La iluminación de estado sólido está comenzando a cumplir con los ahorros de energía prometidos desde hace tiempo, explica ALI FAWAZ, pero para ampliar su adopción los desarrolladores deben seguir reduciendo el coste de los circuitos de control, mientras que características como la regulación deben seguir siendo compatibles.
La iluminación basada en LED ha comenzado a influir en la enorme cantidad de energía utilizada para la iluminación en las regiones desarrolladas del mundo, pero se espera más de la tecnología de iluminación de estado sólido (SSL). Para cumplir las previsiones, por ejemplo, de una penetración superior al 50% en el sector de la iluminación comercial para finales de esta década, los fabricantes de SSL necesitan reducir aún más los costes de las lámparas y los aparatos asociados. La electrónica utilizada para el control de los LED es un objetivo primordial para los esfuerzos de reducción de costes, y la integración a nivel de chip de silicio o CI se centra en ayudar a cumplir ese objetivo. Aun así, la electrónica debe estar totalmente equipada con soporte de regulación, ya que la regulación puede tener un mayor impacto en el ahorro de energía, a la vez que proporciona un mejor entorno para los trabajadores y mejora el ambiente en muchas aplicaciones.
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Por ejemplo, considere el mencionado sector de la iluminación comercial. Según un artículo publicado en 2014 por el Instituto Politécnico de Worcester, la iluminación representa casi la mitad (349 TWh/año) del presupuesto de electricidad de los edificios comerciales en Estados Unidos. El enorme coste energético asociado a tales niveles de uso significa que la ventaja del coste de propiedad de las lámparas basadas en LED suele ser suficiente para ganar cuota de mercado en los nuevos proyectos. Sin embargo, los desarrolladores deben seguir esforzándose por mejorar las funcionalidades que reduzcan los costes de adquisición iniciales.
Optimizar los controles de regulación de 0-10V para conseguir unas luminarias LED eficientes y rentables
La electrónica de regulación es un área especialmente difícil para los desarrolladores de SSL. A pesar de que el propio LED es intrínsecamente regulable, muchas de las primeras generaciones de lámparas LED no eran compatibles con los reguladores convencionales. Además, los controladores IC de alimentación conmutada tradicionales resultaron ser inadecuados para las aplicaciones de balastos LED. En consecuencia, los circuitos integrados de control para balastos LED utilizan cada vez más la tecnología digital, especialmente en la parte de regulación del circuito integrado. Con esta concentración en el CI controlador, la interfaz entre el CI controlador de LED y el control de regulación (dimmer) ha sido ampliamente ignorada. Una interfaz de regulación bien diseñada y estable es fundamental para obtener una calidad de luz constante y lograr la fiabilidad necesaria para las aplicaciones comerciales e industriales.
Métodos para incorporar el control de regulación de 0-10V
Mientras que la regulación con corte de fase se utiliza comúnmente para las aplicaciones residenciales del mercado masivo, existen problemas relacionados con el parpadeo inherente que limitan su uso en los mercados comerciales. En los escenarios comerciales de interior y exterior, e incluso en la iluminación residencial de alta gama donde no se requiere el cambio de color, la regulación de 0-10V es la preferida por muchos diseñadores y especificadores de iluminación. Hay dos métodos de control de la regulación de 0-10V. En un método, el controlador (dimmer) suministra corriente al driver LED; este método está definido y apoyado por la norma ESTA E1.3 y es el método preferido en aplicaciones de tecnología teatral o de entretenimiento.
En el segundo método, el controlador (dimmer) absorbe la corriente del driver LED. La relativa facilidad de uso hace que este segundo método sea popular para la más amplia gama de aplicaciones comerciales. Las especificaciones técnicas clave para el segundo método, que se definen en la Norma Técnica IEC60929 Anexo E, son:
– La corriente mínima de disipación al controlador de regulación (dimmer) es de 10 μA y la corriente máxima de disipación es de 2 mA.
– Bajo ninguna circunstancia los terminales del circuito de interfaz al controlador de regulación (dimmer) deben producir una tensión superior a +20V ni puede ser inferior a -20V. El controlador/balasto no debe dañarse cuando la tensión de regulación esté entre +20V y -20V.
– Los terminales de control del circuito de interfaz deberán estar protegidos contra la polaridad inversa. En el caso de polaridad inversa de los terminales de control de la interfaz, la luz de salida debe estar al mínimo o apagada.
– La interfaz del circuito de atenuación debe producir una luz de salida estable para una tensión de control de atenuación entre 0-11V.
– Cuando la señal del controlador de atenuación (dimmer) es de 10V o superior, la luz de salida debe estar al máximo. Cuando la señal del controlador de atenuación (dimmer) es de 1V o inferior, la luz de salida debe estar al mínimo o apagada.
– Si no se utiliza ningún controlador de atenuación (dimmer), los terminales de atenuación se mantienen normalmente abiertos y la luz de salida debe estar al máximo. Si los terminales de atenuación están en cortocircuito, la luz de salida debe estar al mínimo.
