Este artículo analiza las necesidades prácticas de los sistemas de iluminación LED industriales comunes. Introduce la variedad de diseños para trabajar con luminarias LED regulables, así como algunos de los principios básicos de los propios LED. Además, incluye varios requisitos que desafían a los ingenieros de diseño de electrónica de potencia de hoy.
prólogo
Este artículo analiza las necesidades prácticas de los sistemas de iluminación LED industriales comunes. Introduce la variedad de diseños para trabajar con luminarias LED regulables, así como algunos de los principios básicos de los propios LED. Además, incluye varios requisitos que desafían a los ingenieros de diseño de electrónica de potencia de hoy.
LED en luminarias industriales de alta potencia
Las luminarias industriales de diodos emisores de luz (LED) de alta potencia utilizan cadenas de LED de alto brillo (HB) en serie y en paralelo para producir luminarias superiores en comparación con los sistemas tradicionales “basados en balastos”. Los HB-LED se construyen en cadenas en serie o en serie-paralelo. Estos requieren fuentes de alimentación de voltaje constante y corriente constante (CC-CV) que operen en el rango de 50W a 200W. Los sistemas de iluminación LED industriales que funcionan con voltajes de CA fuera de línea de uso general deben incluir la capacidad de mantener un alto factor de potencia en una amplia gama de condiciones de operación de entrada y salida. Por ejemplo, para cumplir con el programa Energy Star del Departamento de Energía (DOE) para iluminación de estado sólido, se requiere explícitamente un factor de potencia mínimo de 0,7 y 0,9 para luminarias residenciales y comerciales de más de 5 W, respectivamente. Además, la norma europea EN61000-3-2 para luminarias Clase C impone estrictos límites de THD que se cumplen más fácilmente mediante la corrección activa del factor de potencia (PFC).
El diagrama de bloques que se muestra en la Figura 1 destaca los requisitos funcionales de un sistema de iluminación LED industrial típico. Aunque este no siempre es el caso, la funcionalidad PFC se muestra fuera del bloque del controlador LED en este ejemplo. Existen varios métodos de control ampliamente aceptados que se utilizan para lograr la PFC, pero para la regulación de potencia en el rango de 25 W < POUT < 200 W, se recomienda cumplir con EN61000-3-2 y mantener una alta eficiencia. Por esta razón, el modo de conducción límite ( BCM) PFC es la mejor consideración. Los PFC de BCM se benefician del uso de inductores de refuerzo más pequeños y eficientes. Utiliza conmutación de voltaje cero (ZVS) y conmutación de corriente cero (ZCS) para mantener una alta eficiencia. Desde una perspectiva de regulación de energía, los objetivos de los circuitos PFC utilizados en la iluminación LED no son diferentes a la mayoría de las otras aplicaciones de energía AC-DC, como la informática.
El controlador LED consiste en un convertidor DC-DC. control de carga, funciones específicas de LED como atenuación; y las funciones protectoras necesarias. El convertidor CC-CC convierte la salida PFC de alto voltaje en una corriente CC que se adapta bien a los requisitos de la carga de LED, a la vez que la aísla de forma segura de la fuente de alimentación de CA. Cuando se utilizan varias cadenas de LED en serie-paralelo en dispositivos LED de alta potencia, se requiere control de carga de LED para compartir la corriente.
En algunos casos, el bloque CC-CC que se muestra en la Figura 1 se puede combinar con el bloque de control de carga para que el control de carga proporcione información de retroalimentación CC-CV al convertidor CC-CC. Para un funcionamiento normal, el controlador LED debe operar en la regulación CC. Sin embargo, hay casos en los que el controlador necesita trabajar en modo CV.
Por ejemplo, si el voltaje de la cadena de LED supera el valor nominal máximo, el controlador debe reaccionar rápidamente cambiando del modo CC al modo CV para proteger los componentes de la etapa de potencia del convertidor CC-CC. Cuando el controlador está funcionando en modo CV, la corriente del LED debe limitarse o reducirse para proteger la carga del LED de una sobrecorriente. Además de la conversión de energía y el control de carga, la función secundaria del controlador es habilitar la atenuación.
Hay varias configuraciones para operar luminarias LED regulables. Los sistemas de iluminación LED industriales suelen utilizar interfaces de atenuación analógicas o PWM junto con sensores de ocupación, sensores de luz diurna y otros controles para optimizar el uso más eficiente de la iluminación. La atenuación analógica utiliza un voltaje de control de CC de 1 V a 10 V (o de 0 V a 10 V) para ajustar linealmente el brillo de un LED mediante el control de la corriente CC en el LED. Un voltaje de control de 1 V a 10 V ajusta el rango de atenuación del LED del 100 % (10 V) al 10 % (1 V). La salida de luz solo se puede atenuar en un 10%, por lo que se requiere un interruptor separado para el control de encendido/apagado.
El alto factor de potencia, el aislamiento seguro, la compatibilidad de atenuación, la precisión de corriente constante y el control de carga LED son ejemplos de requisitos desafiantes para los ingenieros de diseño de electrónica de potencia de hoy. ¿Cómo comienza a resolver las ventajas y desventajas de cumplir con tales requisitos mientras mantiene una alta eficiencia? ¿Cuáles son las consideraciones entre las diversas topologías de potencia adecuadas para los controladores LED en este rango de potencia? ¿Qué otros métodos de uso compartido de corriente CC-CV LED están en uso? y ¿qué está haciendo Fairchild para abordar estas necesidades?
Para conocer las respuestas, no se pierda la serie de seminarios Fairchild Power de 2014. Profundizamos en los detalles y revelamos un enfoque de diseño paso a paso para un controlador LED escalable de 100 W adecuado para iluminación industrial de alta potencia. accesorios El diseño de componentes magnéticos, la activación de compuertas, el PFC y el diseño de circuitos analógicos también se presentan de una manera que promete ser relevante para los ingenieros de electrónica de potencia que pueden no estar particularmente interesados en las aplicaciones de controladores de LED.
Conclusión
Los LED de alto brillo (HB) son la columna vertebral de los accesorios de iluminación industrial de alta potencia, y este documento describe sus capacidades y cómo generar estas grandes cantidades de brillo. Se presentará más sobre este tema en la serie de Seminarios de energía Fairchild 2014, incluido un enfoque de diseño paso a paso para un controlador LED escalable de 100 W adecuado para la misma aplicación.