Cómo diseñar controladores LED para farolas

Este artículo tiene como objetivo facilitar los desafíos de diseño para las farolas LED con la ayuda de un ejemplo.

En muchas aplicaciones de iluminación para el consumidor, el costo de la tecnología existente, especialmente las bombillas o lámparas fluorescentes, es tan bajo que muchos de los beneficios de la iluminación LED no pueden compensar el aumento de los costos de puesta en marcha. El alumbrado público difiere significativamente porque la larga vida útil y el alto grado de control que proporciona la iluminación de semiconductores están asociados con el usuario final, el gobierno, que evalúa el costo de propiedad junto con el costo inicial.
Aquí es donde los LED de alta calidad combinados con una buena gestión térmica y una electrónica de accionamiento robusta tienen un valor real. Este artículo propone una solución de accionamiento eléctrico que equilibra los costos iniciales más altos con una vida útil prolongada, al menos tanto como la de los propios LED.

Voltajes de bus de CC

Cien o más LED de un vatio a menudo son suficientes para producir miles de lúmenes necesarios para una farola. Una forma de alimentar 100 LED sería encadenarlos en una serie. Esto asegura la misma corriente a través de cada LED y, dado que la salida de luz es proporcional a la corriente, es la mejor manera de garantizar la misma salida de luz de cada dispositivo.

El problema es que un voltaje de CC puede ser fácilmente de 400 V. Tal voltaje puede ser letal y también requiere componentes grandes y costosos.

La segunda forma de disponer 100 LED sería utilizar más cadenas paralelas con un voltaje de CC más bajo. Las topologías conocidas y rentables, como un convertidor inverso, producen buenas etapas AC-DC (a menudo llamadas convertidores fuera de línea) porque pueden combinar una función reductora con aislamiento galvánico y corrección del factor de potencia (PFC).

Los voltajes de bus de CC de 60 V o menos son comunes debido a los 48 V utilizados en aplicaciones de telecomunicaciones y debido a las normas de seguridad, como la definición de IEC de bajo voltaje seguro. Debido a que no es tan bajo como el voltaje lógico de los circuitos digitales y, sin embargo, no es tan alto como el voltaje fuera de línea rectificado, el voltaje de distribución de 48 V a menudo se denomina voltaje de bus de CC medio.

Fig.1: Controlador LED fbd_snvs450f

Topologías de circuitos

El convertidor CC-CC es una elección natural para la última etapa de la fuente de alimentación LED. El LED requiere corriente continua, por lo que la salida también es corriente continua.

El concepto de un bus de CC intermedio permite al diseñador utilizar convertidores CC-CC no aislados y rentables, ya que la etapa anterior se encarga de la reparación, el PFC y el aislamiento.

Hay tres tipos principales de convertidores no aislados:

De estas topologías, el controlador reductor es, con mucho, el más adecuado para el control de LED por varias razones.

Primero, el inductor reductor está en la salida, lo que significa que la corriente del LED y la corriente del inductor tienen el mismo valor promedio. Además, la corriente de salida siempre se controla explícitamente gracias al inductor.

En segundo lugar, la reducción de voltaje es la forma más eficiente de conversión de energía, lo que hace que el dólar sea el más eficiente de todos los convertidores de conmutación.

En tercer lugar, la reducción es más económica entre los convertidores de conmutación porque las corrientes más pesadas están en la salida y el bajo voltaje en la entrada.

Coloca el voltaje y la corriente más bajos en los diodos y MOSFET de potencia, que forman interruptores de potencia en los convertidores de conmutación. Esto significa una amplia selección de interruptores de potencia, componentes pasivos y circuitos integrados de control, todos los cuales representan la solución más económica.

Diagrama personalizado del controlador reductor LM3402
Fig.2: Diagrama personalizado del controlador reductor LM3402

Diseño de LED y selección de controlador IC

Para este ejemplo de diseño, se utilizarán 100 LED, cada uno con una dispersión de un vatio. Un bus de CC intermedio de 48 V es una buena opción, ya que se encuentran disponibles fuentes de alimentación CA-CC estándar con una amplia selección de potencia de salida.

A partir de 48 V ± 5% es posible utilizar el controlador LED reductor para suministrar diez LED en serie. Diez de estos controladores producen una bombilla robusta que puede diseñarse para funcionar utilizando los 100 LED sin un voltaje peligroso.

Los fabricantes de optoconductores combinan sus LED blancos para flujo luminoso, temperatura de color correlacionada (CCT) y voltaje directo. El agrupamiento por temperatura y flujo de color es importante para mantener un color y una salida de luz consistentes, pero cuanto más LED de calidad se combinen, mayor será el costo.

Si se utilizan LED con diferentes enchufes, los diseños de las bombillas LED deben adaptarse a una amplia gama de voltajes directos. Por lo tanto, cada controlador de LED será una fuente de corriente de 350 mA que está diseñada para operar desde una entrada de 45 V a 51 V en el rango de voltaje de salida de 30 V a 40 V, lo que refleja los cambios potenciales de VF de cada LED de 3.0 V a 4.0 V.

El LM3402HV es un ejemplo de un controlador reductor con un N-mosfet de alimentación interno.
Desafíos de diseño con reguladores reductores

Cuando se usa un controlador de celda para alimentar un LED, el principal desafío de diseño ocurre cuando el voltaje de entrada es mínimo y el voltaje de salida es máximo.

Muchos reguladores de conmutación no pueden encender el N-MOSFET interno indefinidamente. Durante cada período de conmutación, el controlador debe apagarse durante un tiempo de apagado mínimo de 300 ns para restaurar el capacitor de arranque, que es parte del circuito que impulsa el FET de energía interno.

Debido a que el tiempo mínimo de desconexión es fijo, el ciclo de trabajo máximo que se puede lograr disminuye al aumentar la frecuencia de conmutación. Esto se debe a que esos 300ns consumen cada vez más del ciclo de conmutación.

Las frecuencias de conmutación típicas oscilan entre 50 kHz y 1 MHz, y 500 kHz suele ser un buen equilibrio entre el tamaño físico de los componentes de potencia, como un inductor, que es más pequeño cuando la frecuencia de conmutación es más alta, y la eficiencia energética, que es más alta cuando la frecuencia de conmutación es más bajo.

En este caso, 500 kHz no es posible, por lo que se usa 370 kHz. Esto asegura que el controlador de LED tenga los componentes más pequeños posibles y, al mismo tiempo, pueda controlar adecuadamente los diez LED durante las peores condiciones de voltaje de entrada y salida.


Jawaaz Ahmad, de Srinagar, es becario de diseño en el Centro de Innovación de Diseño de la Universidad Islámica de Ciencia y Tecnología, J&K. Hizo B.Tech en Electrónica y Comunicación de la misma Universidad, y M. Tech en Diseño VLSI y Sistemas Embebidos de la Universidad Tecnológica de Visvesvaraya.



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