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Reemplazo en iluminación de halógenos de bajo voltaje por LED

La iluminación mediante LED se está convirtiendo en un reemplazo habitual a la tecnología de halógenos de bajo voltaje. A diferencia de las bombillas halógenas, los LED no padecen baja eficiencia, poca fiabilidad y corta duración.

El artículo presenta una nueva aproximación para dirigir LED de elevada potencia en un sistema de iluminación DC. La solución produce una eficiencia del 95%, aumenta la duración e incrementa la resistencia al choque eléctrico y mecánico.

El circuito mostrado en la Figura 1 se caracteriza por un controlador DC-DC de la serie ZXSC300 de Zetex Semiconductors, empresa representada en España por Anatronic, S.A., que dirige un conmutador externo para operar en modo ‘buck’ o ‘step down’. La lista de materiales para un sistema de 12 V se observa en la tabla 1. Las tensiones más elevadas se pueden acompañar de un incremento en el valor de R2 a 2k2Ω. El condensador C1 también necesitará tener un ratio de voltaje superior. La principal operación de circuito se describe aquí.
 

 

Figura 1. LED que dirige usando convertidor DC-DC en modo “buck”
 

Cuando Q1 está en funcionamiento, la corriente viaja a través de los LED, el condensador C2 y el inductor. Cuando la tensión R1 alcanza el umbral de pin Isense, Q1 se apaga durante un periodo fijado. La energía del inductor entonces viaja a través de D1 y los LED. Tras un periodo de tiempo fijo, Q1 vuelve a encenderse y el ciclo se repite.
 

 

 Tabla 1. Lista de materiales para sistemas de 12 V
 
Al observar la operación de circuito con más detalle se comprueba los parámetros y cálculos del circuito involucrados en su diseño. Empecemos con el Q1 encendido en el periodo TON. El ZXSC310 arranca Q1 hasta que siente 19 mV (nominal) en el pin ISENSE. La corriente en Q1 alcanza este umbral a 19 mV / R1, denominado lPEAK.
 
Con Q1 conectado, la corriente fluye desde la fuente y pasa a través de C1 y los LED paralelos, y asumen las caídas del LED a voltaje forward VF. El resto de la tensión de alimentación caerá a través de L1 y este voltaje, denominado V(L1), aumentará en L1 con un ratio di / dt = V(L1)/l1, di / dt en A / s, V(L1) en voltios y L1 en henrios.
 
La caída de tensión en Q1 y R1 es insignificante, ya que Q1 debería tener una RDS(ON) baja y R1 siempre cae por debajo de 19 mV, como límite de apagado para Q1, y queda establecido por el umbral del pin ISENSE.
VIN = VF + V(L1)
TON = IPEAK * L1/V(L1).

Por consiguiente, TON se puede calcular, porque la tensión en L1 se obtiene al sustraer la caída de tensión LED desde VIN. De esta forma, si L1 esinferior, el TON también será menor para el mismo pico de corriente IPEAK y la misma tensión de alimentación VIN. Hay que tener en cuenta que mientras que la corriente del inductor asciende hasta el IPEAK, la corriente viaja por el LED y el promedio en el propio LED es la suma de las subidas durante los periodos de de subida (TON) y bajada (TOFF).

También hay que considerar que el periodo de apagado, TOFF, de Q1. El TOFF del controlador de la serie ZXSC300 se fija internamente con un nominal de 1.7 µs. Si se confía en los cálculos de subida corriente, los límites se sitúan entre 1.2 y 3.2 µs.
 
Con el objetivo de minimizar las pérdidas conductivas y de conmutación, el TON no debería ser mucho menor al TOFF. Unas frecuencias de conmutación muy elevadas causan dv / dt altos y se recomienda que el ZXSC300 y el 310 operen sólo hasta 200 kHz. Dado el TOFF fijo de 1.7 µs, este provoca un TON de (5

– 1.7 µs) = 3.3 µs como mínimo. Sin embargo, esta no es una limitación absoluta y dichos dispositivos pueden operar entre dos y tres veces esta frecuencia, aunque la eficiencia de conversión puede “sufrir” bajo estas condiciones.
 
Durante el TOFF, la energía almacenada en el inductor se transferirá al LED, con algunas pérdidas en el diodo Schottky. Esta energía es la siguiente:
½ * L * IPEAK2 [Julios]

También es posible tener el sistema operando en modos continuo o discontinuo. La diferencia y efecto en la corriente promediada se explica en los siguientes párrafos.
 
Si el TOFF coincide con el tiempo requerido para que la corriente llegue a cero, la corrientepromediada en el LED será de IPEAK/2. En la práctica, la corriente debe alcanzar el cero antes de que el TOFF se haya completado y la corriente promediada será menor, ya que parte del ciclo se ‘gasta’ con corriente de LED cero. Esto recibe el nombre de modo de operación “discontinua”.

 

Figura 2. Operación discontinua

Si la corriente no alcanza el cero pasados 1.7 µs, pero cae a un valor de IMIN, entonces se dice que el dispositivo se encuentra en modo “continuo”. La corriente LED oscilará entre el IMIN y IPEAK (probablemente con diferentes ratios di /dt), mientras que la corriente LED promediada será, por consiguiente, la media de IPEAK y IMIN.

 

Figura 3. Operación continua

Esta teoría ahora se puede aplicar a un diseño de circuito práctico trabajando con cálculos de valores reales. Tomando, por ejemplo, una alimentación de 12 VDC y tres LED de 1 W que requieren 340 mA, así como el circuito de la Figura 1 y los materiales de la Tabla 1. Este diseño operará con un rango de tensión de alimentación de 11 a 18 V.

