Drivers, fuentes conmutadas o fuentes switching para iluminación

nota técnica
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Drivers, fuentes conmutadas o fuentes
switching para iluminación con leds
Parte I
Por Carlos N. Suárez, Marketing Técnico
ELT Argentina S. A.
A menudo, estamos acostum-
audio de última generación. Las
blos estaba el transformador? Era
brados a usar fuentes de alimenta-
fuentes de alimentación conmuta-
evidente que tanto ustedes como
ción conmutadas en todo momento
das son sin lugar a dudas el siste-
yo siempre hemos estado más
sin tener una percepción de su
ma de abastecimiento energético
emparentados con las fuentes de
influencia en la red eléctrica. Lo
de los dispositivos electrónicos más
alimentación básicas, donde exis-
hacemos al cargar nuestro teléfono
modernos del mercado (figura 1).
te un transformador cuyo tamaño
celular, al conectar un cargador a
Lo que realmente me llamó la
es proporcional a la potencia que
nuestra notebook o incluso cuando
atención la primera vez que tuve
necesitamos demandar (figura 2).
encendemos dispositivos más com-
en mi mano una fuente de alimen-
Reconozcamos que a la hora
plejos como smart TV o equipos de
tación “moderna” fue: ¿Dónde dia-
de armar o comprar una fuente
de alimentación, lo más costoso,
engorroso, pesado, voluminoso y
antipráctico siempre fue ese famoso cubo de hierro con bobina de
cobre. Recuerdo que por aquellos
Figura 1
días, trasladar un amplificador de
audio de unos pocos watts era
todo un fastidio. Pesaba tanto que
terminaba doblando las manijas a
través de las cuales se lo cargaba.
Y todo ese peso no era otra cosa
que el transformador, dejando de
lado los voluminosos y caros capacitores que había que agregarle
a la fuente para que el amplificador
Figura 2
42
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no zumbara.
El hecho de utilizar un medio
electromagnético (transformador)
hasta las lámparas de sodio súper
que hoy alcanzan los 140 lm/W.
Entonces, una fuente luminosa
eficiente debe combinarse con una
para reducir la tensión de la red y
La iluminación con semicon-
fuente de alimentación eficiente,
adecuarla a nuestras necesidades
ductores ofrece un rendimiento
para que el sistema en conjunto sea
tiene varias desventajas:
aceptable que hoy día promedia
eficiente. Aquí las fuentes conmu-
- Volumen elevado
los 90 lm/W. Las fronteras son muy
tadas juegan un rol primordial. El
- Peso elevado
optimistas, prometiendo superar
ahorro de energía que se atribuye a
- Baja eficiencia
los 160 lm/W. Sin embargo, al día
los leds es en gran parte producido
- Alto costo
de hoy, esto constituye solo una
por la fuente de alimentación y no
expresión de deseo (figura 3).
por el led propiamente dicho. Para
Por suerte esos días pasaron, y
Alimentar un led es muy dife-
que tenga una idea, la perdida de
las fuentes conmutadas han llega-
rente en comparación a una lám-
potencia de una fuente conmutada
do para quedarse. El principio de
para de descarga gaseosa. Una
es prácticamente despreciable res-
funcionamiento no es tan diferente
de las principales prestaciones
pecto de un sistema de iluminación
respecto de una fuente tradicional,
de los leds, dependiendo de la
con balastos o transformadores
es por ello que para poder com-
fuente luminosa con la cual se los
electromagnéticos.
prenderlo más fácilmente partire-
compare, es su eficiencia. Sería
Resumiendo: podemos decir
mos de conceptos conocidos.
contradictorio intentar alimentar un
que las fuentes conmutadas, tam-
sistema eficiente con otro que no lo
bién llamadas “fuentes switching”,
Fuentes conmutadas aplicadas
es. Por otra parte, los leds ofrecen
constituyen el escenario ideal para
tamaños muy compactos. ¿Imagina
alimentar sistemas de iluminación
Conforme el paso del tiempo, las
usted colocar un transformador de
eficientes, debido a su rendimiento,
fuentes luminosas fueron mejorando
unos cuantos kilos como sistema
tamaño compacto y peso reducido.
su eficiencia, desde las lámparas
de alimentación? Seguro que no...
a iluminación
incandescentes con sus 10 lm/W
Principio de funcionamiento de
una fuente switching
Tenemos un problema que
solucionar: el transformador. Si de
alguna forma pudiéramos reducir
sus pérdidas y su tamaño, las
cosas no estarían nada mal. Un
transformador está construido con
un arrollamiento primario y un arrollamiento secundario de alambre de
cobre aislado, ambos bobinados
sobre un núcleo de hierro. En los
arrollamientos se pierde potencia,
Figura 3
producto de que el cobre posee una
| Septiembre-Octubre 2013 | Luminotecnia
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determinada resistencia óhmica.
