ITVA20130043A1 - POWER SUPPLY WITH ISOLATED CONTROL LINE - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione avente per TITOLO: “Alimentatore con linea di controllo isolata" Description of the invention with TITLE: "Power supply with isolated control line"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione riguarda un alimentatore per lampade a stato solido provvisto di linea di regolazione analogica 1-10V. The present invention relates to a power supply for solid state lamps provided with an analogue regulation line 1-10V.

Per regolare l’intensità luminosa emessa dalle lampade a stato solido, utilizzanti come sorgenti luminose diodi LED o piu recentemente gli OLED, vengono impiegati alimentatori dotati di una linea di controllo tramite la quale è possibile inviare i comandi corrispondenti ai livelli di luminosità di volta in volta richiesti. To regulate the light intensity emitted by solid state lamps, using LED diodes or more recently OLEDs as light sources, power supplies are used with a control line through which it is possible to send commands corresponding to the brightness levels from time to time. time required.

Tali alimentatori, hanno dei terminali primari di entrata collegati ad una rete elettrica di alimentazione e dei terminali secondari di uscita a cui viene collegata la lampada, per ragioni di sicurezza i terminali secondari di uscita sono galvanicamente isolati rispetto a quelli primari. These power supplies have primary input terminals connected to an electrical supply network and secondary output terminals to which the lamp is connected, for safety reasons the secondary output terminals are galvanically isolated from the primary ones.

Una delle linee di controllo utilizzate è la 1-10V analogica, consìste in una coppia di fili tra i quali viene applicata una differenza di potenziale continua, la luminosità emessa dalla lampada è proporzionale alla differenza di potenziale presente tra i fili. One of the control lines used is the analog 1-10V, consisting of a pair of wires between which a continuous potential difference is applied, the brightness emitted by the lamp is proportional to the potential difference present between the wires.

La linea di controllo 1-10V, per ragioni di sicurezza, è isolata rispetto ai morsetti primàri dell’alimentatore collegati alla rete elettrica di alimentazione ma in molti casi viene richiesto l'isolamento galvanico completo, oltre che nei confronti dei morsetti primari anche rispetto ai morsetti di uscita collegati alia ìampada. The 1-10V control line, for safety reasons, is isolated from the primary terminals of the power supply connected to the power supply network but in many cases complete galvanic isolation is required, as well as with respect to the primary terminals also with respect to output terminals connected to the lamp.

Le soluzioni esistenti per realizzare un bus dì controllo 1-1 OV completamente isolato, note agli esperti di settore, impiegano circuiti analogici e realizzano l'isolamento tramite un trasformatore magnetico pilotato da un onda quadra di ampiezza variabile, una soluzione alternativa utilizza un circuito analogico che genera un’ onda quadra il cui duty-cycle dipende dalla tensione applicata alla linea 1-10V, Hso lamento è ottenuto applicando l’onda quadra ad un accoppiatore ottico, l'uscita dell’accoppiatore ottico coliegata ad un microcontrollore che modula la corrente erogata ai diodi LED variandone la luminosità. Existing solutions to create a fully isolated 1-1 OV control bus, known to experts in the field, use analog circuits and perform isolation by means of a magnetic transformer driven by a square wave of variable amplitude, an alternative solution uses an analog circuit which generates a square wave whose duty-cycle depends on the voltage applied to the 1-10V line, Hsolation is obtained by applying the square wave to an optocoupler, the output of the optocoupler connected to a microcontroller that modulates the current delivered to the LED diodes by varying their brightness.

In questi sistemi, basati sul l 'utilizzo di elettronica analogica, le tolleranze dei componenti rendono dificile la realizzazione di alimentatori con comportamento ripetibile che a parità di tensione applicata alla linea di controllo 1-10V erogano la stessa corrente ai diodi LED collegati. In these systems, based on the use of analog electronics, the tolerances of the components make it difficult to create power supplies with repeatable behavior which, with the same voltage applied to the 1-10V control line, deliver the same current to the connected LED diodes.

