01 enero 2010

Diseño eficiente con LEDs


El desarrollo de la tecnología LED ha producido dispositivos con mucho más brillo de lo que hasta ahora era posible.

Estamos ante una tecnología emergente cuyos últimos avances debemos conocer porque sus aplicaciones pueden ayudarnos a desarrollar interesantes soluciones. Los LEDs de alto brillo (high brightness LEDs o HBLEDs) se denominan normalmente LEDs (HPLEDs) y trabajan por encima de 150 mA. Estos dispositivos se están convirtiendo en una alternativa práctica para iluminación y también para propósitos de indicación. HPLEDs ahora produce ata eficacia luminosa, más lúmenes por vatio, que las luces incandescentes, halógenas o incluso fluorescentes. Como resultado de ello el uso mundial de HBLEDs está incrementándose más rápidamente que ninguna otra fuente luminosa.

Las mejoras técnicas a la estructura de unión de HPLED han producido partes con una eficacia luminosa de; 100 lm/W, excediendo a las lámparas fluorescentes en una aplicación práctica y aproximándose al nivel de las lámparas de descarga de alta intensidad (HID).

Es importante comprender que al contrario que otras fuentes luminosas que radian calor, HPLEDs son dispositivos de estado sólido, que debe ser disipado.

La adopción de HPLED está creciendo en iluminación arquitectónica, iluminación de oficinas, iluminación decorativa, señales iluminadas y muchas otras aplicaciones en automoción. También se utilizan en algunas aplicaciones de iluminación, aunque las lámparas de sodio de alta presión todavía dominan en esta área debido a su larga vida y alta eficiencia.

Esta rápida adopción es largamente debida a la alta eficiencia, gran longevidad, durabilidad y flexibilidad de HPLEDs. La iluminación de estado sólido es ahora capaz de moverse más allá de sus mercados previos tales como focos para dispositivos manuales y lámparas de descarga de gas e incandescente tradicional. Las fuentes de luz de estado sólido. Las fuentes de luz de estado sólido son ambientalmente beneficiosas y efectivas en costes para iluminación general.
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Requerimientos del convertidor
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HPLEDs trabajan con una corriente DC constante. Ya que contiene un diodo pn, exhiben como característica una caída de voltaje con un coeficiente de temperatura negativa y significativa tolerancia de fabricación. La caída de voltaje también difiere entre los distintos colores de los LEDs. El rendimiento luminoso de HPLEDs es directamente proporcional a la corriente de paso y estos dispositivos tienen la característica de curva voltaje de paso a corriente pronunciada, como los diodos en general. Un pequeño cambio en el voltaje de paso origina un gran cambio en la corriente y consecuentemente en el brillo. Esto dicta que los HPLEDs se suministren con corriente regulada en vez de voltaje regulado.

También se requiere aislamiento galvánico, pero como requisito de seguridad inducido por UL (Underwriters Laboratories Inc.) para el suministro de energía autónomo. La excepción es donde la aplicación dispone de doble aislamiento y por lo tanto no es factible el contacto con partes activas.

Si bien los LEDs usualmente trabajan en corriente continua, también es posible alimentar HPLEDs con fuentes de voltaje de corriente alterna y alta frecuencia usando condensadores o inductores como elementos limitadores de la corriente y rectificando el voltaje de alta frecuencia para producir una fuente de corriente continua altamente rizada.

Los métodos AC de alta frecuencia usando topologías resonantes ofrecen algunas ventajas en la eficiencia energética de los balastos. Sin embargo, el factor de cresta incrementado de la corriente del LED puede reducir potencialmente la vida de operación.

Actualmente hay en el mercado muchas fuentes de generación de energía para LEDs de voltaje fijo. Esto presumiblemente ofrece algunas ventajas en términos de simplificación.

Tales sistemas requieren que las configuraciones de carga de LED serie/paralelo contengan algunos sistemas de regulación de corriente ya que considerando las variaciones de temperatura y tolerancia de la caída de voltaje de paso de los LED hará prácticamente imposible diseñar una carga de LED que opere con una corriente predecible desde un sistema de voltaje fijo. Los circuitos de limitación de la corriente pueden ser tan simples como las resistencias o consisten en reguladores lineales. En cualquier caso la energía se derrocha en una extensión que marca la diferencia de voltaje entre la de la fuente de alimentación y la carga multiplicada por la corriente de carga. Uno de los factores clave en el desarrollo de la tecnología de iluminación es la eficiencia energética de suministro de energía del LED de voltaje fijo y en el futuro es probable que se restringa a aplicaciones de baja corriente.

Las topologías de suministro de alimentación de HPLED difieren considerablemente dependiendo de una aplicación particular. Esto está determinado por los voltajes de entrada y salida del convertidor así como por la energía total y si son necesarios aislamiento, corrección del factor de potencia u oscurecimiento.

La primera topología son las luminarias, que generalmente operan autónomas y utilizan aislamiento de seguridad y salida de voltaje inferior a 60 V DC, además de corrección del factor de potencia. La segunda topología son las lámparas LED integradas que están contenidas en un encapsulado y aisladas mecánicamente, por lo tanto no requieren aislamiento eléctrico.

Típicamente, los LEDs trabajan con bajas corrientes y una disipación máxima de potencia de 150 mW – lo cual quiere decir que la mayoría de las aplicaciones de iluminación requieren numerosos LEDs. Debido a los avances en las tecnologías de encapsulado y chips, los nuevos LEDs visibles tienen rengos de disipación de potencia que van de 500 milivatios a 10 vatios en una única cápsula. Con eficacia luminosa mejorando, estos componentes LED de alta potencia pueden reemplazar a otras tecnologías de iluminación en muchas aplicaciones.

Cuando se usan LEDs visibles de alta potencia, muchos aspectos de diseño deben ser considerados. Éstos incluyen:
  • ¿Cuánto flujo luminoso se requiere en la aplicación?
  • ¿Cuál es la longitud de onda dominante o temperatura de color?
  • ¿Cuál es el MTTF (tiempo medio al fallo requerido)?
  • ¿Cuál es la degradación de flujo tolerable?
La temperatura de la unión P-N de un LED impacta sobre estos aspectos. La temperatura de unión directamente altera el rendimiento y fiabilidad de los LED del siguiente modo:
  • Potencia de salida reducida: En corrientes de operación constantes, la eficiencia luminosa decrece alrededor de un 5 % cada 10 ºC que se eleva la temperatura de la unión.
  • Voltaje de paso reducido: En corriente de operación constante, el voltaje de paso decrece alrededor de 20 mV cada 10 ºC que se eleva la temperatura de unión.
  • Cambio en la longitud de onda dominante: Las longitudes de onda dominantes cambian alrededor de 2 nm por cada 10 ºC de cambio en la temperatura de la unión.
  • Cambio en la temperatura del color: Los LEDs blancos son más sensibles a cambios en la temperatura de la unión porque la temperatura del color cambia significativamente. Los LEDs emiten luz blanca combinando emisión azul estándar con un revestimiento de fósforo que absorbe el flujo azul y re-emite un amplio rango de longitudes de onda a través del rango visible. La eficiencia de re-emisión es altamente dependiente en la longitud de onda del flujo azul, que cambian cuando lo hace la temperatura de la unión. Si la longitud de onda dominante en el LED azul cambia del rango eficiente.
Bibliografía: Designing with LEDs. Special EDN E-Book
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