es que siempre, por una cuestión
de vueltas de alambre de cobre
En el hierro también se produce
de costos y de peso, se trata de
(n) y la superficie de hierro (S),
una potencia de pérdida debido a
colocar la menor cantidad de hierro
es aumentar proporcionalmente
la circulación de corrientes parási-
posible. Observe cómo se calcula
la frecuencia (F).
tas (también llamadas “corrientes
la inducción:
de Foucault”). Observe imagen de
Vpk
𝐵𝐵 =
2 . 𝜋𝜋 . 𝐹𝐹 . 𝑛𝑛 . 𝑆𝑆
la figura 4, la misma le dará una
noción de la construcción de un
Donde:
transformador electromagnético. De esta forma, si lográramos
obtener una frecuencia mucho
más alta que la frecuencia de red
para alimentar el transformador,
- B es la inducción (medida en Tesla).
obtendríamos transformadores
- V es la tensión pico.
cuyo núcleo y arrollamientos serían
nético está calculado para funcio-
- F es la frecuencia de trabajo.
notablemente más pequeño y, en
nar a una determinada inducción. El
- n es el número de espiras (vuel-
consecuencia, las pérdidas de
núcleo de hierro soporta una induc-
tas de alambre).
potencia también serían menores.
ción máxima por en encima de la
- S es la superficie del núcleo de
cual satura, y el transformador deja
hierro del transformador.
Un transformador electromag-
Aquí nace el concepto de fuente
conmutada o switching: generar
a través de un medio electrónico,
de comportarse como tal. Cuanto
mayor sea la cantidad de hierro que
El único camino que nos que-
una tensión cuya frecuencia sea
se coloca, la inducción es menor, y
da, para mantener B constante,
elevada (en el orden de los 40-
esto es favorable. Lo que sucede
si quisiéramos bajar la cantidad
50 kHz) para luego aplicarla a un
transformador cuyo tamaño será
Laminación de Hierro "I"
Laminación de Hierro "E"
proporcionalmente menor al aumento de dicha frecuencia. Ahora
observe el tamaño del transformador resultante, en la figura 5. Carrete
Figura 5
Bobinado
Primario
Bobinado
Secundario
La alta frecuencia se obtiene a
través de una llave electrónica que
abre y cierra a altas velocidades,
conmutando o switcheando llamada “oscilador”. De allí el nombre
Laminación de Hierro "I"
Pero ya veremos en detalle esta
Laminación de Hierro "E"
parte. Lo cierto es que la cosa poFigura 4
44
que reciben este tipo de fuentes.
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dría ser tan simple como alimentar
un transformador con un oscilador,
Al aplicar una diferencia de po-
ese hueco para equilibrar la carga.
aunque en la práctica esto es com-
tencial, la circulación de corriente
De la misma forma, el electrón que
pletamente irreal.
en el material N se produce a
saltó para ocupar esa laguna gene-
través de electrones, tal cual es-
ró una nueva laguna en el átomo al
Anatomía del led
tamos acostumbrados a analizar
que pertenecía.
Antes de meternos de lleno a
en cualquier tipo de conductor. En
Este proceso se repite constante-
analizar las fuentes conmutadas,
cambio, en el material tipo P, se
mente. Podemos decir, entonces, que
hagamos una muy breve reseña
toma como convención (sí, una vez
los electrones circulan en un sentido
del principio de funcionamiento
más, una nueva convención) que la
y las lagunas en el sentido contrario.
de un led, para saber el tipo de
circulación de corriente se realiza
Cuando las lagunas del material
alimentación que necesitan. Aquí
a través de “lagunas”. Las lagunas
P se aproximan a la juntura del
no nos vamos a detener demasia-
son un concepto nuevo, pero muy
diodo (el límite con el material N)
do dado que no es la temática del
sencillo de comprender.
los electrones del material N saltan
presente artículo.
Una laguna no es más que un
al material P y se recombinan con
hueco donde falta un electrón.
la lagunas. Esa recombinación
Los leds son diodos, y como
Como los electrones poseen carga
genera un cambio de energía
todo diodo (estándar) únicamente
negativa, son atraídos fuertemente
produciendo un fotón. La longitud
permite la circulación de corriente
por el polo positivo de la fuente de
de onda de la luz (color) depende
en un solo sentido. Está compuesto
alimentación. Esta fuerza, es lo
de los materiales empleados en la
por un material del tipo N y un ma-
suficientemente grande como para
fabricación del led (figura 7).
terial de tipo P (figura 6).
arrancar electrones de su órbita,
Para obtener luz blanca se agre-
hasta entonces atraídos por el nú-
gan diversos componentes sobre
cleo del átomo.