11 problema è particolarmente evidente quando la tensione applicata alla linea di regolazione 1-10V è compresa tra 1 ...2V, condizione in cui gli offset e gli errori dei componenti hanno una maggiore influenza in termini percentuali, se ci sono più lampade collegate ad una stessa linea 1-10V si nota una differenza di luminosità apprezzabile tra le lampade stesse. The problem is particularly evident when the voltage applied to the 1-10V regulation line is between 1 ... 2V, a condition in which the offsets and errors of the components have a greater influence in percentage terms, if there are more lamps connected to on the same 1-10V line there is an appreciable difference in brightness between the lamps themselves.

Oggetto del presente trovato è un alimentatore dotato di linea di regolazione 1-1 OV completamente isolata e in grado di atenuare notevolmente il problema della differenza comporta mentale tra due o più lampade collegate alla stessa lìnea di controllo 1-l fìV. The subject of the present invention is a power supply equipped with a completely isolated 1-1 OV regulation line and capable of considerably attenuating the problem of the difference between two or more lamps connected to the same control line 1-l fìV.

il risultato è ottenuto mediante l’utilizzo di una cella flotante alimentata da una tensione ausiliaria isolata e provvista di un mìcrocontrollore aggiuntivo, detto microeontroilore legge la tensione presente sulla linea 1-1 OV tramite un convertitore analogico digitale presente al suo interno, l'informazione corrispondente al livello presente sulla linea 1-1 OV è convertita in un dato digitale e trasmessa al microcontrollore principale dell’alimentatore tramite un accoppiatore ottico. La disponibilità di nuovi micrócontrollori a basso costo con convertitori À/D da 8-10Bit rende possibile una realizzazione vantaggiosa anche dal punto di vista economico, in alcune situazioni può costare meno rispetto alla soluzione analogica tradizionale che impiegava un trasformatore magnetico. the result is obtained through the use of a floating cell powered by an isolated auxiliary voltage and equipped with an additional microcontroller, said micro-counterlight reads the voltage present on the 1-1 OV line through an analog to digital converter present inside it, the information corresponding to the level present on line 1-1 OV is converted into a digital data and transmitted to the main microcontroller of the power supply through an optical coupler. The availability of new low-cost microcontrollers with 8-10Bit À / D converters makes it possible to achieve an advantageous realization also from an economic point of view, in some situations it may cost less than the traditional analog solution that used a magnetic transformer.

L’utilizzo di una tensione di alimentazione ausiliaria isolata rispeto ai terminali del primario e ai terminali di uscita c l’uso di un accoppiatore ottico per trasmettere un dato digitale dal primo al secondo microcontrollore garantiscono il completo isolamento della linea 1-10V rispetto sia al primario· sia al secondario de alimentatore realizzando un ingresso 1 -10V flottante preciso e ripetibile* la trasmissione di dati in forma digitale dal microcontrollore ausiliario a quello principale evita gli errori di trasmissione presenti nei sistemi analogici. The use of an isolated auxiliary supply voltage with respect to the primary and output terminals and the use of an optocoupler to transmit digital data from the first to the second microcontroller guarantee complete isolation of the 1-10V line with respect to both the primary · and secondary of power supply by realizing an accurate and repeatable floating 1 -10V input * the transmission of data in digital form from the auxiliary microcontroller to the main one avoids the transmission errors present in analog systems.

