SISTEMA DE ILUMINACIÓN CON MATRIZ DE LEDS DE IMPEDANCIA VARIABLE ALIMENTADO POR UN SISTEMA AUTÓNOMO BASADO EN BATERÍAS.

Sistema de iluminación capaz de regular la impedancia y la conexión a la alimentación de una matriz (1) de LEDs (2) en ramas paralelas idénticas de varios diodos en serie de manera directa a un sistema de baterías (3),

adaptándose a los parámetros eléctricos y ambientales en los que funciona. El sistema incluye un microcontrolador (4) que está conectado a un sensor de temperatura (7) incrustado en la matriz (1) y a una señal analógica (6) que mide la carga en los bornes de la batería (3). El microcontrolador (4) se conecta también a un transistor (5) a través del cual mediante una señal PWM puede conmutar la alimentación de los LEDs (2) para controlar su funcionamiento, como en el caso de recibir una lectura del sensor de temperatura (7) mayor que un valor de trabajo nominal máximo definido. Así mismo, controla un segundo sistema de regulación que comprende un segundo transistor y una resistencia en serie conectados en paralelo con uno de los LED (2) de cada rama de la matriz (1), que se activa cuando la tensión en los bornes de la batería es menor que un determinado valor fijado por el diseño de la matriz (1) y la elección del modelo de LED (2).

Sistema de iluminación con matriz de leds de impedancia variable alimentado por un sistema autónomo basado en baterías La presente invención se encuadra en el sector técnico de la electrónica y más concretamente en el de los sistemas electrónicos de iluminación de alta eficiencia.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Los avances técnicos en el campo de la iluminación de emisores en estado sólido o iluminación LED han generado las herramientas para crear un emergente paradigma dentro de las alternativas tradicionales de este campo de la tecnología.

La naturaleza de funcionamiento de los LEDs, que trabajan de modo natural en corriente continua, les convierte en un sistema de iluminación idónea para su utilización con sistemas donde la energía se genera o almacena directamente en este formato. Esto ocurre, por ejemplo, en los sistemas renovables fotovoltaicos o con aerogeneradores. Son idóneos, también, para ser utilizados donde directamente se cuenta como fuente de alimentación con baterías como sistema de iluminación durante todo, o parte, del tiempo en el que deben funcionar.

Los avances en las prestaciones de los nuevos LED de alta luminosidad permiten su utilización en aplicaciones con mayores prestaciones que las de iluminación decorativa, de emergencia o de señalización. Estos emisores luminosos pueden ser utilizados en aplicaciones de iluminación funcional con consumos asumibles por sistemas de baterías de capacidad media y alta.

Los sistemas de alimentación por baterías presentan dos inconvenientes fundamentales para la consecución del objetivo planteado. El primer problema es la adaptación de los valores de los sistemas de almacenamiento a las necesidades de las matrices de LEDs a través de ‘drivers’. El segundo problema es que los valores de tensión de salida de la batería dependen del estado de carga de la misma, pudiendo fluctuar, en algunos casos y según la tecnología, hasta 3 y 4 voltios.

Estos dos problemas implican la necesidad de utilizar sistemas, más o menos complejos, de regulación de los valores de salida de los sistemas de almacenamiento a unos valores estables y fijos. En este sentido se han planteado diversas arquitecturas de control a utilizar en luminarias basadas en diodos LEDs, como se presentan en diversas patentes estadounidenses.

La patente US2007058365 propone un sistema de control de lámparas LED portátiles basado en un regulador reductor lineal de tensión para obtener una tensión constante de salida a partir de un valor variable de la batería. Este es un sistema complejo, con un gran número de componentes electrónicos y que funciona de manera permanente, añadiendo una pérdida de rendimiento y limitando las posibilidades de funcionamiento de las matrices de LEDs a tensiones sensiblemente inferiores a los de los sistemas de las baterías de alimentación. Este sistema no cuenta con ningún sistema de regulación o protección de la lámpara ante aumentos excesivos de la temperatura de trabajo o reducciones altas de la carga de la batería.

