aqui. - Cenidet

S.E.P.
S.E.S.
D.G.E.S.T
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN
Y DESARROLLO TECNOLÓGICO
cenidet
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN MEDIANTE
LEDs DE POTENCIA
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO
EN
CIENCIAS
EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA
P R E S E N T A:
GERARDO
VÁZQUEZ
GUZMÁN
DIRECTORES DE TESIS:
DR. CARLOS AGUILAR CASTILLO
DR. MARIO PONCE SILVA
CUERNAVACA, MORELOS
ABRIL 2006
D E D IC A T O R IA S
A mi padre, José Luis Vázquez Galindo, por que forjo el pilar más robusto de la torre que
con el paso de los años se me ha delegado la responsabilidad de terminar.
A mi madre, María de los Ángeles Guzmán Pérez, porque con sus exigencias, palabras
y amor, me enseño los ideales que ahora conforman mi manera de pensar.
A mis hermanos, Olga, José Luis, Ernesto, Ángeles y Vanessa, porque con su vida le han
dado vida a la mía, los quiero mucho. Gracias por todo su apoyo.
En especial a ti Vanessa, mi pequeña hermanita, porque eres de los motores
principales que me impulsan a seguir adelante.
A Celi, por todo su amor y apoyo, gracias preciosa.
Al Instituto Tecnológico de Apizaco, cuna de mi formación profesional.
“Sería imposible mencionar a todas las personas que formaron parte de este proyecto,
mi dedicatoria se hace extensiva para todos ellos”.
A G R A D E C IM IE N T O S
Al Dr. Carlos Aguilar Castillo, por su amistad, comprensión, paciencia y sabios consejos
en los momentos oportunos.
Al Dr Mario Ponce Silva, por su amistad y paciencia.
A los Doctores Abraham Claudio Sánchez, Francisco Canales Abarca y Rodolfo
Echavarría Solís por su valiosa contribución a lo largo del desarrollo de este trabajo de
investigación.
A mis profesores: Dr. Hugo Calleja, Dra. María Cotorogea, MC. Martín Gómez, Dr. Marco
Antonio Oliver, Dr. Jaime Eugenio Arau y Dr. Alejandro Rodríguez.
A mis compañeros de generación Edson López, Max Méndez, Ernesto Vidal, Abraham
Cortés, Javier Molina, Luis Sorcia e Israel Uribe por su apoyo que fue fundamental para
lograr concluir esta etapa de mi vida.
A mi profesor el M. en C. Rafael Ordóñez Flores, por motivarme con sus enseñanzas a
estudiar una maestría y al Ing. Rigoberto Martínez Méndez por todo su apoyo en los
momentos difíciles.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y a la Secretaría de
Educación Pública (SEP) por el apoyo económico que se me brindo para poder
concluir esta etapa de mi vida académica.
Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico por darme la oportunidad
de desarrollarme no solo profesionalmente sino también como persona.
RESUMEN
A través de la historia, desde la época prehistórica hasta nuestros días, la iluminación
artificial ha sido una de las necesidades primordiales. También, desde los inicios de la
iluminación ha habido una gran cantidad de métodos para generar luz: desde el
fuego, pasando por la lámpara incandescente de Edison, hasta las lámparas de
descarga; y recientemente se desarrolla la tecnología de iluminación con el uso de
dispositivos de estado sólido (semiconductores). Cuando se realizan los primeros
dispositivos de iluminación con semiconductores, llamados Diodos Emisores de Luz (LED
por su nombre en inglés Light Emmiting Diode) sólo se ocupan como indicadores, sin
embargo, en los últimos años se han realizado asombrosas mejoras en esos dispositivos.
Precisamente por esas mejoras, hoy en día se le considera al LED un dispositivo
sumamente prometedor en la iluminación artificial en muchos nichos de aplicación.
Una de las características que han mejorado respecto a los primeros LEDs es la
capacidad de manejo de potencia. Esto se logra con el estudio y uso de nuevos
materiales, o aleaciones de elementos, para la fabricación de semiconductores, así
como sus métodos de construcción. Todas estas características y métodos le dan un
carácter emergente a la tecnología de estado sólido para iluminación, que es
importante conocer para establecer claramente sus ventajas y desventajas, así como
los campos de aplicación. Precisamente, este trabajo de investigación esta enfocado
a estudiar las características de esta tecnología, la cual parece ser que revolucionará
el campo de la iluminación y volcará a nuevos niveles el mercado en mediano plazo.
La tesis detalla características particulares de los LEDs de Potencia, tales como,
principio de operación, materiales y métodos de construcción, comportamiento
óptico, características eléctricas y técnicas de montaje. Además, se describen algunos
productos actualmente en el mercado.
Además, esta tesis presenta una revisión de fuentes de alimentación para suministrar
energía a los LEDs de potencia. En base a esto, se propone una estructura de
alimentación conmutada para tres conjuntos, controlados independientemente, de
LEDs. Este esquema se puede emplear para alimentar una fuente de luz blanca
basada en la técnica RGB o bien para aplicaciones de semáforos. El esquema está
basado en una estructura de dos etapas: un convertidor CA-CD, basado en un
convertidor flyback, y una segunda etapa basada en un convertidor reductor con
rectificación síncrona. El convertidor flyback opera en modo de conducción
discontinuo obteniéndose corrección del factor de potencia. Por su parte, el
convertidor reductor opera en modo de conducción continuo con control modo
corriente promedio. En resumen, la fuente de alimentación consigue alto factor de
potencia y tensión de salida bien controlada (ante perturbaciones), además se
implementó usando dispositivos de montaje superficial, así como pasivos de la misma
tecnología.
ABSTRACT
The artificial illumination has been a necessity for all humans, since the prehistoric men
to our present time. Through history there has been a great variety of methods for
generation of artificial light: from the fire, passing by the Edison´s filament, to the
discharge lamps; and recently research got the solid state lighting technology. At the
beginning, the solid state lighting device, named Light Emitting Diode (LED), was only
used as indicator. However, in the last years, the LED had exhibit enormous
improvement. Due to this remarkable evolution, at the present days the LED is a
promising device for artificial illumination. One characteristic which has improved in the
LED is the power management capability. The increased power management
capability is possible thanks to new materials and new semiconductor construction
methods, etc. Regarding, this research is focused on studies characteristics of the solid
state lighting technology, which appear to be the most relevant evolution in the
illumination field and will change the market in a very short time. The thesis details
particular features such as, operation principle, materials for power LEDs, construction
methods, optical behavior, electrical characteristics, and mounting techniques. Also,
some current devices at the market are described.
Besides, this work presents a review of the necessities power supply features when
feeding power LEDs. After that, the thesis proposes a switched mode power supply for
three independent set of LEDs (for example, for white light generation based on RGB or
semaphore applications). The propose scheme is a two stage approach: the first stage
is an AC-DC converter based on a flyback converter, and the second stage is a
synchronous buck converter. The flyback converter is working in discontinuous current
mode (DCM) which gets high power factor and low total harmonic distortion in the
input current. The buck converter was implemented in averaged current mode, with
synchronous rectification. In summary, the implemented power supply has high power
factor and very well controlled output voltage; in addition, the laboratory prototype
was realized using both semiconductor elements and passive components in surface
mounting technologies, resulting in a high power density.
TABLA DE CONTENIDO
TABLA DE CONTENIDO
III
VII
IX
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABLAS
LISTA DE SÍMBOLOS
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1. Antecedentes
1.2. Objetivos
1.3. Alcances y aportaciones
1.4. Organización de la tesis
2
8
8
9
CAPÍTULO 2.
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
2.1. Introducción
2.2. Conceptos básicos sobre la luz y el color
2.3. Principio de operación de los LEDs
2.4. Materiales, estructuras y métodos de construcción
2.5. Comportamiento óptico
2.6. Comportamiento y manejo eléctrico
2.7. Comportamiento térmico
2.8. Técnicas de Montaje
2.9. Técnicas de control de intensidad luminosa (dimming)
2.10. Tipos y características generales
2.11. Aplicaciones
12
12
14
16
19
25
28
32
33
35
39
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
3.1. Introducción
3.2. Luz blanca
3.3. Diagramas de cromaticidad
3.4. Luz blanca mediante LED UV+Fósforo RGB
3.5. Luz blanca mediante LED azul+Fósforo amarillo
I
42
42
42
45
47
TABLA DE CONTENIDO
3.6. Luz blanca mediante LEDs RGB
3.7. Fuentes de alimentación para LEDs de potencia
50
54
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
4.1. Introducción
4.2. Especificaciones generales
4.3. Revisión de alternativas para el esquema de alimentación
4.4. Selección del esquema de alimentación
4.5. Convertidor flyback en MCD
4.5.1. Especificaciones
4.5.2. Análisis y simulación
4.5.3. Estrategia de control
4.5.4. Resultados experimentales
4.6. Convertidor reductor (Buck) con Rectificación Síncrona
4.6.1. Especificaciones
4.6.2. Análisis y simulación
4.6.3. Respuesta en frecuencia y estrategia de control
4.6.4. Resultados experimentales
56
56
57
60
61
61
61
64
66
67
68
68
70
75
CAPÍTULO 5
RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN GLOBAL
5.1. Introducción
5.2. Resultados experimentales en estado estable
5.3. Pruebas experimentales en pruebas dinámicas
5.4. Pruebas de laboratorio usando un LED de potencia
80
80
83
85
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
6.1. Conclusiones
6.2. Trabajos futuros
88
89
Referencias bibliográficas
Apéndice A
91
95
II
LISTA DE FIGURAS
L IS T A D E F IG U R A S
CAPÍTULO 1.
Figura 1.1.
Figura 1.2.
Figura 1.3.
Figura 1.4.
Figura 1.5.
Figura 1.6.
(a) Generación de energía eléctrica en México, (b) Consumo de energía
eléctrica en México.
Evolución de la tecnología de la iluminación.
Balances energéticos de algunas fuentes de luz artificial.
Esquema eléctrico utilizado para la alimentación de una lámpara de
emergencia basada en LEDs.
Esquema de alimentación basado en un convertidor SEPIC.
Esquema de obtención de luz blanca usando LEDs RGB y DSP como
controlador.
CAPÍTULO 2.
Figura 2.1.
Figura 2.2.
Figura 2.3.
Figura 2.4.
Figura 2.5.
Figura 2.6.
Figura 2.7.
Figura 2.8.
Figura 2.9.
Figura 2.10.
Figura 2.11.
Figura 2.12.
Figura 2.13.
Figura 2.14.
Figura 2.15.
Figura 2.16.
Espectro electromagnético.
Fenómeno de electroluminiscencia en un LED.
Estructura general de capas para un LED de potencia.
Estructuras a nivel semiconductor de algunos tipos de LEDs.
Evolución de las estructuras a nivel semiconductor para LEDs de Lumileds.
Proceso de construcción de los LEDs de potencia.
Estructura óptica de un LED.
Patrón de radiación y full-widht de un LED HPWA-Mx00.
Patrones de radiación para LEDs de 1 W de Lumileds.
Elementos ópticos utilizados para implementar óptica secundaria.
(a) Patrón de radiación para un LED Luxeon Star/O (Lambertian); (b)
Patrón de radiación Lambertian modificado mediante óptica secundaria.
Algunos tipo de lentes disponibles comercialmente.
Característica I-V para LEDs de 1 W de Lumileds; (a) Blanco, Verde, Cyan
y Azul, (b) Rojo y ámbar.
Esquemas utilizados comúnmente en los arreglos de LEDs.
(a) Comportamiento de la corriente en LEDs de 1 W de Lumileds respecto
a cambios en la temperatura ambiente, (b) Comportamiento I-V con
polarización inversa.
Comportamiento térmico; (a) Respuesta de la salida de luz relativa
respecto a las variaciones de temperatura, (b) Respuesta de la longitud
de onda respecto a las variaciones en la temperatura para un LED
ámbar.
III
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.17.
Figura 2.18.
Figura 2.19.
Figura 2.20.
Figura 2.21.
Figura 2.22.
Figura 2.23.
Figura 2.24.
Figura 2.25.
Figura 2.26.
Figura 2.27.
Figura 2.28.
Modelo térmico para un LED de potencia; (a) Sección transversal, (b)
Modelo con las resistencias térmicas equivalentes.
Modelo térmico para un arreglo de LEDs en paralelo.
Ejemplo de un MCPCB típico.
Esquema de alimentación con dimming.
Formas de onda típicas.
Esquema de alimentación con dimming usando un convertidor reductor.
LEDs Golden Dragon fabricados por OSRAM; (a) Golden Dragon de 2.3 W,
(b) Golden Dragon de 1.2 W.
LEDs de 1 W fabricados por A-Bright.
Aspecto físico de un LED Luxeon K2 de Lumileds y gráfica comparativa de
su flujo luminoso respecto a sus antecesores.
Optimización de una fuente de luz con LEDs Luxeon K2.
Distribución de la inversión en iluminación de estado sólido en el 2002.
Ejemplos gráficos de algunas aplicaciones de los LEDs de potencia.
CAPÍTULO 3.
Figura 3.1.
Figura 3.2.
Figura 3.3.
Figura 3.4.
Figura 3.5.
Figura 3.6.
Figura 3.7.
Figura 3.8.
Figura 3.9.
Figura 3.10.
Figura 3.11.
Figura 3.12.
Figura 3.13.
Figura 3.14.
Elementos del sistema de observación visual.
(a) Valores triestímulo para el diagrama de cromaticidad CIE 1931, (b)
Valores triestímulo para el diagrama de cromaticidad CIE 1964.
Diagrama de cromaticidad CIE 1931 (observador de 2 grados).
Respuesta espectral para un LED blanco fabricado con la técnica LED
UV+Fósforo RGB.
Contenido espectral de un LED blanco basado en la técnica LED
azul+Fósforo amarillo.
Diagrama de cromaticidad para mostrar la obtención de luz blanca
usando la técnica de LED azul+Fósforo amarillo.
(a) Diagrama de cromaticidad que ilustra algunas combinaciones de LED
azul+Fósforo amarillo, (b) Respuesta espectral de un LED blanco usando la
combinación de LED azul+Fósforo amarillo.
Métodos antiguo y moderno para la deposición de fósforos.
LEDs blancos usando la técnica LED azul+Fósforo amarillo.
Respuesta espectral para una fuente de luz blanca usando la técnica
RGB.
Efecto del envejecimiento en algunas fuentes de luz artificial.
Diagrama de cromaticidad para ilustrar la obtención de luz blanca
mediante la técnica RGB.
Sistema de bloques para una pantalla LCD.
Arquitecturas para obtener luz blanca combinando los colores primarios.
IV
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.15.
(a) Regulador de corriente constante, (b) Convertidor SEPIC.
CAPÍTULO 4.
Figura 4.1.
Figura 4.2.
Figura 4.3.
Figura 4.4.
Figura 4.5.
Figura 4.6.
Figura 4.7.
Figura 4.8.
Figura 4.9.
Figura 4.10.
Figura 4.11.
Figura 4.12.
Figura 4.13.
Figura 4.14.
Figura 4.15.
Figura 4.16.
Figura 4.17.
Figura 4.18.
Figura 4.19.
Figura 4.20.
Figura 4.21.
Figura 4.22.
Figura 4.23.
Esquema de alimentación propuesto con posible aplicación a la
generación de luz blanca.
Especificaciones y esquema básico del convertidor flyback.
Circuitos equivalentes para las dos fases de operación del convertidor
flyback.
Resultados de la simulación del convertidor flyback.
Contenido armónico de la corriente de entrada del convertidor flyback.
Lazo de control del convertidor flyback en MCD.
Fotografía del prototipo de laboratorio para el convertidor flyback.
Formas de onda experimentales del convertidor flyback.
Especificaciones de diseño y circuito simplificado del convertidor reductor
con rectificación síncrona.
Circuitos equivalentes; (a) Interruptor encendido, (b) Interruptor apagado.
Resultados de la simulación del convertidor reductor.
Diagrama eléctrico simplificado del control del convertidor reductor.
Esquema a bloques del convertidor reductor.
Circuito del convertidor reductor y modelo linealizado usando la técnica
del interruptor PWM.
Gráfica de Bode de la función de transferencia control-salida.
Gráfica de Bode de la función de transferencia control-corriente del
inductor.
Compensador propuesto para el lazo de corriente.
Respuesta en frecuencia del compensador del lazo de corriente.
Compensador propuesto para el lazo de tensión.
Gráfica de Bode del lazo de corriente.
Fotografías de las dos vistas del prototipo de laboratorio del convertidor
reductor.
Formas de onda experimentales del convertidor reductor.
Pruebas dinámicas realizadas en el convertidor reductor.
CAPÍTULO 5.
Figura 5.1.
Figura 5.2.
Figura 5.3.
Formas de onda de entrada y salida del esquema de alimentación.
Formas de onda obtenidas en el convertidor flyback.
Formas de onda de la corriente en los inductores de los convertidores
Buck conectados en paralelo.
V
LISTA DE FIGURAS
Figura 5.4.
Figura 5.5.
Figura 5.6.
Figura 5.7.
Figura 5.8.
Figura 5.9.
Pruebas de regulación de línea a plena carga.
Pruebas de regulación de línea a 50% de la carga nominal.
Escalones de corriente aplicados a la fuente de alimentación global.
Escalones de la tensión de entrada; (a) Escalón de 120 Vca a 140 Vca, (b)
Escalón de 120 Vca a 150 Vca.
Escalones de la tensión de entrada; (a) Escalón de 120 Vca a 90 Vca, (b)
Escalón de 120 Vca a 80 Vca.
Prototipo final de laboratorio.
APÉNDICE A.
Figura A-1.
Figura A-2.
Figura A-3.
Figura A-4.
Figura A-5.
Figura A-6.
Figura A-7.
Escalones de bajada aplicados a la salida del convertidor flyback; (a)
100% a 55%, (b) 100% a 50%.
Escalones de subida aplicados a la salida del convertidor flyback; (a)
100% a 55%, (b) 100% a 50%.
Escalones de bajada de la tensión de línea; (a) 100% a 75%, (b) 100% a
67%.
Escalones de subida de la tensión de línea; (a) 100% a 84%, (b) 100% a
75%.
Escalones de corriente aplicados a la salida del convertidor reductor; (a)
100% a 60%, (b) 100% a 50%.
Escalones de corriente aplicados a la salida de la fuente de alimentación
global; (a) 100% a 60%, (b) 100% a 50%.
Escalones de la tensión de línea para la fuente de alimentación global;
(a) 100% a 67%, (b) 100% a 75%.
VI
LISTA DE TABLAS
L IS T A D E T A B L A S
Tabla 1.1. Tabla comparativa del desempeño de algunas luminarias y la prospectiva
de la tecnología de iluminación de estado sólido.
Tabla 2.1. Características ópticas de algunos LEDs comercialmente disponibles (If=350
mA y temperatura de unión, Tj=25˚C).
Tabla 2.2. Características eléctricas de LEDs de 1 W fabricados por Lumileds (If=350 mA
y temperatura de unión, Tj=25˚C).
Tabla 2.3. Características generales para LEDs Golden Dragon de OSRAM.
Tabla 2.4. Características generales para LEDs de 1 W fabricados por A-Bright.
Tabla 4.1. Topologías revisadas para la implementación de la fuente de alimentación.
Tabla 4.2. Parámetros de simulación para el convertidor flyback.
Tabla 4.3. Parámetros de los elementos del convertidor reductor.
Tabla A-1. Mediciones de los escalones de corriente en el convertidor flyback.
Tabla A-2. Escalones de corriente en el convertidor flyback (subida).
Tabla A-3. Escalones de la tensión en la entrada del convertidor flyback (bajada).
Tabla A-4 Escalones de la tensión en la entrada del convertidor flyback (subida).
Tabla A-5 Escalones de corriente aplicados a la salida del convertidor reductor con
RS.
Tabla A-6 Escalones de corriente aplicados a la salida de la fuente de alimentación
global.
VII
LISTA DE TABLAS
VIII
LISTA DE SÍMBOLOS
L IS T A D E S ÍM B O L O S
Lm
W
Iavg
λ
K
sr
cd
Lx
n
c
v
If
Tj
VF
λpico
Tamb
Rθ
∆T
Pd
V ca
V cd
Vinmax
Vinmin
Vout
∆Vout
Pout
Fsw
Iout
Lprim
Lsec
Unidad de medida de intensidad luminosa (lumen)
Unidad de potencia eléctrica
Corriente promedio
Longitud de onda de un haz de luz
Unidad de medida de la temperatura en grados Kelvin
Unidad de medida de un ángulo sólido (estereorradián)
Unidad de medida de la energía luminosa emitida por una fuente de luz
Mide la cantidad de lúmenes que inciden sobre la superficie iluminada
índice de refracción
Velocidad de la radiación electromagnética en el vacío
Velocidad de la radiación electromagnética a través de un material dado
Corriente directa a través de un LED
Temperatura de la unión “pn” en un LED
Voltaje directo a través de un LED
Longitud de onda pico de una radiación luminosa
Temperatura ambiente
Resistencia térmica
Incremento de temperatura
Potencia eléctrica disipada
Voltaje de corriente alterna
Voltaje de corriente directa
Voltaje de entrada máximo en el convertidor flyback
Voltaje de entrada mínimo en el convertidor flyback
Voltaje de salida
Incremento del voltaje de salida (rizado)
Potencia de salida
Frecuencia de conmutación
Corriente de salida
Inductancia del devanado primario en el transformador del convertidor flyback
Inductancia del devanado secundario en el transformador del convertidor
flyback
Lm
Inductancia magnetizante
RL
Resistencia de carga
Rvueltas Relación de vueltas en el transformador flyback
Frecuencia de la tensión de línea.
flínea
Dmin, Dnom, Dmax
Ciclo de trabajo mínimo, máximo y nominal
Co
Capacitor de salida
IX
LISTA DE SÍMBOLOS
CF
Capacitor de realimentación
Resistencia de realimentación
RF
RIN Resistencia de entrada en el amplificador de error
Vref Voltaje de referencia
∆IL Incremento de la corriente en el inductor (rizo)
Lout Inductancia de salida
GAEV Ganancia del amplificador de error de voltaje
GAEC Ganancia del amplificador de error de corriente
GMOD Ganancia del modulador
Gid Ganancia de la función de transferencia control corriente del inductor
Gvd Ganancia de la función de transferencia control salida
ω
Frecuencia angular
X
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1. Antecedentes.
El crecimiento acelerado del consumo de la energía eléctrica en todo el mundo ha
generado una notable preocupación en los investigadores y científicos. Esto ha
motivado el desarrollo de nuevos sistemas que permitan el ahorro de la energía
eléctrica. En general, un alto porcentaje de la energía eléctrica se produce utilizando
procesos que implican la quema de combustibles fósiles, básicamente, recursos
naturales no renovables. De acuerdo con las estadísticas, se sabe que la energía se
consume principalmente en tres clases de equipos eléctricos y electrónicos, estos son:
motores, iluminación y equipos domésticos. De ellos, un alto porcentaje de la energía
que se produce, se consume en equipos de iluminación. En la figura 1.1 (a) se muestra
una gráfica en la que pueden verse las distintas formas en las que se genera la energía
eléctrica y en la figura 1.1 (b) la gráfica corresponde a la distribución de la energía
eléctrica en los diferentes equipos que la consumen [1,2].
24%
15%
GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.
(México)
Hidroeléct ricas
4%
8% 2%
CONSUMO DE ENERGÍA ELECTRICA.
(México)
10%
Nuclear
47%
30%
Carbón
ILUMINACIÓN
Geot érmica
MOTORES
Combust ible y
Diesel
Gas
OTROS
60%
(a)
(b)
Figura 1.1. (a) Generación de energía eléctrica en México, (b) Consumo de energía eléctrica
en México.