Π dato può essere vantaggiosamente trasmesso da! microcontrolìore ausiliario al microcontrolìore principale utilizzando i comandi Direct ARC Power Control del protocollo DAL! (si tratta di comandi che richiedono di impostare P intensità luminosa a un valore specificato), questo perché in un ottica di standardizzazione dei firmware utilizzati da un costruttore di alimentatori regolabili, un microcontrolìore dotato di ingresso DALL uscita PWM per modulare l’uscita dei LED e relativo firmware è usualmente già disponibile, evitando di sviluppare nuovi firmware per il microcontrolìore principale. Il microcontrolìore ausiliario legge la tensione presente sulla lìnea 1-10 V convertendone il valore in un comando Direct ARC Power Control di ampiezza corrispondente al valore letto, detto comanda viene inviato al microcontrolìore principale tramile un accoppiatore ottico, dai momento che per le linee DA LI il band rate nominale è di solo 1 Khz i fronti di salila e discesa dei segnali rientrano nei limiti delle velocità di commutazione ottenibili con gli accoppiatori ottici fotodiodo-transistor standard, rendendo possibile l’utilizzo di accoppiatori ottici di tipo economico, The data can be advantageously transmitted by! auxiliary microcontroller to the main microcontroller using the Direct ARC Power Control commands of the DAL protocol! (these are commands that require you to set P luminous intensity to a specified value), this is because in a perspective of standardization of the firmware used by a manufacturer of adjustable power supplies, a microcontroller equipped with a PWM output DALL input to modulate the output of the LEDs and relative firmware is usually already available, avoiding developing new firmware for the main microcontroller. The auxiliary microcontroller reads the voltage present on the 1-10 V line by converting its value into a Direct ARC Power Control command with an amplitude corresponding to the value read, said command is sent to the main microcontroller via an optical coupler, since for the DA LI lines the nominal band rate is only 1 Khz the rising and falling edges of the signals fall within the limits of the switching speeds obtainable with standard photodiode-transistor optocouplers, making it possible to use economical optocouplers,

E’ da intendersi che sono comunque possibili anche altri metodi, fermo restando il metodo di trasmissione dell’informazione in formato digitale. It should be understood that other methods are also possible, without prejudice to the method of transmitting information in digital format.

In figura 1 è visibile un primo esempio di alimentatore in accordo ai presente trovato. Figure 1 shows a first example of a power supply according to the present invention.

L’alimentatore è provvisto di connessioni (2) per ricevere energia da una rete elettrica, uno stadio denominato “POWER UN IT” (1) preleva energia dalla rete elettrica e alimenta la lampada a stato solido (1 1 Scollegata ai suoi terminali di uscita (12). The power supply is equipped with connections (2) to receive energy from an electrical network, a stage called "POWER UN IT" (1) draws energy from the electrical network and powers the solid state lamp (1 1 Disconnected at its output terminals (12).

Lo stadio POWER UN IT, in accordo al tipo di lampade a stato solido da alimentare previste, può essere costruito cornuti convertitore iti grado di erogare una corrente costante o urta tensione costante. The POWER UN IT stage, according to the type of solid state lamps to be powered, can be built with IT converters capable of delivering a constant current or constant voltage shock.

Il convertitore utilizzato è modulabile on-off in modalità PWM, in modo da regolare l’intensità luminosa emessa dalle lampade mediante modulazione on-off PWM. The converter used can be modulated on-off in PWM mode, in order to adjust the light intensity emitted by the lamps through PWM on-off modulation.

Un primo microcontrollore (MPl) presente al) 'interno dello stadio POWER UNIT genera il segnale digitale PWM applicato al convertitore per modulare on-of la corrente fornita alle lampada a LED. Il primo microcontrollore (MPl) ha un ingresso in grado di interpretare comandi conformi al protocollo DALI e varia il duty-cycle del segnale PWM generato in accordo a comandi unidirezionali Direct ARC Power Control applicati a detto ingresso da una linea di controllo interna (IO) collegata al foto-transistor Ql di un accoppiatore ottico (8). A first microcontroller (MP1) present inside the POWER UNIT stage generates the PWM digital signal applied to the converter to modulate on-of the current supplied to the LED lamp. The first microcontroller (MPl) has an input capable of interpreting commands compliant with the DALI protocol and varies the duty-cycle of the PWM signal generated according to unidirectional Direct ARC Power Control commands applied to said input by an internal control line (IO) connected to the photo-transistor Ql of an optocoupler (8).

Lo stadio power unii (1 ), tramite una linea galvanicamente isolata (9) sia dalle connessioni per la rete eletrica (2) che dai terminali di uscita (12), idi menta lo stadio flottante (6). The power unii stage (1), through a galvanically isolated line (9) from both the connections for the electricity network (2) and from the output terminals (12), identifies the floating stage (6).

