MXNL05000079A - Circuito de iluminacion de baja potencia basado en leds (sin fase rectificadora). - Google Patents

Abstract

El presente circuito cumple una funcion para cualquier forma o configuracion en cuya salida sea la iluminacion proveniente directa o indirectamente de los LEDs. De mismo modo, la forma de onda de la senal de voltaje de alimentacion no solo queda confinado a la forma senoidal (disponible en la mayoria de los toma corriente del mundo con frecuencias entre 50Hz y 60Hz) sino que se generaliza la presente invencion para cualquier tipo de onda que contenga "ciclos positivos" y "ciclos negativos" que puedan ser utilizados en la rectificacion del puente de onda completa a base de diodos.El concepto principal es la utilizacion del puente de rectificador de onda completa reemplazando los diodos normales por LEDs, cuya funcion es brindar iluminacion utilizando una senal de voltaje de alterna con una frecuencia de entrada cuya mitad sea mayor a la que el ojo humano pueda percibir como intermitente.

Description

CIRCUITO DE ILUMINACIÓN DE BAJA POTENCIA BASADO EN LEDS (SIN FASE RECTIFICADORA).

OBJETO DE LA INVENCIÓN El objeto de la presente invención, es que mediante un acomodo característico de LEDs, en un circuito, se pueda llegar a economizar el consumo de potencia de los LEDs que proveen la ilurriinación, la cual puede ser de cualquier tipo. La configuración de los diodos (LEDs), en un denominado "Puente de Diodos" permitirá que se siga la trayectoria de la onda senoidal de la corriente para poder proporcionar un bajo consumo de potencia y una iluminación adecuada.

Se debe de considerar que otro de los objetivos de esta invención radica en el hecho de que no se necesita suministro de corriente directa para el funcionamiento de dicho circuito.

ANTECEDENTES Actualmente, la crisis energética es cada vez más evidente a nivel mundial. La iluminación representa una de las mayores fuentes de consumo eléctrico, por lo cuál es necesario desarrollar invenciones que logren generar luz consumiendo poca energía eléctrica. El arreglo del circuito de LEDs presentado en esta invención logra crear iluminación continua con un bajo consumo eléctrico. Se conocen varios circuitos basados en LEDs, presentes en numerosos dispositivos, cuya función es iluminar. Tradicionalmente, los LEDs son utilizados con corriente directa (DC). Sin embargo, en la mayoría de las casas, departamentos, locales comerciales, etcétera se cuenta con corriente alterna (AC). Por lo cuál, los circuitos de iluminación basados en LEDs que utilizan AC son más prácticos, ya que éstos no requieren convertir la corriente de alterna a directa. En Norteamérica y en muchas otras regiones del planeta típicamente se cuenta con fuentes de poder de corriente alterna de 120 V y de 60 o 50 Hz de frecuencia. El enfoque de esta invención, es utilizar dicha fuente de poder de AC sin la necesidad de utilizar una fase rectificadora para convertir de corriente alterna a directa.

De acuerdo a un análisis de patentes que se realizó, se encontraron algunas características con las que se puede relacionar esta invención, así como también se mencionan algunas diferencias, ventajas y desventajas que existen entre las que fueron encontradas con la que se hace referencia en este documento. Se menciona la siguiente comparación de patentes las cuales se pudo establecer una relación con la presente son: La patente US 660980 denominada "LED interior light fixture", la cual coincide debido a que es un aparato que opera con bajo voltaje, ajustable a los sockets residenciales, además de que incluye LEDs de luz blanca de alta intensidad, en cuanto a las diferencias encontramos que convierte la energía AC disponible a bajo voltaje DC.

La patente US 6350041 que se denomina "High output radial dispersing lamp using a solid state light source", cuya principal coincidencia radica en el hecho de que es un artefacto de iluminación doméstico que utiliza un prisma de luz para manipular la luz. En cuanto a las diferencias encontramos que aún y cuando el prisma de luz es a base de fibra óptica, también incorpora dos funciones (condensar y dispersar la luz), además de utiliza diodos láser.

