrica rectificada, y de forma que el límite decorriente se ajusta de manera que sea proporcional a una tensión instantánea de la señal de alimentacióneléctrica rectificada;

caracterizada por que

el límite de corriente corresponde a la corriente máxima a lo largo de la duración del estado de carga, y/oel límite de corriente corresponde a la corriente promedio a lo largo de la duración del estado de carga, de talmodo que dicho controlador (8) del elemento de conmutación está dispuesto, preferiblemente, para medir unacorriente correspondiente a dicho transporte de carga y para determinar la corriente promedio integrando enel tiempo la corriente medida y dividiendo la corriente integrada por la duración relevante; y/o

el límite de corriente corresponde a la corriente promedio en el curso de la duración combinada del estado decarga y del estado de descarga, habiéndose dispuesto, preferiblemente, dicho controlador (8) del elemento deconmutación para medir una corriente correspondiente a dicho transporte de carga y para determinar lacorriente promedio integrando en el tiempo la corriente medida y dividiendo la corriente integrada por laduración relevante.

Fuente de suministro de energía de modo conmutado, sistema de iluminación por LED y dispositivo de excitación que los comprende La presente invención se refiere a una fuente de suministro de energía de modo conmutado. También se refiere a un sistema de iluminación por LED y a un dispositivo de excitación que comprende una tal fuente de suministro de energía de modo conmutado.

Se conocen en la técnica fuentes de suministro de energía de modo conmutado. Estos dispositivos pueden ser utilizados para transformar una señal alterna procedente de una red de suministro, por ejemplo, de 230 V a 50 Hz, en una señal de CC [corriente continua –“DC (direct current) ”] o de CA [corriente alterna –“AC (alternating current) ”] con diferente amplitud. La fuente de suministro de energía de modo conmutado de la presente invención está encaminada principalmente a la transformación de una señal de alimentación eléctrica alterna en una señal de CC, de tal manera que la señal de CC se utiliza para alimentar una carga.

Una fuente de suministro de energía de modo conmutado comprende, por lo común, un rectificador que está dispuesto para convertir una señal de alimentación eléctrica proporcionada en su entrada, por ejemplo, procedente de una red de suministro, en una señal de alimentación eléctrica rectificada que emerge en su salida. También contiene un dispositivo de almacenamiento de energía destinado a almacenar energía eléctrica. Este dispositivo de almacenamiento de energía puede ser conectado a la carga que se ha de alimentar. En este dispositivo de almacenamiento, puede almacenarse energía de campo eléctrico y/o energía de campo magnético, o energía electromagnética.

Por otra parte, la fuente de suministro comprende un elemento de conmutación controlable que está conectado al dispositivo de almacenamiento de energía. El elemento de conmutación se ha dispuesto para conmutar la fuente de suministro de energía de modo conmutado entre un estado de carga, en el que el dispositivo de almacenamiento de energía es cargado por el rectificador por medio del transporte de carga desde el rectificador, y un estado de descarga, en el que el dispositivo de almacenamiento de energía libera al menos parte de la energía eléctrica almacenada en su interior hacia la carga. El transporte de carga, tal como un flujo de corriente, da como resultado una acumulación de energía en el dispositivo de almacenamiento de energía. Por ejemplo, la corriente que pasa a través de un inductor da lugar a un campo magnético. La energía asociada con este campo puede ser recuperada si el inductor se somete a un cambio de corriente negativo.

Se utiliza un controlador de elemento de conmutación para controlar el elemento de conmutación. Este se ha dispuesto para controlar el elemento de conmutación de manera que conmute la fuente de suministro de energía de modo conmutado del estado de carga al estado de descarga cuando el transporte de carga supera un cierto límite de corriente.

Durante el funcionamiento, la fuente de suministro de energía de modo conmutado alterna entre el estado de carga y el estado de descarga a una frecuencia de conmutación que es sustancialmente más alta que una frecuencia de la señal de alimentación eléctrica rectificada. Así, pues, dentro de un periodo de la señal de alimentación eléctrica rectificada, la fuente de suministro de energía de modo conmutado cambia de estado múltiples veces. Por lo común, la frecuencia de conmutación de la fuente de suministro es del orden de entre 10 kHz y 10 MHz, comparada con una frecuencia de entre aproximadamente 100 Hz y 120 Hz para la señal de alimentación rectificada.

Recientemente, han surgido en el mercado soluciones de iluminación basadas en LEDs que pueden competir con la iluminación incandescente o fluorescente convencional. La iluminación basada en LEDs es más eficiente energéticamente y tiene una vida de servicio más larga que la de los productos de iluminación convencionales.