Detto stadio flottante contiene al suo interno un secondo microcontrollore (MP2) tramite il quale legge la tensione presente ai capi della linea 1-10V (4) un uscita di detto secondo microcontrollore invia tramite l’accoppiatore ottico (8) comandi Direct ARC Power Control al primo microcontrollore MPl . L’accoppiatore ottico (8) e la linea isolata (9) fanno sì che l’ingresso MOV (4) è completamente isolato sia dalla connessioni per la rete elettrica (2) che dall'uscita (12) collegata alle lampade. Said floating stage contains inside a second microcontroller (MP2) through which it reads the voltage present at the ends of the 1-10V line (4) an output of said second microcontroller sends Direct ARC Power Control commands via the optical coupler (8) to the first MPl microcontroller. The optocoupler (8) and the isolated line (9) ensure that the MOV input (4) is completely isolated both from the connections for the electrical network (2) and from the output (12) connected to the lamps.

Nella figura 2 è visibile una descrizione dettagliata di un primo esempio di realizzazione dello stadio flotante (FLOATING STAGE) e del relativo interfacciamento con il primo microcontrollore (MPl). La tensione presente tra le linee denominate VAUXJTSO e GND_ISO è la tensione ausiliaria isolata fornita dallo stadio “power unit” di figura 1, detta tensione può essere ricavata dallo stadio power unit mediante una pluralità di metodi noti agli esperti di settore, nel prototipo è stato impiegato un avvolgimento ausiliario inserito sul trasformatore presente nello stadio power unit. Figure 2 shows a detailed description of a first embodiment of the floating stage (FLOATING STAGE) and of the relative interfacing with the first microcontroller (MP1). The voltage present between the lines called VAUXJTSO and GND_ISO is the isolated auxiliary voltage supplied by the "power unit" stage of figure 1, said voltage can be obtained from the power unit stage by means of a plurality of methods known to those skilled in the art. used an auxiliary winding inserted on the transformer present in the power unit stage.

La tensione proveniente dal bus di regolazione 1-10V è applicata all’ingresso denominato “1_10V input” e tramite il partitore formato dai resistor! RI ed R2 viene applicata all’ingresso A_IN del microcontrollore MP2, l’ingresso A_TN è un ingresso provvisto di convertitore analogico digitale, il partitore formato dai resistori R I e R2 è dimensionato in modo da ridurre la tensione presente sulla linea 1_10V a un valore rientrante nel range di funzionamento de! convertitore analogico digitale dei microcontrollore. The voltage from the 1-10V regulation bus is applied to the input called "1_10V input" and through the divider formed by the resistor! RI and R2 is applied to the A_IN input of the MP2 microcontroller, the A_TN input is an input equipped with an analog-digital converter, the divider formed by the resistors R I and R2 is sized so as to reduce the voltage present on the 1_10V line to a re-entering value in the operating range of! analog to digital converter of microcontrollers.

Il regolatore V REG è un regolatore lineare che riduce la tensione ausiliaria isolata ad un valore idoneo ad alimentare il microcontrollore MP2, nel prototipo la tensione aus il tarla isolata VAUX ISO ha un valore di 12V, il regolatore lineare V_REG è un 78L05 che fornisce alla sua uscita una tensione Vdd di 5V, idonea ad alimentare il mìcrocontrollore MP2, MP2 nel prototipo è un TINY 13-C1 è un condensatore di filtro per eliminare eventuali disturbi presenti sulla lìnea 1 10V, nel prototipo ha un valore dì lOOnF, la resistenza R4 polarizza la linea 1_10V, nel prototipo ha un valore di 68kohm e Rl=lMohm, R2= IMohm, The V REG regulator is a linear regulator that reduces the isolated auxiliary voltage to a value suitable to power the MP2 microcontroller, in the prototype the VAUX ISO insulated auxiliary voltage has a value of 12V, the V_REG linear regulator is a 78L05 that supplies the its output a voltage Vdd of 5V, suitable to power the MP2 microcontroller, MP2 in the prototype is a TINY 13-C1 is a filter capacitor to eliminate any disturbances present on the line 1 10V, in the prototype it has a value of 100nF, the resistance R4 polarizes the 1_10V line, in the prototype it has a value of 68kohm and Rl = lMohm, R2 = IMohm,