Entrada = VIN = 12 V
Caída forward de LED = VLED = 9.6 V
VIN = VLED + VL
Por lo tanto, VL= (21- 9-6) = 2.4
El pico de corriente es = VSENSE/ R1 (R1 es RSESNSE) =34 mV / 50 m = 680 mA
TON = IPEAK * L1 / V (L1)

TON =680 mA * 22 µH _ = 6.2 µs
2.4

Estas ecuaciones constatan que la caída forward de LED es constante en el desnivel de corriente. De hecho, incrementará con la corriente, pero se deben llevar a cabo cálculos con las tolerancias de los componentes empleados en un circuito práctico. Además, la diferencia entre VIN y VLED es relativamente pequeña en comparación con otras, por lo que el periodo de 6.2 µs será bastante dependiente de estos voltajes.
 
Hay que recordar que para una caída de LED de 9.6 V y una caída de Schottky de 300 mV el tiempo de descenso de 680 mA a cero sería el siguiente:

TDIS = 680 mA * 22 µH = 1.5 µs
(9.6 + 0.3)

Como el periodo TOFF es de 1.7 µs, la corriente tendría tiempo para llegar a cero. Sin embargo, 1.5 se acerca mucho a 1,7 y es posible que, sobre algunas tolerancias de componentes, la corriente de cola no alcance cero, pero esto no supone un gran problema. Además, no es posible que se produzca el peligro de “inductor staircasing – escalera de inductor” en los convertidores con tiempos TON fijos. La corriente nunca puede superar IPEAK, por lo que si comienza desde un valor finito (por ejemplo, en modo continuo) no se rebasará dicho límite. La corriente de LED, por lo tanto, será aproximadamente el promedio de 680 mA y cero = 340 mA. (No será la mitad exacta, porque existe un periodo de 200 ns con corriente cero, pero es muy pequeño con respecto al IPEAK y las tolerancias de componente).

Las prestaciones de los sistemas de 12 y 24 V se muestran en las Figuras 4 y 5, respectivamente.
 

 

Figura 4. Gráficos de rendimiento típico para un sistema de 12 V

 

Figura 5. Gráficos de rendimiento típico para un sistema de 24 V

Fórmulas útiles para los cálculos
La potencia de entrada durante TON (asumiendo un modo de operación discontinua) es VIN * IPEAK/ 2. La corriente de entrada media desde la fuente de alimentación es, por consiguiente, esta corriente multiplicada por el ratio de TON del ciclo total:
IPEAK x TON____
2TON + TOFF

Se podría decir que la corriente de alimentación promediada incrementará en menor medida que VIN, y TON es cada vez mayor en comparación con el TOFF fijado de 1.7 µs. Esto es lógico, ya que la potencia de LED fija requerirá más corriente con menor tensión de alimentación para consumir la misma energía.
 
La energía almacenada en el inductor equivale a la energía transferida desde el inductor al LED (asumiendo una operación discontinua):
½ * L1 * IPEAK2 [Julios]

TON = IPEAK*L1
(VBATT – VLED)

Por lo tanto, cuando la diferencia entre el voltaje de entrada y salida es superior, el LED tendrá más energía que la transferida desde el inductor al propio LED en lugar de obtenerse directamente de la fuente.

Si el tamaño de inductor L1 y el pico de corriente IPEAK se pueden calcular, la corriente alcanza cero en 1.7 µs. Entonces, la potencia en el LED no será tan dependiente de la tensión de alimentación, ya que la corriente promediada en LED se situará aproximadamente en IPEAK / 2.

Como la tensión de alimentación aumenta, el TON necesario para alcanzar el IPEAK se reducirá, pero la potencia de LED seguirá constante y sólo gastará una corriente entre cero y el pico. Con voltajes superiores, TON tendrá menos proporcionalidad con el ciclo total, por lo que la corriente de alimentación promediada con mayor voltaje también decaerá, conservando la potencia y la eficiencia.

El voltaje forward en el diodo Schottky reduce la eficiencia. Por ejemplo, asumiendo un VF de LED de 6 V y un VF de Schottky de 0.3 V, la pérdida de eficiencia en la energía transferida desde el inductor se sitúa en el 5%. De esta forma, el ratio de caída forward Schottky “cae” a la caída forward de LED.

El Schottky no se encuentra en el circuito durante el periodo TON y, por lo tanto, no causa pérdidas, por lo que el porcentaje de pérdida total dependerá en el ratio de los periodos TON y TOFF. Para tensiones de alimentación menores donde el TON representa una gran proporción del ciclo, la pérdida Schottky no será significativa. También será poco importante en voltajes LED superiores (más LED in serie), ya que la caída Schottky se convierte en un porcentaje menor de la tensión total.
 
Conclusión
El diseño de circuito muestra cómo un circuito eficiente se puede utilizar para alimentar LED de potencia en una aplicación de reemplazo de halógenos. Los LED tienen un coste inicial superior a las bombillas halógenas, mientas que el coste de propiedad es comparable, si no menor.

Aunque en algunas tareas donde el reemplazo es difícil y costoso surge la pregunta de si los LED pueden ser la única solución económica, la respuesta es clara: con la eficiencia de salida de luz LED mejorando cada día y la consecuente reducción de costes, las razones para emplear LED continúan aumentando.

Artículo realizado por el Dpto. Técnico de Anatronic, S.A.

16 November 2007 | Artí­culos | Noticia leída: 1261 veces

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