En general, al igual que en la patente anterior, los controles que se proponen en las diferentes patentes relacionadas con iluminación LED proponen controles no adaptativos basados en la conversión de los valores de alimentación a parámetros de corriente constante, como ocurre en la patente US20100237789 o en las patentes US20107847486 , US20067010007 y US2010011538. Las configuraciones de los diodos LEDs para este tipo de sistemas de alimentación deben ser cadenas largas de emisores en serie. Los principales problemas que presentan son que, si se estropea un LED, se deshabilita completamente la cadena donde se encuentra, y que, al caerse una de estas líneas, si hay otras similares en paralelo, éstas asumen el exceso de la corriente, entrando en una zona de trabajo no deseada.

Todas estas patentes muestran distintos sistemas tradicionales de realimentación de información del grupo de LEDs con elementos pasivos, resistencias, o reguladores de alimentación analógicos. Del mismo modo, se observa como el sistema de alimentación es el que se ajusta a la matriz de LEDs en lugar de generar una matriz específica optimizada a la fuente de alimentación o batería utilizada.

En la actualidad existen patentes de lámparas LEDs con controladores digitales encargados de regular el brillo de iluminación pero cuyo trabajo es modular conversores de valores de alimentación de alta complejidad y funcionamiento permanente, y no controlar la alimentación por ellos mismos. Entre este tipo de dispositivos se encuentran los descritos por ejemplo en las patentes US20110068704, US20100244707, US20060274540 y la US20090021187.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención propone un sistema de iluminación alimentado por baterías que comprende una matriz de LEDs en la que los elementos de regulación de la alimentación de la lámpara de diodos se pueden adaptar de manera dinámica a la vez que la propia estructura eléctrica de la misma, a través de un control digital, trabajando únicamente en La presente invención propone un sistema de iluminación basado en una matriz de LEDs que se adapta a un sistema de alimentación por baterías. El objetivo es crear un sistema de control muy sencillo, con la menor cantidad de componentes posibles, que le permita ser extremadamente fiable, y que le permita trabajar con una máxima eficiencia energética en cualquier temperatura, ambiente de trabajo, o nivel de carga de la batería.

El sistema de la invención trabaja en un modo de tensión constante. Sin embargo, el valor de tensión de salida se va reduciendo paulatinamente con la descarga de la batería. De hecho, se reduce hasta llegar a unos valores donde se recomienda el cese en su uso para evitar una descarga profunda de la misma y, de este modo, una pérdida de funcionalidad o, incluso, una degradación destructiva de los equipos.

El sistema de esta invención está dotado de una arquitectura de control para la gestión eficiente de una lámpara LED alimentada a través de un sistema autónomo basado en baterías. Esta arquitectura permite que se generen valores óptimos de iluminación en todo el rango de valores de tensión posibles de los sistemas de alimentación.

El sistema presenta un modelo de matriz de diodos optimizada para los valores de alimentación que ofrecen las baterías actuales de alta capacidad. Esta matriz de LEDs está controlada por una arquitectura de control muy sencilla basada en la supervisión de los niveles de carga de la batería y de la temperatura de trabajo de los LED. Para ello se utiliza un microprocesador de muy bajo consumo al que se le conecta un sensor digital de temperatura integrado en la matiz de LEDs, un transistor MOSFET de potencia y alta velocidad de conmutación que actúa como interruptor de la alimentación de la matriz de diodos y una resistencia de bajo valor adaptable a la matriz de LEDs a través de un segundo transistor. El microcontrolador, a través de una entrada analógica, supervisa los niveles de tensión de la batería en todo momento.

La matriz de LEDs, nominalmente, se conecta directamente y de manera ininterrumpida a la batería para su alimentación por lo que el MOSFET de conexión de la matriz de LEDs está activado de manera fija. Así se optimiza el rendimiento del equipo dado que no existe ningún elemento con consumo pasivo en el circuito equivalente.