Otra patente con la cual se comparó ésta, fue la US 6367949 llamada "Par 36 LED utility lamp", teniendo como principal semejanza que el PCB de los LEDs esta separado del circuito de potencia y como principal diferencia que uno de los circuitos se utiliza para iluminación de alerta y el otro para iluminar áreas de trabajo, además, la base de los LEDs gira sobre un eje.

La número US 6203180 denominada "Airplane cabin lighting arrangement" cuya semejanza se radica en que la iluminación se enfoca en un área reducida sin dispersar la luz, además de que posee bajo consumo de potencia, sin embargo no se mueve en direcciones deseables ya que el dispositivo esta fijo al socket del techo y utiliza la energía DC disponible de la red del vehículo.

La US 6227679 denominada "LED light bulb" tiene como principal coincidencia la forma de disco del PCB y la orientación de los LEDs. Entre sus diferencias encontramos que no utiliza AC de forma directa como fuente energía. Por su enchufe, no se puede conectar en los toma-corriente comerciales. El circuito de potencia se encuentra en el PCB de los LEDs.

La patente número US 6250774 es otra patente que tiene como principal semejanza que cuenta con la misma unidad de iluminación y que el color de la luz de los LEDs es el mismo. La principal diferencia es que la luz no se puede direccionar debido a que la pantalla de la luminaria esta fija, además de que requiere un convertidor de AC-DC para funcionar.

Sin embargo, la patente US 6461019 titulada "Preferred embodiment to LED light string" es con la que guarda mayor semejanza. La patente presenta una serie de configuraciones con LEDs que utilizan el mismo principio de la presente invención para lograr que los LEDs emitan luz usando directamente AC sin fase rectificadora, con un efecto de encendido-apagado pero que el ojo humano percibe como luz continua dada la frecuencia de intermitencia.

En la redacción de esa patente en cuestión, la figura 1A muestra una configuración conocida como "media onda", en donde la cadena de LEDs solo encienden durante el ciclo de igual polaridad de la fuente de AC al que están conectados, desperdiciando así, más del 50% de la energía disponible en la fuente correspondiente a la otra mitad del ciclo en donde la cadena de LEDs queda polarizada de forma inversa. Por otro lado; la figura IB muestra una configuración de "onda completa", la cual aprovecha las dos mitades del ciclo. La desventaja más grande de hacer cadenas de LEDs en serie, cuya sumatoria de caída de voltajes individuales equivale a la mitad de la amplitud del voltaje de la fuente, radica en que si un solo LED de la cadena falla (o esta conectado en polaridad inversa al del resto de la cadena), la serie completa no se encenderá durante la mitad del ciclo de polarización, ya que esa cadena quedará como circuito abierto y no fluirá corriente que energice a los LEDs.

Otra gran desventaja que presentan esta configuraciones es que los circuitos no poseen impedancias limitadoras de corriente, comúnmente se utilizan resistencias. Su función principal es la de limitar la alta no-linealidad de la corriente en contra de la curva de respuesta característica de los LEDs. La ausencia de estos elementos limitadores provoca daño en los LEDS reduciendo su vida útil.

Se encontraron otras patentes, sin embargo las anteriores fueron las que más semejanzas reunían con el diseño que se propone en este documento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1. Representación esquemática de las diferentes fases que se utilizan tradicionalmente para alimentar un arreglo de LEDs, desde la señal disponible del toma corriente hasta el voltaje de entrada para los LEDs.

Figura 2. Puente de diodos de onda completa. Principio fundamental de la presente invención usando señales de AC para su funcionamiento.

Figura 3. Ejemplo de una señal de voltaje senoidal en función del tiempo mostrando la cresta positiva y la cresta negativa. Típicamente, la frecuencia de esta señal disponible es de 60Hz en América y 50Hz para Europa.