Dado que los equipos de iluminación representan un alto consumo de la energía total
generada, es de interés la búsqueda de nuevos sistemas que reduzcan el consumo en
este tipo de equipos. Existen dos sectores que sobresalen debido a que tienen el mayor
consumo en iluminación, el sector residencial y el público. En ambos casos, el alto
consumo se debe a que un alto porcentaje de los sistemas de iluminación instalados
son ineficientes y además son sistemas de uso cotidiano. Estos sistemas tienen una muy
baja eficacia luminosa y por lo tanto, el desperdicio de energía es elevado. Una
solución a este problema es promover el reemplazo de lámparas incandescentes por
lámparas de bajo consumo, sin embargo el costo es significativamente más alto (hasta
10 veces más). Para aliviar esto y promover el uso masivo de estos dispositivos existen
programas gubernamentales que subsidian y financian la adquisición. Se ha
demostrado que el costo de inversión por reemplazo de lámparas de bajo consumo se
amortiza en seis meses, y además trae ahorros significativos en cuanto a hidrocarburos,
esto implica reducciones en los índices de contaminación. En este sentido, estudios
2
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
realizados sugieren un ahorro en el consumo eléctrico que puede alcanzar un 20%. Esto
es definitivamente un trabajo muy intenso pero de indudable éxito.
En la actualidad el mercado está poblado de una gran cantidad de tipos de lámparas
con una amplia variedad de características, formas, tamaños, tecnología, etc. En
general, pueden ser clasificadas en dos grupos principales: Incandescentes y Lámparas
de Descarga (baja y alta presión).
Las lámparas incandescentes son las más económicas del mercado sin embargo
tienen fuertes inconvenientes. Se ha comprobado experimentalmente que tienen
eficacias luminosas entre 7 y 17 lm/W y una vida útil reducida, que en promedio,
apenas alcanza las 1000 hrs.
Por otro lado, las lámparas de descarga se pueden encontrar en una amplia variedad,
con especificaciones muy variadas que dependen de la tecnología empleada en su
construcción y de las especificaciones de diseño. Por ejemplo, las lámparas de
descarga de baja presión del tipo fluorescente de 40 W, alcanzan una eficacia
luminosa de 36 lm/W, con una vida útil promedio de 10,000 hrs. Debido a su vida útil y
eficacia, estas lámparas son más costosas que las incandescentes.
Otro tipo de lámparas son las de alta intensidad de descarga (HID, por sus siglas en
inglés, High Intensity Discharge) de alta presión. Estas lámparas alcanzan eficacias
luminosas de hasta 70 lm/W con una vida media de 24,000 hrs. Como desventaja de
estas lámparas puede mencionarse que el índice de rendimiento del color es muy bajo
(alrededor de 25), lo que significa que tiene una muy mala reproducción de los colores.
Sin embargo, puede ser adoptada para ser utilizada en ciertas aplicaciones que no
requieren un índice de rendimiento del color elevado, estas aplicaciones son:
iluminación de avenidas, parques, estacionamientos, etc.
Con el consistente desarrollo de la tecnología en la fabricación de dispositivos basados
en materiales semiconductores, muchos dispositivos han evolucionado en tamaño,
forma y características. La evolución de estos dispositivos ha permitido que se les den
nuevos enfoques. Dentro de los dispositivos que han mejorado notablemente sus
características, están los diodos emisores de luz (LEDs, que proviene del inglés, Light
Emitter Diodes).
En el año de 1962 se crea la primera fuente de luz basada en materiales
semiconductores. Esta fuente de luz artificial fue construida combinando Galio,
Arsénico y Fósforo (GaAsP). Estas primeras estructuras utilizadas para generar luz con
materiales semiconductores presentaban muchas deficiencias, como son: muy baja
3
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
potencia lumínica y cantidad de colores reducida. Posteriormente, en las décadas de
los 70´s y 80´s, surgieron nuevos materiales como la combinación de Galio y Fósforo
(GaP) y la combinación de Galio, Aluminio y Arsénico (GaAlAs); con estos nuevos
materiales se logró tener una mayor cantidad de longitudes de onda dentro del
espectro visible. Además fue posible obtener un brillo mucho más alto, aunque aún
presentaban problemas de desempeño. Para la década de los 90´s surge un nuevo
material, quizá el más exitoso hasta nuestros días, se trata de la combinación de
Aluminio, Indio, Galio y Fósforo (AlInGaP). Con este nuevo material se consiguió obtener
una amplia gama de colores dentro del espectro visible y una vida útil mucho mayor a
la de las generaciones anteriores. Con el surgimiento de este material se impulso
fuertemente el mercado de lo LEDs a una gran diversidad de aplicaciones [3].
La figura 1.2 muestra una gráfica de cómo han ido evolucionando los sistemas de
iluminación desde el surgimiento del filamento de Edison.
Eficacia luminosa (lm/W)
Evolución de la iluminación
200
150
Lámparas
HID
Diodos Emisores
de Luz
100
Fluorescente
Mejor LED
blanco
50
Incandescente
0
1920
1940
1960
1980
2000
2020
Año
Figura 1.2. Evolución de la tecnología de la iluminación.
Se observa en la figura 1.2 que inicialmente surgieron las lámparas incandescentes, las
cuales mejoraron muy poco sus características con el paso de los años. Un poco más
tarde surgen las lámparas de descarga fluorescentes de baja presión y las lámparas de
alta intensidad de descarga de alta presión, cuyas características mejoraron de buena
forma en los primeros 40 años, después de este período de tiempo no ha habido
cambios significativos. Más recientemente surgen los LEDs que han mejorado
rápidamente, con un crecimiento casi exponencial.
En cada uno de estos sistemas de iluminación existe un balance de energía que nos
permite conocer la forma en la cual la energía es aprovechada. La figura 1.3 muestra
4
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
las gráficas comparativas de un par de sistemas de iluminación convencionales en
relación con los LEDs de potencia.
LÁMPARA FLUORESCENTE
BULBO INCANDESCENTE 100 W
CALOR
52%
CALOR
12%
LUZ
VISIBLE
5%
LUZ IR
83%
LUZ IR
28%
LUZ VISIBLE
20%
ENERGÍA DEL LED
CALOR
85%
LUZ
VISIBLE
15%
Figura 1.3. Balances energéticos de algunas fuentes de luz artificial.
De acuerdo con el balance energético mostrado anteriormente se puede observar
que las lámparas incandescentes son las que más energía desperdician. Por otro lado,
las lámparas fluorescentes presentan un aprovechamiento de la energía mucho mayor
que el de las incandescentes, aunque aún producen cierta cantidad de luz infrarroja.
Finalmente se presentan los LEDs, estos son dispositivos que tienen un aprovechamiento
de la energía aceptable pero, en este caso no se genera luz infrarroja, solo disipan
cierta cantidad de calor. Lo interesante de esta tecnología es que la mejora en las
características de los dispositivos tiene un crecimiento notablemente acelerado [4].
Estudios estadísticos muestran que los LEDs que actualmente se producen son utilizados
en una amplia variedad de aplicaciones. Por otro lado, los costos de mantenimiento se
han visto notablemente reducidos. En resumen, para dar una mejor prospectiva de las
ventajas y desventajas de esta nueva tecnología respecto a las convencionales, se
muestra la tabla 1.1 [5].
Tabla 1.1. Tabla comparativa del desempeño de algunas luminarias y la prospectiva de la
tecnología de iluminación de estado sólido.
Desempeño
Tiempo de
vida
costo
(Lm/W)
(IRC)
(KHrs)
($/KLm)
>50 W
15
100
1
0.5
<25 W
8
100
3
5
Fluorescente
Longitudinal
70-100
70-90
20
0.5
Compacta
55-70
82
10
5-10
LED blanco
Actualmente
20-30
75
>20
250-500
Objetivo a futuro
>150
80-90+
100
<10
Mejora requerida
5x-8x
~1.2x
~5x
25x-50x
Incandescente
5
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
Por otro lado, este crecimiento acelerado en la iluminación de estado sólido ha
despertado el interés de los diseñadores de fuentes de alimentación. Las fuentes de
alimentación utilizadas para estos dispositivos han sido de diferentes tipos y de
características muy variadas. Se ha encontrado el uso de algunas topologías en
distintas aplicaciones y algunas más que están siendo objeto de investigación. Por
ejemplo en [6], se encontró que esta tecnología fue usada para diseñar un sistema de
iluminación de emergencia. Los LEDs son alimentados desde una batería la cual es
cargada desde la red eléctrica a través de un cargador de baterías. El esquema se
presenta en la figura 1.4.
IC1
L
E20/N27
C3
1uF
Vin
1 uF
450 V
1 uF
450 V
D2
147K
DIOTEC
S380
CARGADORDE
BATERIASY
SUMINISTRO
ALACARGA(LEDs)
D1
200:15
VB
4x
LED
4x1.2 V
1500 mA
IC2
TNY254G
560 uF
100 uF C6
15 V
Iavg=350 mA
14.4 V
Control
IC3
TLP181
R8
100
R7
820
Rshunt
C4
100 nF
C4
100 nF
Sensado de
corriente
C5
2.2 nF
6.5 V
D5
Figura 1.4. Esquema eléctrico utilizado para la alimentación de una lámpara de emergencia
basada en LEDs.
El circuito de la izquierda en la figura 1.4, tiene la función de reducir la tensión de línea
y convertirla a una señal de corriente directa, con esto se consigue cargar la batería.
Una vez cargada la batería, la diferencia de potencial en sus bornes es utilizada para
alimentar un convertidor elevador conmutado, circuito de la derecha en la figura 1.4.
Dicho convertidor tendrá la función de elevar la tensión de la batería y alimentar los
LEDs, además tendrá la función de mantener una corriente constante a través de la
carga.
Un esquema de alimentación que también fue diseñado con el objetivo de alimentar
LEDs de potencia [7], es el que se muestra en la figura 1.5. Este esquema esta basado
en un convertidor SEPIC, pero, no incluye un suministro de corriente constante y
además, requiere de una etapa de conversión de corriente alterna a corriente directa
en la entrada.
6
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
L1
150 uH @ 4 A
J 1 -1
7
E n t ra d a
8 -2 0 V d c
17 W m ax.
U1
U C3843A
Vcc
S a lid a
V re f (5 V )
C1
47 uF
35 V
R t/ C t
J 1 -2
8
4
R1
15 K
C2
1 nF
S ensor de
c o rrie n te
C o m p e n s a c ió n
R e a lim e n ta c ió n
d e te n s ió n
(2 .5 V )
T ie rra
L2
150 uH @ 4 A
Q1
2N 3904
S a lid a
8 -4 2 V
0 .3 6 A
D1
M BR 360
C6
330 uF
35 V
Q2
N P T18N 06L
6
C7
100 uF
50 V
J 2 -1
3 a 10 LE D s
@ 2.5 a 4 V
0 .3 5 A
C5
2 .2 n F
R2
2 .2 K
3
J 2 -2
R4
2.2 K
W2
1
2
R3
1 .5 K
R6
0.47
1 W
C4
220 pF
D2
1N 5941B
(4 7 V , 3 W )
C5
0 .0 4 7 u F
W1
R6
330
D3
1N 5918
(5 .1 V , 3 W )
R7
3.6
1 W
R8
3.6
1 W
Figura 1.5. Esquema de alimentación basado en un convertidor SEPIC.
Un esquema de alimentación adicional encontrado en la bibliografía se muestra en la
figura 1.6. En éste se utiliza un DSP para generar las señales de control, las cuales se
producen mediante el procesamiento digital de las distintas variables sensadas en la
carga (LEDs). El sistema puede ser conectado a la tensión de alimentación de línea, y
se utilizan convertidores flyback controlados en modo corriente. Estos convertidores
presentan esfuerzos considerables en los semiconductores debido a la relación de
transformación entre la entrada y la salida. Se puede observar que hay sensores en tres
variables: corriente, temperatura y cantidad de luz. La corriente y la cantidad de luz
pueden ser ajustadas por el usuario para generar las condiciones de luz requeridas a la
salida, dado que se está empleando la combinación de los colores primarios rojo,
verde y azul (RGB por sus nombres en inglés, Red, Green and Blue) para generar
cualquier color en el espectro visible [8].
Disipador de calor
Rectificador
Convertidor
Flyback
Alimentación
principal (AC)
LEDs RGB
Convertidor
Flyback
Convertidor
Flyback
Realimentación
de corriente
PWM
Controlador DSP
TM8320F240
Sensor de
temperatura
Interface
Fotosensor
ADC
Señales de
control
Usuario
Ensamble óptico
Amplificadores
e interface
Figura 1.6. Esquema de obtención de luz blanca usando LEDs RGB y DSP como controlador.
Teniendo en mente el panorama de los sistemas de iluminación actuales y de los
nuevos sistemas de iluminación basados en LEDs de potencia, se presentan los
objetivos de este trabajo de investigación.
7
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.2. Objetivos.
Dada la incursión de esta nueva tecnología en el mercado de la iluminación, es
necesario tener un conocimiento detallado de todos los parámetros que intervienen en
la operación de los LEDs, tales como: características, materiales, procesos de
construcción, dinámica, proceso de obtención de la luz, parámetros de medición,
manejo térmico, manejo eléctrico, montaje, etc. Con la idea de lograr esto, los
objetivos generales de la tesis están centrados en el estudio general de la tecnología
de iluminación de estado sólido y por otro lado en investigar y proponer una alternativa
para la implementación de la fuente de alimentación, que cumpla con ciertas
características que permitan una operación adecuada de los LEDs. Una vez concluido
el trabajo de investigación, esta tesis servirá de introducción en esta relativamente
nueva área de investigación dentro de la iluminación.
Para complementar lo que se ha planteado en los objetivos generales, a continuación
se listan los objetivos particulares:
Investigación de la evolución de los LEDs.
Estudio de las tecnologías de fabricación existentes.
Investigación de las características de los LEDs (eléctricas, térmicas y ópticas.).
Estudio de las técnicas empleadas en el montaje de los LEDs de potencia
(condiciones de temperatura, humedad, disipación de potencia, etc.).
Investigación y estudio de los métodos utilizados para la obtención de luz blanca
usando LEDs de potencia.
Evaluación de topologías de convertidores cd-cd cuyas características permiten
que sean útiles para alimentar LEDs de potencia.
Implementación de una fuente de alimentación con las características
adecuadas para suministrar energía a tres módulos de LEDs independientes
(aplicaciones en semáforos, generación de luz blanca mediante la técnica RGB,
etc.).
Obtención de los datos experimentales de la fuente de alimentación.
1.3. Alcances y aportaciones.
Dentro de los alcances principales de este trabajo de investigación está el obtener un
panorama general de la tecnología de iluminación de estado sólido, utilizar toda la
información bibliográfica estudiada para plantear un esquema de alimentación y al
finalizar la tesis implementar un prototipo de laboratorio funcional.
8
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
Dentro de las principales aportaciones de este trabajo de investigación están:
Servir de base en trabajos futuros de esta área de la iluminación dentro del
CENIDET, ya que no existe antecedente de estudios realizados en esta área.
El prototipo de laboratorio se utilizará en tesis posteriores para realizar pruebas
de sistemas de control y caracterización de los LEDs de potencia.
1.4. Organización de la tesis.
La tesis esta dividida básicamente en seis capítulos. En el primer capítulo se abordan los
antecedentes relacionados con los sistemas de iluminación. El capítulo dos presenta
toda la información relacionada con la tecnología de iluminación de estado sólido. En
el capítulo tres se explican de manera detallada los métodos para obtener luz blanca
utilizando LEDs de potencia. En el capítulo cuatro se presenta el estudio realizado en
relación con las topologías que pueden ser utilizadas para alimentar LEDs de potencia,
buscando siempre obtener el mejor desempeño de estos dispositivos. Además, en este
capítulo se presenta el esquema de alimentación planteado, el proceso seguido en la
implementación de dicho esquema y los resultados experimentales obtenidos en cada
fase de la implementación. En el capítulo cinco se presentan los resultados
experimentales obtenidos del sistema implementado en el laboratorio. Finalmente en el
capitulo 6 se presentan las conclusiones obtenidas al final de la investigación y también
los trabajos futuros que se propone seguir a partir de la información obtenida en este
trabajo. Como parte del cuerpo de la tesis, se incluyen las referencias bibliográficas y
los apéndices.
9
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
10
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
11
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
2.1. Introducción.
Este capítulo presenta inicialmente un resumen de los conceptos básicos sobre la luz y
el color. Posteriormente presenta un estudio detallado acerca de las características
físicas de los LEDs, los procesos y materiales usados para su construcción, su
comportamiento térmico, óptico y eléctrico. Además también presenta un estudio
sobre las recomendaciones de montaje, las características de algunos tipos de LEDs
disponibles comercialmente y sus principales aplicaciones.
2.2. Conceptos básicos sobre la luz y el color.
El fenómeno de la luz ha sido, por muchos años, objeto de estudio de una gran
cantidad de científicos e investigadores a lo largo de la historia. Las primeras
aportaciones fueron hechas por los griegos, quienes pensaban que los cuerpos eran
focos que desprendían imágenes, las cuales eran captadas por los ojos y transmitidas
al alma que las interpretaba. Después de estas primeras ideas, surgieron una gran
cantidad de teorías, desde el modelo corpuscular, pasando por el modelo ondulatorio
y finalmente el modelo electromagnético. La luz como actualmente se concibe, es
como una oscilación electromagnética la cual se propaga a través del vacío, con
longitudes de onda muy pequeñas, unos 400 a 750 nanómetros (nm). Por otra parte, la
luz constituye una parte muy pequeña del espectro electromagnético. Más allá del
rojo esta la radiación infrarroja, y con longitudes de onda aún más largas esta la zona
del infrarrojo lejano, las microondas de radio, etc. En el otro extremo se encuentra la
radiación ultravioleta, los rayos X y con longitudes de onda muy diminutas los rayos γ
(gamma) [9]. La figura 2.1 muestra la ubicación de la luz visible dentro del espectro
electromagnético.
10-4
10-5
Ondas de Radio
Rayos Infrarrojos
Rojo
650 a 700 nm
Anaranjado
590 a 650 nm
10-7
10-8
Luz Visible
Ultravioleta
Amarillo
Verde
Azul
570 a 590 nm 490 a 570 nm 420 a 490 nm
10-10
Rayos X
10-13
Rayos Gamma
Violeta
400 a 420 nm
Longitud de onda λ
Figura 2.1. Espectro electromagnético.
El intervalo de longitudes de onda que se encuentran dentro del espectro visible
estimulan la retina del ojo humano, a este estímulo se le conoce como color. Sin
12
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
embargo, esta respuesta no es uniforme para una misma cantidad de energía en
cada longitud de onda. El ojo humano percibe la región verde-amarilla en una forma
más brillante, mientras que las regiones rojas y azules las percibe más opacas. Esto se
debe a que el ojo humano posee dos tipos de sensores, los bastones y los conos. Cada
sensor se adapta a un cierto nivel de luminosidad, los bastones son más apropiados
para condiciones de alta luminosidad y los conos para condiciones cercanas a la
oscuridad. La sensibilidad de ambos dependerá también de las condiciones de
luminosidad.
Temperatura del color: Un concepto que es importante tener presente es el de la
“temperatura del color”, debido a que es muy utilizado en fuentes de luz blanca.
Supongamos que tenemos dos fuentes de luz blanca con tonalidades distintas y
queremos diferenciar una de otra. Para poder hacer esto se utiliza una fuente de luz de
referencia, esta fuente de luz de referencia generalmente consiste en una esfera negra
calentada hasta la incandescencia. Conforme se va calentando adquiere distintas
tonalidades, cuando una tonalidad coincide con la tonalidad de alguna de las fuentes
de luz antes mencionadas, la temperatura a la cual se encuentre en ese momento la
esfera negra se asigna a dicha fuente de luz. Lo mismo sucede en el otro caso, se
calienta nuevamente la esfera negra hasta que la tonalidad de la esfera coincida con
la tonalidad de la otra fuente de luz y se le asignará la temperatura correspondiente
[10]. De esta forma podremos diferenciar entre una y otra. La temperatura del color
esta dada en grados Kelvin (K).
Índice de rendimiento del color: El índice de rendimiento del color (IRC) es un
parámetro que sirve para determinar la capacidad de una fuente de luz para
reproducir fielmente el color del objeto iluminado. El índice de rendimiento del color
compara una muestra de colores normalizada iluminada con una fuente X, con la
reproducción de la misma muestra normalizada iluminada con una fuente patrón de
referencia.
Convencionalmente el IRC varía entre 0 y 100, pero no debe entenderse como un
porcentaje de la exactitud con que una fuente reproduce un color determinado, sino
como una cifra genérica que se obtiene como promedio de las reproducciones
efectuadas de los colores de la muestra [10].
Unidades utilizadas en la medición de la luz: La energía radiante corregida por el ojo
humano es medida en lúmenes (Lm); es decir, el lumen mide la capacidad de
radiación luminosa de una fuente de luz valorada por el ojo humano. Generalmente se
utiliza para medir el rendimiento lumínico de las fuentes de luz.
13
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
Otra unidad de medida es la candela (cd), la candela se refiere al flujo total de
energía luminosa emitida por una fuente de luz en una dirección determinada. Una
candela equivale a la energía luminosa emitida por una fuente de luz que emite 1 Lm
en un “estereorradián”. En (II-1) se muestra la relación anteriormente descrita.
1 cd =
1 Lm
1 sr
(II-1)
Un “estereorradián” es la unidad de medida de un ángulo sólido equivalente al que,
con su vértice en el centro de una esfera, determina sobre la superficie de ésta, un
área equivalente a la de un cuadrado cuyo lado es igual al radio de la esfera.
Otra unidad de medida importante a considerar es el lux (Lx). El lux mide la cantidad
de lúmenes que inciden sobre la superficie iluminada. Un lux equivale al flujo luminoso
de 1 Lm que incide sobre un área de un metro cuadrado. La ecuación (II-2) muestra la
relación entre el lumen y el área iluminada.
1 Lx =
1 Lm
1m2
(II-2)
Una unidad que es básica cuando se trata de medir el desempeño de una fuente de
luz, es la “eficacia lumínica” [10]. La eficacia lumínica es la relación entre la energía
luminosa emitida por la fuente de luz (lúmenes) y la potencia eléctrica de entrada
(watts). La eficacia se mide entonces en Lm/W.
2.3. Principio de operación de los LEDs.
Para poder comprender el principio de operación de los LEDs, es necesario tener
presente que estos dispositivos son fabricados utilizando materiales semiconductores, y
que estos materiales semiconductores se obtienen a partir del Silicio. En general, los
LEDs son fabricados con una gran variedad de materiales semiconductores pero para
explicar su funcionamiento se utilizará el comportamiento del Silicio. En la tabla
periódica de los elementos químicos se encuentra el Silicio con el número atómico 14 y
sus vecinos inmediatos son el Galio (Ga), Aluminio (Al), Boro (B), Carbono (C), Nitrógeno
(N), Fósforo (P), Arsénico (As) y Germanio (Ge). El Carbono, el Silicio y el Germanio
poseen una propiedad única en su estructura electrónica, cada uno tiene 4 electrones
en su órbita externa, lo que les permite combinar o compartir estos electrones con 4
átomos vecinos, formando así una malla cuadriculada o estructura cristalina. De esta
forma no quedan electrones libres, como en el caso de los conductores que poseen
14
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
electrones libres en su última órbita que pueden moverse a través de los átomos
formando así una corriente eléctrica.
Debido a sus características el Silicio en estado puro es prácticamente un aislante. Para
poder hacerlo conductor es necesario mezclarlo con pequeñas cantidades de otros
elementos, a este proceso se le llama “dopaje”. Básicamente hay dos tipos de dopaje:
dopaje “n” y dopaje “p”.
El dopaje “n” consiste esencialmente en mezclar el Silicio con Fósforo o Arsénico en
pequeñas cantidades. El Fósforo y el Arsénico tienen 5 electrones en su órbita externa,
esto provoca que cuando se combina en una red de átomos de Silicio, un electrón
quede libre para moverse. Este hecho permite que una corriente eléctrica fluya a
través del Silicio dopado.
El dopaje “p”, conserva el mismo proceso descrito anteriormente, solo que en este
caso el Silicio se combina con Boro o Galio en pequeñas cantidades. Estos dos
elementos tienen 3 electrones en su órbita externa por lo que al combinar cualquiera
de ellos con el Silicio, faltará un electrón. Este electrón faltante ocasiona que se formen
huecos en la red. Estos huecos permiten que circule una corriente a través del Silicio
dopado ya que dichos huecos son “tapados” por un electrón de un átomo vecino,
claro que esto provoca que se forme un nuevo hueco en el átomo que desprendió
dicho electrón; este proceso se repite por lo que se forma una corriente de huecos a
través de la red.