Il microeontrollore MP2 campiona la linea 1_10V con una periodicità pari a !U volle al secondo, ogni campionamento è costituito da una media di 4 letture consecutive, se c’è uno scostamento tra il valore rilevato e il valore rilevato nel campionamento precedente il mìcrocontrollore MP2 genera sull’uscita D O UT un comando digitale DALI Direct ARO Power Control di valore corrispondente al nuovo valore rilevato, tramite il resistere R3 da 1 Kohm lo applica al fotodiodo· D] dell’accoppiatore ottico OC1, l’accoppiatore ottico OC1 nel prototipo è un SFH617A-3, tramite il foto-transistor Q1 dell’accoppiatore ottico OC1 il comando viene trasmesso in modo isolato all’ingresso D_1N del mìcrocontrollore MP1, detto ingresso è in grado di interpretare i comandi DALI, The MP2 microcontroller samples the 1_10V line with a periodicity equal to! U volle per second, each sampling consists of an average of 4 consecutive readings, if there is a difference between the detected value and the value detected in the previous sampling the MP2 microcontroller generates a DALI Direct ARO Power Control digital command with a value corresponding to the new detected value on the D O UT output, applies it to the photodiode D] of the optical coupler OC1 through the 1 Kohm resistor R3, the optical coupler OC1 in the prototype is an SFH617A-3, through the photo-transistor Q1 of the optical coupler OC1 the command is transmitted in isolated way to the input D_1N of the MP1 microcontroller, said input is able to interpret the DALI commands,

Il resistore R5 serve a polarizzare il foto-transistor Q 1 , nel prototipo ha un valore di 4,7Kohm. The resistor R5 is used to polarize the photo-transistor Q 1, in the prototype it has a value of 4.7Kohm.

L’esempio citato si riferisce ad una prima realizzazione, sono ritenersi ricomprcsc anche le varianti evidenti agli esperti di settore, il valore dei componenti, il numero di campionamenti e la velocità di campionamento sono una scelta del progettista. The example cited refers to a first realization, the variants evident to industry experts are also considered to be included, the value of the components, the number of samplings and the sampling rate are a choice of the designer.

L' alimentatore del prototipo è stato provvisto anche di ingresso PUSH! (5, fig.l). A tale ingresso può essere collegato il primo terminale di un tasto, l’altro terminate connesso a uno dei due terminali della rete di alimentazione (2, fig 1). The prototype power supply was also equipped with a PUSH input! (5, fig. 1). The first terminal of a button can be connected to this input, the other terminal connected to one of the two terminals of the power supply network (2, fig 1).

Tramite il tasto collegato alla linea PUSH, utilizzabile in alternativa alla linea 1 _l OV, è possibile accendere, spegnere, regolare l’intensità luminosa della lampada collegata alla linea 1_JI OV, Using the button connected to the PUSH line, which can be used as an alternative to the 1 _l OV line, it is possible to switch on, off, adjust the light intensity of the lamp connected to the 1_JI OV line,

La scelta di utilizzare per la regolazione la linea 1M0Y o in alternativa la linea FUS1I è a discrezione dell’installatore. The choice of using the 1M0Y line or alternatively the FUS1I line for regulation is at the discretion of the installer.

Nel prototipo è stata fatta un ottimizzazione per evitare di campionare la linea PIJSH inutilmente quando viene usata !a linea 1-10V; si osservi lo schema di figura 2, se la lìnea 1-1QV non è utilizzata, quindi lasciata sconnessa, la tensione presente ai suoi capi è maggiore di 10V, questo a causa dei valori scelti per VAUXJSO, R4, Ri, R2. In the prototype an optimization has been made to avoid sampling the PIJSH line unnecessarily when it is used! A 1-10V line; observe the diagram of figure 2, if the 1-1QV line is not used, therefore left disconnected, the voltage present at its ends is greater than 10V, this is due to the values chosen for VAUXJSO, R4, Ri, R2.