Figura 4. Ejemplo de conexión de los puentes de LEDs rectificadores para ampliar el número de LEDs. Se puede extender la cantidad deseada de puentes de LEDs conectados en paralelo ya que todos recibirán el mismo voltaje. La única condición es que la fuente de alimentación puede abastecer la corriente necesaria para todos los puentes.

Figura 5. Ejemplo de conexión de los puentes de LEDs rectificadores para ampliar el número de LEDs con la variante de agregar más LEDs dentro de cada una de las ramas del puente. La conexión de este puente modificado se puede hacer con más de uno conectados en paralelo.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona a la iluminación en general, para superficies abiertas, para áreas localizadas específicas, decorativas, indirecta o cualquier tipo de iluminación cuya fuente de luz sean los diodos emisores de luz. Por motivos de redacción de la presente invención, de ahora en adelante se denominarán como LEDs (por sus siglas en inglés de Light Emitting Diode).

Otras patentes relacionadas a la iluminación usando LEDs fundamentan su funcionamiento alimentando los LEDs con voltajes de corriente directa (DC), respetando la polaridad de los LEDs (no hay que olvidar que son diodos, con la característica peculiar que emiten luz al pasar corriente a través de ellos). Como el tipo de voltaje disponible en la gran mayoría de los toma corrientes es AC, es necesario reducir el voltaje a un nivel adecuado y luego someterlo a una fase de rectificación para poder convertir la señal AC en DC y finalmente alimentar los LEDs.

En la Figura 1 se pueden apreciar las diferentes etapas que se utilizan tradicionalmente para alimentar los arreglos de LEDs, para convertir la señal de AC a DC. El toma corriente 1 of ece una señal de voltaje [2] típicamente de 120VAC o 220VAC, forma de onda senoidal con 60Hz de frecuencia (la frecuencia y el valor de voltaje pueden cambiar dependiendo de la ubicación geográfica). Ya que es imposible conectar dicho nivel de voltaje al arreglo de LEDs, la primara fase es la de reducir el voltaje a un nivel apropiado, típicamente por medio de un transformador [3] de fase sencilla para obtener un voltaje [4] con la misma frecuencia pero una amplitud de onda mas baja. El siguiente paso consiste en la rectificación de la onda [5], la cual puede ser llevada a cabo por distintos medios usando dispositivos semiconductores de estado sólido. Usualmente, se utiliza un puente rectificador de diodos, el cual puede ser de media onda u onda completa [6], siendo este el más común por tener un mejor aprovechamiento de la señal de entrada. Por último, se procede a convertir esa forma rizada [6] en una señal de voltaje constante [8], la cual será el voltaje de alimentación para el arreglo de los LEDs que se usan para la iluminación.

La presente invención reduce los pasos 5 y 7 presentados en la figura 1, mediante un arreglo de puente de diodos de onda completa, pero en lugar de utilizar diodos convencionales, se usan los LEDs. Es decir, los diodos en esta patente poseen una doble función; la rectificación de la señal de entrada y la de ser la fuente de iluminación.

La presente patente logra obtener una iluminación con base en LEDs sin el uso de la fase rectificadora para poder alimentarlos, es decir, usa el voltaje AC después de reducir el nivel de voltaje al indicado para el circuito. Para lograr esto, los LEDs se acomodan en forma de puente rectificador, preferentemente de onda completa como se muestra en la Figura 2. De esta, forma, durante la primera mitad (o cresta positiva) [16] del ciclo de una señal con el nivel de voltaje adecuado como la que se muestra en la Figura 3, se creará una corriente eléctrica fluyendo por el LED [10], por la resistencia [14] y por el LED [11] para regresar a la terminal negativa de la fuente [15], debido a que quedarán correctamente polarizados y se encenderán después de pasar el voltaje de umbral requerido para encender el LED. Cabe mencionar que la caída de voltaje para cada LED varía según el fabricante y el color de la luz que emiten. Los LEDs identificados con los números [12] y [13] permanecerán en circuito abierto porque la primera mitad del ciclo [16] de la señal de voltaje posee una polaridad inversa para ese conjunto de diodos. De igual manera, pero de forma opuesta la primera mitad del ciclo, durante la segunda mitad del ciclo [17], la corriente fluirá por el LED [12], pasando por la resistencia [14] y por el LED [13] para regresar a la tenninal negativa de la fuente de voltaje; y el conjunto de LEDs [10] y [11] permanecerá apagado, debido a que durante esta mitad del ciclo [17] se comportarán como circuito abierto debido a la polaridad invertida de la fuente de voltaje.