el led (por ejemplo, fósforo). Esto
I
P
N
Al arrancarse un electrón, se
mueve la longitud de onda de la luz
genera un hueco, al cual llama-
azul producida por el diodo hacia el
mos “laguna”. Ahora, esta laguna
espectro de luz visible.
demandará un electrón de otro
Cuando a un diodo se lo alimen-
átomo, el cual saltará y ocupará
ta con tensión alterna, la corriente
Figura 6
Olvídese por un momento de la
convención acerca de la circulación
-
Electrón + Protón
-
+
es que esto es un simple acuerdo
-
N
-
-
de corriente desde un polo positivo
hacia un polo negativo. La realidad
-
-
+
-
-
-
+
-
-
-
-
+
-
F
-
-
-
+
- -
-
-
-
F
Laguna F Fotón
+
-
- -
+
-
-
+
-
-
-
+
-
-
P
para facilitarnos la vida. Físicamente los electrones poseen carga
negativa y circulan hacia el polo positivo de la fuente de alimentación.
Figura 7
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circula en un único sentido. Obser-
gunas lámparas vienen protegidas
en la práctica no es así. La realidad
ve la forma de onda de la corriente
ante alimentación inversa.
es que contiene ruidos ocasionados
en la figura 8.
Como conclusión, podemos
por diversos eventos (por ejemplo, el
decir que los diodos led deben ser
arranque de motores). Este ruido está
alimentados con corriente continua,
compuesto por picos de alta tensión
aplicada con polaridad directa. y corta durabilidad (alta frecuencia)
a los cuales llamamos “transitorios
Fuentes switching paso a paso
de red”. Si bien los transitorios no
Ahora veremos en detalle cómo
tienen la suficiente energía como
se produce la tensión continua de
para afectar el funcionamiento de una
salida (necesaria para alimentar
fuente estándar con transformador
uno o varios leds) pasando por
electromagnético, el oscilador de la
todas las etapas, desde el ingreso
fuente switching resulta demasiado
de la tensión de red (220 V 50 Hz),
delicado como para dejar librado al
Esta capacidad para bloquear la
hasta los bornes de salida de la
azar el hecho de resistirlos.
circulación inversa de corriente se
fuente de alimentación (figura 10).
Figura 8
aprovecha para convertir corriente
Sin entrar en demasiado detalle,
podemos decir que el filtro supresor
alterna en continua, pero claro está
A- Filtro supresor
que no se utilizan diodos leds para
Las fuentes conmutadas toman
1) Bloquear los transitorios de
esto, sino que se emplean diodos
la tensión directamente de la red de
la línea de alimentación para evitar
llamados “rectificadores” (figura 9).
alimentación. Idealmente, la forma
el paso de los mismos hacia las
de onda de la red es senoidal, pero
etapas más delicadas del circuito.
Figura 9
A
tiene dos funciones:
B
C
E
D
La capacidad de tolerar tensión
inversa está especificada en la
hoja de datos del componente y se
llama “tensión inversa de ruptura”.
Filtro
Supresor
Rectificador
Corrector
de Factor
de Potencia
Oscilador
Protecciones
Regulador
Rectificador
de Alta
Frecuencia
Trafo
Reductor
HF
Los diodos led no tienen una gran
capacidad de resistir tensión con
polaridad opuesta como es el caso
de los rectificadores. Su tensión de
ruptura inversa es muy baja, en el
orden de los 5 volts. Esto significa
que un led alimentado “al revés” se
I
H
G
puede llegar a quemar. Es por ello
que los módulos, tiras o incluso al-
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| Luminotecnia | Septiembre-Octubre 2013 |
Figura 10
F
2) Evitar que la alta frecuencia
anterior queda totalmente inutilizado
a bloquear únicamente los ruidos
producida por el oscilador se inyec-
ya que entre la fase y el neutro no
que ingresen por la fase, o por el
te en la línea de alimentación. Este
existiría diferencia de potencial que
neutro disyuntivamente. Este es un
es uno de los puntos que exige la
permita que el ruido circule. Para
caso totalmente improbable, puesto
norma en cuanto a compatibilidad
ello, realizando mejoras, arribamos
que en la mayoría de los casos
electromagnética. al filtro de la figura 12.
el transitorio ingresa por ambos
conductores.