Nel caso in cui la tensione presente sulla linea 1-1 OV è maggiore o uguale a 10V, il microcontrollore MP2 è stato programmato in modo da mantenere l’uscita D OUT a stato zero fìsso, ne consegue che l’ingresso D IN di MP1 sì troverà a stato 1 fisso. If the voltage present on line 1-1 OV is greater than or equal to 10V, the MP2 microcontroller has been programmed to keep the output D OUT at a fixed zero state, it follows that the input D IN of MP1 yes it will find a fixed state 1.

MP1 a sua volta è stato programmato in modo da attivare il monitoraggio della linea PUSH se e solo se MPl vede uno stato 1 fìsso sull’ingresso DJTN. MP1 in turn has been programmed to activate monitoring of the PUSH line if and only if MP1 sees a fixed state 1 on the DJTN input.

11 metodo proposto ha permesso di realizzare un nuovo alimentatore provvisto di ingresso 1-10V isolato di prestazioni notevolmente superiori rispetto alle soluzioni tradizionali basate su isolamento magnetico, con costi comparabili e in molti casi inferiori. The proposed method has made it possible to create a new power supply equipped with an isolated 1-10V input with considerably higher performance than traditional solutions based on magnetic isolation, with comparable costs and in many cases lower.

Claims (2)

RIVENDICAZIONI 1) Alimentatore per almeno una lampada a LED dotato di terminali per la connessione a una rete elettrica di alimentazione, terminali di uscita per il collegamento della lampada a LED, una linea di regolazione analogica l-I OV flottante rispetto agli altri terminali delTalimentatore tramite la quale viene regolata l’intensità luminosa emessa dalla lampada a LED, caratterizzato dalla presenza di un circuito flottante alimentato da una tensione ausiliaria galvanicamente isolata sia nei confronti dei terminali di connessione alla rete elettrica che dei terminali di uscita per il collegamento alla lampada a LED, detto circuito flottante contenente un microcontrollore provvisto di un convertitore analogico digitale che converte il valore di tensione analogico presente sulla linea 1-10V in un primo dato digitale, il dato digitale elaborato da detto microcontrollore per ricavare una seconda informazione digitale comprendente almeno un comando scelto tra la pluralità di protocolli di comunicazione standard, detta seconda informazione digitale trasmessa in modo galvanicamente isolato tramite un isolatore ottico a un secondo circuito detto power unit, detta power unit comprendente un secondo microprocessore e un’ uscita connessa ai terminali per il collegamento della lampada a LED, detta uscita connessa ai terminali per il collegamento della lampada a LED modulata on-off in modalità PWM da un segnale PWM fornito da detto secondo microprocessore, il duty-cycie D di detto segnale PWM variato in accordo alla seconda informazione digitale ricevuta. CLAIMS 1) Power supply for at least one LED lamp equipped with terminals for connection to an electrical supply network, output terminals for connecting the LED lamp, an analogue regulation line I-I OV floating with respect to the other terminals of the power supply through which it is regulated the light intensity emitted by the LED lamp, characterized by the presence of a floating circuit powered by an auxiliary voltage galvanically isolated both towards the terminals for connection to the electrical network and the output terminals for connection to the LED lamp, said circuit floating containing a microcontroller equipped with an analog digital converter which converts the analog voltage value present on the 1-10V line into a first digital data, the digital data processed by said microcontroller to obtain a second digital information comprising at least one command selected from the plurality of communication protocols one standard, said second digital information transmitted in a galvanically isolated way through an optical isolator to a second circuit called power unit, said power unit comprising a second microprocessor and an output connected to the terminals for connecting the LED lamp, said output connected to terminals for connecting the on-off modulated LED lamp in PWM mode by a PWM signal supplied by said second microprocessor, the duty-cycle D of said PWM signal varied according to the second digital information received. 2) Alimentatore in accordo alla rivendicazione 1 in cui la seconda informazione digitale è trasmessa usando uno o più comandi appartenenti al protocollo DAL1.2) Power supply according to claim 1 wherein the second digital information is transmitted using one or more commands belonging to the DAL1 protocol.