En caso de producirse una sobre tensión en los bornes de salida de la batería, se genera una sobre iluminación, un sobrecalentamiento de la lámpara o ambas cosas, con lo que se pone en riesgo la vida útil del equipo. El microcontrolador de la arquitectura de control del sistema es capaz de detectar esta situación y su evolución en el tiempo a través de la lectura analógica de la tensión de la batería y de la temperatura de la matriz de LEDs. Con esta información se aplica un algoritmo adaptativo de forma que el procesador regula la entrada de corriente en la matriz de LEDs. Esta regulación se lleva a cabo a través del transistor de potencia de conmutación de la alimentación sobre el que se aplica una señal de ancho de pulso modulable (PWM) que conmuta muy rápido y de manera repetitiva la señal de encendido de un modo más o menos profundo según sea el periodo activo de la señal de regulación y, de este modo, reduciendo el consumo y el calor generado. Esta señal pulsante debe ser lo suficientemente rápida como para que el ojo no detecte parpadeos en la luz emitida sino una regulación del brillo percibido. La actuación sobre el MOSFET de control de la entrada de alimentación depende de lo elevado que sea el alejamiento del modo de funcionamiento respecto a la definición nominal del equipo, de cómo varían las dos variables...

En el caso de la presente invención el sistema que se propone permite adaptar la impedancia de la matriz a las diferentes necesidades de funcionamiento. Así pues, en el caso de que la temperatura en la matriz haya aumentado mucho, el sistema es capaz de alimentar de manera pulsante la matriz (1) de los LEDs (2) para que la temperatura disminuya, y en caso de que haya disminuido la tensión en los bornes de la batería, el sistema se regula haciendo que la corriente pase por una resistencia en lugar de pasar por los primeros LEDs de cada rama de la matriz con lo que se adapta la luminosidad del sistema a dicha baja tensión en los bornes de la batería. En el inicio del uso de esta adaptación de impedancia, se puede utilizar combinándose con el sistema de conmutación de la alimentación para evitar dar un salto de brillo brusco.

1. Sistema de iluminación con matriz de LEDs de impedancia variable alimentado por un sistema autónomo basado en baterías que comprende una matriz (1) , que está adaptada a los valores de tensión del sistema de alimentación elegido y tiene un sensor de temperatura (7) integrado y está formada por una pluralidad de ramas de varios LEDs en serie, cuya cantidad depende de la tensión nominal de la batería de alimentación de forma que la suma de los valores nominales de los LEDs es ligeramente inferior que la tensión nominal de la batería de alimentación estando las ramas de la matriz (1) situadas en paralelo, comprendiendo todas el mismo número de LEDs, estando el sistema caracterizado por que comprende un microcontrolador (4) que recibe una señal analógica (6) que es función del nivel de carga restante en la batería (3) y que recibe un valor de señal del sensor de temperatura (7) de forma que controla simultáneamente ambos valores y permite regular el flujo de iluminación del sistema de forma continua sin cambios bruscos de iluminación; el sistema incluye también al menos un transistor (5) de tipo MOSFET de conmutación de la alimentación que está conectado al borne negativo de la batería (3) y a la matriz (1) ; estando la matriz (1) conectada directamente y en todo momento al polo positivo de la batería (3) ; cuando el microcontrolador (4) recibe un valor de la señal del sensor de temperatura (7) mayor que un valor predeterminado, el microcontrolador (4) envía una señal de control de modulación por ancho de pulsos (PWM) al transistor de tipo MOSFET (5) de conmutación de la alimentación que conmuta muy rápidamente , de modo que se eviten efectos visuales de parpadeo de la luz, la señal de encendido de los LEDs (2) regulando la iluminación del sistema disminuyendo el brillo; cuando el microcontrolador (4) que recibe una señal analógica (6) menor que un cierto nivel de carga de la batería (3) , el microcontrolador (4) activa un segundo sistema de regulación que comprende un segundo transistor de tipo MOSFET (9) conectado en serie a una resistencia (8) , estando este segundo sistema de regulación conectado con el microcontrolador (4) y conectado en paralelo con un LED (2) de cada una de las ramas de la matriz (1) .

2. Sistema según la reivindicación 1 en el que el segundo sistema de regulación comprende un segundo transistor (9) de tipo MOSFET y una resistencia (8) conectadas en serie; y donde este segundo sistema de regulación está conectado en paralelo con un LED (2) de cada una de las ramas de la matriz (1) , tal que cuando se activa el segundo sistema de regulación la corriente pasa por la resistencia (8) dejando a los LEDs (2) conmutados de cada rama sin corriente, adaptándose así el sistema de iluminación a la carga restante en la batería; además este sistema se puede utilizar de forma absoluta, controlando el transistor (9) con una señal digital todo/nada o de forma adaptativa mediante una segunda señal PWM.

FIG. 1