Cuando se unen estos dos materiales y se polarizan conectándolos a una fuente de
voltaje, conectando el borne positivo al Silicio dopado tipo “p” y el borne negativo al
Silicio dopado tipo “n” (polarización directa), los electrones libres del Silicio tipo “n” se
repelarán con los electrones libres del borne negativo de la fuente de voltaje, por lo
que los primeros se dirigirán a la zona de juntura. En el borne positivo los huecos del
Silicio dopado tipo “p” se repelarán con los huecos del borne positivo de la fuente de
voltaje, por lo tanto los huecos del semiconductor se dirigirán a la juntura. En la zona de
juntura los electrones y los huecos se recombinan formando así un flujo de corriente
permanente.
Cuando un LED se polariza en directa, se produce una caída de tensión entre sus
extremos, esta caída de tensión es un reflejo de la energía necesaria para que los
electrones salten la juntura y es característica de cada tipo de material. Este valor se
conoce como potencial de salto de banda (band-gap). Se puede afirmar entonces
que para sacar un electrón de su órbita necesitamos energía y que esta energía se
pierde mientras el electrón recorre internamente el LED, esta energía perdida se
15
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
transforma en energía radiante. Si la energía requerida es pequeña, se tendrá que
dicha energía se emitirá en ondas infrarrojas de relativamente baja frecuencia. En
cambio, si el material necesitará más energía para que se produzca el paso de la
corriente, las ondas que emitirá el diodo tendrán más energía y se pasará de emitir luz
infrarroja a emitir luz roja, naranja, amarilla, verde, azul, violeta y ultravioleta. En
consecuencia, a más alta frecuencia, mayor será la caída de tensión en el LED. Por
ejemplo, para un LED infrarrojo será de 1.3 V, para un LED rojo de 1.8 V, para un verde
de 2.5 y para un azul de 4.3 V [11]. Esta variedad de longitudes de onda se forman
combinando los materiales anteriormente mencionados. Al proceso anteriormente
descrito se le conoce como “ELECTROLUMINISCENCIA”, véase figura 2.2.
Portadores Cargados
Negativam ente (Electrones)
Tipo n
Tipo p
Banda de Conducción
Banda prohibida
Portadores Cargados
Positivam ente (Huecos)
Banda de Valencia
+V b
Figura 2.2. Fenómeno de electroluminiscencia en un LED.
2.4. Materiales, estructuras y métodos de construcción.
Materiales: El primer LED, introducido en 1962, fue construido con la combinación de
Fósforo, Arsénico y Galio, el cual emitía luz roja. Posteriormente surgieron los primeros
LEDs de alta intensidad que fueron construidos con aleaciones de materiales como
Arsénico, Galio y Aluminio, el cual se hizo crecer en un sustrato de Arsénico y Galio
combinados (GaAs), que corresponde a un LED de color rojo. Con el desarrollo de las
técnicas utilizadas en el crecimiento epitaxial de los cristales fue posible la introducción
de nuevos materiales como la combinación de Aluminio, Galio, Indio y Fósforo
(AlGaInP) crecidos sobre GaAs. A principios de los 90´s el método de crecimiento
epitaxial Organometallic Vapor-Phase Epitaxy (OMVPE) fue mejorado y de esta forma
el material AlGaInP permitió la obtención de luz en el espectro del rojo y del ámbar. Por
otro lado, junto con la comercialización de dispositivos fabricados en base a estas
técnicas y materiales, surgió una nueva mejora al proceso de crecimiento de los
cristales (OMVPE). Esta nueva mejora consistió en usar el mismo sistema de materiales
(AlGaInP), pero esta vez se hizo crecer sobre un sustrato de zafiro. Otro tipo de sistema
de materiales usado en la construcción de LEDs de potencia es el AlInGaN, el cual
permite el acceso a los colores verde, azul y ultravioleta (UV) de alta energía en el
16
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
espectro de colores. Este es un sistema de materiales más complicado que el del caso
anterior, en el cual se encuentran eficiencias de quantum internas (IQE, Internal
Quamtum Efficiency) de alrededor de 100%, mientras que para el AlInGaN las
eficiencias de quantum internas son de entre 20% y 60%, tanto para el color verde
como para el azul. La IQE es básicamente la relación entre los fotones generados y los
electrones en la entrada del diodo [3,12].
Estructuras: A lo largo de la historia se han utilizado estructuras de LEDs a nivel
semiconductor de distintas características y formas. La estructura de capas básica
para un LED de potencia se observa en la figura 2.3.
Capa n (GaP)
Región activa (AlGaInP)
Capa p (GaP)
Sustrato (Zafiro)
Figura 2.3. Estructura general de capas para un LED de potencia.
Partiendo de esta estructura básica se han comercializado LEDs con estructuras
distintas, que desde un inicio se han ido modificando. Los distintos fabricantes de LEDs
han presentado diferentes tipos de estructuras más o menos complejas. En la figura 2.4
se observan algunos ejemplos.
Lumileds AlGaInP/GaP
LED de pirámide invertida truncada
Lumileds AlGaInN LED tipo Flip-Chip
Al2O3
n-GaP
p-GaP
n-GaN
Metal p
AlGaInP
p-GaN
Metal n
Submontaje
OSRAM AlGaInP LED Micro espejo
(Micro-mirror)
AlInGap
GaAs
Figura 2.4. Estructuras a nivel semiconductor de algunos tipos de LEDs.
Una de las características que el fabricante debe tener bien presente en el diseño y
fabricación de un LED, es la IQE. Este parámetro mide la calidad del dispositivo, entre
mayor sea la IQE, mayor será la calidad del LED. La figura 2.5 muestra la evolución de
17
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
las estructuras en el caso de LEDs fabricados por Lumileds. La idea básica de estas
estructuras ha sido adoptada por muchos fabricantes.
Alta potencia
1998
Sustrato
transparente 1994
Pirámide invertida
truncada
2000
Sustrato absorbente
1991
Incremento de 3x
el flujo luminoso
Incremento de 15x
el flujo luminoso
incremento de 30x
el flujo luminoso
Figura 2.5. Evolución de las estructuras a nivel semiconductor para LEDs de Lumileds.
Como se observa en la figura 2.5, en un principio las estructuras incluían un sustrato
absorbente que reducía significativamente la cantidad de energía luminosa extraída
del LED. Posteriormente este sustrato fue reemplazado por un sustrato transparente
logrando con esto incrementar el flujo luminoso. El material comúnmente usado en la
fabricación de LEDs con sustrato transparente es el GaP y en los LEDs con sustratos
absorbentes se utilizaba el GaAs [4].
El diseño óptimo para un dispositivo LED debe maximizar no solo la IQE de las capas de
emisión de luz, sino también la eficiencia de extracción de luz. El incremento del flujo
luminoso se ha logrado utilizando el principio de “la reflexión total interna” [12].
Métodos de construcción: El proceso de construcción de los LEDs comienza a partir de
una oblea de semiconductor (sustrato), sobre esta oblea se hace crecer una capa de
semiconductor tipo “n”; sobre la capa tipo “n” se construye la “región activa”, que es
en donde se lleva a cabo la recombinación electrón-hueco. Finalmente se hace
crecer la capa tipo “p”. Para la formación de estas tres capas se utilizan los métodos
de crecimiento epitaxial antes mencionados. Una vez que la oblea ha sido terminada
en la fase del crecimiento epitaxial de los semiconductores, entonces se raya y se corta
en cientos de chips para poder probarlos uno a uno, con el fin de verificar su correcto
funcionamiento. Ya que cada chip ha sido separado y probado, entonces son
montados en el encapsulado, se le colocan las terminales de conexión y finalmente se
le da el acabado colocando un encapsulado de silicón y el lente (epoxi) [11]. Este es el
procedimiento general de fabricación de un LED, en la figura 2.6 se observa el proceso.
18
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
Región activa
Capa N
Capa “p”
Región activa
Oblea (Sustrato)
Oblea terminada
Capa N
Crecimiento Epitaxial de las capas
LED terminado
Terminado del encapsulado
(Epoxi)
Colocación del Chip
en el encapsulado
Rayado y cortado
de la oblea
Figura 2.6. Proceso de construcción de los LEDs de potencia.
Es evidente que los procesos de construcción pueden variar dependiendo del tipo de
LED y de los materiales usados para su fabricación, de igual forma los procesos
químicos y físicos mediante los cuales se lleva a cabo el crecimiento epitaxial de las
capas son distintos.
2.5. Comportamiento óptico.
Existen básicamente dos tipos de óptica que rigen el comportamiento de la luz en un
LED; óptica primaria y óptica secundaria. La óptica primaria se refiere a los elementos
ópticos que forman parte del encapsulado del LED. Por otro lado, la óptica secundaria
se refiere a elementos ópticos externos independientes al LED.
Óptica primaria.
Los LEDs generalmente presentan un recubrimiento transparente hecho de resina a
través del cual pasa la energía luminosa. La luz transmitida a través del interior de un
material transparente experimenta una disminución de la velocidad, y en
consecuencia, la dirección de propagación cambia. Este fenómeno se llama
refracción; el índice de refracción, n, se define como la relación entre la velocidad de
la radiación electromagnética en el vacío, c, y en el material, v. De esta forma, n es
siempre mayor que 1: n=c/v. Los índices de refracción pueden variar dependiendo del
material. Este recubrimiento de resina es usado para proteger al chip de las
inclemencias del tiempo y de daños provocados por la manipulación humana. Es
evidente que la necesidad de usar un recubrimiento transparente para el chip provoca
que existan pérdidas en el material utilizado, debido a las características físicas propias
de ese material en particular.
19
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
La salida de luz de un LED está típicamente descrita por dos parámetros de medición,
flujo e intensidad. El flujo describe la razón a la cual la energía luminosa es emitida del
LED, el flujo total del LED es la suma del flujo radiado en todas direcciones. Si se coloca
el LED en el centro de una esfera, el flujo total emitido equivaldrá a la suma de la luz
incidente en la superficie interna total de la esfera. Por otro lado, la intensidad describe
la densidad de flujo en una posición en el espacio [13].
Es posible crear un modelo óptico del LED el cual es útil cuando se diseña la óptica
secundaria, tales como cavidades reflectoras o lentes Pillow para una determinada
aplicación. La salida óptica del LED puede ser aproximada mediante el uso de una
fuente de luz puntual la cual se hace pasar a través de una apertura, pero los errores
pueden ser inaceptables cuando se usan reflectores o lentes. Un modelo más preciso
puede ser construido considerando el tamaño de la fuente extendida del LED.
La figura 2.7 (a) muestra la estructura interna de un LED de potencia. La luz se produce
en el chip que se encuentra en el corazón del LED, la mayor parte de esta energía
luminosa va directamente al domo del LED, en donde al pasar a través del epoxi la luz
se refracta y el resto de la luz emitida se refleja y se refracta mediante la copa
reflectora y el epoxi, respectivamente. La luz que es refractada aparece con cierta
ubicación dentro del LED, y la luz reflejada y refractada aparece con una ubicación
diferente. Además, debido a que el LED en si mismo tiene tamaño físico, y no es
precisamente una fuente de luz puntual, entonces la luz que únicamente es refractada
aparecerá en ubicaciones diferentes. Esto quiere decir que realmente es una zona de
ubicaciones o mancha focal; y el mismo efecto se tiene con la luz que es reflejada y
refractada [13]. Estas manchas focales traslapadas crean una mancha focal alargada
como la que se muestra en la figura 2.7 (b).
Rayo Refractado
Domo de Epoxi
Rayo ReflejadoRefractado
Domo de Epoxi
Base del Domo
de Epoxi
Estructura del LED
Copa Reflectora
Fuente Puntual
Mancha Focal
Chip del LED
(a)
(b)
(c)
Figura 2.7. Estructura óptica de un LED.
Para tener una mejor aproximación usando un modelo de fuente puntual, es necesario
considerar como fuente puntual el centro de la mancha focal y el tamaño de la
20
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
apertura debe ser igual a la que el domo de epoxi tiene en su base, como se muestra
en la figura 2.7 (c).
La óptica secundaria se utiliza para modificar la salida de luz de los LEDs de tal manera
que, el rayo de luz obtenido al final reúna las características fotométricas requeridas. La
óptica primaria esta incluida dentro del LED. Existen dos tipos de óptica primaria y
secundaria, una que tiene el efecto de divergir la luz y la otra que tiene el efecto de
colimar; es decir, enfocar la luz hacia una zona específica. El uso de uno u otro tipo de
óptica dependerá de las condiciones de diseño y de las características requeridas
para el mismo.
Cuando un LED se encuentra operando, emite energía luminosa con cierta intensidad
y distribución espacial, a esta distribución espacial se le conoce como “Patrón de
Radiación”. El patrón de radiación de un LED muestra la forma en la que el flujo
luminoso está distribuido en el espacio. La mayoría de los LEDs presentan un patrón de
radiación que es simétrico respecto al eje óptico, esto permite que el patrón de
radiación pueda ser representado en una gráfica simple bidimensional, es decir,
intensidad contra el ángulo medido respecto al eje óptico. Los fabricantes,
comúnmente, proporcionan la intensidad luminosa normalizada para describir la
intensidad de la luz en cualquier ángulo. Estas gráficas en donde se ilustra el patrón de
radiación de los dispositivos las proporciona el fabricante en las hojas de datos de los
dispositivos.
Intensidad Luminosa Relativa
Una zona característica del patrón de radiación que es de interés común, se conoce
como “full-width”, “half-max” ó 2θ1/2. Esta zona describe el ancho angular completo
del patrón de radiación a la mitad de la potencia ó punto medio de intensidad
máxima. Para ilustrar esto, en la figura 2.8 se observa el patrón de radiación de un LED
HPWA-Mx00 y se ha marcado la zona en la cual se encuentra el “full-width” [13].
1.00
0.75
0.50
2θ 1/2
0.25
0
-100
-50
0
50
100
Ángulo respecto al eje óptico ( grados)
Figura 2.8. Patrón de radiación y full-width de un LED HPWA-Mx00.
Los patrones de radiación pueden tener formas distintas. En el caso de LEDs fabricados
por Lumileds, se conocen básicamente tres tipos de patrones de radiación. Estos son:
21
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
Batwing, Lambertian y Side Emitting. Estos patrones de radiación corresponden a los
diferentes ángulos en los que la luz se emite y es vista por el observador. Se producen
en distintos colores como son: blanco, verde, azul, royal, cyan, rojo, rojo-naranja y
ámbar [14]. En la figura 2.9 se muestra el aspecto físico de estos dispositivos y sus
patrones de radiación.
“Batwing”
“ Lam bertian”
80
60
40
20
0
-1 0 0 -8 0 -6 0 -4 0 -2 0
0
20 40
60 80 100
De s pla za m ie nto a ngu la r (gra dos )
Intensidad Relativa (%)
100
Intensidad Relativa (%)
Intensidad Relativa (%)
100
“Side Em itting”
80
60
40
20
100
80
60
40
20
0
0
-1 0 0 -8 0 -6 0 -4 0 -2 0
0
20
40 60
80 100
-1 2 0 -1 0 0-8 0 -6 0 -4 0 -2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0
De s pla za m ie nto a ngu la r (gra dos )
De s pla za m ie nto a ngu la r (gra dos )
Figura 2.9. Patrones de radiación para LEDs de 1 W de Lumileds.
Para poder entender adecuadamente las gráficas de la figura 2.9, es necesario
imaginar que la fuente de luz se encuentra en la parte superior de la gráfica, en donde
la intensidad relativa es máxima. Se puede observar que los patrones de radiación
“Batwing” y “Lambertian” son muy parecidos ya que la luz se emite frontalmente,
mientras que para el caso del patrón de radiación “Side Emitting”, la luz es emitida
lateralmente. En este punto es necesario mencionar que estos patrones de radiación
no son constantes y que varían dependiendo del color de que se trate. Los patrones de
radiación completos se pueden consultar en las hojas de datos para cada tipo de
dispositivo. Algunas de las características ópticas de LEDs disponibles comercialmente
se muestran en la tabla 2.1.
Tabla 2.1. Características ópticas de algunos LEDs comercialmente disponibles (If=350 mA y
temperatura de unión, Tj=25˚C).
Color
Flujo
Luminoso
Lm (min.)
Flujo
luminoso
Lm (máx.)
Patrón de
radiación
Ángulo de
visión
(grados)
2θ1/2
Ángulo total
incluido
(grados)
Blanco
13.9
25
4500K
5500K
Verde
13.9
30
520nm
530nm
8000K
110
110
550nm
110
Azul
3.8
10
460nm
110
470nm
490nm
110
Rojo
30.6
42
110
620.5nm
625nm
645nm
110
Blanco
13.9
110
25
4500K
5500K
10000K
140
Verde
160
13.9
30
520nm
530nm
550nm
140
160
Azul
3.8
10
460nm
470nm
490nm
140
160
Rojo
30.6
44
620.5nm
627nm
645nm
140
160
Batwing
Lambertian
Longitud de onda dominante
(nm) ó temperatura del co lor
(K)
min.
Típ.
Máx.
Ángulo típico de
intensidad pico θ pe ak
Blanco
13.9
22
Verde
13.9
27
Azul
3.8
9
Rojo
30.6
40
Side
Emitting
75o-85o
4500K
5500K
10000K
520nm
530nm
550nm
75o-85o
460nm
470nm
490nm
75o-85o
620.5nm
627nm
645nm
75o-85o
22
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
Óptica secundaria.
La óptica secundaria es usada para modificar la salida luminosa de los LEDs tal que, el
rayo de luz obtenido al final, reúna las características fotométricas requeridas. Como se
dijo anteriormente existen básicamente dos tipos de óptica secundaria, una que tiene
el efecto de divergir la luz y otra que tiene el efecto de colimar. De esta forma, la
diversidad en las aplicaciones puede ser muy amplia.
El tipo de óptica divergente más comúnmente usada es el lente “pillow”. El lente
“pillow” separa la luz entrante dentro de un patrón de radiación más divergente. Este
efecto permite que la apariencia de la fuente de luz sea más uniforme.
La óptica colimadora puede encontrarse en dos principales variedades: reflejante y
refractante. Los elementos reflejantes típicamente son cavidades metalizadas con un
perfil derecho o parabólico. La óptica colimadora refractante típicamente usada en
aplicaciones de señalización con LEDs incluye lentes plano-convexos, dual-convexos y
plano-convexos colapsados (lentes Fresnel).
En general, los diseños en los cuales se usa óptica secundaria colimadora son más
eficientes y producen una mejor apariencia de uniformidad que aquellos diseños en los
que se estén utilizando lentes “pillow” o cualquier otro tipo óptica no colimadora. Los
lentes Fresnel son una buena elección para el diseño de lámparas finas y producen
una buena apariencia de uniformidad. Los reflectores son una buena elección en el
diseño de lámparas utilizadas para iluminar áreas no circulares y son más eficientes que
los lentes Fresnel. Esto se debe a que los reflectores acumulan el total de la luz, la cual
es emitida en un patrón circular y la redirige dentro de una configuración o forma
deseada [13]. La figura 2.10 muestra algunos elementos ópticos usados para
implementar óptica secundaria en LEDs.
13˚
26˚
15
R 19
AV
19.6
4
4.2
25
RV
Lente Pillow
Cavidad reflectora
Lente Fresnel
Figura 2.10. Elementos ópticos utilizados para implementar óptica secundaria.
23
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
Un ejemplo del uso de lentes se muestra en la figura 2.11. En la figura 2.11 (a) se
muestra el patrón de radiación (lambertian) para un LED Luxeon Star/O de Lumileds y la
figura 2.11 (b) muestra el patrón de este mismo dispositivo modificado mediante óptica
secundaria.
100
Intensidad Relativa (%)
Intensidad Relativa (%)
100
80
60
40
20
0
-1 0 0 -8 0 -6 0 -4 0 -2 0
0
20
40 60
80 100
80
60
40
20
0
-4 0
De s pla za m ie nto a ngu la r (gra dos )
-3 0
-2 0 -1 0
0
10
20
30
40
De s pla za m ie nto a ngu la r (gra dos )
(a)
(b )
Figura 2.11. (a) Patrón de radiación para un LED Luxeon Star/O (Lambertian); (b) Patrón de
radiación Lambertian modificado mediante óptica secundaria.
En la figura 2.12 se muestran algunos lentes disponibles comercialmente para LEDs
Luxeon Emitter de 1 W de Lumileds y sus correspondientes patrones de radiación.
Intensidad Relativa (%)
1.2
1
0.8
(a)
0.6
0.4
0.2
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
Desplazamiento angular (grados)
Intensidad Relativa (%)
1.2
1
0.8
(b)
0.6
0.4
0.2
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Desplazamiento angular (grados)
Intensidad Relativa (%)
1.2
1
0.8
0.6
(c)
0.4
0.2
0
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Desplazamiento angular (grados)
Figura 2.12. Algunos tipos de lentes disponibles comercialmente.
24
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
Los ángulos 2θ1/2 correspondientes en cada uno de los casos de la figura 2.12 son
como sigue:
(a) 2θ1/2 = 6 grados.
(b) 2θ1/2 = 15 grados.
(c) 2θ1/2 = 25 grados.
Dentro de las principales características de los lentes mostrados en la figura 2.12,
podemos mencionar las siguientes:
Presentan eficiencia óptica por arriba de 85%.
Son térmicamente estables.
Están diseñados bajo estándares de corriente de los LEDs Luxeon Emitter de 1
Watt.
2.6. Comportamiento y manejo eléctrico.
400
400
350
350
IF – Corriente directa (Amp)
IF – Corriente directa (Amp)
El comportamiento eléctrico de estos dispositivos es muy similar al de un diodo
rectificador común. Presentan una tensión de umbral a partir de la cual el dispositivo
comienza a conducir cierta corriente, provocando con esto la emisión de luz. Una vez
superada la tensión de umbral, comenzará a incrementarse la caída de tensión entre
sus terminales de una forma aproximadamente exponencial conforme la corriente se
incrementa. En la figura 2.13 se muestra un ejemplo del comportamiento I-V para LEDs
de 1 W de Lumileds.
300
250
200
150
100
50
0
0 .0
0 .5 1 .0 1 .5
2 .0 2 .5
3 .0
3 .5 4 .0
300
250
200
150
100
50
0
0 .0
0 .5
1 .0
1 .5
2 .0
2 .5
3 .0
V F – V o lta je d ir e c t o ( V o lts )
V F – V o lta je d ir e c to ( V o lts )
(a )
(b )
3 .5
Figura 2.13. Característica I-V para LEDs de 1 W de Lumileds; (a) Blanco, Verde, Cyan y Azul, (b)
Rojo y Ámbar.
El diseño eléctrico de una lámpara basada en LEDs tiene algunos objetivos específicos.
El primer objetivo es operar cada LED con la corriente suficiente para generar el flujo
luminoso adecuado, de tal forma que se reúnan los requerimientos de iluminación. El
25
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
segundo objetivo es, limitar la corriente directa a través de cada LED de modo que no
exceda su máxima temperatura de unión y la máxima corriente de cd, bajo las peores
condiciones de operación de temperatura ambiente y voltaje de entrada. Además, el
diseño eléctrico debe proporcionar uniformidad en todo el arreglo de LEDs que se este
utilizando. Como resultado de lograr estos objetivos, se tendrá una fuente de luz
confiable y con larga vida útil [15].
En resumen, las consideraciones más importantes del circuito incluyen:
Número de LEDs conectados en el arreglo.
Tipo de conexión de los arreglos de LEDs.
Método para limitar la corriente (resistencias o circuito activo).
Método de control de intensidad luminosa (Dimming).
Algunos esquemas comúnmente usados para conectar los LEDs se muestran en la
figura 2.14.
Cadenas
R
R
Cadenas
R
R
Opcional
Opcional
Cadenas
R
Opcional
Opcional
Opcional
Opcional
Opcional
Opcional
Opcional
Vin
Vin
Vin
Series de
LEDs por
cadenas
Series de
LEDs por
cadenas
Series de
LEDs por
cadenas
Figura 2.14. Esquemas utilizados comúnmente en los arreglos de LEDs.