– El cable de alimentación del terminal de atenuación es de color púrpura y el de retorno es de color gris.
Además, en todos los casos en los que el circuito del controlador de atenuación (dimmer) sea accesible para el usuario, se requiere un aislamiento/aislamiento doble o reforzado de todas las tensiones peligrosas, incluida la tensión de entrada. El aislamiento mejora aún más el rendimiento de la atenuación al mantener el alto ruido de conmutación alejado de las señales de atenuación.
Desarrollo de diseños para una interfaz de atenuación
Dos figuras anteriores muestran soluciones de diseño típicas para un circuito de interfaz de atenuación. La Fig. 1 es un circuito de interfaz de atenuación basado en un transformador y la Fig. 2 muestra un circuito de interfaz de atenuación basado en un optoacoplador. En ambos circuitos, la señal de atenuación se convierte en un pulso para facilitar la obtención de una señal proporcional a la señal de atenuación al otro lado de la frontera donde reside el controlador principal del CI de LED. El pulso suele ser promediado y alimentado al pin de atenuación del controlador de LED.
La interfaz de atenuación basada en un transformador no necesita un voltaje de polarización, pero sufre de imprecisiones con el cambio de temperatura. Además, el transformador es costoso y exige una huella de PCB (placa de circuito impreso) relativamente grande. También se necesita un impulso externo de onda cuadrada, que se suele implementar utilizando el accionamiento de la puerta de un MOSFET de potencia de lado bajo. La señal de accionamiento de la puerta tiene bordes de subida y bajada rápidos que podrían exacerbar la EMI en el atenuador. Los transitorios de alto voltaje, principalmente la sobretensión, en la puerta del MOSFET de potencia imponen además requisitos de sujeción en la señal de atenuación alrededor del transformador de aislamiento. Muchos de estos problemas se abordan y el rendimiento de la interfaz de atenuación basada en el transformador se mejora significativamente mediante el uso de un controlador de LED principal que puede generar un pulso cuadrado controlado y proporciona compensación de temperatura para la señal de atenuación.
La interfaz de atenuación basada en el optoacoplador que se muestra en la Fig. 2 es más compleja que un diseño basado en el transformador, pero también puede ser más precisa. Requiere una tensión de polarización y al menos dos op-amps además del opto-acoplador. Genera la onda cuadrada por sí mismo, eliminando algunos de los problemas que conlleva el uso de la señal de accionamiento de la puerta del MOSFET de potencia.
En ambos circuitos de interfaz, los parámetros de diseño se fijan a una especificación determinada y no son fácilmente modificables. Los cambios en parámetros tales como la corriente de caída en el atenuador, el ciclo de trabajo mínimo (que determina el voltaje de programación mínimo en el controlador del CI de LED) y el modo operativo de la interfaz de atenuación requieren un rediseño.
Beneficios de los diseños de circuitos simplificados para las interfaces de atenuación
Como sucede a menudo en la industria de los semiconductores, la mejor manera de resolver un problema de diseño de circuitos puede ser a través de un CI construido especialmente para la tarea en cuestión. Suponiendo que la aplicación en cuestión sea lo suficientemente grande como para soportar el diseño y la fabricación de un CI de este tipo, los beneficios pueden incluir un mayor rendimiento y un menor coste. Y el sector de la SSL está creciendo hasta el punto de hacer viables los CI construidos expresamente.
La Fig. 3 ilustra un enfoque en el que una gran parte de los elementos discretos del diseño basado en el optoacoplador están integrados en un CI compacto de este tipo, el Infineon CDM10V. Básicamente, todos los circuitos mostrados en el lado izquierdo del optoacoplador de la Fig. 2 se reducen a este CI.
Además de simplificar el diseño, el enfoque del CI reduce el coste y el tamaño del sistema global, disminuye los costes de montaje y mejora la fiabilidad. Los parámetros programables también proporcionan flexibilidad para reutilizar el diseño del circuito en múltiples desarrollos de luminarias. Los ajustes programables de una sola vez incluyen la corriente de la resistencia, el ciclo de trabajo mínimo, la frecuencia de la señal de modulación de ancho de pulso y la funcionalidad de atenuación a apagado. La tabla adjunta resume las características programables. El circuito integrado puede incluso configurarse en modo transparente para la salida directa de una señal de modulación de ancho de pulso de la fuente.
Este enfoque más sencillo de un circuito de interfaz de regulación proporciona flexibilidad en una amplia gama de aplicaciones de regulación en la iluminación industrial y comercial, tales como apliques, lámparas empotradas, apliques, iluminación debajo de armarios, iluminación de oficinas, y más. El circuito podría incluso utilizarse para aplicaciones ajenas a la iluminación general, como la señalización basada en LED. De hecho, los fabricantes de iluminación podrían desplegar un diseño de hardware para toda una plataforma de balastos LED comerciales, permitiendo así la aplicación en volumen de la tecnología de regulación.
ALI FAWAZ es ingeniero de aplicaciones del personal senior de Infineon Technologies Americas (infineon.com).