¿Qué tengo que saber de los
filtros supresores?
transitorio filtrado
F
Hay algo que usted no puede de-
transitorio
jar de saber de los filtros supresores;
considere el siguiente escenario:
entra un transitorio por el conductor
de fase. El filtro tranquilamente po-
T
L1
L2
Si observa el circuito anterior,
podría darse cuenta que, si bien C1
C1
C2
onda pura
N
transitorio filtrado
transitorio
Transitorio filtrado
F
L1
C1
Transitorio
Onda pura
N
Figura 11
Las flechas rojas indican la
también se llevan una pequeña
de alimentación. Por lo tanto, existe
derivarlo al neutro con un capacitor,
como muestra la figura 11.
ruidos de alta frecuencia a tierra,
corriente, producto de los 50/60Hz
Figura 12
dría limitarlo con un inductor serie y
y C2 están calculados para derivar
una corriente que se está derivando
Aquí la tierra establece un punto
a tierra constantemente y el nivel
de referencia en 0 (cero) volts para
depende de la topología del filtro.
que siempre exista diferencia de
A medida que el número de fuentes
potencial, siendo que el ruido en-
switching instaladas por circuito
tre por la fase, por el neutro o por
aumenta, puede que el disyuntor
ambos conductores. Las flechas
diferencial actúe. rojas indican el recorrido del tran-
Tenga sus precauciones al
sitorio, en este caso, se trata de un
instalar un alto número de fuen-
transitorio que ingresa por ambos
tes switching por disyuntor dife-
conductores.
rencial monofásico (figura 13).
circulación del transitorio de alta
Como una conclusión muy im-
Si se tratara de una instalación
frecuencia. El mismo ingresa por
portante, se puede afirmar que el
trifásica balanceada, protegida con
la fase, L lo filtra y C se encarga
conductor de tierra es rigurosamen-
un disyuntor diferencial trifásico, las
de derivar los restos al neutro para
te obligatorio para activar el filtro
corrientes de fuga se anulan entre
que la onda entre pura al circuito del
de red de la fuente switching. De
las fases y la protección diferencial
balasto. Toda esta magia sucede
no ser conectado, el filtro se limita
no actúa. Por lo tanto, este tipo de
porque entre el pico del transitorio
y el neutro (N) existe una gran diferencia de potencial que permite la
circulación de corriente. Pero, ¿qué
sucedería si el transitorio ingresara
por la fase y por el neutro al mismo
tiempo? Evidentemente el circuito
Figura 13
| Septiembre-Octubre 2013 | Luminotecnia
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precauciones deben tenerse en
se en cortocircuito, dependeremos
Ahora observe la red de filtrado
cuenta únicamente al utilizar disyun-
de los fusibles y/o termomagnéticas
de ruidos a tierra compuesta por los
tores diferenciales monofásicos.
de protección (externas al circuito)
capacitores CY. Si cualquiera de los
para interrumpir el funcionamiento
capacitores CY se pusieran en corto-
de la fuente. En este caso existe
circuito, el potencial de alimentación
una probabilidad de incendio en el
quedaría conectado al chasis de la
Observe la figura 14, donde se
capacitor CX fallado que depende
fuente. Esto implica un riesgo para
muestra un circuito real correspon-
de muchos factores, pero por sobre
la vida del usuario.
diente a un filtro supresor.
todo, de la velocidad con la cual ac-
Seguridad en filtros supresores
Como hemos comentado ante-
túen las protecciones externas. Si
Este tipo de capacitores (CY)
riormente, el filtro está compuesto
bien hay un riesgo acotado para la
son ensayados bajo rigurosos
por una red para evitar ruidos que
instalación, una falla en el capacitor
requisitos que garanticen mayor
entren a través de un solo conduc-
CX no supone una amenaza para
seguridad que los capacitores CX
tor (fase o neutro) y otra red para
la vida de las personas. respecto de fallas por cortocircuito,
filtrar ruidos que entren por ambos
A este tipo de capacitores, que
conductores a la vez (fase y neutro).
se conectan entre fase y neutro,
Observe la primera red, com-
se los llama “Supresores X” con
puesta por el capacitor CX. De existir
un subtipo que va del 1 al 3, sien-
A este tipo de capacitores, que
una falla en este componente, pue-
do 1 el más exigente y 3 el menos
se conectan entre fase / neutro y
den ocurrir dos cosas: el capacitor
exigente. Un filtro bien diseñado
tierra, se los llama “Supresores Y”
se abre o se pone en cortocircuito.
utilizará capacitores supresores
y también se clasifican en subtipos,
Si el capacitor CX se abre, el
X1-2 entre fase y neutro para ga-
pero esta vez del 1 al 4 de acuerdo
problema no es grave, ya que el cir-
rantizar las
a la exigencia. Un filtro bien diseña-
cuito seguirá funcionando, solo que
medidas
do utilizará capacitores supresores
sin la protección adecuada y fuera
de seguri-
Y1-2 entre fase y tierra, así también
de lo que exigen las normas de su-
dad en la
como entre tierra y neutro, para
presión de interferencias. De poner-
instalación.
garantizar las me-
y por supuesto, resultan más costosos por ello.
didas de seguri-
Chasis de la Fuente
CX
L1
CY
T
Este artículo, continuará en la
L2
N
Figura 14
48
cuidado de la vida
de las personas.
F
Conexión
al Chasis
dad relativas al
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CY
próxima edición.