Se observa en la figura 2.14 que los tres esquemas utilizan básicamente combinaciones
de conexiones en serie-paralelo. En cualquier caso es necesario utilizar una resistencia
para limitar la corriente a través del dispositivo, aunque es posible omitirla si se tiene un
adecuado manejo de corriente [15]. El uso de una u otra configuración dependerá del
número de LEDs y del tipo de sistema de alimentación que se usará (baja tensión-alta
corriente o bien, alta tensión-baja corriente). Además el uso de la resistencia en serie
evita el efecto de avalancha térmica que puede presentarse en el dispositivo por el
efecto del incremento de la temperatura y ayuda a asegurar la estabilidad de los LEDs.
Otro punto que es necesario considerar es el comportamiento de las variables de
corriente y voltaje respecto al incremento de la temperatura. El voltaje en un LED
construido con tecnología AlInGaP se reduce alrededor de 2 mV por cada grado
centígrado que la temperatura se incrementa (este parámetro es diferente para cada
26
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
0
400
350
300
250
200
150
100
50
Corriente inversa- µA
IF – Corriente Directa (mA)
tipo de dispositivo). Es decir, la caída de voltaje en el LED a una corriente dada es
ligeramente menor a temperaturas elevadas y ligeramente mayor a temperaturas frías.
Por otro lado, el comportamiento de la corriente ante cambios en la temperatura
ambiente para una temperatura de unión máxima de 135 ˚C del LED es el que se
muestra en la figura 2.15 (a) (para diferentes resistencias térmicas unión-ambiente). Se
observa que a medida que la temperatura se incrementa la corriente en el LED tiende
a disminuir. En general el incremento de la temperatura ocasionará una reducción de
la intensidad luminosa del LED. Es por esto que un adecuado diseño térmico es
necesario [15].
RθJ-A=60 ˚C/W
RθJ-A=50 ˚C/W
RθJ-A=40 ˚C/W
RθJ-A=30 ˚C/W
0
0
25
50
75
100
125
150
-20
-40
-60
-80
-100
-30
TA – Temperatura Ambiente (˚C)
-25
-20
-15
-10
-5
0
Voltaje inverso- volts
(a)
(b)
Figura 2.15. (a) Comportamiento de la corriente en LEDs de 1 W de Lumileds respecto a cambios
en la temperatura ambiente, (b) Comportamiento I-V con polarización inversa.
Adicionalmente es necesario saber que la operación en polarización inversa no es
recomendada. La gráfica de la figura 2.15 (b) muestra el comportamiento en esta
región de los LEDs construidos con tecnología AlInGaP. Se observa que una cantidad
despreciable de corriente inversa (< 1 µA) fluye en el LED hasta que el voltaje de
ruptura es alcanzado. El voltaje de ruptura inverso para LEDs de AlInGaP es
comúnmente de 20 V. El daño en la unión “pn” del LED puede ser permanente cuando
se superan los 50 µA en polarización inversa. Es posible agregar algunos dispositivos de
protección para evitar daños en los arreglos de LEDs, por ejemplo, puede agregarse un
diodo de silicio de alto voltaje en serie con el arreglo para proteger el arreglo de LEDs
de transitorios de alto voltaje.
La tabla 2.2 muestra algunas características eléctricas de dispositivos LEDs fabricados
por Lumileds. Se trata de dispositivos de 1 W, los cuales se producen con distintos
colores. Esta línea de LEDs también puede ser encontrada en el mercado en potencias
de 3 W y 5 W. A su vez, estos dispositivos, en su mayoría, están disponibles en distintos
patrones de radiación, además de que existe una gran variedad en los encapsulados
con los que son construidos, esto con el fin de darle versatilidad en las distintas
27
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
aplicaciones. Algunos de ellos incluyen un pequeño disipador (MCPCB, Metal Core
Printed Circuit Board) de calor individual el cual ayuda en su montaje.
Tabla 2.2. Características eléctricas de LEDs de 1 W fabricados por Lumileds (If=350 mA y
temperatura de unión, Tj=25˚C).
Color
Voltaje directo V F (V)
Min.
Típ.
Máx.
Resistencia
dinámica (Ω) R o
Blanco
2.79
3.42
3.99
Verde
2.79
3.42
3.99
1.0
Azul
2.79
3.42
3.99
1.0
Patrón de
radiación
1.0
Rojo
2.31
2.95
3.51
2.4
Blanco
2.79
3.42
3.99
1.0
Verde
2.79
3.42
3.99
1.0
Azul
2.79
3.42
3.99
1.0
Rojo
2.31
2.95
3.51
2.4
Blanco
2.79
3.42
3.99
1.0
Verde
2.79
3.42
3.99
1.0
Azul
2.79
3.42
3.99
1.0
Rojo
2.31
2.95
3.51
2.4
Batwing
Lambertian
Side Emitting
2.7. Comportamiento térmico.
Intensidad Relativa (%)
Salida de luz Relativa (%)
El comportamiento térmico es un tópico importante en el diseño de una fuente de luz
basada en LEDs de potencia. La temperatura es una variable que afecta directamente
la salida de luz de un LED. A medida que la temperatura de unión de un LED se
incrementa, la cantidad de luz emitida por el dispositivo disminuye y en consecuencia
la longitud de onda se modifica. La salida de luz de LEDs de color rojo, rojo-naranja y
ámbar (fabricados con AlInGaP) son los más sensibles al incremento de la temperatura
de unión en comparación con el resto de los colores [4]. La figura 2.16 muestra los
efectos anteriormente mencionados.
200
150
Rojo Amarillo
Azul
Azul
Royal
Verde
Cyan
Blanco
100
50
0
-40 -20
0
20 40 60 80 90 100
2
Tamb=-20˚C
+25˚C
Ámbar
1
+85˚C
0
λpico
o
Temperatura de Unión TJ ( C)
Longitud de onda (nm)
(a)
(b)
Figura 2.16. Comportamiento térmico; (a) Respuesta de la salida de luz relativa respecto a las
variaciones de la temperatura, (b) Respuesta de la longitud de onda respecto a las variaciones
en la temperatura para un LED ámbar.
28
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
Se observa en la figura 2.16 (a) que el efecto de la temperatura es muy crítico en
dispositivos de color amarillo y rojo. Como se mostró en la primera sección de este
capítulo, la sensibilidad del ojo humano es mayor en longitudes de onda
correspondientes a estos colores, de aquí que deba ponerse especial cuidado en el
manejo térmico de fuentes de luz con estas longitudes de onda. La figura 2.16 (b)
muestra la modificación de la longitud de onda para un dispositivo de color ámbar
respecto a la variación de la temperatura.
Es necesario entonces, tener un adecuado disipador de calor para tener un buen
comportamiento térmico en todas las condiciones de operación. La elección de este
disipador dependerá del modelo térmico de una aplicación en particular. El propósito
del modelado térmico es predecir la temperatura de unión. La palabra “unión” se
refiere a la unión de los dos semiconductores (tipo “p” y tipo “n”) en el interior del chip,
que es en donde los fotones son creados y emitidos. En las hojas de datos de cada
dispositivo se especifica el valor máximo recomendado para la temperatura de unión.
Para poder determinar la temperatura de unión de una aplicación dada, es necesario
obtener un modelo térmico del sistema. La principal herramienta para determinar esa
temperatura de unión es la resistencia térmica que existe de la unión hacia el
ambiente, la cual se define por la ecuación (II-3) [16].
Rθ Union − Ambiente =
∆TUnión − Ambiente
Pd
(II-3)
Donde:
∆T = TUnión − TAmbiente (o C).
Pd = Potencia disipada (W) = Corriente directa (If) ∗ Voltaje directo (Vf).
El calor generado en la unión viaja desde el chip hasta el ambiente a través de la
siguiente ruta térmica: unión-a-adhesivo, adhesivo-a-tarjeta y tarjeta-a-ambiente, esto,
en caso de que el dispositivo sea montado en un MCPCB y en caso de que no sea así,
se usará la ruta: unión-a-adhesivo, adhesivo-a-empaque y empaque-a-ambiente. La
figura 2.17 (a) muestra un corte transversal de un LED de potencia en donde se han
señalado las distintas temperaturas que afectan al sistema (montado sobre un
MCPCB). Para sistemas que involucran conducción de calor en múltiples superficies y
materiales, es posible crear un modelo de la ruta térmica utilizando las resistencias
térmicas equivalentes conectadas en serie, como se muestra en la figura 2.17 (b). La
resistencia térmica total de una aplicación en particular puede ser expresada como la
29
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
suma de las resistencias individuales de la ruta térmica de la unión al ambiente,
ecuación (II-4).
La ecuación (II-5) permite calcular la temperatura de unión para LEDs Luxeon y se
puede considerar una buena aproximación para cualquier otro dispositivo haciendo
las consideraciones necesarias.
Rθ Unión − Ambiente = Rθ Unión − Adhesivo + Rθ Adhesivo −Tarjeta + Rθ Tarjeta − Ambiente
(II-4)
TUnión = T A + (Pd )(Rθ Unión − Ambiente )
(II-5)
Donde:
TA = Temperatura ambiente.
Pd = Potencia disipada (W) = Corriente directa (If) ∗ Voltaje directo (Vf).
Rθ Unión−Ambiente = Resistenci a térmica unión a ambiente.
Pd =VF *IF
Chip
T_unión
Adhesivo
Epoxi
RθUnión-Adhesivo
T_adhesivo
T_unión
RθAdhesivo-Tarjeta
T_adhesivo
T_tarjeta
T_ambiente
T_tarjeta
RθTarjeta-Ambiente
MCPCB
T_ambiente
Disipador de calor
(a)
(b)
Figura 2.17. Modelo térmico para un LED de potencia; (a) Sección transversal, (b) Modelo con
las resistencias térmicas equivalentes.
Con la idea expuesta anteriormente es relativamente sencillo encontrar un modelo
térmico para la gran variedad de aplicaciones. Una vez obtenido el modelo, entonces
podemos hacer la reducción del circuito térmico tal y como se hace en un circuito
eléctrico y de esta forma encontrar la resistencia térmica unión-ambiente.
Si el sistema implica incluir LEDs conectados en serie o paralelo, solo será necesario
colocar cada modelo térmico como en circuitos eléctricos y reducirlo a su mínima
expresión (resistencia térmica equivalente). La figura 2.18 muestra un arreglo paralelo.
30
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
LED LED LED LED
1
2
3
4
LED
N
T_unión
R θ Unión- Adhesivo
T_adhesivo
R θ Adhesivo - Tarjeta
T_tarjeta
R θ Tarjeta - Ambiente
T_ambiente
Figura 2.18. Modelo térmico para un arreglo de LEDs en paralelo.
Una vez que la resistencia térmica es determinada, es posible obtener la RθTarjeta-Ambiente.
Con este dato, existen una gran cantidad de formas para determinar cual será el
tamaño y tipo de disipador más adecuado. En algunos casos los fabricantes
proporcionan estudios térmicos usando distintos disipadores, en conjunto con sus
productos, de tal forma que esto facilita la elección. En cualquier otro caso será
necesario recurrir a algún tipo de software o guías de diseño térmico que permitan
conocer con buena precisión el disipador más adecuado.
En resumen, el primer paso será determinar la RθUnión-Ambiente, usando la ecuación (II-5). A
partir de esta ecuación, se introduce un máximo absoluto para Tunión (en este caso será
necesario especificar un valor mucho menor que 120˚C para lograr el desempeño
requerido en la aplicación en particular). El siguiente paso es calcular la potencia
disipada por el ó los dispositivos. Posteriormente se resuelve (II-5) para RθUnión-Ambiente. Y
finalmente se resta RθUnión-Tarjeta (de las hojas de datos) de la RθUnión-Ambiente. Y de esta
forma se obtiene la RθTarjeta-Ambiente. Con este dato solo quedará recurrir a una
herramienta de software para diseño térmico o bien consultar las hojas de datos. En
[16] y [17] se pueden encontrar detalles y sugerencias para el montaje y elección del
sistema térmico para LEDs Luxeon.
Adicionalmente, es necesario mencionar que el diseño térmico puede realizarse en dos
formas principales; por convección natural o por convección forzada. Cuando se usa
convección natural la velocidad del aire es la que naturalmente se encuentra en el
espacio que rodea al sistema y cuando se trata de convección forzada es por el uso
de algún sistema que impulse el viento (ventilador) a través del disipador. Las
características de diseño son diferentes en ambos casos. Una nota más que se
considera necesario agregar es que, en el caso de algunos dispositivos, los disipadores
de calor ya fueron fabricados de acuerdo con sus características y en consecuencia
pueden ser utilizados sin necesidad de un diseño térmico riguroso.
31
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
2.8. Técnicas de montaje.
Como se vio en la sección anterior, una disipación adecuada del calor generado por
la operación del dispositivo ayudará a tener un buen desempeño. Esta disipación de
calor tiene que ver directamente con el montaje del dispositivo. Como se mencionó
anteriormente, algunos de los dispositivos disponibles en el mercado presentan la
característica de estar montados sobre un MCPCB.
Un MCPCB consiste de algunas capas que proporcionan rutas para conexiones
eléctricas y también rutas de baja resistencia térmica hacia disipadores externos.
Algunos LEDs utilizan MCPCB laminado que consiste de las siguientes tres capas:
Base de aluminio.
Capa aislante de cristal-epoxy.
Capa de cobre.
El espesor típico del MCPCB es de 1.6 mm. La base es típicamente de aluminio, la cual
proporciona el primer nivel de disipación de calor de los dispositivos. En la parte
superior de la capa de aluminio esta una capa de epoxy que proporciona aislamiento
eléctrico entre el aluminio y la capa de cobre. La capa de cobre sobre la capa de
epoxy es usada para las conexiones eléctricas y ayuda a la disipación lateral del calor
generado por el dispositivo. Un ejemplo de MCPCB típico se muestra en la figura 2.19.
Capa de cobre
Capa del dieléctrico
Base de metal (aluminio)
Capa de cobre
35-200 µm.
Capa del dieléctrico
75-100 µm.
Capa de metal
1-3 mm.
Figura 2.19. Ejemplo de un MCPCB típico.
Hay cuatro reglas de diseño que se recomienda considerar durante el montaje de un
arreglo de LEDs y su procedimiento de ensamble [18]:
1.- La resistencia térmica de la base del LED (slug) al ambiente debe mantenerse en un
mínimo ya que cualquier barrera térmica evitará que el dispositivo opere
adecuadamente.
2.- Se requiere aislamiento eléctrico entre la base y el MCPCB debido a que la base del
LED no es eléctricamente neutra y no debe conectarse eléctricamente a ninguna pista
o punto de conexión de la tarjeta en la que se este ensamblando el arreglo.
3.- Es necesario usar un adhesivo térmicamente conductivo para adherir el LED al
MCPCB y de esta forma reducir la resistencia térmica.
32
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
4.- Las terminales de soldadura de los LEDs de potencia están limitadas a determinados
procesos de soldadura, tales como, soldadura de barra caliente, fibra enfocada
infrarroja y soldadura manual. Los LEDs no pueden ser soldados en infrarrojo y reflujo en
fase de vapor.
En el caso de prototipos o producción en serie pequeña generalmente se usa la
soldadura manual y para esto es recomendable usar no más de 330 ˚C por menos de
1.5 segundos al realizar una soldadura. Esta recomendación ayudará a mantener una
temperatura de unión por debajo de un máximo de 120 ˚C evitando daños al LED o
bien al MCPCB [18].
En general, todos los fabricantes de LEDs de potencia recomiendan que los dispositivos
sean montados en MCPCB por lo que proporcionan guías de usuario que permiten
realizar un adecuado montaje. En el caso específico de LEDs fabricados por Lumileds
una guía completa puede ser consultada en [18].
2.9. Técnicas de control de intensidad luminosa (dimming).
Es posible que en algunas aplicaciones se requiera tener una fuente de luz dimmable,
por lo que esta situación exigirá una modificación en el circuito de la fuente de
alimentación. Se sabe que una de las técnicas más comunes para hacerlo, es
reduciendo o incrementando la corriente ó la tensión de salida. Existen otras técnicas
de dimming que se han utilizado para lograr esta característica. La figura 2.20 muestra
un ejemplo de cómo el dimming se logra modificando la señal de alimentación hacia
los LEDs, es decir, en lugar de entregar una corriente constante a la carga, ahora se
entregará una señal cuadrada pulsante [19]. Modificando el ciclo de trabajo de esta
señal, se modificará la cantidad de luz que el ojo humano percibirá. La frecuencia a la
cual se encuentra esta señal, se elige de modo que el ojo humano no pueda percibir
las conmutaciones entre encendido y apagado de los LEDs (se recomienda alrededor
de 100 Hz o más para evitar el parpadeo).
AC/DC
LD1
AC
C
DC/DC
C ontrol de voltaje
LD n
R sense
C ontrol de corriente
PW M
Figura 2.20. Esquema de alimentación con dimming.
33
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
Esta técnica consiste en tener dos lazos de control, el primero de ellos alimenta los LEDs
con corriente constante cuando se requiere una luminosidad máxima. Durante la
operación de dimming, el lazo de control de corriente limitará la corriente máxima de
salida, mientras el lazo de voltaje mantendrá el voltaje de salida por debajo de la
tensión de umbral del arreglo de LEDs. Además deshabilitando los LEDs, el voltaje de
salida máximo quedará limitado por la caída de voltaje de los LEDs, de esta forma es
posible obtener una buena eficiencia en la conversión de la energía. La figura 2.21
muestra las formas de onda típicas del circuito.
PW M
I OU T
I FW
V OU T
nV F (on)
nV F (off)
t
Figura 2.21. Formas de onda típicas.
Una técnica más de dimming publicada en [20], consiste básicamente en utilizar una
fuente de alimentación conmutada y conectar en la salida un interruptor en paralelo
con la carga. El circuito para dicha implementación se muestra en la figura 2.22.
L
M1
R1
+Vo
D
F
U
E
N
T
E
Vin
Q1
GD
GD
Bloque
de control
VA
t
L
O
A
D
zener
Rsense
Al controlador
RF
R1
t
Figura 2.22. Esquema de alimentación con dimming usando un convertidor reductor.
El circuito tiene dos modos de operación, uno en modo corriente y uno en modo
voltaje. En el modo corriente, la fuente de corriente es mantenida a un valor constante,
IOUT. El dimming se logra desviando la corriente de la carga a través del interruptor, con
esto el valor promedio de la corriente en los LEDs se reduce y por lo tanto la intensidad
de la luz. En el modo voltaje sin dimming, el voltaje de salida en la carga es mantenido
en un valor constante, VOUT. Durante el dimming, cuando el interruptor esta apagado,
el voltaje de salida es VOUT y la corriente de salida depende de la carga. Cuando el
interruptor esta encendido, el voltaje de salida cae a cero y la corriente del inductor
fluye a través del interruptor. Como no hay un voltaje de realimentación, la
34
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
realimentación de corriente asume el control y esta corriente es ahora regulada a IOUT,
como en el caso de operación en modo corriente. De aquí que el driver conmuta
entre el modo tensión y el modo corriente. La conmutación de encendido y apagado
efectivamente, reduce el voltaje promedio aplicado a los LEDs reduciendo la cantidad
de luz en estos.
El interruptor en paralelo se implementa utilizando un MOSFET de canal “n”. La señal
PWM utilizada para el control de este interruptor es generada por una señal externa
cuya frecuencia es del orden de 800 Hz, con el fin de evitar el parpadeo.
2.10. Tipos y características generales.
Durante la realización de la tesis se llevó a cabo una revisión de los distintos productos
que los fabricantes de LEDs ofrecían. Se encontró en ese momento que la gran
mayoría de los fabricantes no ofrecían dispositivos que superaran 1 W de potencia, la
mayoría solo ofrecía LEDs con características muy similares a las de los LEDs de 5 mm.
Pero a lo largo del desarrollo de la tesis esto tuvo cambios notables. Se realizó
nuevamente una revisión de los productos que los fabricantes ofrecen y se encontró
que en su mayoría ofrecen ya dispositivos que alcanzan hasta 5 W. Con la idea de
proporcionar información lo más reciente posible, se darán a conocer características
de productos que se encuentran en el mercado al momento de la escritura de este
trabajo de investigación.
Actualmente existe una gran variedad de dispositivos con características diferentes,
que los hacen adecuados para algunas aplicaciones específicas. De hecho el
mercado de la iluminación con LEDs ha crecido enormemente con el paso de los años.
Cada una de estas aplicaciones requiere dispositivos con características específicas,
como son: color, tamaño, forma, características eléctricas, características térmicas,
tipo de iluminación, patrones de radiación, etc. Es por esta razón por la que los
fabricantes, se han preocupado por la producción de dispositivos que puedan
adaptarse a las distintas aplicaciones que el mercado exige. Algunos de estos LEDs que
pueden ser encontrados en el mercado se describen a continuación.
En esta sección se documentaron dispositivos fabricados por tres empresas diferentes,
con el fin de dar a conocer algunos de los dispositivos que ofrecen.
LEDs fabricados por OSRAM. En un inicio esta empresa solo ofrecía dispositivos de no
más de 70 mA. Sin embargo, en la actualidad se tienen dispositivos que pueden llegar
a manejar 500 mA y 2.3 W. Este dispositivo fue llamado por la empresa “Golden
Dragon”; es un dispositivo de montaje superficial que se fabrica en distintos colores,
35
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
básicamente blanco, verde, ámbar y azul. Una imagen de este dispositivo se muestra
en la figura 2.23 (a). Las principales aplicaciones de este dispositivo están en
iluminación de interiores y exteriores de automóviles, flash de cámaras fotográficas,
backlighting en pantallas LCD, teléfonos celulares, teclas, displays, lámparas de lectura,
sustitución de micro lámparas incandescentes, iluminación arquitectónica de interiores
y exteriores residenciales e industriales, etc.
Osram también dispone de un dispositivo LED que opera a 400 mA y 1.2 W. Este es un
dispositivo de montaje superficial (SMD, Surface Mounting Device) al igual que el
anterior, es construido con un empaque de color blanco que ocupa poco espacio y
facilita su montaje. Una imagen física se muestra en la figura 2.23 (b). Las principales
aplicaciones se encuentran en señales de tráfico, backlighting, iluminación de
interiores y exteriores de automóviles y en fuentes de luz portátiles.
(a)
(b)
Figura 2.23. LEDs Golden Dragon fabricados por OSRAM; (a) Golden Dragon de 2.3 W, (b)
Golden Dragon de 1.2 W.
En la tabla 2.3 se exponen las características generales de los dos dispositivos descritos
anteriormente.
Tabla 2.3. Características generales para LEDs Golden Dragon de OSRAM.
Golden
Dragon
Potencia
Corriente
directa If
(mA)
Tecnología
Eficacia
(lm/W)
Flujo
luminoso
(lm)
Longitud de
onda dominante
(nm) ó TCC (K)
Ángulo de
visualización
(2θ1/2)
IRC
LA W57B
1.2 W
400 mA
AlInGaP
20
24
617 nm
120˚
___
21
48
5600 K
120˚
80
(Rojo)
LW W55G
2.3 W
500 mA
InGaN
(Blanco)
LEDs fabricados por A-Bright. Al igual que en el caso anterior esta empresa ofrecía al
consumidor únicamente dispositivos para aplicaciones de baja potencia. En la revisión
presente se encontraron dispositivos que pueden manejar hasta 5 W. Dado que hay
una gran variedad de estos dispositivos mencionaremos solo los más comerciales, los
de 1 W.
La estructura física de estos dispositivos es muy semejante a la de los LEDs fabricados
por Lumileds. Los dispositivos mostrados en la figura 2.24 son todos dispositivos de 1 W, la
36
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
diferencia se encuentra en los patrones de radiación correspondientes a cada uno de
ellos. Las características generales se muestran en la tabla 2.4.
(a)
(b)
(c)
Figura 2.24. LEDs de 1 W fabricados por A-Bright.
La figura 2.24 (a) corresponde a un LED con patrón de radicación Batwing, mientras
que la figura 2.24 (b) corresponde a un LED con patrón de radiación Lambertian.
Finalmente la figura 2.24 (c) corresponde a un LED con patrón de radiación Side
Emitting.
A-Bright tiene disponibles en el mercado los MCPCB en diferentes formas físicas de
acuerdo con los mismos dispositivos que fabrica, para adecuarlos a los requerimientos
de la aplicación en particular.
Tabla 2.4. Características generales para LEDs de 1 W fabricados por A-Bright.