La iluminación basada en LEDs comprende, por lo común, una pluralidad de LEDs que son controlados por un dispositivo de excitación de LEDs. Con la mayor frecuencia, el dispositivo de excitación de LEDs comprende, en sí mismo, una fuente de suministro de energía de modo conmutado. Especialmente para soluciones de iluminación domésticas, el dispositivo de excitación de LEDs puede, normalmente, ser conectado a la alimentación, por ejemplo, de 110 V o 230 V, de la red eléctrica doméstica.

En la Figura 1A se ha ilustrado una configuración de circuitos convencional de un dispositivo de iluminación basado en LEDs conocido. El dispositivo comprende un dispositivo de excitación 1 de LEDs que acciona una pluralidad de LEDs, LED-1, ..., LED-X. El dispositivo de excitación comprende un rectificador 2 que lleva a cabo una rectificación de onda completa en una señal de alimentación eléctrica alterna, en sus terminales de entrada 3, 3’, por ejemplo, a 230 V y 50 Hz. La señal rectificada es suministrada a los LED-1, ..., LED-X a través de un elemento de conmutación 4, lo que provoca una corriente que varía con el tiempo a través de los LED-1, ..., LED-X. La frecuencia de la corriente de LEDs que varía con el tiempo, que corresponde a la frecuencia de conmutación, es sustancialmente más alta que la frecuencia de la señal de alimentación eléctrica rectificada.

El funcionamiento en modo conmutado de los LEDs mejora la eficiencia energética en comparación con la situación en la que los LEDs están conectados al rectificador directamente, aunque utilizando una resistencia conectada en serie para limitar la corriente.

Un problema con estos dispositivos de iluminación basados en LEDs conocidos, o dispositivos de excitación de LEDs, es el bajo factor de potencia y la elevada distorsión harmónica que están comúnmente asociados con los dispositivos altamente no lineales.

Un factor de potencia bajo indica que una cantidad significativa de la potencia entregada al sistema de iluminación de LED es reactiva. La potencia reactiva representa un desafío para los proveedores de energía por cuanto no contribuye a la potencia disipada / utilizada por el consumidor, sino que aumenta la carga sobre la red eléctrica debida a las elevadas corrientes y/o tensiones que pueden producirse en ella.

Otro problema relacionado con los dispositivos electrónicos no lineales es la distorsión harmónica, que introduce componentes de altas frecuencias indeseados en la red. Estas señales podrían interferir con otros componentes conectados a la red.

En la Figura 1B se ilustran características de I-V típicas de un dispositivo de iluminación basado en LEDs conocido. Como se muestra, la corriente únicamente se extrae de la red de suministro cuando la tensión aplicada es alta. Además, el perfil o forma de onda de la corriente es no sinusoidal y está desfasado, en comparación con la tensión aplicada. Como resultado de estos factores, el factor de potencia es bajo y la distorsión harmónica, alta.

Se conoce por el documento US 2008/0018261 A1 una fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. En el documento DE 10119491 A1 se describe una fuente de suministro de energía de modo conmutado adicional de la técnica anterior.

Constituye un propósito proporcionar una fuente de suministro de energía de modo conmutado que sea capaz de funcionar con un factor de potencia elevado para el que las desventajas anteriormente mencionadas no se produzcan, o al menos lo hagan en menor grado.

Este propósito se alcanza con la fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con la reivindicación 1.

La corriente extraída del rectificador varía a una frecuencia significativamente más alta que la tensión suministrada como salida por el rectificador. En un lapso de tiempo lo suficientemente pequeño, la tensión puede considerarse constante, en tanto que la corriente está sometida a variación; por ejemplo, durante este lapso de tiempo, la fuente de suministro de energía de modo conmutado cambiará de estado una pluralidad de veces. Durante el estado de carga de la fuente de suministro de energía de modo conmutado, la corriente se mantiene dentro de un límite de corriente que es proporcional a una tensión instantánea de la señal de alimentación eléctrica rectificada. En consecuencia, durante el lapso de tiempo anteriormente mencionado, la corriente promedio que se extrae es sustancialmente proporcional a la tensión suministrada como salida, de lo que resulta el factor de potencia alto deseado.

