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Cómo diseñar para obtener un rendimiento óptimo de los LED en la iluminación arquitectónica

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Sin embargo, el uso de ledes en una bombilla que sustituya a esas lámparas de toda la vida no es trivial. Se necesitan nuevos circuitos de accionamiento que proporcionen corriente controlada (no tensión), a menudo con capacidad de regulación. Además, mientras que las bombillas incandescentes son cargas resistivas y pueden funcionar directamente desde la línea de alimentación de CA, los ledes son diferentes. No presentan un factor de potencia unitario -es decir, la corriente y la tensión están en fase- y su circuito de accionamiento del regulador de conmutación es una fuente potencial de interferencias electromagnéticas (EMI). En cambio, el circuito de accionamiento debe proporcionar y controlar la corriente de accionamiento necesaria de forma optimizada para las características de la carga del LED. El controlador también puede tener que implementar la corrección del factor de potencia (PFC), la capacidad de atenuación y la supresión de EMI.

Este artículo examina varios aspectos de la iluminación arquitectónica y los circuitos integrados que permiten la iluminación arquitectónica basada en LED. A continuación, presenta los circuitos integrados de Diodes Incorporated como ejemplos de su uso en circuitos reales.

Los objetivos del AL y los retos del LED

AL es el diseño y el uso de sistemas de iluminación que se incrustan en el interior y el exterior de una estructura comercial no residencial, como una tienda minorista, una oficina o un almacén. El objetivo del diseño de iluminación arquitectónica es equilibrar el arte y la ciencia de la iluminación para crear ambiente, interés visual y mejorar la experiencia de un espacio o lugar, sin dejar de cumplir los requisitos técnicos y de seguridad. No incluye las luces improvisadas que la gente trae o reorganiza, como su lámpara de escritorio favorita; en cambio, es la iluminación que «viene con el edificio», aunque a menudo permite cierta flexibilidad e incluso la reorganización a medida que evolucionan las necesidades a corto y largo plazo.

En los últimos años, la AL se ha convertido en un campo más amplio y tecnológico, con retos añadidos, en gran parte debido a la necesidad de conservar la energía y gestionar las funciones y características asociadas a la iluminación. A medida que la iluminación basada en LED se ha ido convirtiendo en un factor dominante en la mejora de la AL, las técnicas, los circuitos y los componentes que pueden accionar eficazmente los LED en las luminarias de AL han adquirido una importancia creciente.

Gran parte del impulso para la transición a la AL basada en LED proviene de múltiples mandatos regulatorios y normas que definen diversas perspectivas sobre la eficiencia, incluyendo la dimerabilidad, el PFC y la generación de EMI, entre otros factores. Los detalles de estos complicados y largos requisitos difieren según las regiones del mundo, los países e incluso los estados de Estados Unidos.

Entre los requisitos normativos importantes en Estados Unidos están las normas federales Energy Star y el Código de Normas de Construcción del Título 24 de California, que es más estricto que Energy Star. Entre otras muchas consideraciones, el Título 24 exige:

  • Sensores de ocupación para el encendido y apagado automático de las cargas de iluminación
  • Controladores LED con capacidad de regulación
  • Mayor eficiencia medida en lúmenes útiles de salida por vatio de potencia de entrada
  • Iluminación conectada inteligente (SCL) que admite el control inalámbrico de lámparas individuales y agrupadas mediante Bluetooth, Zigbee o DALI/IEC 62386, con una potencia de espera del sistema inferior a 200 milivatios (mW)
  • Ondulación de la corriente de salida del LED por debajo del 30% para evitar el molesto y molesto parpadeo
  • PFC de 0.9 o superior a una potencia superior definida
  • Distorsión armónica total (THD) inferior al 20% para minimizar el desperdicio de energía debido a las cargas no resistivas

Nota sobre la velocidad de atenuación y el parpadeo: aunque el ojo humano es generalmente insensible al parpadeo por encima de 100 Hz, existe un fenómeno asociado, a veces llamado «eflicker», que se produce cuando se utiliza la modulación por ancho de pulso (PWM) para atenuar los ledes, ya sea para controlar el brillo o el color. En PWM, el LED se apaga durante cortos periodos de tiempo (cientos de microsegundos) a una alta velocidad. Esta tasa de atenuación puede interactuar con las tasas de escaneo y refresco de los lectores LED básicos, las pantallas de visualización, las cámaras de seguridad y otros dispositivos de imagen óptica. Por este motivo, la frecuencia de actualización de los ledes debe ser mucho mayor que la frecuencia a la que es sensible el propio ojo, y este es el caso de los componentes de Diodes Incorporated.