Ángulo de
visualización 2θ1/2
(a)
(b)
(c)
60˚
120˚
180˚
Color
Longitud de onda
(nm) ó CCT (K)
Flujo luminoso
(lm)
Blanco
6000K
30
60˚
120˚
180˚
Azul
470 nm
10
60˚
120˚
180˚
Verde
505 nm
25
60˚
120˚
180˚
Rojo
625 nm
28
LEDs fabricados por Lumileds. Los LEDs fabricados por Lumileds fueron descritos en las
secciones 2.5, 2,6 y 2.7, ya que estos fueron usados para describir las propiedades
ópticas, eléctricas y térmicas de los LEDs de potencia. Adicionalmente a esto podemos
agregar que el 9 de febrero del 2005 Lumileds lanzó al mercado un nuevo producto.
Este nuevo dispositivo tiene características que superan en buena medida las de su
antecesor de 5 W, lo llamaron Luxeon K2. Este dispositivo permite reducir el costo por
lumen, los requerimientos térmicos son considerablemente reducidos lo cual permite
una mayor versatilidad en el diseño de las fuentes de luz, etc.
La figura 2.25 muestra el aspecto físico de este dispositivo y una gráfica comparativa
respecto a sus antecesores.
37
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
Lúmenes (luz blanca)
140
120
100
80
Luxeon K2
60
Luxeon III
40
Luxeon
20
0
0
250
500
750
1000
1250
1500
Corriente (mA)
Figura 2.25. Aspecto físico de un LED Luxeon K2 de Lumileds y gráfica comparativa de su flujo
luminoso respecto a sus antecesores.
Puede verse en la figura anterior, que este nuevo dispositivo presenta muy buenas
características. Un resumen completo de sus principales características se muestra a
continuación:
Entrega una mayor cantidad de flujo luminoso (15% a 30% mejor que su
antecesor).
La temperatura de unión máxima puede ser hasta de 185 ˚C.
Es un dispositivo de montaje superficial.
Capaz de manejar hasta 1500 mA.
Entrega 60 Lm/W operando a 350 mA.
Su resistencia térmica es del orden de 9 ˚C/W.
Simplicidad en el montaje.
Requerimientos térmicos reducidos (costo y complejidad del disipador de calor).
Bajo costo por lumen.
Puede verse que es un dispositivo con características que en la actualidad lo pueden
hacer competitivo en muchos de los mercados de la iluminación. Para tener una mejor
idea de las ventajas de este dispositivo se hace un análisis comparativo. En la figura
2.26 (a) se muestra una fuente de luz la cual utiliza siete LEDs, esta fuente de luz emite
en total 333 lm, operando a una temperatura de unión nominal de 120 ˚C y con una
corriente de 350 mA. En total el sistema disipa 9.31 W. Una optimización del desempeño
de la fuente de luz se muestra en la figura 2.26 (b), en este caso se utilizan los mismo 7
LEDs, pero ahora son operados a una temperatura de unión de 185 ˚C y con una
corriente de 657 mA. En total la fuente de luz consume 16.87 W y entrega un flujo
luminoso de 516 lm lo cual supera notablemente a la primera. Si pensamos ahora en
una optimización de costo entonces el número de LEDs lo reducimos a cuatro, pero
ahora los operamos con una temperatura de unión de 135 ˚C y con una corriente
nominal de 733 mA, figura 2.26 (c). Ahora el sistema de iluminación consumirá 11.05 W y
38
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
entregará los mismos 333 lm de flujo luminoso que entregaba el sistema inicial. Con este
ejemplo es más claro ver cuales son los beneficios que pueden aprovecharse de este
nuevo dispositivo de Lumileds [11].
(a) 333 lm
(b) 516 lm
(c) 333 lm
Figura 2.26. Optimización de una fuente de luz con LEDs Luxeon K2.
Este dispositivo al igual que los que anteriormente se mostraron son un claro ejemplo de
que la tecnología de iluminación de estado sólido esta creciendo con una velocidad
vertiginosa. Es por esta razón por la que muchos investigadores involucrados en este
proceso de crecimiento piensan que en no más de 10 ó 15 años este tipo de sistemas
de iluminación sean los que predominen en el mercado.
2.11. Aplicaciones.
En un inicio las aplicaciones de los LEDs estaban limitadas totalmente a baja potencia.
En la actualidad existen un gran número de mercados en los cuales han incursionado.
Al 2002 la inversión en aplicaciones de la iluminación de estado sólido ascendía a 1.2
billones de dólares [4], como se observa en la gráfica de la figura 2.27.
APLICACIONES DE LOS LEDs DE ALTO BRILLO EN
EL 2002
12%
2%
5%
40%
OTROS
SEÑALIZACIÓN
ILUM INACIÓN
18%
AUTOM ÓVILES
INDICADORES
PORTÁTILES
23%
Figura 2.27. Distribución de la inversión en iluminación de estado sólido en el 2002.
Como lo muestra la figura 2.27, la mayor inversión se encuentra en equipos portátiles
(40% de los 1.2 Billones de dólares totales) esto se debe a que los LEDs consumen poca
energía, lo que se refleja en una larga duración de la batería de estos equipos. En
39
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍA DE ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO
segundo lugar están las aplicaciones de los dispositivos utilizados como indicadores y
así sucesivamente se extiende a algunas otras aplicaciones. En la actualidad las
aplicaciones se han incrementado notablemente, algunos ejemplos son:
Iluminación con equipos portátiles.
Señalización y publicidad.
Iluminación de escaleras.
Lámparas de emergencia.
Equipo médico.
Lámparas decorativas de mesa.
Lámparas para uso en escritorios.
Iluminación residencial.
Iluminación publica.
Lámparas decorativas en las paredes.
Iluminación en carreteras (semáforos, asfalto, luminarias, etc.).
Iluminación en aparadores.
Iluminación en restaurantes.
Iluminación arquitectónica decorativa.
Iluminación automotriz (interior y exterior).
Etc.
La figura 2.28 muestra algunos ejemplos gráficos de las aplicaciones anteriormente
listadas [4].
L á m p a ra s d e e m e rg e n c ia
A p a ra d o re s
R e s ta u ra n te s
S e m á fo ro s
Ilu m in a c ió n p ú b lic a
In d u stria a u to m o triz
Figura 2.28. Ejemplos gráficos de algunas aplicaciones de los LEDs de potencia.
40
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
41
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
3.1. Introducción.
En este capítulo se abordan los temas concernientes a la producción de luz blanca
usando LEDs de potencia. Inicialmente se presenta una breve explicación sobre las
características y propiedades de la luz blanca. Posteriormente se habla acerca del
surgimiento, características y uso de los diagramas de cromaticidad. En los tres
apartados subsecuentes se explican tres técnicas básicas para la generación de luz
blanca usando LEDs de potencia. Finalmente se hace referencia a fuentes de
alimentación usadas para LEDs de potencia.
3.2. Luz blanca.
La luz blanca es el resultado de la combinación de rayos luminosos de diferentes
frecuencias (colores), es decir, el espectro de un rayo de luz blanca tiene una gran
cantidad de componentes espectrales. Modificando la cantidad de luz en cualquiera
de las componentes espectrales es posible conseguir diferentes tonos de blanco.
Dado que es de interés la aplicación de LEDs de potencia en iluminación, la búsqueda
de soluciones con alto IRC son las más requeridas, el IRC esta relacionado
directamente con el tono de blanco. Hay diferentes tonos de blanco comercialmente
disponibles, por ejemplo: blanco cálido (3000K), blanco (3500K), natural (4000K), blanco
frío (4200K) y luz de día (6500K). A cada uno de estos tonos de blanco corresponde un
IRC el cual se encuentra entre 80 y 90 para lámparas fluorescentes. Científicamente,
todas las cromaticidades del espectro del cuerpo negro sobre el lugar geométrico de
Planckian son “blancos” (más adelante se ilustra el lugar geométrico de Plankian).
Como se vio en el capítulo dos, los colores cercanos a este lugar geométrico son
comúnmente caracterizados por una CCT (Correlated Color Temperature) y una
desviación de su cromaticidad del lugar geométrico de Planckian. Esta desviación es
comúnmente llamada “tinte” y es entendida como una ligera coloración de la luz
emitida [21].
3.3. Diagramas de cromaticidad.
La comisión internacional de iluminación (CIE), estableció inicialmente un diagrama de
cromaticidad estándar en el año de 1931. Este diagrama fue establecido partiendo de
la consideración de los tres componentes necesarios para la percepción del color:
Luz, la cual suministra la energía espectral requerida para la visualización del
color. La luz bajo la cual el color es evaluado es muy importante. La fuente de
42
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
luz es uno de los elementos que debe ser controlado para poder evaluar
precisamente el color.
Objeto, el cual modifica la energía espectral de la fuente de luz. Los diferentes
colores afectan a la luz en forma diferente. Los colorantes (pigmentos) en los
objetos absorben algunas longitudes de onda de la luz y reflejan o transmiten
otras longitudes de onda. También el grado de rugosidad de una superficie crea
la percepción de lustre o brillantez. De forma general los objetos pueden ser
clasificados dependiendo de su interacción con la luz en: no metales opacos,
metales opacos, material transparente y material traslucido.
Observador, cuyo ojo y mente perciben el color y la apariencia. Ya que los ojos
de personas diferentes perciben el color y la apariencia en formas diferentes
(subjetivamente), se han hecho intentos por estandarizar un observador
humano. En este sentido Wright y Guild desarrollaron experimentos usando
voluntarios humanos para determinar su visión del color y desarrollar un
promedio o observador estándar.
La figura 3.1 muestra estos tres elementos.
Fuente de luz
O bjeto
O bs ervador hum ano
Figura 3.1. Elementos del sistema de observación visual.
El color puede ser evaluado subjetivamente (visualmente) o puede ser evaluado
objetivamente (con un espectrómetro o colorímetro). Para que el color pueda ser
cuantificado objetivamente se requieren los tres componentes antes mencionados
[22].
Existen patrones de referencia llamados “valores triestímulo”, estos valores son
obtenidos experimentalmente usando observadores estándares. Inicialmente se utilizó
un observador estándar con un campo visual de 2˚, es decir, únicamente se utilizó el
área de la fóvea. La fóvea es una porción de la retina que carece de bastones y que
tiene una gran cantidad de conos, esta porción de la retina constituye el punto de
máxima agudeza visual. Para obtener este observador estándar CIE, se llevaron a cabo
43
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
experimentos con un pequeño número de personas (15-20) con visión de color normal.
Este observador estándar CIE es usado comúnmente en trabajos relevantes de gráficos
en computadora. Posteriormente, en el año de 1964 se obtuvo un observador estándar
suplementario en el cual los experimentos de igualación del color se realizaron usando
un área de 10˚ sobre la retina. Este observador es comúnmente usado cuando se
requiere una visualización de más de 4˚. Los valores triestímulo obtenidos a partir de
esta evaluación experimental para un observador de 2˚ se muestra en la figura 3.2 (a) y
para un observador de 10˚ se muestra en la figura 3.2 (b).
Funciones de
de color
CIE (2-degree
1931 (Observador
de 2 grados)
CIEigualación
1931 Color Matching
Functions
observer)
2.00
1.80
1.80
z
1.60
1.20
1.00
y
0.80
x
0.60
1.40
1.20
0.60
0.40
0.20
450
500
550
600
650
700
0.00
750
[nm]
Longitud Wavelength
de onda (nm)
y
0.80
0.20
0.00
x
1.00
0.40
400
z
1.60
1.40
Valores
triestímulo
Tristimulus
values
Valores
triestímulo
Tristimulus
values
Funciones de
de color
CIE (10-degree
1964 (Observador
de 10 grados)
CIEigualación
1964 Color Matching
Functions
observer)
2.00
400
450
500
550
600
650
700
750
LongitudWavelength
de onda[nm]
(nm)
Figura 3.2. (a) Valores triestímulo para el diagrama de cromaticidad CIE 1931, (b) Valores
triestímulo para el diagrama de cromaticidad CIE 1964.
Tomando como referencia los valores triestímulo antes mencionados y teniendo en
cuenta el principio de aditividad de Grassman que nos dice que si cada uno de las
componentes monocromáticas de una radiación compuesta produce una sensación
de color, y es cierto que al sumar radiaciones se suman sensaciones, entonces es
posible tratar toda radiación compuesta bajo este principio [23]. Para poder
determinar el color de una radiación compuesta es necesario empezar por calcular sus
valores triestímulo y esto se hace mediante un proceso de integración. El primer paso es
conocer la composición espectral de la radiación; cada componente monocromático
debe ser igualado colorimétricamente con cada una de las aportaciones de los
estímulos de referencia en cantidades proporcionales al producto del flujo radiante por
las ordenadas correspondientes a cada función colorimétrica. Partiendo de este
análisis, se plantean las ecuaciones integrantes que debido a su complejidad para
implementarlas analíticamente, la función integrante es sustituida por una función
sumatoria. Estas funciones son llamadas valores triestímulo de la radiación compuesta y
se emplean X, Y y Z para representarlas. Finalmente las coordenadas de cromaticidad
son obtenidas a partir de las relaciones de cada uno de los valores triestímulo (X,Y y Z) y
su suma, como se muestra en la ecuación (III-1).
44
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
x=
X
X+Y+Z
y=
Y
X+Y+Z
z=
Z
X+Y+Z
(III-1)
La figura 3.3 muestra un diagrama de cromaticidad CIE 1931 obtenido al representar
las coordenadas de cromaticidad de los colores del espectro visible con una
simulación de los colores que se obtienen para las diferentes coordenadas cromáticas
de los colores de una radiación compuesta y utilizando un observador con un campo
visual de 2˚ [24].
Diagrama de cromaticidad CIE 1931
Observador de 2 Grados
Figura 3.3. Diagrama de cromaticidad CIE 1931(observador de 2 grados).
La variable “y” en (III-1) representa la luminancia, mientras que “x” y “z” representan la
cromaticidad.
En este punto es necesario aclarar que los sistemas que se han utilizado para
representar los colores han sido muy variados y con distintas características. Se ha
encontrado que los sistemas comúnmente utilizados en sistemas de iluminación
basados en LEDs de potencia han sido los sistemas CIE 1931 y CIE 1964.
3.4. Luz blanca mediante LED UV+Fósforo RGB.
Quizá sea la técnica menos popular para la obtención de luz blanca debido a algunas
desventajas potenciales en su operación. Una de ellas y quizá la más importante es
que la emisión de luz ultravioleta (UV) es dañina para el ser humano. Este tipo de
energía radiante provoca una lesión pequeña y amarillenta en el ojo llamada
“pinguécula”, la cual aparece generalmente en ambos lados de la córnea. Por otro
lado, hay límites sobre la eficacia debido a la eficiencia de conversión de los fósforos,
esta baja eficiencia se debe a que parte de la energía emitida por el LED se dispersa o
45
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
bien es absorbida por los fósforos. Un problema más, es que, debido a los efectos
dañinos de la luz UV, el empaque en el cual se monta el dispositivo debe ser robusto.
Además los fósforos deben ser estables respecto a cambios en la temperatura y deben
ser adecuadamente distribuidos para poder obtener uniformidad en la luz emitida.
Pero, no todas son desventajas en este método de obtener luz blanca, ya que por
ejemplo, el punto de color esta únicamente determinado por los fósforos, esto quiere
decir que si se logra una buena uniformidad en la colocación de los fósforos, se tendrá
una buena uniformidad en la luz blanca emitida. Por otro lado, es necesario mencionar
que es posible obtener excelentes índices de rendimiento del color (IRC).
Adicionalmente, en teoría, es un dispositivo fácil de fabricar y en cuestión de costos
puede ser viable. El sistema de alimentación se ve ampliamente simplificado y en
consecuencia es menos costoso [25]. La figura 3.4 muestra la respuesta espectral de un
LED blanco basado en esta técnica.
E s p e c tro d e l
LED UV
E s p e c tro
c o m b i na d o
E m i s ió n
d e l fó s fo ro
4 10
4 70
5 25
5 90
6 30
(nm )
Figura 3.4. Respuesta espectral para un LED blanco fabricado con la técnica LED UV+Fósforo
RGB.
Los fósforos consisten básicamente en una matriz activa, generalmente un óxido o un
semiconductor de banda ancha, dopado con un pequeño porcentaje de átomos
luminiscentes, generalmente de iones de metales de transición como el Ag+, Cr2+ o Nd3+
denominados activadores. Algunos fósforos comúnmente usados son: Silicato de Zinc,
Tungstanato de Calcio, Sulfuro de Zinc, Óxido de Ytrio, Óxido de Zinc y Sulfuro de
Cadmio. Así, la luminiscencia de estos fósforos esta basada en la recombinación del
par electrón-hueco, generado fundamentalmente por absorción.
Con el desarrollo de la tecnología, se han logrado utilizar algunos materiales en los
cuales la emisión de estos iones esta en la región espectral del verde y del rojo. Los más
conocidos hasta ahora son el Ce3+ y Eu2+. Una diferencia esencial entre el Ce3+ y el Eu2+
es el ancho de la banda de emisión respectiva: mientras que el Eu2+ muestra anchuras
promedio de 30 a 60 nm, dependiendo del material anfitrión, el Ce3+ tiene la emisión
más ancha que cualquier ión de tierra rara, 80 a 100 nm [21]. En general, existe una
amplia variedad de compuestos (fósforos) cuyo comportamiento espectral permite su
uso en algunas aplicaciones.
46
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
3.5. Luz blanca mediante LED Azul+Fósforo amarillo.
La estructura física de este tipo de LEDs es muy semejante a lo que se explicó en la
sección anterior, la figura 3.5 muestra el contenido espectral de un LED basado en esta
técnica. Existen algunas variantes interesantes, una de ellas es que en este tipo de
sistema no existe emisión de luz UV, por lo que no tiene problemas en cuanto al
empaque se refiere. Esta es una técnica en la que la eficacia es elevada respecto a la
anterior, pero los índices de rendimiento del color son, hasta cierto punto, bajos.
E s p e c tro
c o m b ina d o
E m is ió n
d e l fó s fo ro
E s p e c tro d e l
L E D A zul
4 70
5 25
5 90 6 30
(n m )
Figura 3.5. Contenido espectral de un LED blanco basado en la técnica LED azul+Fósforo
amarillo.
La combinación de un fósforo con un LED tiene muchos aspectos importantes además
de la eficiencia. La característica más importante en la producción de luz blanca es el
aspecto del color. Para exponer esto, se presenta en la figura 3.6 un diagrama de
cromaticidad CIE 1931 (se usa este diagrama ya que es el más popular) [21].
Coordenadas x,y para el
fósforo amarillo
LED InGaN / Blanco 5500K
(LED azul+fósforo amarillo )
LED InGaN (Azul)
470 nm
Curva del cuerpo negro
Diagra ma de crom aticidad
CIE 1931
Figura 3.6. Diagrama de cromaticidad para mostrar la obtención de luz blanca usando la
técnica de LED azul+Fósforo amarillo.
La figura 3.6 muestra que si modificamos la cantidad de fósforo dentro del empaque
del LED se puede ir, idealmente, del punto de cromaticidad del LED azul a lo largo de
una línea recta al punto de cromaticidad del fósforo. A esta línea recta trazada entre
estos dos puntos, se le llama línea del pcLED (phosphore converted Light Emitting
Diode); se le llama pcLED a los dispositivos LED que usan fósforos para obtener luz
47
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
blanca. En la realidad resulta complicado lograr esto. Por un lado hay limitaciones
respecto a las características de los LEDs azules que hoy en día se fabrican, es decir,
solo es posible obtener algunas longitudes de onda y por otro lado, los materiales
usados en los fósforos también tienen limitaciones en sus características. Lo anterior nos
lleva a que solo ciertos tonos de blanco puedan obtenerse. En algunos casos sucede
que la línea recta trazada entre el LED y el fósforo cruza el lugar geométrico de
Planckian que define el color blanco. De modo que solo un blanco, un valor de CCT y
un índice de rendimiento del color pueden ser producidos con esta combinación.
Aunque, haciendo un poco de lado la afirmación de que “blanco=lugar geométrico
de Planckian”, entonces es posible obtener un intervalo de CCT, lo cual puede hacer
más tangencial la línea del pcLED al lugar geométrico de Planckian, como lo ilustra la
figura 3.6. Comercialmente se han encontrado pcLEDs basados en esta técnica con
CCT´s de 5500K y 3200K y con IRC´s de 70 y 90 respectivamente.
El material en el cual la emisión del Ce3+ ha sido usada en aplicaciones comerciales es
el Y3Al5O12:C3+ o escrito en forma corta YAG:Ce. Este fósforo ha sido usado en lámparas
de descarga para convertir los 435 nm de la emisión del mercurio dentro del espectro
amarillo. El primer pcLED fue fabricado introduciendo este mismo fósforo dentro del
material epoxi del encapsulado del LED azul. Partiendo de esto se han utilizado ya una
gran cantidad de tipos de fósforos combinados con LEDs en el espectro azul [21]. En la
figura 3.7 (a) se muestra un diagrama de cromaticidad en el que se representan
algunos tipos de fósforos en combinación con un mismo LED azul y algunas de las CCT´s
que es posible obtener mediante estas combinaciones. Por otro lado en la figura 3.7 (b)
se observa el espectro de un LED blanco con una temperatura del color de 4000K y un
IRC de 75. Este IRC no es muy grande pero es adecuado en algunas aplicaciones [25].
0.9
LED, T=25°C
LED, T=105°C
YAG:Ce
Plankian locus
CIE 1931
0.8
0.7
530
520
Algunas combinaciones de
materiales para crear fósforos diferentes
540
0.6
510
70
60
50
0.5
500
590
0.4
0.3
600
10000K
620
630
2500K
490
3300K
0.2
480
0.1
470
460
450 nm
0.0
0.0
40
30
20
640
5000K
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
CCT=4000K, IRC=75
0.8
(a)
10
0
400
500
600
700 nm 800
(b)
Figura 3.7. (a) Diagrama de cromaticidad que ilustra algunas combinaciones de LED
azul+Fósforo amarillo, (b) Respuesta espectral de un LED blanco usando la combinación de LED
azul+Fósforo amarillo.
48
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
En el proceso de fabricación, es importante la colocación de los fósforos sobre el chip
del LED ya que influye en la uniformidad de la luz emitida. Las técnicas utilizadas para
colocar los fósforos sobre el chip del LED han ido evolucionando; en un principio se
utilizaba un proceso que consistía en distribuir el fósforo sobre el chip de manera no
uniforme, con lo que la luz azul viajaba distancias distintas para salir al exterior. Es decir,
existían partes del cubrimiento de fósforo que eran más gruesas que otras, esto
provocaba que la luz emitida fuera no uniforme. La solución a este problema fue
colocar el fósforo distribuido de manera uniforme sobre el chip del LED, de esta forma
la luz emitida por el LED viaja la misma distancia en los diferentes ángulos en los que se
emite, de tal suerte que es más uniforme [3]. En la figura 3.8 se muestran los métodos
antiguo y moderno para colocar los fósforos.
Fósforo
Chip Azul
Método
moderno
Método
antiguo
Figura 3.8. Métodos antiguo y moderno para la deposición de fósforos.
La figura 3.9 muestra un ejemplo de LEDs basados en esta técnica disponibles
comercialmente. A continuación se listan algunas de sus características:
Tienen una salida espectral con una CCT de 3200K nominal, ideal para fuentes
de luz en interiores.
IRC de 90, buen rendimiento del color comparado con otras fuentes de luz de
estado sólido.
Tiempo de vida de alrededor de 100 Khrs.
Bajo voltaje de operación de cd.
Encendido instantáneo (menos de 100 ns).
Completamente dimmable.
No emite luz UV.
Presenta buena protección contra descargas electrostáticas (ESD).
Son construidos con tecnología InGaN.
Presentan 70% de la energía luminosa inicial después de 50,000 horas de
operación.
Figura 3.9. LEDs blancos usando la técnica del LED azul+Fósforo amarillo
49
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
3.6. Luz blanca mediante LEDs RGB.
Como ya se vio, la mezcla de los tres colores primarios RGB (Red, Green and Blue),
permite obtener cualquier color dentro del espectro electromagnético visible. Esta idea
se toma para combinar LEDs RGB con el fin de obtener luz blanca. La figura 3.10
presenta el contenido espectral para una fuente de luz blanca usando esta técnica.
