¿Por qué no accionar la CA directamente en su cadena de LED?

Feb 10, 2024

Los porqués de la conducción directa por CA de los sistemas de iluminación LED explicados por Francois Mirand

Fieles a la historia de otros tipos de productos semiconductores, los LED ofrecen cada año un mejor rendimiento a un coste menor.

De hecho, tanto es así que los demás elementos de una luminaria LED convencional (la carcasa, los conectores, la PCB, la óptica y, sobre todo, la fuente de alimentación) han asumido una gran parte del coste total del sistema que hace cinco años habría estado dominado únicamente por el coste de los LED.

Esto ha impulsado los intentos de crear una arquitectura mucho más barata, reduciendo drásticamente el coste del suministro de energía. En tipos de luminarias como downlights de gama baja, luminarias lineales y mamparas, el bajo costo es el atributo más importante para los compradores. En este caso, se ha desarrollado el concepto de 'sistemas LED AC-direct' para eliminar por completo la necesidad de una fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) AC-DC convencional (pero voluminosa y costosa).

Sin embargo, las primeras implementaciones de sistemas LED AC-direct plantearon a sus diseñadores problemas de diseño difíciles de resolver y limitaron gravemente su libertad para optimizar las características operativas y el factor de forma de la luminaria.

Ahora, una arquitectura mejorada para sistemas LED de CA directa parece ofrecer un rendimiento competitivo y flexibilidad de diseño. ¿Pero tiene un costo aceptable?

Figura 1: una implementación simple de CA directa con cuatro LED

¿Por qué diseñar el SMPS? Un LED convencional de alto brillo es un dispositivo de bajo voltaje, que normalmente tiene un voltaje directo de alrededor de 3 V. La red eléctrica se suministra a aproximadamente 120 V o 240 V, dependiendo de en qué parte del mundo se encuentre el usuario.

Por lo tanto, una luminaria requiere una forma de reducir el voltaje de la red de CA al voltaje directo de CC de un LED o una cadena de LED, generalmente por debajo de 60 V.

La forma más común de hacer esto hasta la fecha ha sido con un SMPS. La principal ventaja del SMPS es su excelente eficiencia, que a veces supera el 90%, combinada con su capacidad para proporcionar aislamiento eléctrico (por motivos de seguridad).

Su eficiencia es un atributo de la arquitectura de modo conmutado, que ahorra energía y la descarga de inductores y condensadores a muy alta velocidad, almacenando así energía en el pico de la oscilación de voltaje de CA en lugar de disiparla, como una simple línea lineal. el regulador lo hace.

Desafortunadamente, un SMPS requiere inductores o transformadores y condensadores voluminosos. Es más, el tipo de condensador electrolítico utilizado en las fuentes de alimentación tiene una vida útil mucho más limitada que los demás componentes: suele ser el primer componente de un sistema de iluminación LED que falla. También se requieren contramedidas EMI, porque los SMPS normalmente conmutan a altas frecuencias de 20 kHz o más.

Y un SMPS no se puede montar fácilmente en la misma PCB que los LED. La construcción de cobre de un solo lado de una PCB con núcleo metálico (MCPCB) dificulta mucho el enrutamiento del circuito SMPS y los dispositivos pasivos necesarios tienden a no estar disponibles en paquetes de montaje en superficie. FR4 (el tipo de sustrato de PCB más común) ofrece más capas de enrutamiento, pero el aislamiento y la gestión térmica pueden complicarse con este tipo de PCB. En cualquier caso, los grandes componentes pasivos de un SMPS crearán sombras si se colocan demasiado cerca de los LED.

Un SMPS, entonces, es voluminoso, crea algunas dificultades de diseño y es relativamente caro tanto en términos de lista de materiales como de costos de ensamblaje.

Un enfoque más simple es no renunciarEsto dio a los fabricantes de circuitos integrados de regulación de potencia el incentivo para desarrollar una arquitectura más simple que controle los LED de alto voltaje directamente desde la tensión de red sin reducir este voltaje.

El esquema de regulación AC-direct logra lograr esto encendiendo los LED en secuencia siguiendo la tensión sinusoidal de la red. Los LED adecuados para esta aplicación incluyen el LUXEON 3535 HV de Lumileds, así como las series 5630 HV, 5250 HV y 3030N HV de LG Innotek.

La implementación más simple del concepto se muestra esquemáticamente en las Figuras 1 y 2.

