Soluciones de alimentación para aplicaciones de LED
Junto con esta nueva generación de productos LED que entra en el mercado, el número de LED utilizados en productos (iluminación y de otro tipo) está creciendo a un ritmo exponencial. Los LED están encontrando acomodo en las nuevas aplicaciones, desde linternas y faros en vehículos a la retroiluminación de televisores LCD. En general, el principal impulsor que subyace en el crecimiento de los productos de iluminación mediante LED es el incremento de la eficiencia (más lúmenes de luz generados por cada vatio de energía gastada) que logra la tecnología LED.
En las soluciones tradicionales de iluminación (como la luz incandescente), la carga parece resistiva. El consumo de energía, y por tanto la intensidad de la luz, era una función de la tensión aplicada a la luz y de la resistencia de la lámpara (según la ley de Ohm). La intensidad se incrementa o reduce dependiendo de la tensión de entrada. Pensemos por ejemplo en los faros de un vehículo cuando arranca el motor; mientras el motor está arrancando, la tensión procedente de la batería es baja y por tanto la luz de los faros se atenúa. Una vez en marcha el motor, la tensión de la batería se recupera y los faros alcanzan su intensidad normal.
Las soluciones de iluminación mediante LED se comportan de forma fundamentalmente diferente a la luz incandescente. La intensidad de los LED se controla modulando sus corrientes y la resistencia de una carga de LED varía con la carga aplicada. En lugar de utilizar una tensión y resistencia constantes para mantener una intensidad de iluminación constante, un LED requiere una corriente constante. La forma de lograrla varía en función del nivel de potencia de un LED.
Para un LED de muy baja potencia, un circuito como el mostrado en la Figura 1 resulta sencillo y casi siempre es suficiente. La resistencia efectiva del LED es muy pequeña en comparación con R, por lo que la corriente que atraviesa el LED viene determinada por V/R. Los inconvenientes son los siguientes:
1) La intensidad es una función de la tensión. Una variación en V provocará un cambio de la corriente, y por tanto de la intensidad del LED. Volviendo al ejemplo anterior del faro de un vehículo, la luz seguiría atenuada mientras arranca el motor.
2) La solución no aprovecha la ventaja que aporta la eficiencia del LED. Dado que R es muy grande respecto a la resistencia de LED, la mayoría de la potencia se pierde en R.
Para LED de mayor potencia se necesita una solución con corriente controlada para maximizar la ventaja de eficiencia de un LED. La Figura 2 ofrece un ejemplo de solución de este tipo.
El regulador V•I Chip PRM y el transformador de tensión VTM están diseñados para suministrar una tensión regulada. Para utilizar el PRM y el VTM en la alimentación de un LED es necesario modificar el funcionamiento del PRM para suministrar una corriente regulada. Esto se consigue incorporando un Amplificador y Compensador de Corriente.
La utilización del PRM y el VTM para suministrar una corriente constante aporta varias ventajas respecto a las técnicas convencionales. La introducción de un VTM en un sistema proporciona la multiplicación de la corriente en el punto de carga. La corriente de salida de un VTM es proporcional a su corriente de entrada siguiendo una proporción fija, K, según la ecuación:
Por tanto, en una aplicación de corriente controlada, la corriente de entrada hasta el VTM se puede medir y regular para controlar la corriente de salida. La medición de una menor corriente requiere un sensor más pequeño que disipe poca potencia y mejore la eficiencia total. Los propios V•I Chips proporcionan una alta eficiencia y una alta densidad de potencia, logrando así que el sistema de LED sea pequeño y trabaje a baja temperatura, y también que maximice el flujo luminoso en lúmenes por vatio disipado.
Una importante ventaja añadida es que la corriente que atraviesa el LED (IOUT en la ecuación anterior) no es una función de la tensión de entrada. Por tanto, en nuestro ejemplo del faro del vehículo, la intensidad del LED permanecería constante siempre que la corriente que atraviesa el LED permaneciera constante, independientemente de la tensión de la batería. Esto es posible porque el PRM representa una resistencia negativa variable que puede cambiar con V, con lo cual permite mantener una corriente constante. Aún más importante es que la resistencia de PRM es efectiva, no real, lo que significa que la pérdida de potencia es mínima y no una función del valor de la resistencia efectiva. Por tanto, la mayoría de la potencia se pierde en el LED, por lo que esta solución es tan
eficiente y efectiva como el LED
utilizado.
Entre los inconvenientes que presenta esta solución se encuentra su complejidad; como es obvio, se trata de una solución más compleja que la mostrada en la Figura 1 y por tanto su realización exige mayor dedicación y control. Con su mayor complejidad también aumentan los costes, por lo que esta solución es más apropiada para LED de potencia más elevada, para los cuales el ahorro de potencia (y de coste de la energía para el funcionamiento del LED) compense el incremento de coste y complejidad.
En resumen, para los diferentes requisitos de alimentación de los LED existen diferentes soluciones, tanto sencillas como complejas. Los limitadores de corriente resistiva (Figura 1) son simples y económicos, pero ineficientes y poco apropiados para los LED de alta potencia. Las fuentes de corriente ajustable (Figura 2) maximizan eficiencia y tamaño, pero sus costes son más elevados y tienen una mayor complejidad asociada. Las fuentes de corriente ajustable, sin embargo, ofrecen ventajas añadidas como la inmunidad a las fluctuaciones de la tensión de entrada, que pueden ser o no importantes para los objetivos del sistema en su conjunto. El diseñador de una fuente de alimentación para LED debe conocer las diferentes soluciones disponibles para la alimentación de los LED, así como los objetivos del sistema en su conjunto.
Autor: Paul Yeaman, Vicor
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