El límite de corriente está relacionado con el transporte de carga desde el rectificador. El límite... [Seguir leyendo]

1. Una fuente de suministro de energía de modo conmutado, destinada a proporcionar alimentación eléctrica a una carga (9) , que comprende:

un rectificador (5) , que tiene una entrada y una salida, de tal modo que dicho rectificador (5) está dispuesto para convertir una señal de alimentación eléctrica proporcionada en su entrada en una señal de alimentación eléctrica rectificada que emerge en su salida; un dispositivo de almacenamiento de energía (6) para almacenar energía eléctrica, de tal manera que dicho dispositivo de almacenamiento de energía (6) es susceptible de conectarse a dicha carga (9) ; un elemento de conmutación controlable (7) , conectado al dispositivo de almacenamiento de energía (6) , de tal modo que el elemento de conmutación (7) está dispuesto para conmutar la fuente de suministro de energía de modo conmutado entre un estado de carga, en el que el dispositivo de almacenamiento de energía es cargado por el rectificador (5) por medio del transporte de carga desde el rectificador (5) , y un estado de descarga, en el que el dispositivo de almacenamiento de energía (6) libera al menos parte de la energía eléctrica almacenada en él hacia la carga (9) ; un controlador (8) del elemento de conmutación, destinado a controlar el elemento de conmutación (7) , de tal manera que el controlador (8) del elemento de conmutación está dispuesto para controlar el elemento de conmutación (7) para que conmute o haga pasar la fuente de suministro de energía de modo conmutado desde el estado de carga al estado de descarga cuando el transporte de carga supera un límite de corriente; de tal modo que, durante el funcionamiento, la fuente de suministro de energía de modo conmutado alterna entre el estado de carga y el estado de descarga a una frecuencia de conmutación que es sustancialmente más alta que una frecuencia de la señal de alimentación eléctrica rectificada, y de forma que el límite de corriente se ajusta de manera que sea proporcional a una tensión instantánea de la señal de alimentación eléctrica rectificada;

caracterizada por que el límite de corriente corresponde a la corriente máxima a lo largo de la duración del estado de carga, y/o el límite de corriente corresponde a la corriente promedio a lo largo de la duración del estado de carga, de tal modo que dicho controlador (8) del elemento de conmutación está dispuesto, preferiblemente, para medir una corriente correspondiente a dicho transporte de carga y para determinar la corriente promedio integrando en el tiempo la corriente medida y dividiendo la corriente integrada por la duración relevante; y/o el límite de corriente corresponde a la corriente promedio en el curso de la duración combinada del estado de carga y del estado de descarga, habiéndose dispuesto, preferiblemente, dicho controlador (8) del elemento de conmutación para medir una corriente correspondiente a dicho transporte de carga y para determinar la corriente promedio integrando en el tiempo la corriente medida y dividiendo la corriente integrada por la duración relevante.

2. Una fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el controlador (8) del elemento de conmutación está dispuesto para controlar el elemento de conmutación (7) para que conmute o haga pasar la fuente de suministro de energía de modo conmutado desde el estado de descarga al estado de carga una vez transcurrida una cantidad de tiempo predeterminada tras una conmutación desde el estado de carga al estado de descarga, y/o en la cual la duración combinada del estado de carga y del estado de descarga tiene un valor predeterminado, de tal manera que, durante el estado de descarga, la carga (9) solamente es alimentada, preferiblemente, por la liberación de energía eléctrica desde el dispositivo de almacenamiento de energía (6) , y/o de tal modo que, durante el estado de carga, la carga (9) es, preferiblemente, alimentada, al menos parcialmente, por el rectificador (5) , y/o de manera que el transporte de carga desde el rectificador (5) está limitado, preferiblemente, al estado de carga.

3. Una fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende:

un medidor de tensión para medir una tensión proporcional a una tensión instantánea suministrada como salida por el rectificador (5) ; un medidor de transporte de carga para medir el transporte de carga; un comparador para comparar el transporte de carga medido con el límite de corriente, de tal manera que el comparador está dispuesto, adicionalmente, para suministrar como salida una señal de comparación indicativa de si se ha superado o no el límite de corriente; en la cual dicho elemento de conmutación (7) es controlable dependiendo de la señal de comparación.

4. Una fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con la reivindicación 3, en la que, durante dicho estado de carga, el transporte de carga desde el rectificador (5) se produce a través del elemento de conmutación (7) , y en la cual el medidor de tensión comprende un divisor de tensión resistivo (R1, R2; R7, R8, R9) , conectado a la salida del rectificador (5) , y de tal manera que el medidor de transporte de carga comprende una resistencia (R3; R10) conectada en serie con el elemento de conmutación (7) , estando dicho medidor de transporte de carga dispuesto para determinar una caída de tensión en la resistencia (R3; R10) .