La alternancia "encendido-apagado" de los dos conjuntos de LEDs se repetirá con una frecuencia igual a la frecuencia de la señal de voltaje con la que se alimenta el circuito. Es decir, si se alimenta el circuito de la Figura 2 con una frecuencia de voltaje de 60Hz, (voltaje disponible en la mayoría de toma corrientes) cada conjunto de LEDs encenderá 30 veces por segundo.

Para aplicaciones en donde se requieran más LEDs, el arreglo presentado en la Figura 2 se puede extender mediante la conexión de más puentes de LEDs en paralelo, o agregando más LEDs por cada ramificación del puente rectificador. La presente patente se extiende a todas las posible variaciones de conexión de los puentes de LEDs para ser usados sin fase rectificadora (conversión de corriente alterna a corriente directa), que son alimentados por medio de una señal de voltaje con ciclos "positivos" y "negativos" la cual producirá que los conjuntos de LEDs de enciendan y apaguen de forma alternada igual a la frecuencia del voltaje de alimentación.

Claims (5)

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:

1. Un circuito de iluminación de baja potencia para el ahorro de energía caracterizado por una tarjeta de circuito impreso (PCB o Printed Circuit Board en inglés) o cualquier otro medio para la conexión eléctrica entre componentes que sirva como sustrato a un arreglo de LEDs (tipo montaje de superficie o tipo bulbo) que no requiere fase rectificadora (AC-DC), los cuales están conectados eléctricamente como un puente rectificador de onda completa.

2. Un circuito de iluminación de baja potencia para el ahorro de energía de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque los LEDs están conectados en forma de puente rectificador de onda completa (puente de diodos), generalizado para cualquier tipo de onda que contenga "ciclos positivos" y "ciclos negativos" que puedan ser utilizados en la rectificación. Los valores de alimentación típicos son de 50Hz o 60Hz.

3. Un circuito de iluminación de baja potencia para el ahorro de energía de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque para el arreglo de puente rectificador de onda completa, los LEDs están divididos en dos grupos; de acuerdo con la conexión del puente rectificador, en donde el primer grupo se encenderá durante el "ciclo positivo" de la onda y para el "ciclo negativo" el otro grupo de LEDs se encenderá. Este encendido-apagado entre los dos grupos de los LEDs se hará alternadamente a la mitad de la frecuencia del voltaje de alimentación.

4. Un circuito de iluminación de baja potencia para el ahorro de energía de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque el arreglo de puente de rectificador del sistema utilizando LEDs para uso de iluminación de cualquier tipo, el cual puede estar conectado en cualquier forma, en donde los puentes rectificadores se encuentran en paralelo. Dentro de cada una de las ramificaciones del puente, se pueden encontrar solamente un LED o varios en serie.

5. Un circuito de iluminación de baja potencia para el ahorro de energía de acuerdo a la reivindicación 4 caracterizado porque la frecuencia de la señal de entrada es tal, que su mitad es mayor a la frecuencia que el ojo humano puede percibir como "intermitente". El principio es que la frecuencia de alternancia encendido-apagado entre los dos grupos de LEDs del puente rectificador es mayor a la mínima que el ojo humano puede percibir. El principio es que esta configuración de LEDs entregue luz que se vea "continua" al ojo humano.