Pico Rojo
Pico Azul
Pico Verde
470
525 590 630
(nm)
Figura 3.10. Respuesta espectral para una fuente de luz blanca usando la técnica RGB.
La técnica RGB es una técnica que al igual que otras presenta ventajas y desventajas.
Para utilizar esta técnica adecuadamente es necesario tener presentes las
características de los dispositivos que se van a utilizar, el dato más importante es la
cantidad de flujo luminoso (lm) que cada dispositivo emitirá en las condiciones de
operación de una implementación en particular. Debido a que es una técnica que
permite obtener luz blanca utilizando un dispositivo óptico para mezclar la luz, presenta
una eficacia elevada respecto a otras técnicas, en las que se usan fósforos para filtrar
ciertas longitudes de onda. Por otro lado, la cantidad total de luz emitida para cada
una de las fuentes de luz de cada color debe ser precisa, esto implica tener una fuente
de alimentación que permita ajustar la cantidad de luz de cada luminaria. Además, si
se tiene como objetivo mantener fijo el punto de color de la luz blanca obtenida, es
necesario tener lazos de control que realicen esta tarea. Esta tarea no es fácil de llevar
a cabo, ya que, como se mencionó en el capítulo dos, los LEDs presentan
dependencias respecto a la temperatura. Por ejemplo, un LED rojo (fabricado con
tecnología AlInGaP) reduce su flujo luminoso en un 10% por cada 10˚C que la
temperatura se incrementa, un LED verde (fabricado con tecnología InGaN) reduce su
flujo luminoso un 5% por cada 10˚C que la temperatura aumenta y un LED azul
(fabricado con tecnología InGaN) reduce su flujo luminoso en un 2% por cada 10˚C
que la temperatura se incrementa. Además, el espectro de un LED tiene un corrimiento
hacia una longitud de onda mayor con el incremento de la temperatura. De manera
que para lograr tener un punto de color fijo, es necesario tener un lazo de control que
sense la luz que cada fuente de luz de color primario emite y en relación con una
50
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
referencia ajustar la cantidad de luz emitida, ya sea mediante técnicas de PWM o bien
mediante la variación de la corriente [8]. En este punto cabe recordar que cuando se
incrementa el nivel de corriente en un LED, el espectro del LED tiene un corrimiento
hacia una longitud de onda más corta.
Salida de luz Relativa (%)
Otro parámetro que es necesario tener presente y en consecuencia compensar, es el
efecto del envejecimiento. A pesar de que los LEDs tienen la excelente característica
de tener una larga vida útil, sus propiedades de desempeño se ven ligeramente
afectadas en relación con el tiempo de operación. La figura 3.11 presenta una gráfica
comparativa del efecto del envejecimiento en algunas fuentes de luz [26].
100
Luxeon de
dealta
altapotencia
potencia
90
LED
5 mm
blanco
white de
LED
5mm
80
Incandescente
Incandescente
60
40
20
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tiempo (hrs)
Figura 3.11. Efecto del envejecimiento en algunas fuentes de luz artificial.
Como puede verse en la figura anterior, la salida de luz relativa para un LED Luxeon de
alta potencia permanece casi constante hasta, alrededor de 6000 horas, después de
este punto la cantidad de luz que emite comienza a reducirse. Este efecto es necesario
compensarlo ya sea incrementando el nivel de corriente o aumentando el ciclo de
trabajo si se están utilizando técnicas PWM. Los LEDs Luxeon de potencia presentan una
reducción de solo el 30 % de la cantidad de luz original después de 50,000 horas. Esto
tiene una comparación favorable respecto a fuentes de luz convencionales.
Por otro lado, si los requerimientos no exigen mantener un punto de color constante,
entonces el color puede ser cambiado dinámicamente modificando las cantidades
con las que cada color contribuye.
Según Grassman [23], para producir luz blanca a partir de los colores primarios es
necesario tener cantidades iguales de rojo, verde y azul, aunque en el experimento de
Grassman no se utilizan cantidades iguales en términos de lúmenes sino en unidades
tricromáticas. Estas unidades tricromáticas (T), están relacionadas mediante las
siguientes igualdades con los lúmenes:
51
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
1 unidad T de rojo = 0.30 lúmenes de rojo.
1 unidad T de verde = 0.59 lúmenes de verde.
1 unidad T de azul = 0.11 lúmenes de azul.
Partiendo de las igualdades anteriores podemos escribir que:
3 unidades T=0.30+0.59+0.11= 1 lúmen de blanco.
En general para producir luz blanca la relación de intensidad luminosa R:G:B= 3:7:1
(esto depende de las coordenadas del color de cada uno de los colores primarios).
Un diagrama de cromaticidad en donde podemos ver las múltiples posibilidades que
se tienen al combinar los colores primarios se muestra en la figura 3.12.
Coordenada y
Verde 520 nm
4.6 lm rojo + 10 lm
verde + 1 lm azul
Rojo 620 nm
1 lm rojo + 1 lm verde + 1 lm azul
Azul 467 nm
Coordenada x
Figura 3.12. Diagrama de cromaticidad para ilustrar la obtención de luz blanca mediante la
técnica RGB.
En la gráfica anterior, el área encerrada por el triangulo azul representa los colores que
es posible obtener al combinar en distintas cantidades los colores primarios. La línea
roja representa el lugar geométrico de Planckian o curva del cuerpo negro. Se observa
un ejemplo de una fuente de luz blanca que se obtiene al combinar 4.6 lúmenes de
rojo, 10 lúmenes de verde y 1 lumen de azul. También se muestra el punto de color que
se obtiene al combinar cantidades iguales de los tres colores (en lúmenes) [4].
Este tipo de técnica tiene aplicaciones en algunos sistemas de Backlighting y pantallas.
Se utilizan sistemas ópticos y electrónicos (control) muy avanzados para lograr una
buena uniformidad en la luz emitida. Un esquema de un sistema de este tipo se
muestra en la figura 3.13. El tipo de LEDs usados en este tipo de sistemas dependen del
tamaño de la pantalla, de la aplicación y de los parámetros de diseño.
52
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
S en sor d e color
C ontrol LC D
G uía d e la m ezc la d el c olor y p an el LC D
S en sor d e tem p eratu ra
F u ente d e luz L F B
R . T em p er at ura
C o n tro l
L fB
R . Ó p tic a
L C D /C on trolad or
d el d isp lay
S inc ronía
C o rrie n te PW M
Fu e n te d e
A lim en ta ció n
C on trol
PW M
C on trol A M
D inám ic a
C ontrol d e B ac k lig ht
B rillo
C olor
Figura 3.13. Sistema a bloques para una pantalla LCD.
Con los recientes desarrollos, es posible pensar en nuevas aplicaciones que requieran
un alto desempeño de la fuente de luz. Algunos diseñadores ya han pensado en la
fabricación de dispositivos en los cuales se incluyan chips de los tres colores primarios
en un mismo encapsulado, esto hará que la fuente de luz sea mucho más eficiente
que usando fósforos.
Por otro lado, es necesario considerar la estructura física que se utilizará para llevar a
cabo la mezcla de los tres colores, es decir, que tipo de arquitectura se usará para
implementar la máquina. Esto, dependerá en gran medida del tipo de aplicación en la
que se este trabajando. En algunos casos se tendrán espacios reducidos, espacios
amplios, características eléctricas diferentes (cantidad de dispositivos de cada color),
etc. Algunas arquitecturas que pueden ser implementadas se muestran en la figura
3.14.
Lente
Condensador
Espejo de
superficie frontal
Túnel de
luz
Dicroico
LED
Azul
LED
Rojo
LED
verde
(a)
(b)
(c)
Figura 3.14. Arquitecturas usadas para obtener luz blanca combinando los colores primarios.
En la figura 3.14 (a) se muestra una arquitectura que hace uso de algunos elementos
ópticos para mezclar la luz al igual que en la figura 3.14 (b), en donde se utilizan
53
CAPÍTULO 3
LEDs DE POTENCIA EN LA GENERACIÓN DE LUZ BLANCA
elementos ópticos un poco más específicos, finalmente en la figura 3.14 (c) la
arquitectura mostrada presenta solo un elemento óptico para mezclar la luz. En
general es posible colocar las fuentes de luz de muchas formas, decidir cual es la mejor
y la que tendrá un mejor desempeño dependerá específicamente de la aplicación.
3.7. Fuentes de alimentación para LEDs de potencia.
Los esquemas de alimentación para cada tipo de LED pueden tener una gran
variedad de enfoques. Estos enfoques dependen principalmente de las características
de los dispositivos, de la forma en la que estos son conectados y de la aplicación en
particular. En el caso de los pcLEDs los esquemas de alimentación para propósitos
generales son sencillos. Pueden ser alimentados desde una simple batería hasta una
fuente de alimentación conmutada con característica de dimming. Algunos ejemplos
de esquemas de alimentación propuestos en [27] y [28] se muestran en la figura 3.15.
IL1
Ic1
3.6 ohm s
360 m A
C o rriente
de l LE D
1.25 V
LED
L1
E ntra da
10 V d c
@ 1 A
Vin
C ontrol
LED
ID 1
S alida
5 Vdc
@ 2 A
D1
VQ1
IL2
M C 332 69
R egu lador
Line al
A justab le
L2
C2
U1
0.1 uF
(b)
(a)
Figura 3.15. (a) Regulador de corriente constante, (b) Convertidor SEPIC
El esquema de la figura 3.15 (a) es un esquema muy sencillo y es útil para alimentar
pcLEDs en aplicaciones que no demandan altos estándares de desempeño. Por otro
lado, la figura 3.15 (b) muestra un convertidor conmutado tipo SEPIC el cual fue
propuesto para alimentar 10 LEDs conectados en serie. El circuito permite tener una
corriente de entrada suavizada, solo utiliza un interruptor y puede trabajar en un amplio
intervalo del voltaje de entrada, tanto por encima como por debajo del voltaje
nominal. Así como los dos ejemplos expuestos anteriormente es posible encontrar una
amplia variedad de circuitos para alimentar LEDs, la elección de un circuito en
particular dependerá de los parámetros de diseño y de la aplicación en particular.
Por otro lado, los esquemas de alimentación para fuentes de luz blanca RGB,
presentan una mayor complejidad. El sistema de alimentación se vuelve más complejo
debido a que es necesario tener un adecuado control de algunos parámetros que
afectan el desempeño del los LEDs, como son: corriente, temperatura, flujo luminoso y
tensión. En el capítulo 1 se presentaron algunos esquemas utilizados para alimentar
fuentes de luz blanca usando la combinación RGB.
54
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
55
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
4.1. Introducción.
En este capítulo se abordan los detalles del diseño de la fuente de alimentación. De
acuerdo con el estudio sobre LEDs hecho anteriormente, se han establecido las
especificaciones generales. Posteriormente se presenta una revisión de las
características de algunas topologías opcionales para la implementación y en base a
esto se propuso un esquema de alimentación. Después de presentar el esquema
propuesto se exponen los desarrollos de diseño, simulación, implementación y
resultados experimentales de las dos etapas del circuito de alimentación.
4.2. Especificaciones generales.
El esquema de alimentación para alimentar LEDs de potencia se ha propuesto con
base en la teoría estudiada en los capítulos precedentes. De esta forma, las
características del esquema se centran básicamente en tener un control preciso e
independiente de la corriente de salida para poder compensar los efectos de las
variables que afectan el desempeño de los LEDs, tales como: temperatura,
envejecimiento y cambios en el punto de color. El esquema de alimentación tiene el
objetivo de mantener la operación de los LEDs dentro de los parámetros nominales
establecidos por el fabricante, logrando estos objetivos, la confiabilidad y la larga vida
útil de los dispositivos estará asegurada.
Otro punto importante a considerar en la elección de un esquema de alimentación,
son las características de entrada. La conexión a la red eléctrica es una característica
deseada en este esquema de alimentación. Además, es interesante agregar
características adicionales como la reducción de corrientes armónicas inyectadas a la
red eléctrica y la corrección del factor de potencia, aunque cabe aclarar que esto
solo es necesario bajo ciertas consideraciones como: potencia, normalización
particular de cada país, etc.
El esquema de alimentación tendrá básicamente tres salidas controladas de manera
independiente con el objetivo de alimentar LEDs de colores, cuyas aplicaciones
pueden orientarse a semáforos, generación de otros colores incluyendo luz blanca
(RGB), etc. La versatilidad de la fuente de alimentación permitirá darle algunos
enfoques diferentes en algunas aplicaciones.
Los requerimientos principales para el esquema de alimentación se listan a
continuación:
56
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
Conexión a la red eléctrica nacional (127 V ac, 60 Hz).
Corrección del factor de potencia.
Conexión de un total de 5 LEDs de 1 W máximo para cada módulo (350 mA por
LED), conectados en paralelo.
Tensión de salida de 3.5 V cd ajustable en cada módulo de alimentación.
Corriente de salida constante, pero ajustable de forma independiente en cada
módulo (necesario para compensar los efectos de la temperatura y el
envejecimiento).
Densidad de potencia (uso de componentes de montaje superficial).
Es de interés primordial obtener un buen manejo de los LEDs.
4.3. Revisión de alternativas para el esquema de alimentación.
Con la intención de buscar un esquema adecuado a las necesidades del proyecto, se
presenta una revisión de topologías de fuentes conmutadas. Cabe aclarar que sólo se
hizo una revisión de las ventajas y desventajas de las topologías revisadas y además se
limito a técnicas PWM. En la tabla 4.1 se muestra un resumen de las topologías
revisadas [29].
Tabla 4.1. Topologías revisadas para la implementación de la fuente de alimentación.
TOPOLOGÍA
VENTAJAS
DESVENTAJAS
1.- Múltiples salidas con convertidores
independientes.
1.- Todas las salidas pueden ser
reguladas individualmente.
2.- Fácil establecer características
particulares a cada carga.
3.- Su operación es completamente
predecible incluyendo la respuesta
dinámica.
1.- Consideraciones particulares para
evitar problemas relacionados con el
ruido entre convertidores.
2.- No es una topología barata debido a
la cantidad de componentes magnéticos.
1.- Fácil establecer características
particulares a cada carga.
2.- Se usa un solo transformador de
aislamiento.
3.- Es posible sincronizar las unidades
para reducir el ruido en el bus de
entrada.
4.- El modelo en pequeña señal es
predecible.
5.- Posible incluir otras prestaciones al
convertidor de entrada.
1.- Consideraciones particulares para
evitar problemas relacionados con el
ruido entre convertidores.
2.- Hay menor flexibilidad en el
aislamiento entre cada una de las
salidas.
P WM 1
Vcd
PW M 2
PW M 3
2.- Convertidor con una etapa de
entrada
(aislada) y convertidores
independientes a la salida.
PW M 1
PW M 2
PWM 4
PW M 3
57
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
3.- Flyback con múltiples salidas.
1.- Menor cantidad de componentes.
2.- Bajo costo.
3.- Diseño del circuito sencillo.
4.- Adecuado para un amplio rango de
entrada debido a la relación de
conversión del convertidor Flyback.
5.- Todas las salidas son aisladas.
1.- La regulación cruzada es una función
del diseño del transformador.
2.- El análisis de regulación del peor
caso depende de datos empíricos.
3.- No es posible controlar cada salida
de manera independiente.
1.- Cantidad de partes reducida.
2.- Bajo costo.
3.- Diseño del circuito sencillo.
4.- Un solo transformador para varias
salidas.
5.- Todas las salidas están aisladas.
6.- El desempeño en pequeña señal es
predecible.
1.- El amplio rango de regulación con
cargas ligeras sobre cualquier salida
provoca MCD.
2.- El análisis de regulación del peor
caso depende de datos empíricos.
3.- No es posible controlar cada salida
de manera independiente.
1.- Menor cantidad de componentes.
2.- Bajo costo.
3.- Diseño del circuito sencillo.
4.- Todas las salidas están aisladas.
1.- La regulación cruzada es una función
del diseño magnético.
2.- El diseño del circuito impreso puede
ser complicado.
3.- El diseño en pequeña señal es
complejo.
4.- No es posible controlar cada salida
de manera independiente.
1.- Regulación precisa de las dos
salidas.
2.- Diseño del circuito sencillo.
3.- Ambas salidas aisladas.
1.- El amplio rango de regulación con
cargas ligeras sobre cualquier salida
provoca MCD.
2.- Una salida debe mantenerse siempre
en MCD.
3.- Controlador más completo.
4.- La operación en frecuencia variable
cambia ampliamente para cargas
grandes.
1.- Buena regulación cruzada con
devanados
múltiples
en
el
transformador.
2.- Solo un inductor.
3.- Facilidad para agregar devanados
adicionales y estandarizar el diseño.
1.- Altos esfuerzos de voltaje en el
devanado primario.
2.- Topología compleja.
3.- Modelo en pequeña señal difícil de
adecuar con las mediciones en altas
frecuencias.
4.- No es posible controlar cada salida
de manera independiente.
PW M 4
4.- Forward con múltiples salidas.
PW M 1
5.- Forward con múltiples
(inductor de salida acoplado).
salidas
PWM 1
6.- Esquema de control PWM-FM.
PWM
1
Controlador PWM
Red de compensación.
7.Convertidores
corriente.
manejados
en
PWM 1
50% 50%
58
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
8.- Forward con múltiples salidas, cada
salida controlada independientemente.
PWM 1
PWM 2
1.Todas
las
salidas
son
independientes. Ajuste de regulación
sobre cada salida.
2.- El procedimiento de diseño es
estándar para todos los requerimientos.
3.- El circuito del primario es
estandarizado.
4.- El modelo en pequeña señal es
predecible para la estabilidad del
sistema.
1.-Se requiere un control PWM para
cada salida.
3.- No puede usarse control en modo
corriente para el lado del primario.
1.Todas
las
salidas
son
independientes. Ajuste de regulación
sobre cada salida.
2.- Elevada eficiencia en la salida
principal.
1.- Controlador PWM por separado en
cada una de las salidas.
2.- Las salidas auxiliares deben ser
habilitadas con ciclos de trabajo más
cortos que el de la salida principal, esto
incrementa
el
esfuerzo
en
los
dispositivos y provoca problemas de
regulación.
3.- En el lado del primario no puede
utilizarse control en modo corriente.
1.- Ajuste de regulación sobre cada
salida.
2.- Alta eficiencia en la salida principal.
3.Bajo
costo
para
algunas
aplicaciones.
1.Se
requieren
componentes
magnéticos extra.
2.- Perdidas en el núcleo de los
componentes magnéticos.
3.- Se requiere de un controlador para
los componentes magnéticos y el
desempeño en pequeña señal es
complejo.
4.- Las salidas auxiliares deben ser
habilitadas con ciclos de trabajo más
cortos que el de la salida principal, esto
provoca esfuerzos elevados y problemas
de regulación.
5.- No es posible controlar cada salida
de manera independiente.
1.- Buena eficiencia.
2.- Flexibilidad en las salidas.
3.- Cada salida secundaria es regulada
por su propio convertidor.
1.- Cantidad de componentes.
2.- Costo.
PW M 4
50%
PWM 3
9.- Forward con múltiples salidas, todas
las salidas auxiliares controladas
independientemente.
PWM 2
PW M 1
PWM 3
10.- Forward con múltiples salidas,
salidas auxiliares con amplificadores
magnéticos.
PW M 2
Salida principal
PW M 3
PWM 1
11.- Salida dual con bus auxiliar.
PWM 2
PWM 3
PW M 1
De acuerdo con la tabla anterior es claro que se tienen ciertos compromisos entre
lograr una u otra característica en el esquema de alimentación. Por ejemplo en
algunos casos es posible tener un control en cada una de las salidas pero, las perdidas
por conmutación se incrementan, en otros casos si se utiliza aislamiento en cada salida,
el costo se incrementa, etc. Por lo tanto, se requiere que en la selección de un
59
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
esquema en particular se consideren dichos compromisos y adicionalmente se tengan
presentes las características que la aplicación en particular exige.
4.4. Selección del esquema de alimentación.
Uno de los requerimientos principales del esquema de alimentación es que
proporcione primordialmente un adecuado manejo de los LEDs de potencia. Por lo
tanto, un adecuado control de la corriente y de la tensión de salida son características
que se deben incluir en dicho esquema. En el lado de la entrada es necesario cumplir
con la especificación de corrección del factor de potencia y la conexión a la red
eléctrica. Para lograr lo anterior se ha propuesto el esquema mostrado en la figura 4.1.
CONV. BUCK
SÍNCRONO
LED´S
ROJOS
CTRL. MODO
CORRIENTE
TENSIÓN
DE LÍNEA
FILTRO
DE EMI
CONV. BUCK
SÍNCRONO
CONV.
FLYBACK
LED´S
VERDES
Luz
blanca
CTRL. MODO
CORRIENTE
CTRL. MODO
TENSIÓN
CONV. BUCK
SÍNCRONO
LED´S
AZULES
CTRL. MODO
CORRIENTE
Figura 4.1. Esquema de alimentación propuesto con posible aplicación a la generación de luz
blanca.
El esquema esta dividido básicamente en dos etapas:
Primera etapa (etapa de entrada): Como se observa en la figura 4.1, el esquema se
alimenta del voltaje de línea. Posteriormente, la señal de línea es filtrada y rectificada
con un puente de diodos. Finalmente se utiliza un convertidor flyback controlado en
modo tensión. Este convertidor permite corregir el factor de potencia, proporciona
aislamiento galvánico y protección contra sobrecorrientes. Además, esta etapa de
pre-regulación se usa para conseguir reducir la tensión de línea (127 V ac) a una
tensión de 12 V cd.
60
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
Segunda etapa (etapa de salida): Ya que la tensión requerida para alimentar los LEDs
es de 3.5 V cd, se propone un convertidor reductor (Buck) para reducir la tensión de 12
V cd a 3.5 V cd. El convertidor reductor es una topología que emplea pocos
componentes y se le ha agregado la característica de rectificación síncrona para
incrementar la eficiencia. Para cumplir con el requerimiento de tener corriente
constante a la salida, se propone un control en modo corriente promedio. Por otro
lado, para poder alimentar tres módulos de LEDs se propone conectar tres módulos de
convertidores reductores en paralelo.
Con el esquema de alimentación propuesto se cumple con los requerimientos
establecidos en el primer apartado de este capítulo.
4.5. Convertidor flyback en MCD.
4.5.1. Especificaciones.
Las especificaciones y el esquema básico del convertidor flyback se muestran en la
figura 4.2.
PARÁMETRO
MAGNITUD
Vinmax
140 Vrms
Vinmin
90 Vrms
Vinnom
120 Vrms
Vout
12 V cd
∆Vout
900 mV
Pout
30 W
Fsw
50 Khz
Iout
2.5 A
Figura 4.2. Especificaciones y esquema básico del convertidor flyback.
4.5.2. Análisis y simulación.
La característica de corrección de factor de potencia permite tener una alta calidad
en la corriente de línea. El convertidor flyback es una opción atractiva cuando se trata
de sistemas de baja potencia (<500 W) debido a su simplicidad y flexibilidad. Con la
topología flyback se resuelven los problemas de aislamiento galvánico y protección
contra corto circuito. También, la tensión de línea no es necesariamente menor que la
tensión de salida como ocurre en otras topologías. En [30] se demuestra que el
convertidor flyback en modo de conducción discontinuo (MCD) operando con un
ciclo de trabajo constante durante un semiciclo de línea, puede verse como un resistor
libre de pérdidas ya que se comporta como una carga resistiva a la red de
alimentación. Bajo estas condiciones la forma de onda de la corriente de entrada
61
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
tiende a seguir a la de tensión y estando en fase dan como resultado un factor de
potencia idealmente unitario.
El análisis del convertidor básicamente consiste en identificar sus dos fases principales
de operación:
1.- Fase de almacenamiento de energía: Cuando el interruptor S1 (figura 4.2) esta
encendido, el devanado primario del transformador se comporta como un inductor,
almacenando energía proporcionalmente a la tensión de entrada. Debido a que la
polaridad de los devanados primario y secundario es opuesta, no existe transferencia
de energía a la carga (el diodo rectificador DOUT esta polarizado inversamente).
Durante esta etapa, solo el devanado primario del transformador esta activo y por lo
tanto puede verse como un simple inductor en serie con la fuente de alimentación.