Figura 2: el CI de regulación directa de CA enciende progresivamente cada LED hasta que todos se iluminan en el pico de tensión de red

La tensión de la red CA se rectifica (por lo que la mitad negativa del ciclo se vuelve positiva). Esta salida rectificada es una media onda sinusoidal de 100 Hz, que normalmente oscila entre 0 V y alrededor de 325 V si la tensión nominal de la red es de 230 V.

En cada medio ciclo, el primer LED de alto voltaje (o cadena de LED) se enciende una vez que el voltaje ha alcanzado alrededor de 70 V, el segundo se agrega a 140 V y el tercero a 210 V. Los cuatro LED están iluminados mientras el voltaje sea igual o superior a 280 V.

Este esquema de regulación hace que exista un exceso de tensión que debe ser disipada a través de un regulador lineal, generando calor residual.

Estas pérdidas de energía necesariamente reducen la eficiencia del sistema en comparación con una solución SMPS. Pero en la práctica, un diseño LED de CA directa puede lograr una eficacia total del sistema de hasta 100 lm/W, en comparación con los 130 lm/W de una luminaria equivalente que utiliza un SMPS.

En una aplicación simple y de bajo costo, como un downlight de 600 lm, quizás una comparación más instructiva sea con la bombilla halógena dicroica equivalente, que ofrece una eficacia típica del sistema de alrededor de 10 lm/W: es posible una enorme reducción en el consumo de energía si se utiliza una bombilla de este tipo. se reemplaza por una lámpara LED de alto voltaje de CA directa.

Y en comparación con el equivalente SMPS, el diseño AC-direct es mucho más pequeño, mucho más simple y mucho más fácil de ensamblar, ya que requiere solo una PCB (consulte la Figura 3).

Figura 3: una bombilla LED que utiliza un esquema de regulación directa de CA

Sin embargo, además de la eficacia reducida, la forma simple de regulación LED directa por CA tiene otros inconvenientes que asumen una importancia considerable en algunas aplicaciones.

Uno es el calor. Como muestra la Figura 1, la regulación actual y la disipación de potencia están concentradas en un solo IC. En funcionamiento normal, esto convierte al CI en un "punto caliente" extremo. Esto requiere contramedidas especiales para evitar el riesgo de daños por exceso de temperatura, incluido el uso de un MCPCB y un diseño de placa con espacios amplios entre otros componentes y el CI de regulación.

Esta forma centralizada de regulación directa de CA también carece de flexibilidad en términos de funcionalidad y optimización del rendimiento, así como en la selección de componentes. Esto es evidente, por ejemplo, en las limitaciones del diseño de la placa: el CI regulador único ocupa un espacio grande en la placa y, por lo tanto, es difícil de acomodar en formatos lineales como tiras de luz y reemplazos de tubos fluorescentes. El esquema también tiene una flexibilidad limitada para implementar funciones como la atenuación.

Estos inconvenientes han llevado al desarrollo de una versión mejorada del esquema de regulación LED directa de CA: en lugar de la implementación centralizada que se muestra en la Figura 1, el fabricante de circuitos integrados de energía Exar (a través de su subsidiaria iML) ha desarrollado una arquitectura distribuida. (Figura 4)

Figura 3: una bombilla LED que utiliza un SMPS

El principio de funcionamiento es el mismo que en un esquema de control centralizado: los LED de alto voltaje se encienden y apagan en secuencia durante cada semiciclo de la red. Pero en el esquema de control distribuido, un IC separado, como el iML8684, regula cada cadena de LED de alto voltaje.

Al equilibrar el costo y la eficacia, la mayoría de las implementaciones adoptan un esquema de regulación de tres pasos (con tres cadenas de LED de alto voltaje), pero también son posibles esquemas de dos o cuatro pasos, o incluso esquemas con más de cuatro pasos.

La principal ventaja del esquema de control distribuido es su flexibilidad de diseño. La flexibilidad de la topología del circuito, por ejemplo, permite al diseñador del sistema adaptarse a varias disposiciones de LED y lograr el mejor equilibrio entre rendimiento, funcionalidad y costo.

El enfoque distribuido permite la selección de prácticamente cualquier LED, tanto los tipos clásicos de bajo voltaje como los LED de alto voltaje con múltiples conexiones. Esto ofrece al diseñador una elección mucho más amplia de estilos de envases y de especificaciones de rendimiento (flujo, eficacia, temperatura de color y reproducción cromática).