5. Una fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende adicionalmente medios de retención para retener un valor de la señal de comparación tras la detección de la superación del límite de corriente.

6. Una fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende un oscilador (31) que suministra como salida una señal de oscilación que tiene una frecuencia sustancialmente más alta que una frecuencia de la señal de alimentación eléctrica rectificada, de tal manera que el elemento de conmutación (7) está dispuesto para conmutar la fuente de suministro de energía de modo conmutado al estado de carga dependiendo de la señal de oscilación, de forma que el elemento de conmutación (7) es, preferiblemente, controlable para conmutar o hacer pasar la fuente de suministro de energía de modo conmutado al estado de carga dependiendo tanto del valor retenido de la señal de comparación como de la señal de oscilación.

7. Una fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente medios de filtrado (C1) conectados a la salida del rectificador para reducir la inyección de harmónicos altos de vuelta al interior de la salida del rectificador.

8. Una fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual el dispositivo de almacenamiento de energía (6) comprende un inductor (L; L1) , de tal manera que el inductor (L; L1) está colocado, preferiblemente, entre el rectificador (5) y el elemento de conmutación (7) , siendo la carga (9) susceptible de conectarse en serie con el inductor (L; L1) , y de tal modo que la fuente de suministro de energía de modo conmutado comprende, adicionalmente, un diodo de retroceso rápido, o supresor de transitorios, (D2; D5) conectado en paralelo a la conexión en serie de la carga (9) y el inductor (L; L1) .

9. Una fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el dispositivo de almacenamiento de energía (6) comprende una bobina primaria de un transformador, y en la cual la carga (9) es susceptible de conectarse a una bobina secundaria del transformador.

10. Un sistema de iluminación por LED que comprende un diodo electroluminiscente (LED) (LED; LED-1, ..., LED-X) y un dispositivo de excitación de LED destinado a excitar eléctricamente dicho LED, de tal manera que el dispositivo de excitación de LED comprende la fuente de suministro de energía de modo conmutado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, de modo que el elemento de conmutación (7) de dicha fuente de suministro de energía de modo conmutado comprende un primer transistor (T, T1) , en el cual, preferiblemente:

el dispositivo de almacenamiento de energía (6) está conectado en serie con el LED (LED; LED-1, ..., LED-X) , de tal modo que dicha conexión en serie del dispositivo de almacenamiento de energía (6) y el LED (LED; LED-1, ..., LED-X) tiene un primer nodo y un segundo nodo, comprendiendo, adicionalmente, dicho dispositivo de excitación de LED un diodo supresor de transitorios (D2; D5) , colocado en paralelo con la conexión en serie del dispositivo de almacenamiento de energía (6) y el LED, de manera que dicho diodo supresor de transitorios (D2; D5) tiene su cátodo conectado al primer nodo y su ánodo conectado al segundo nodo, de tal forma que el segundo nodo se conecta al elemento de conmutación (T, T1) ; o el dispositivo de almacenamiento de energía (6) está conectado en serie con el LED (LED-1, ..., LE-X) , de tal manera que dicha conexión en serie del dispositivo de almacenamiento de energía (6) y el LED (LED-1, ..., LED-X) tiene un primer nodo y un segundo nodo, de tal modo que dicho dispositivo de excitación de LED comprende, adicionalmente, un segundo transistor (T2) , colocado en paralelo con la conexión en serie del dispositivo de almacenamiento de energía (6) y el LED (LED-1, ..., LED-X) , de manera que el segundo transistor (T2) es controlable por el controlador (IC1) del elemento de conmutación para que los primer (T1) y segundo (T2) transistores funcionen en estados opuestos, y de tal modo que el segundo nodo se conecta al primer transistor (T1) .

11. El sistema de iluminación por LED de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende adicionalmente un tercer transistor (T3) , conectado a la salida de dicho rectificador (5) , de manera que dicho tercer transistor (T3) está colocado en serie con una carga resistiva (R2) y es controlable por el controlador (IC1) del elemento de conmutación, de tal modo que el tercer transistor (T3) y el controlador (IC1) del elemento de conmutación están dispuestos para proporcionar una carga interna resistiva durante el estado de carga.

12. Un dispositivo electrónico de excitación de LED para uso en un sistema de iluminación, de tal manera que el dispositivo electrónico de excitación de LED se ha dispuesto de acuerdo con las reivindicación 10 o la reivindicación 11.