2.- Fase de transferencia de energía: Cuando S1 se apaga, la corriente del devanado
primario deberá decrecer a cero. Debido a que la polaridad del los devanados se
invierte como consecuencia del colapso del campo magnético (efecto de retroceso o
flyback), el diodo DOUT conduce y la energía almacenada durante la fase de
almacenamiento de energía se transfiere al devanado secundario [31,32].
La figura 4.3 presenta los circuitos equivalentes para ambas fases de operación
(interruptor abierto e interruptor en conducción).
L p rim
Lm
Vs
V1
Lsec
V2
L p rim
Co
RL
Vs
Vs= V1
Lm
Lse c
V2
C
RL
V s=V 1
Figura 4.3. Circuitos equivalentes para las dos fases de operación del convertidor flyback.
Partiendo de estos dos circuitos equivalentes y haciendo uso de las herramientas del
análisis de circuitos eléctricos, se obtienen las ecuaciones del circuito. Dichas
ecuaciones se resumen a continuación:
LS =
Vo2
Po
 R
·V 
4·FS ·1 + vueltas o 
 Vin min · 2 
(IV-1)
2
62
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
2
LP = (Rvueltas ) ·LS
(IV-2)
D=
Rvueltas ·Vo
2·L ·F
· 2· S S
Rmin
Vmin · 2
(IV-3)
Co =
Po
2·π · f linea ·Vo ·∆Vo
(IV-4)
Usando las ecuaciones anteriores se obtienen las magnitudes desconocidas del
circuito. Los resultados encontrados al evaluar las ecuaciones anteriores se muestran en
la tabla 4.2.
Tabla 4.2. Parámetros de simulación para el convertidor flyback.
Parámetro
Magnitud
Lp
572.3 µH
Ls
5.723 µH
Dmin
29.6%
Dmax
46%
Dnom
34.5%
Co
8.8 mF
Rout
4.8 Ω
Los resultados obtenidos de la simulación en Pspice se presentan en la figura 4.4.
CORRIENTE DEL PRIMARIO Y TENSIÓN DE COMPUERTA
CORRIENTE Y TENSIÓN DE SALIDA
15
15
2020V
V
TENSIÓN DE SALIDA
1010V
V
0 V0V
10
10
TENSIÓN DE COMPUERTA
SEL>>
-10
V
-10V
V(M5:g)
3.5A
3.5
A
CORRIENTE PICO=2.2 A
55
2.0A
2
A
CORRIENTE DE SALIDA
0A
0A
CORRIENTE EN EL PRIMARIO
00
0s
50ms
50ms
V(D6:2) -I(R3)
100ms
100ms
150ms
150ms
200ms
200ms
250ms
250ms
300ms
300ms
350ms
350ms
400ms
400ms
487.42
ms
487.42ms
I(L1)
450ms
450ms
487.44
ms
487.44ms
487.46
487.46ms
ms
(B)
0A
0A
-1.0A
-1A
-199Hz
-200V
>>
-2A
-2.0A
487.54
487.54ms
ms
487.56
487.56ms
ms
CORRIENTE Y TENSIÓN DE ENTRADA
1.0A
1A
-100Hz
-100V
487.52
487.52ms
ms
(A)
CORRIENTE EN EL DEVANADO PRIMARIO
0Hz
0V
CORRIENTE DE ENTRADA (B)
TENSIÓN DE ENTRADA (A)
100Hz
100V
2.0A
2A
2
487.50
ms
487.50ms
Time
TIEMPO
CORRIENTE Y TENSIÓN DE ENTRADA
200Hz
1 200V
487.48
487.48ms
ms
Time
TIEMPO
6A
6.0A
4.0A
4A
2.0A
2A
0A
0A
1
150.0ms
150ms
160.0ms
160ms
V(D1:1,D3:1) 2
170.0ms
170ms
-I(V3)
180.0ms
180ms
190.0ms
190ms
200.0ms
200ms
210.0ms
210ms
220.0ms
220ms
232.6ms
232.6ms
Time
TIEMPO
8.34ms
12.00ms
8.34ms
12ms
I(L1)
16.00ms
16ms
20.00ms
20ms
24.00ms
24ms
28.00ms
28ms
TIEMPO
Time
Figura 4.4. Resultados de la simulación del convertidor flyback.
63
32.00ms
32ms
36.00ms
36ms
40.00ms
40ms
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
Los resultados de las simulaciones muestran que el comportamiento del convertidor
corresponde a los parámetros de diseño establecidos; la tensión de salida tiene un
valor de 12 V cd y por otro lado el valor de la corriente es de 2.5 A. Además, se observa
que la forma de onda de la corriente de entrada es prácticamente sinusoidal, así, el
factor de potencia es elevado. Se hace un análisis de Fourier de la forma de onda de
la corriente para obtener su contenido armónico (THD) y así comprobar que
efectivamente el factor de potencia es elevado. El factor de potencia y el THD están
relacionados por la ecuación (IV-5).
F .P. =
cosθ
(IV-5)
1 + (THD ) 2
El espectro en frecuencia que muestra el contenido armónico de la señal de la
corriente de entrada se muestra en la figura 4.5.
445 mA
MAGNITUD DE LAS ARMÓNICAS (mA)
400 mA
FUNDAMENTAL A 60 Hz 413 mA
THD= 2.54 %
300 mA
200 mA
100 mA
PRIMER ARMÓNICO A 180 Hz 6.8 mA
0A
0 Hz
0.40 kHz
0.80 kHz
1.2 kHz
1.6 kHz
2 kHz
2.4 kHz
2.8 kHz
FRECUENCIA
Figura 4.5. Contenido armónico de la corriente de entrada del convertidor flyback.
De acuerdo con la simulación y sustituyendo el valor del THD en (IV-5) se obtiene un
factor de potencia de 99%.
4.5.3. Estrategia de control.
Existen dos formas de implementar físicamente el control en un corrector de factor de
potencia:
Control por multiplicador.
Control como seguidor de tensión.
64
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
El control por multiplicador requiere dos lazos de control, uno de corriente y uno de
tensión. El lazo de corriente permite seguir la forma de onda de la corriente de
referencia sinusoidal rectificada. De esta forma se consigue que la corriente de
entrada sea también una senoide y por lo tanto que el factor de potencia sea
elevado.
El control como seguidor de tensión presenta ventajas y desventajas respecto al control
por multiplicador. Una de las ventajas más destacables es la simplicidad del modo de
control, ya que sólo se emplea un lazo de voltaje. Además existe un ahorro importante
en el costo del circuito, ya que en este caso es posible usar cualquier circuito de
control en modo tensión de propósito general para convertidores CD/CD. Por otro
lado, la desventaja principal deriva del hecho de que al operar en MCD, se tiene
mayores esfuerzos en corriente y mayores pérdidas por conducción en el interruptor
durante el tiempo de encendido y por conmutación en el diodo durante el tiempo de
apagado [32].
En este caso, ya que el convertidor flyback opera en MCD, es posible utilizar un control
como seguidor de voltaje. Sin embargo, debido a que el ciclo de trabajo debe
permanecer constante para que el convertidor corrija el factor de potencia de
manera natural, es necesario filtrar el rizado de baja frecuencia que se encuentra en la
salida del convertidor. Por lo tanto resulta necesario implementar un filtro pasabajas en
el lazo de control, lo cual hace que la dinámica sea lenta. Un diagrama simplificado
del esquema de control se muestra en la figura 4.6.
CF
CF=0.1 uF
RF
RF=100 kohms
RIN=39 kohms
Vin
RIN
Ve
Comparador
Driver
PWM
Vref
V
t
Figura 4.6. Lazo de control del convertidor flyback en MCD.
El circuito integrado utilizado para la implementación del lazo de control fue el UC3824
fabricado por Texas Instruments. Este circuito integrado es un controlador en modo
tensión de alta velocidad y es relativamente fácil de configurar. Además, es un
dispositivo que el fabricante recomienda para este tipo de topologías. Básicamente el
65
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
lazo de control consistió en utilizar un compensador con un solo polo, el cual fue
colocado a baja frecuencia (15 Hz).
4.5.4. Resultados experimentales.
El prototipo de laboratorio implementado se muestra en la figura 4.7. Un punto
importante a considerar dentro de la implementación del convertidor es la
construcción del transformador. El procedimiento seguido en el diseño de este
componente puede ser consultado en [33].
6c
m
9.5
cm
Figura 4.7. Fotografía del prototipo de laboratorio para el convertidor flyback.
Las formas de onda obtenidas del prototipo implementado se muestran en la figura 4.8.
(a)
(b )
(c)
(d )
Figura 4.8. Formas de onda experimentales del convertidor flyback.
66
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
En la figura 4.8 (a) se muestra la corriente y la tensión de salida del convertidor. Por otro
lado, en la figura 4.8 (b) se muestra la señal de control con un ciclo de trabajo de
alrededor de 29% y también se muestra la forma de onda de la corriente en el inductor
en donde se puede ver que el convertidor opera en MCD. Adicionalmente en la figura
4.8 (c) se observa la corriente y la tensión de entrada, puede verse que la corriente de
entrada sigue la forma de onda sinusoidal de la tensión y además se encuentra en fase
con esta última, con lo que el factor de potencia obtenido es elevado. Finalmente en
la figura 4.8 (d) se muestra la corriente del inductor del lado del primario con un tiempo
de muestreo más grande para apreciar el comportamiento de la misma al menos
durante un ciclo de línea.
También se realizaron algunas pruebas dinámicas al convertidor, usando una carga
electrónica para aplicar escalones de corriente en la salida de hasta el 50%; así
también se realizaron algunas pruebas de regulación de línea. En el Anexo A se
presenta un resumen de las pruebas dinámicas realizadas en este convertidor.
Las pruebas experimentales realizadas al prototipo permitieron verificar que el
convertidor cumpliera con los parámetros para los cuales fue diseñado.
4.6. Convertidor reductor (Buck) con Rectificación Síncrona.
En convertidores CD/CD de baja tensión es complicado lograr altas eficiencias
utilizando diodos tradicionales o diodos Schottky en la etapa de rectificación. Por lo
tanto, surge la necesidad de utilizar Rectificación Síncrona para mantener la eficiencia
en un nivel aceptable. El convertidor Buck con rectificación síncrona es utilizado
comúnmente en aplicaciones de baja tensión debido a que es posible lograr
eficiencias elevadas. La rectificación síncrona consiste básicamente en sustituir los
diodos convencionales por interruptores controlados de menor caída de tensión
(MOSFETs). Los MOSFETs son dispositivos que presentan una resistencia de encendido
baja y además tienen la característica de poder operar a altas frecuencias [34].
Una desventaja que se tiene al emplear rectificación síncrona es la necesidad de
generar las señales adecuadas para activar las compuertas de los MOSFETs. La
condición más importante que se debe cumplir con las señales de control es que, los
tiempos de encendido y apagado de los interruptores debe corresponder a los mismos
tiempos en que apagarían y encenderían los diodos convencionales.
El principal riesgo que presenta un MOSFET utilizado como rectificador síncrono es que
puede llegar a conducir de manera inversa y en el mejor de los casos la conducción
inversa reducirá la eficiencia, pero en el peor de los casos el dispositivo se destruirá.
67
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
4.6.1. Especificaciones.
La figura 4.9 muestra las especificaciones generales de diseño y un esquema
simplificado del convertidor reductor con rectificación síncrona.
PARÁMETRO
MAGNITUD
Vin
12 V
Vout
3.5 V
Iout
1.750 A
∆Vout
0.005 V
FS
300 Khz
∆IL
0.5 A
S1
S2
Figura 4.9. Especificaciones de diseño y circuito simplificado del convertidor reductor con
rectificación síncrona.
Se ha elegido una frecuencia de conmutación de 300 Khz con la finalidad de
conseguir que los elementos magnéticos y capacitivos sean lo más pequeños posible.
La tensión de entrada es la tensión de salida del convertidor flyback.
4.6.2. Análisis y simulación.
El análisis puede dividirse básicamente en dos modos de operación. El modo 1, figura
4.10 (a) empieza cuando se activa el transistor Q1 (figura 4.9). La corriente de entrada,
que se eleva, fluye a través del inductor, el capacitor y la carga. En este modo se
almacena cierta cantidad de energía en el inductor. El modo 2 comienza cuando S1
se desactiva y S2 se activa, figura 4.10 (b). Entonces S2 conduce y la energía
almacenada en el inductor es transferida a la carga hasta que S1 se activa
nuevamente [35,36].
Lb
Lb
+Vo
Vin
Co
RL
+Vo
Vin
Co
RL
(b)
(a)
Figura 4.10. Circuitos equivalentes; (a) Interruptor encendido, (b) Interruptor apagado.
Haciendo el análisis correspondiente mediante el uso de las herramientas del análisis
de circuitos eléctricos para cada uno de los modos de operación y realizando el
68
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
balance de energías adecuado, se obtienen las ecuaciones que rigen el
comportamiento del circuito. Las ecuaciones obtenidas se resumen a continuación:
D=
Vo
Vin
(IV-6)
Lb =
Vo ·(Vin − Vo )
FS ·∆I ·Vin
(IV-7)
Co =
∆I
8·FS ·∆Vo
(IV-8)
RL =
Vo
Io
(IV-9)
De acuerdo con las especificaciones de diseño y realizando las sustituciones
adecuadas podemos obtener las magnitudes desconocidas de los valores de los
componentes del convertidor. Estos valores se muestran en la tabla 4.3.
Tabla 4.3. Parámetros de los elementos del convertidor reductor.
Parámetro Magnitud
RL
2Ω
D
32%
LP
15 µH
Cout
168 µF
Una vez evaluados los valores de los componentes del convertidor, se realizó una
simulación del circuito en Pspice para verificar que los parámetros fueran los correctos.
Los resultados obtenidos de la simulación se muestran en la figura 4.11.
(S1)
0V
TENSIÓN DE COMPUERTA (S1)
C O R R I E N TE D E S AL I D A
50 V
20 V
(S2)
25 V
TENSIÓN DE COMPUERTA (S2)
-20 V
0V
33.0A
A
(712.148u,1.7525)
1.75 A
22.0A
A
11.0A
A
SEL>>
0 A0A
-I(Rload)
3A
TE N S I Ó N D E S AL I D A
55.0V
V
2A
CORRIENTE EN EL INDUCTOR
∆IL = 650mA
1A
-0.5 A
280 us
284 us
288 us
292 us
296 us
300 us
(764.869u,3.5134)
3.5 V
2.5V
2.5
V
0 0V
V
0s
0.1ms
0 s V(Cequ:1)
0.1 ms
303.26 us
TIEMPO
0.2ms
0.2 ms
0.3ms
0.3 ms
0.4ms
0.4 ms
0.5ms
0.5 ms
0.6ms
0.6 ms
Figura 4.11. Resultados de la simulación del convertidor reductor.
69
0.7ms
0.7 ms
Time
TIEMPO
0.8ms
0.8 ms
0.9ms
0.9 ms
1.0ms
1.0 ms
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
La simulación fue realizada considerando los elementos parásitos del circuito como
son: resistencia en serie del capacitor, resistencia serie del inductor y resistencia de
sensado de la corriente. En el caso de los MOSFETs, se utilizaron los modelos para Pspice
proporcionados por el fabricante.
4.6.3. Respuesta en frecuencia y estrategia de control.
La implementación del lazo de control fue realizada mediante la técnica de control en
modo corriente promedio (Average Current Mode Control), con el objetivo de
mantener una corriente constante promedio a la salida [37-44]. El diagrama eléctrico
simplificado del circuito a partir del cual se realizó el análisis en frecuencia se presenta
en la figura 4.12.
Vin
Vout
Acondicionador de las
señales de co ntrol.
Amp. Dif. de
corriente
Modulador
PWM
Sensor de tensión
Vref
Amp. de error
de corriente
Amp. de error
de tensión
Vref
Figura 4.12. Diagrama eléctrico simplificado del control del convertidor reductor.
Un control en modo corriente promedio es un sistema de dos lazos, un lazo de corriente
(lazo interno) y un lazo de tensión (lazo externo). Estos dos lazos se muestran en el
diagrama a bloques de la figura 4.13. El compensador en el lazo de corriente interno
determina la estabilidad del sistema [39].
Vin
d(s)
Vref
GAEC
GAEV
Vsense
GMOD
Isense
Gid
GLC
Vout
I_loop
GCSA
GRs
V_loop
GR1R2
Figura 4.13. Esquema a bloques del convertidor reductor.
Para poder diseñar e implementar un lazo de control adecuado es necesario conocer
primero la respuesta en frecuencia del convertidor en lazo abierto. La respuesta en
70
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
frecuencia del convertidor conmutado permite diseñar compensadores adecuados
para obtener una buena respuesta dinámica. Para la obtención de un modelo en el
dominio de “S” es necesario considerar el efecto de los elementos parásitos del
circuito, figura 4.14 (a). El modelo en pequeña señal del convertidor fue obtenido
mediante la técnica del “interruptor PWM”, el cual consiste básicamente en modelar
los componentes no lineales del convertidor (diodos y transistores) [45], figura 4.14 (b).
∧
L
S1
a
RL
VD ⋅ d
D
c
L
RL
Co1
Rc
∧
IC d
Vin
Ro
S2
Rc
1
D
Co1
∧
V
Ro
a
b
(b)
(a)
Figura 4.14. Circuito del convertidor reductor y modelo linealizado usando la técnica del
interruptor PWM.
Partiendo de este modelo linealizado, se obtiene la función de transferencia controlsalida, esta función de transferencia permite conocer la respuesta en frecuencia del
convertidor en relación con el ciclo de trabajo. La ecuación (IV-10) muestra esta
función de transferencia.
1+
Gvd ( s ) = Vin *
s
ωC
(IV-10)
s
s2
1+
+ 2
Q * ω0 ω0
La gráfica de Bode (magnitud y fase) de la función de transferencia anterior se muestra
en la figura 4.15.
C e ros :
fz1= 22 .5K hz
Mag nitud (dB )
P olo s :
fp1 = 4 .23 K hz
fp2 =4 .23 K hz
F un c io n d e tr ans fe re n c ia c o n tr o l-s a lid a
40
20
0
-2 0
-4 0
0
Fase (d eg )
-4 5
-9 0
-1 3 5
-1 8 0
2
10
10
3
4
10
F r ec ue n c ia (H z )
10
5
10
6
Figura 4.15. Gráfica de Bode de la función de transferencia control-salida.
71
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
Se observa en la figura 4.15 que la frecuencia de resonancia del filtro de salida LC del
convertidor es de alrededor de 4.23 Khz (doble polo). Por otro lado, la frecuencia del
cero debido al ESR del capacitor de salida, se encuentra ubicado en 22.5 Khz. Cabe
señalar que la función de transferencia fue obtenida considerando los valores de los
elementos parásitos de los componentes seleccionados para la implementación.
Por otro lado, ya que el diseño del sistema implica la realización de un control en modo
corriente en donde básicamente es necesario sensar la corriente del inductor,
entonces, se requiere obtener también la función de transferencia control-corriente del
inductor, ecuación (IV-11).
Gid ( s ) =
Vin
*
Ro
1+
s
ωR
(IV-11)
s
s2
1+
+ 2
Q * ωo ωo
La figura 4.16 muestra la gráfica de Bode de la ecuación (IV-11).
C er os :
fz1 = 84 6 H z
F un c io n d e tr ans fe re ncia co n tr ol -c orr ie nte de l i nd uc to r
60
Magnitud (dB)
P o lo s :
fp1 : 4 .2 3 K hz
fp2 =4 .2 3 K hz
50
40
30
20
10
0
-1 0
-2 0
90
Fase (deg)
45
0
-4 5
-9 0
1
10
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
F re c ue nc i a ( H z)
Figura 4.16. Gráfica de Bode de la función de transferencia control-corriente del inductor.
Dado que es un convertidor controlado en modo corriente promedio, no presenta la
necesidad de utilizar compensación de pendiente externa, y presenta una buena
inmunidad al ruido, aunque no esta exento de tener problemas de oscilaciones
subarmónicas. La pendiente de la rampa diente de sierra proporciona una buena
compensación de pendiente, pero es necesario considerar que la pendiente de caída
de la corriente del inductor sensada y amplificada en una entrada del comparador
PWM no debe exceder la pendiente de la rampa del oscilador en la otra entrada del
comparador. Esta consideración pone un límite superior en la ganancia del
compensador a la frecuencia de conmutación, estableciendo indirectamente la
72
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
máxima ganancia del lazo de corriente y su frecuencia de corte fc. Otra forma de
evitar las oscilaciones subarmónicas es igualando las pendientes en ambas entradas
del comparador PWM. Para lograr esto es necesario considerar las ganancias
involucradas desde que la corriente del inductor es sensada [38].
Para asegurar la estabilidad de un convertidor conmutado es necesario que se
cumplan algunas consideraciones importantes:
La frecuencia de corte a ganancia unitaria en lazo cerrado debe ser al menos
de 1/2 de la frecuencia de conmutación según el criterio de muestreo de
Nyquist.
El margen de fase debe ser mayor o igual a 45º para asegurar la estabilidad.
La respuesta en magnitud del compensador se diseña de tal forma que cruce el
punto de 0 dB con una pendiente de -20 dB/década.
Considerando lo anterior se propuso un compensador que permitiera obtener un buen
margen de fase y un adecuado ancho de banda. El circuito eléctrico del
compensador propuesto para el lazo de corriente se muestra en la figura 4.17.
C1
C1=1 nF
C2
RF
C2=150 pF
RF=56 kohms
Vin
RL=10 kohms
RL
Vout
Vref
Figura 4.17. Compensador propuesto para el lazo de corriente.
Este compensador presenta 2 polos y un cero. El primer polo se encuentra ubicado en
el origen mientras que el segundo polo se propone colocarlo a 19 Khz, por lo tanto:
C1 =
1
1
=
= 149.58 pF
2πRF f p 2 2π (56kΩ )(19kHz )
(IV-12)
El cero se coloca por debajo de la frecuencia de resonancia del filtro de salida con el
fin de evitar una estabilidad condicionada. Se elige una frecuencia de 2.7 Khz, por lo
que el valor del capacitor C2 será:
C2 =
1
1
=
= 1.05nF
2πRF f z 2π (56kΩ )(2.7 Khz )
(IV-13)
73
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
La ganancia del compensador fue establecida igualando las pendientes en las dos
entradas del comparador.
La respuesta en frecuencia del compensador del lazo de corriente propuesto se
muestra en la figura 4.18.
C e ro s :
f z1 = 2 K hz
C o m p e n s a d o r d e l l a zo d e c o rri e nte
50
40
Ma gnitu d (dB )
P o lo s :
f p 1 = 7 7 K hz
30
20
10
0
-1 0
-2 0
F as e (de g)
-3 0
0
-3 0
-6 0
-9 0
2
10
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
F re c u e n c ia (H z)
Figura 4.18. Respuesta en frecuencia del compensador en el lazo de corriente.
Por otro lado, el compensador utilizado para el lazo de tensión es el que se muestra en
la figura 4.19.
Cct
R4
Cct=1 nF
R4=16.8 kohms
R3=4.9 kohms
Vin
R3
Vout
Vref
Figura 4.19. Compensador propuesto para el lazo de tensión.
Este compensador presenta un cero el cual se eligió colocar a una frecuencia de 9.4
Khz.
La determinación de la estabilidad del convertidor se realiza graficando la función de
transferencia de lazo cerrado correspondiente al lazo de corriente, esta función de
transferencia esta dada por (IV-14).
(IV-14)
Ti = GCi ·FM ·Gid ·Ri 2 ·GCSA
La gráfica de magnitud de Bode obtenida a partir de esta ecuación y considerando
los elementos parásitos de los componentes propuestos para la implementación, se
muestra en la figura 4.20.
74
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL LAZO DE CORRIENTE
80
60
MAGNITUD (dB)
40
20
0
-20
-40
-60
-80
45
FASE (deg)
0
-45
-90
-135
-180
1
10
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
FRECUENCIA (Hz)
Figura 4.20. Gráfica de Bode del lazo de corriente.
De acuerdo con la gráfica anterior se tiene un margen de fase de 53º y un ancho de
banda de 108 Khz, con lo que se asegura la estabilidad del convertidor.
4.6.4. Resultados experimentales.
Se implementó experimentalmente un prototipo de laboratorio con la metodología y
resultados presentados en el apartado anterior. En la implementación experimental es
necesario observar ciertos aspectos, que por un lado están relacionados con los
objetivos del prototipo, y por otro lado con el funcionamiento adecuado del
convertidor.