También admite implementaciones compactas que utilizan una pequeña cantidad de LED de alto flujo, así como diseños con una salida de luz más difusa que utiliza una mayor cantidad de LED de menor flujo.

Además, se puede obtener una reducción en el parpadeo y la compatibilidad con atenuadores de fase con la estructura de circuito balanceado soportada por la arquitectura distribuida o agregando un solo capacitor, y es fácil agregar un purgador para una mejor compatibilidad con esquemas de atenuadores triac.

La flexibilidad de la arquitectura distribuida para sistemas LED AC-direct también se logra a través de la mayor libertad para elegir el tipo, factor de forma y diseño de PCB.

Fig. 4: la regulación de tres pasos, con tres circuitos integrados reguladores y un transistor de balasto, es la forma más común de implementar la regulación directa de CA distribuida

Esto se debe a que la arquitectura distribuida se puede implementar fácilmente en su totalidad con componentes de montaje en superficie, y su circuito eléctrico simple se puede diseñar con relativa facilidad en una PCB de una sola cara. En la arquitectura distribuida, el calor se disipa más ampliamente mediante una mayor cantidad de circuitos integrados de controladores, lo que elimina el punto caliente único que se encuentra en los sistemas LED convencionales de CA directa.

Esto significa que los esquemas distribuidos a menudo pueden utilizar una PCB FR4, al tiempo que logran un diseño más compacto con un espacio más pequeño entre los componentes. Además, los componentes pequeños y de bajo perfil utilizados en esquemas distribuidos permiten al diseñador realizar luminarias en cualquier factor de forma, incluidas tiras lineales y motores de luz difusa uniforme y libre de sombras oscuras.

El esquema distribuido también ofrece otras ventajas sobre la regulación centralizada. La topología Exar tiene una inmunidad inherente a altas sobretensiones (voltaje transitorio) de >750 V. En un esquema centralizado, por el contrario, la inmunidad contra sobretensiones requiere la adición de un varistor de óxido metálico (MOV) grande y discreto. Un MOV es propenso a sufrir problemas de confiabilidad a largo plazo, ya que tiene una capacidad finita para absorber la energía de las sobretensiones transitorias que son comunes en las redes de CA. Para empeorar las cosas, estos varistores no siempre están disponibles en versiones de montaje en superficie y son caros.

Preocupaciones por el parpadeo Tanto en implementaciones centralizadas como distribuidas de regulación LED directa de CA, los diseñadores de iluminación han expresado cierta preocupación por el problema del parpadeo. En ambos esquemas, los LED se apagan cada medio ciclo de la red eléctrica (es decir, cada 1/100 de segundo en un sistema de red de 50 Hz), cuando el voltaje está en 0 V o cerca de él.

De hecho, el parpadeo se produce durante un intervalo tan corto que en la mayoría de las aplicaciones ningún usuario lo notará. En las aplicaciones de bajo coste para las que está prevista la regulación directa de CA, el bajo nivel de parpadeo tenderá a ser tolerable.

Sin embargo, adoptar una topología de circuito balanceada y agregar un pequeño capacitor de depósito puede mitigar el parpadeo y mejorar la eficacia y el uso de LED, equilibrando así parte del costo adicional de la lista de materiales de la arquitectura distribuida.

Esquema distribuido: compensación costo/rendimientoLa versión distribuida de regulación directa de CA, pionera y patentada por Exar, ofrece al diseñador una libertad única para lograr la optimización del diseño, además de brindar un alto grado de control sobre las compensaciones entre rendimiento, funcionalidad y costo.

La implementación más simple de la solución distribuida tiende a ser más económica que el enfoque centralizado, mientras que los diseños más sofisticados ofrecen la oportunidad de agregar valiosas características adicionales. Por ejemplo, funciones como la detección de presencia o el control de atenuación DALI se pueden acomodar en un sistema LED distribuido de CA directa.

Cada aplicación tendrá su propio equilibrio de requisitos de rendimiento y costo, pero la flexibilidad de diseño incomparable del enfoque distribuido merece la consideración de los diseñadores de sistemas que desean implementar la regulación directa de CA en una nueva generación de luminarias LED de bajo costo.

Francois Mirand es director técnico de Future Lighting Solutions Europe.