Fuentes de alimentación para módulos LED

Jueves, 3 Abril, 2014

Una fuente de alimentación es un dispositivo que permite la conversión de energía desde la red a la forma requerida por la carga, de la manera más eficiente posible. Cuando nos encontramos en el sector de la iluminación, nos referimos a estos dispositivos hablando de ‘drivers de LED’.

La energía que consumirá la carga (uno o varios módulos LED, por ejemplo), será siempre menor que la energía que consumimos de la red, debido a que cualquier driver origina pérdidas en su interior que se transforman en calor. El objetivo de cualquier fabricante o diseñador de fuentes de alimentación, es conseguir que esa pérdida de energía sea la menor posible, es decir, acercarse lo más posible a un 100% de eficiencia. Además de los beneficios comunes que conlleva, cuanto más eficiente es un driver, por norma general menos se calienta, y de esta manera el equipo funciona de una manera más segura una vez que está instalado.

Una fuente de alimentación para LEDS funciona convirtiendo energía alterna de la red (AC) en energía continua en la salida (DC). Estaríamos hablando de un convertidor AC/DC. En su interior, además de un filtro EMI y un puente rectificador, puede haber una o varias etapas intermedias que transforman la energía a los requerimientos que necesitamos en cada momento, para conseguir las funcionalidades y características deseadas en nuestro driver, como por ejemplo un factor de potencia alto, un THD bajo, etc…. El esquema preliminar básico de una fuente de alimentación de una etapa podría ser el siguiente:

Esquema preliminar básico de una fuente de alimentación de una etapa

Esquema preliminar básico de una fuente de alimentación de una etapa

 

Dependiendo del número de etapas intermedias de una fuente de alimentación, podemos clasificarlas en drivers de una o varias etapas.

 

1. Convertidores de una etapa o Single-Stage (adecuados para potencias bajas). Este tipo de fuentes de alimentación, utiliza tan solo una etapa conversora de energía. Un ejemplo sería un equipo basado en topología Flyback, que utiliza dos bobinas acopladas. En un ciclo, el devanado primario de la bobina se carga de energía, y en el otro ciclo, la bobina se descarga en el secundario, entregando energía a la carga y recargando los condensadores que hay en la salida. Estos últimos son lo que tratan de mantener una corriente y tensión constantes.

Convertidores de una etapa

Convertidores de una etapa

 

El acoplamiento de la bobina se debe realizar para asegurar un aislamiento galvánico entre primario y secundario, permitiendo que una fuente de alimentación pueda llegar a ser:

– AISLADA: Cuando hay una separación galvánica y eléctrica entre los circuitos de primario o entrada de red y secundario o salida a la carga.

- De uso INDEPENDIENTE: Cuando además del aislamiento, hay una doble protección entre nosotros y cualquier parte activa accesible del equipo.

- CLASE II: Cuando además hay doble protección entre primario y secundario y desde estos al exterior.

- SELV: en caso de cumplir los anteriores requisitos, así como otros referidos a los valores de tensión en la salida y su rizado.

 

Como solo hay una etapa en el Flyback, no se puede entregar la misma cantidad de energía a la carga cuando llegan valores bajos de red que cuando llegan valores altos. Debido a esto, estos equipos suelen tener un rizado mayor, aunque si éste no supera el 30% se considera que el comportamiento es muy bueno, y puede ser compensado con el filtro de salida que en definitiva son unos condensadores. Debido a ese rizado, y a que la etapa va adecuándose y siguiendo a los valores de red de entrada, el factor de potencia de esta clase de equipos suele ser muy bueno, y el THD bajo. Una buena eficiencia para un flyback se sitúa entre el 85 y 90%.

Esquema para una etapa en el Flyback

Esquema para una etapa en el Flyback

 

Debido a la carga que acumulan los condensadores de filtrado en la salida, los falsos contactos son peligrosos para los módulos de LEDS ya que, si están cargados, el pico de corriente a través de los LEDS puede llegar a romperlos. Para ello, existen sistemas de protección como limitadores de corriente.

Esquema de limitadores de corriente

Esquema de limitadores de corriente

 

2. Convertidores de varias etapas intermedias (adecuados para potencias altas y muy altas). Este tipo de fuentes, utilizan varias etapas para ir adecuando la energía a las características más convenientes y lograr unas altas prestaciones y un buen rendimiento. Lo usual es disponer de una primera etapa de corrección activa del factor de potencia, generando además un bus de tensión continua que alimenta un Flyback. De esta manera, el factor de potencia es altísimo, el THD puede controlarse y hacerlo lo más bajo posible y podemos cuidar especialmente la eficiencia. En este tipo de fuentes, el convertidor Flyback tiene una alimentación constante y por tanto los parámetros de salida serán a su vez constantes (menores en todo caso a un 2% de variación).

Esquema preliminar básico de una fuente de alimentación en varias etapas

Esquema preliminar básico de una fuente de alimentación en varias etapas

 

Para mejorar significativamente la eficiencia, una buena idea puede ser el uso de una etapa semirresonante como lo es el Flyback cuasirresonante. Esta topología es muy parecida al Flyback habitual, pero evita pérdidas innecesarias al conmutar en el mismo momento en el que la bobina se descarga por completo a través del devanado secundario. De esa manera, la oscilación libre que causa el Flyback clásico desaparece, eliminando las pérdidas que producía y mejorando la eficiencia. Se consiguen fácilmente valores superiores al 90% de eficiencia con esta topología.

Topologías de flyback y flayback cuasiresonante

Topologías de Flyback y Flayback QR

 

Una fuente de alimentación debe ser capaz de enfrentarse a situaciones adversas de funcionamiento, sin que ello suponga el fallo del equipo. En la siguiente tabla, se muestran situaciones típicas de fallo y su correspondiente protección:

 

 

Las fuentes de alimentación basadas en topologías que aíslan la salida de la entrada son más robustas y resistentes cuando se les somete a diversas pruebas de resistencia o choques eléctricos, aunque suponen un desafío técnico y un conocimiento del estado del arte más profundo que el requerido para las topologías no aisladas, como pueden ser las de tipo BUCK.

 

Iván Cid, Dpto. de I+D+i de ELT

Iván Cid, ingeniero I+D+i 

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