Respecto a las características físicas del prototipo, se considera adecuado conservar
características homogéneas con el sistema a alimentar, es decir, como una de las
propiedades de los LEDs es su tamaño físico, entonces, es adecuado establecer como
meta el conservar un tamaño reducido. Para lograr esto se utilizan componentes de
montaje superficial. En este sentido, se adquirieron los componentes principales con
esta tecnología. Por otro lado, es bien sabido que un adecuado diseño del circuito
impreso, particularmente en aplicaciones de alta frecuencia, contribuye a la
disminución del ruido, incremento de eficiencia y en general al funcionamiento del
convertidor conmutado. Cabe señalar que se consideraron estos aspectos y se
obtuvieron resultados sumamente satisfactorios.
Para la implementación del circuito de control se utilizó un circuito integrado de Texas
Instruments (UC3886), el cual es un control en modo corriente promedio. Para la
implementación de este CI se realizaron algunas consideraciones sugeridas en las hojas
de datos y notas de aplicación del mismo integrado.
75
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
Una imagen del prototipo final implementado en esta etapa de la fuente de
alimentación se muestra en la figura 4.21.
ETAPA DE CONTROL (Cara A)
ETAPA DE POTENCIA (Cara A)
Figura 4.21. Fotografías de las dos vistas del prototipo de laboratorio del convertidor reductor.
La figura 4.22 muestra algunas formas de onda de la operación experimental del
convertidor.
(a)
(b)
Figura 4.22. Formas de onda experimentales del convertidor reductor.
En la figura 4.22 (a) se observan las formas de onda de las señales de control síncronas
y la corriente del inductor. La figura 4.22 (b) muestra la tensión y la corriente de salida.
También se realizaron algunas pruebas dinámicas. Utilizando una carga dinámica
electrónica se aplicaron escalones de corriente en la salida, los dos casos más críticos
se presentan en la figura 4.23.
76
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
Tensión de salida
Tensión de salida
Corriente de salida
Corriente de salida
1 Amp.
0.8 Amp.
Figura 4.23. Pruebas dinámicas realizadas en el convertidor reductor.
Como se observa en la figura anterior, al ocurrir el escalón de carga se presenta un
sobretiro de corta duración en la tensión de salida, después de esto se estabiliza
nuevamente. Si se observa con detalle, después del escalón de corriente, la tensión de
salida no regresa al valor original, es decir tiene cierto error de estado estable. Este error
de estado estable se cuantifica y se presenta en el Apéndice A.
77
CAPÍTULO 4
ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN PARA LEDs DE POTENCIA
78
CAPÍTULO 5
RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SISTEMA DE
ALIMENTACIÓN GLOBAL
79
CAPÍTULO 5
RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN GLOBAL
5.1. Introducción.
Este capítulo presenta los resultados experimentales del esquema de alimentación, que
como se describió en el capítulo anterior esta formado por la conexión en cascada de
un convertidor flyback (CFP) y un convertidor Buck con rectificación síncrona (manejo
de los LEDs). Además se muestran los resultados obtenidos de las pruebas en estado
estable y dinámicas realizadas a la fuente de alimentación en conjunto, y finalmente
se presentan algunas pruebas experimentales utilizando LEDs de potencia.
5.2. Resultados experimentales en estado estable.
De acuerdo con las especificaciones que se plantearon para el esquema de
alimentación, éste debería conectarse a línea y alimentar la carga formada por los
LEDs de potencia. A esto último es importante aclarar que, debido a diversos factores,
no se consiguieron los LEDs de potencia, y únicamente se presentan resultados
mediante el uso de resistencias actuando como cargas.
Las pruebas que se presentan en este capítulo fueron realizadas con la conexión en
cascada de los convertidores seleccionados para el esquema. La figura 5.1 (a) muestra
la forma de onda de corriente (Ch4) y tensión de entrada (Ch3) (entrada del esquema
de alimentación) y la figura 5.1 (b) muestra la forma de onda de la corriente (Ch4) y
tensión de alimentación en la carga (Ch1) (salida del esquema de alimentación).
Hacia la entrada se observa que la corriente “sigue” la evolución de la tensión,
consiguiéndose la corrección del factor de potencia con baja distorsión armónica. Por
otro lado, la tensión y corriente de salida corresponden a formas de onda con bajo
rizado, lo cual es adecuado para el manejo de los LEDs.
(a)
(b)
Figura 5.1. Formas de onda de entrada y salida del esquema de alimentación.
80
CAPÍTULO 5
RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN GLOBAL
La figura 5.2 muestra el detalle, en el valor máximo de la tensión de entrada, de la
corriente en el devanado primario (Ch4) y la señal de disparo del interruptor (Ch1) en el
convertidor flyback. Nótese la forma de onda característica del modo de conducción
discontinuo, necesaria para corregir el factor de potencia de manera natural.
Figura 5.2. Formas de onda obtenidas en el convertidor flyback.
Por otro lado, la figura 5.3 muestra la forma de onda de corriente en los inductores de
los convertidores con rectificación síncrona. Estos convertidores se diseñaron en modo
de conducción continuo. La frecuencia de operación de los convertidores con
rectificación síncrona es de 300 Khz, seis veces la frecuencia de conmutación del
convertidor flyback. No obstante, el adecuado diseño de los circuitos impresos evitó
problemas de interferencia entre módulos.
Figura 5.3. Formas de onda de la corriente en los inductores de los convertidores Buck
conectados en paralelo.
81
CAPÍTULO 5
RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN GLOBAL
Además de las pruebas a plena carga, se realizaron experimentos ante variaciones de
la tensión de entrada y con variación de la tensión de salida (simulando dimming en los
LEDs). Con estas pruebas se obtuvieron las gráficas de regulación de línea a plena
carga y a 50%. La figura 5.4 muestra los resultados a plena carga ante variaciones en la
tensión de entrada. Nótese que la variación en la tensión y la corriente de
alimentación a la carga se mantuvieron prácticamente constantes ante las variaciones
señaladas. Esto es importante, ya que significa que el color de los LEDs y la intensidad
de la luz permanecerán constantes ante variaciones de la tensión de entrada.
3.506
0.1
3.505
0.08
3.504
0.06
Regulación de línea (%)
"Tensión"
Tensión de salida (V)
3.503
3.502
3.501
3.5
3.499
0.04
Máxima desviación de la tensión de salida=0.045%
0.02
0
3.498
-0.02
3.497
80
90
100
110
120
130
140
150
80
90
100
Tensión de entrada (Vrms)
3.5
110
120
130
Tensión de entrada (Vrms)
140
150
110
120
130
Tensión de entrada (Vrms)
140
150
0.2
0.15
3
Regulación de línea (%)
"Corriente"
Corriente de salida (A)
0.1
2.5
2
0.05
0
-0.05
-0.1
1.5
-0.15
80
90
100
110
120
130
Tensión de entrada (Vrms)
140
-0.2
80
150
90
100
Figura 5.4. Pruebas de regulación de línea a plena carga.
La figura 5.5 muestra los resultados de regulación de línea con una carga equivalente
a una tensión igual al 50% de la tensión nominal. Esto significa una disminución en la
intensidad de la luz de los LEDs. Como se observa la regulación de línea es excelente
aún ante una variación de la tensión de salida.
82
CAPÍTULO 5
RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN GLOBAL
1.78
0.1
0.06
1.775
Regulación de línea (%)
"Tensión"
Tensión de salida (V)
0.08
1.77
0.04
Máxima de sviación de la tensión de salida= 0 .039%
0.02
0
-0.02
80
90
100
110
120
130
Tensión de entrada (Vrms)
140
150
80
90
100
90
100
110
120
130
Tensión de entrada (Vrms)
140
150
0.2
2.5
0.15
0.1
Regulación de línea (%)
"Corriente"
Corriente de salida (A)
2
1.5
1
0.05
0
-0.05
-0.1
0.5
-0.15
0
90
100
110
120
Tensión de entrada (Vrms)
130
140
-0.2
80
150
110
120
130
Tensión de entrada (Vrms)
140
150
Figura 5.5. Pruebas de regulación de línea a 50% de la carga nominal.
5.3. Pruebas experimentales en pruebas dinámicas.
Adicionalmente a las pruebas dinámicas realizadas a los convertidores por separado,
se realizaron pruebas dinámicas a la fuente de alimentación con los convertidores
operando en cascada. Usando la carga electrónica, se aplicaron nuevamente
escalones de la corriente de salida. En la figura 5.6 se muestran los casos mas críticos
para escalones de 1 A y 0.8 A.
Te nsión de salid a
Corrie nte de salida
Te nsión de salid a
1A
Corrie nte de salida
0.8 A
Figura 5.6. Escalones de corriente aplicados a la fuente de alimentación global.
83
CAPÍTULO 5
RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN GLOBAL
Se observa un sobretiro de alrededor de 160 mV en ambos casos y un tiempo de
establecimiento de alrededor de 364 µs.
Adicionalmente a estas pruebas, se aplicaron escalones en la tensión de entrada y se
observó el efecto sobre la corriente de salida, la idea es verificar que la corriente de
salida permanezca constante ante variaciones de la tensión de línea. La figura 5.7
muestra los resultados de aplicar escalones por encima de la tensión de entrada.
Corriente de salida
Corriente de salida
Tensión de entrada
Tensión de entrada
(a)
(b)
Figura 5.7. Escalones de la tensión de entrada; (a) Escalón de 120 Vca a 140 Vca, (b) Escalón de
120 Vca a 150 Vca.
Se observa en ambas pruebas que la corriente de salida no presenta variaciones
debido a los escalones de la tensión de entrada aplicados, es decir, permanece
constante.
La figura 5.8 muestra los resultados de aplicar escalones por debajo de la tensión de
entrada nominal.
Corriente de salida
Corriente de salida
Tensión de entrada
Tensión de entrada
(a)
(b)
Figura 5.8. Escalones de la tensión de entrada; (a) Escalón de 120 Vca a 90 Vca, (b) Escalón de
120 Vca a 80 Vca.
84
CAPÍTULO 5
RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN GLOBAL
Al igual que en el caso anterior la corriente de salida no presenta efectos significativos
ante los escalones realizados en la tensión de entrada, de igual forma la corriente
permanece constante.
5.4. Pruebas de laboratorio usando un LED de potencia.
Finalmente se realizaron algunas pruebas utilizando un LED de potencia conseguido
con la empresa ELECTROMAG, la figura 5.9 muestra una fotografía del prototipo
operando con un LED blanco conectado a uno de los convertidores Buck con
rectificación síncrona.
SIN DIMMING
CON DIMMING (50%)
Figura 5.9. Prototipo final de laboratorio.
Los resultados obtenidos con el LED como carga no mostró desviaciones respecto a los
obtenidos con resistencias como carga. Por tanto, se espera que sin problema el
esquema de alimentación seleccionado y experimentado alimente a los LEDs de
potencia.
85
CAPÍTULO 5
RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN GLOBAL
86
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
87
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
6.1. Conclusiones.
Una de las preocupaciones más apremiantes de la comunidad científica se encuentra
el ahorro en el consumo de la energía eléctrica. Esto debido a que un alto porcentaje
se produce por la quema de combustibles fósiles. Dado que se trata de recursos
naturales no renovables es necesario hacer conciencia acerca del uso que se le da.
De acuerdo con las estadísticas se sabe que un alto porcentaje de la energía eléctrica
se consume por sistemas de iluminación. Se puede decir entonces, que existe la
necesidad de desarrollar nuevos sistemas que mejoren las características de
desempeño de los sistemas de iluminación actuales.
Con el surgimiento de los LEDs se inició una nueva línea de investigación encaminada
a buscar otra forma de incrementar el aprovechamiento de la energía en los sistemas
de iluminación. Recientemente la tecnología de estado sólido tuvo una revolución
importante debido a la creación del LED de potencia. Estos dispositivos presentan una
eficacia que les permite competir con algunos sistemas de iluminación actuales y
además tienen una vida útil más larga. Adicionalmente, es una tecnología que se
encuentra en constante desarrollo. Según las estadísticas, se estima que del año 2005
al año 2025 se podría tener un ahorro de energía de alrededor de 114 Billones de KW-hr
mediante el uso de esta nueva tecnología. Puede verse entonces que los sistemas de
iluminación basados en LEDs de potencia son una excelente alternativa en el ahorro
del consumo de la energía eléctrica; y un campo de investigación abierto en muchos
sentidos: materiales, eficacia de los LEDs y control.
La investigación realizada durante el desarrollo de la tesis se enfoca en el
conocimiento completo y detallado de las características (eléctricas, mecánicas y
térmicas), principio de operación, métodos de construcción, materiales, etc., de los
LEDS de potencia. Sumado a esto se llevó a cabo un estudio sobre las fuentes de
alimentación conmutadas, de tal forma que se eligiera una topología que
posteriormente se implementó en el laboratorio.
De acuerdo con las características de los LEDs de potencia y de acuerdo con las
especificaciones planteadas (en materia de alto factor de potencia y baja distorsión
armónica total en la corriente de entrada) se propuso un esquema de alimentación en
dos etapas: la primera de ellas, consiste en utilizar una topología flyback para reducir la
tensión de línea a una tensión de 12 V cd y en la segunda etapa se implementó un
convertidor reductor con rectificación síncrona, con el fin de reducir de 12 V cd a una
tensión de 3.5 V cd. Al operar el convertidor flyback en MCD, además de hacer la
función de pre-regulación, se aprovecha la característica de corrección de factor de
potencia.
88
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
Los valores de THD y factor de potencia obtenidos fueron de 2.84% y 98%
respectivamente. Por otro lado, la regulación de línea en estado estable de la tensión
de salida tuvo una desviación máxima de 0.045% ante variaciones de la tensión de
línea, mientras que la corriente no presentó desviaciones ante estas perturbaciones.
De acuerdo con las pruebas dinámicas realizadas tanto en la entrada como en la
salida se considera que la fuente de alimentación es confiable en cuanto a su
estabilidad. El máximo sobretiro de tensión fue de alrededor de 160 mV con un tiempo
de establecimiento de 364 µs.
Adicionalmente se consiguió una excelente reducción del rizado de la corriente y de la
tensión de salida que alimenta a la carga.
Con todas estas características agregadas a la fuente de alimentación se asegura un
manejo adecuado de los LEDs.
Finalmente, se considera necesario aclarar que este es el primer trabajo de
investigación realizado en el CENIDET respecto a esta nueva tecnología. Se pretende
que sea el punto de partida para investigaciones posteriores dentro de la iluminación
de estado sólido.
6.2. Trabajos futuros.
Existe una amplia gama de opciones en las que la iluminación de estado sólido puede
ser aplicada. Nuestras posibilidades se limitan al diseño de convertidores conmutados
con características que permitan obtener el mayor desempeño de estos sistemas de
iluminación. Por lo tanto se proponen como trabajos futuros:
Investigación del uso de LEDs de potencia en iluminación de emergencia:
sistema de alimentación.
Estudio y propuesta de sistemas de iluminación pública basados en iluminación
de estado sólido.
Diseño de esquemas de alimentación en una sola etapa para sistemas de
iluminación de estado sólido comerciales (alta eficiencia y alta densidad de
potencia).
Estudio y diseño de fuentes de alimentación con la característica de dimming.
89
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
Optimización de sistemas de control para implementación de fuentes de luz con
la técnica RGB.
Cabe señalar que en CENIDET actualmente se desarrolla un proyecto de tesis
relacionado con el control (uso de control inteligente) para una fuente de luz blanca
basada en la técnica RGB, el cual hace uso de la información generada en este
proyecto de tesis y de la infraestructura desarrollada (esquema de alimentación para
tres diferentes cargas basadas en LEDs).
90
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Referencias Bibliográficas.
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94
APÉNDICE A
RESUMEN DE LAS PRUEBAS DINÁMICAS
Apéndice A. Resumen de las pruebas dinámicas.
CONVERTIDOR CA/CD CORRECTOR DE FACTOR DE POTENCIA: (FLYBACK EN MCD).
La figura A-1 muestra los escalones de subida aplicados en la corriente de salida del
convertidor.
Tensión de salida
Tensión de salida
Corriente de salida
Corriente de salida
(a)
(b)
Figura A-1. Escalones de bajada aplicados a la salida del convertidor flyback; (a) 100% a 55%,
(b) 100% a 50 %.
La tabla A-1 muestra un resumen de las pruebas dinámicas usando una carga
electrónica para aplicar escalones de corriente a la salida del convertidor.
Tabla A-1. Mediciones de los escalones de corriente en el convertidor flyback.
Escalón de la carga
2.5-1.875 A
2.5-1.75 A
2.5-1.625 A
2.5-1.5 A
2.5-1.375 A
2.5-1.25 A
Tiempo de recuperación
17 ms
22 ms
29 ms
37 ms
43 ms
45 ms
Error de estado estable
2.5%
2.5%
2.5%
3.3%
3.3%
3.3%
Sobretiro de tensión
0.7 V
0.8 V
0.8 V
0.8 V
0.8 V
1V
300 mV
300 mV
300mV
400 mV
400 mV
400 mV
Tensión de error
Se observa que para el peor de los casos (escalón de 50%) se tiene un sobretiro de
tensión máximo de 400 mV y un tiempo de recuperación de 45 ms. El sobretiro de
tensión no es significativo en relación con la tensión de salida de 12 V cd y por otro
lado, el tiempo de recuperación se observa que es grande, esto se debe a que, como
se mencionó en el capítulo 4, se trata de un pre-regulador con corrección de factor de
potencia el cual presenta una dinámica lenta que se comprueba con estos tiempos de
recuperación medidos.
95
APÉNDICE A
RESUMEN DE LAS PRUEBAS DINÁMICAS
Se aplicaron también escalones de subida de igual magnitud que los mostrados en la
tabla anterior. La figura A-2 muestra los resultados experimentales de los casos más
críticos.
Tensión de salida
Tensión de salida
Corriente de salida
Corriente de salida
(a)
(b)
Figura A-2. Escalones de subida aplicados a la salida del convertidor flyback; (a) 100% a 55%, (b)
100% a 50%.
La tabla A-2 muestra las mediciones realizadas para los casos más críticos presentados
en la figura anterior.
Tabla A-2. Escalones de corriente en el convertidor flyback (subida).
V ar i ac ión de l a c ar g a
1. 25 -2 .5A
1. 37 5- 2. 5
Tie m p o de r e c u pe r ac ió n
35 ms
35 ms
Er r or de e s t a d o e s ta ble
3. 3%
3. 3%
S obr e tir o d e te n s ión
1 V
1 V
Te ns ión d e e r r or
40 0 m V
40 0 m V
También se realizaron escalones de bajada de la tensión de línea. La figura A-3 muestra
los resultados experimentales de dichos escalones.
Tensión de salida
Tensión de salida
Tensión de entrada
Tensión de entrada
(a)
(b)
Figura A-3. Escalones de bajada de la tensión de línea; (a) 100% a 75%, (b) 100% a 67%.
96
APÉNDICE A
RESUMEN DE LAS PRUEBAS DINÁMICAS
La tabla A-3 muestra el resumen de las mediciones realizadas en las pruebas
experimentales de los escalones de bajada de la tensión de entrada.
Tabla A-3. Escalones de la tensión en la entrada del convertidor flyback (bajada).
Vari aciones de l a tensión de línea
120 V-100 V
120 V-90 V
120 V-80 V
Tiempo de recuperación
16 ms
29 ms
39 ms
Error de estado estable
2.5%
3.3%
3.3%
Tensión de error
300 mV
400 mV
400 mV
Sobretiro de tensión
0.5 V
1V
1.5 V
Por otro lado, también se realizaron pruebas aplicando escalones de subida de la
tensión de línea. La figura A-4 muestra los resultados experimentales obtenidos.
Tensión de salida
Tensión de salida
Tensión de entrada
Tensión de entrada
(a)
(b)
Figura A-4. Escalones de subida de la tensión de línea; (a) 100% a 84%, (b) 100% a 75%.
La tabla A-4 muestra el resumen de las mediciones realizadas al aplicar los escalones
de subida de la figura anterior.
Tabla A-4. Escalones de la tensión en la entrada del convertidor flyback (subida).
Vari aciones de l a tensión de línea
120 V-140 V
120 V- 150 V
Tie mpo de recuperación
30 ms
40 ms
Error de estado estable
1.6 %
2.5%
Tensión de err or
200 mV
300 mV
Sobre tiro de tensión
700 mV
1V
97
APÉNDICE A
RESUMEN DE LAS PRUEBAS DINÁMICAS
Considerando ambos casos el máximo sobretiro de tensión medido fue de 1.5 V y el
máximo tiempo de recuperación fue de 40 ms. Los escalones se aplicaron de acuerdo
con los parámetros de diseño del convertidor.
CONVERTIDOR REDUCTOR CON RECTIFICACION SÍNCRONA.
La figura A-5 muestra los escalones de corriente más críticos aplicados a la salida del
convertidor Buck con rectificación síncrona.
Tensión de salida
Tensión de salida
Corriente de salida
Corriente de salida
(a)
(b)
Figura A-5. Escalones de corriente aplicados a la salida del convertidor reductor; (a) 100% a 60%,
(b) 100% a 50%.
La tabla A-5 muestra un resumen de las mediciones realizadas al aplicar escalones de
corriente a la salida del convertidor.
Tabla A-5. Escalones de corriente aplicados a la salida del convertidor reductor con RS.
V a r i a c i o n e s de l a c a r g a ( A )
1. 7- 1. 36
1. 7- 1. 19
1. 7- 1. 02
1. 7- 0. 85
T i e m p o de r e c u pe r a c i ó n
12 4 µ s
23 2 µ s
39 6 µ s
42 4 µ s
S o br e ti r o d e te n s i ó n
60 m V
12 0 m V
16 0 m V
18 0 m V
Para este caso el máximo sobretiro de tensión fue de 180 mV con un tiempo de
establecimiento de 424 µs.
Considerando que el convertidor flyback tiene la función de mantener constante la
tensión de entrada de los convertidores reductores, entonces no se considera
necesario mostrar pruebas dinámicas relacionadas con escalones en la tensión de
entrada.
98
APÉNDICE A
RESUMEN DE LAS PRUEBAS DINÁMICAS
FUENTE DE ALIMENTACIÓN GLOBAL.
En la figura A-6 se muestran los escalones de corriente aplicados en la salida de la
fuente de alimentación (casos más críticos).
Te ns ión de s alid a
Te ns ión de s alid a
Cor rie nte de s alida
C or rie nte de s alida
(a)
(b )
Figura A-6. Escalones de corriente aplicados a la salida de la fuente de alimentación global; (a)
100% a 60%, (b) 100% a 50%.
La tabla A-6 muestra un resumen de las mediciones obtenidas al aplicar escalones de
corriente a la salida de la fuente de alimentación.
Tabla A-6. Escalones de corriente aplicados a la salida de la fuente de alimentación global.
V ar i ac ion e s de l a c ar g a ( A )
Tie m p o de r e c u pe r ac ió n
S obr e tir o d e te n s ión
1. 7- 1. 36
1. 7- 1. 19
1. 7- 1. 02
1. 7- 0. 85
92 µ s
18 0 µ s
26 6 µ s
36 4 µ s
60 m V
10 0 m V
12 0 m V
16 0 m V
Se observa que el máximo sobretiro de tensión es de alrededor de 160 mV y el
correspondiente tiempo de establecimiento es de 364 µs.
De igual forma se realizaron escalones de la tensión de línea, pero en este caso no se
observaron efectos visibles en la tensión de salida, un par de formas de onda tomadas
experimentalmente se muestran en la figura A-7.
Tensión de salida
Tensión de salida
Tensión de entrada
Tensión de entrada
(a)
(b)
Figura A-7. Escalones de la tensión de línea para la fuente de alimentación global; (a) 100% a
67%, (b) 100% a 75%.
99
APÉNDICE A
RESUMEN DE LAS PRUEBAS DINÁMICAS
Como se ve en la figura anterior no se observan sobretiros en la tensión de salida de la
fuente de alimentación.
De acuerdo con todas las pruebas realizadas se aseguro que la fuente de
alimentación operara adecuadamente ante estas variaciones en los parámetros del
convertidor.
100