Más allá de los chips, los conjuntos de chips

Cumplir con los múltiples requisitos relacionados con la energía es un reto de diseño que requiere hacer malabarismos con enfoques conflictivos, ya que hay interacciones y compromisos inevitables entre las «mejores» soluciones para cada objetivo. Existen CI individuales optimizados para abordar aspectos específicos del problema, pero una solución completa requiere garantizar que estos CI trabajen juntos en armonía y se refuercen mutuamente, en lugar de contraponerse.

Por esta razón, a menudo tiene sentido examinar los circuitos integrados de un solo proveedor y los circuitos asociados -verificados que agrupan estos circuitos integrados- que el proveedor ha reunido. Esto proporciona a los diseñadores una topología probada y constituye un buen punto de partida. Para las AL basadas en LED, Diodes Incorporated ofrece conjuntos de chips sugeridos en dos grupos, uno que admite situaciones de menor potencia (menos de 30 W) y otro para instalaciones de mayor potencia (más de 30 vatios), siendo los primeros los que se suelen utilizar en interiores y los segundos en exteriores.

El diagrama de bloques de la Figura 1 muestra cómo los tres circuitos integrados básicos que componen el conjunto de chips para aplicaciones de potencia de <30 vatios -un controlador de LED regulable, un supresor de ondulación y un controlador de interfaz de señal de regulación- interactúan entre sí, proporcionando la funcionalidad básica necesaria.

Esquema de un controlador de ledes regulables, un supresor de ondulaciones y un controlador de interfaz de señal de regulación (haga clic para ampliar)Figura 1: Los circuitos integrados avanzados -un controlador de LED regulable, un supresor de ondulaciones y un controlador de interfaz de señal de regulación- forman el núcleo de un diseño para la iluminación arquitectónica de <30 vatios. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

Si se observan los tres circuitos integrados por separado, el controlador de LED regulable de alto rendimiento AL1666S-13 funciona con un amplio rango de tensión de entrada de 85 voltios CA (VCA) a 305 VCA, al tiempo que ofrece un PFC superior a 0.9 y una THD inferior al 10%. Admite la regulación analógica de 0 a 10 voltios en un intervalo del 5% al 100% y funciona con todos los reguladores estándar ANSI; para la regulación PWM no analógica, el intervalo es del 1% al 100% a 1 kilohercio (kHz). Para lograr un rendimiento constante, ofrece una regulación de línea de corriente de LED mejor que el ±2%, y una regulación de carga de corriente de LED mejor que el ±2% desde la carga completa hasta la media carga.

A continuación, el AL5822W6-7 es un supresor de ondulación de corriente LED adaptable a 100/120 Hz en un encapsulado SOT-23-6. Responde al difícil reto de minimizar el rizado de la corriente para cumplir con las normas cada vez más estrictas. Además, como es el dispositivo que interactúa con los ledes, es necesario que incorpore protección contra cortocircuitos, sobrecorriente y sobretemperatura, a la vez que soporte el funcionamiento de la bombilla en caliente para cuando el circuito y la bombilla se insertan en un casquillo «vivo». Puede proporcionar una reducción drástica de la ondulación, reduciéndola a solo un porcentaje del valor original, como se demuestra con algunos números básicos. Por ejemplo, cuando se utiliza con el controlador de LED regulable de alto rendimiento AL1665S-13 -un hermano cercano del AL1666S-13- el rizado de corriente es de unos 520 miliamperios (mA) de pico a pico, pero se reduce a solo 17 mA cuando se combina con el AL5822 (Figura 2).

Diagrama del controlador LED regulable de alto rendimiento AL1665S-13 (haga clic para ampliar)Figura 2: La adición del controlador LED regulable de alto rendimiento AL1665S-13 al diseño reduce el rizado de 520 mA pico a pico a solo 17 mA. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

Por último, está el AL8116W6-7, un flexible controlador de interfaz de señal de regulación de 0 a 10 voltios. Funciona a partir de un amplio rango de VCC de 10 a 56 voltios, que puede derivarse de la tensión de salida de un devanado auxiliar, un carril de alimentación o la tensión de la cadena de LED. Admite la regulación PWM en un rango de 0.2 kHz a 10 kHz utilizando un control de 0 a 10 voltios, y la regulación por potenciómetro (resistiva) (0 a 100 kilohmios (kΩ)). Convierte el control de la atenuación en la salida PWM requerida por el sistema, a la vez que proporciona una sencilla solución de atenuación de barrera de aislamiento cruzado. También ofrece un ciclo de trabajo de salida PWM de ±2.5% para una curva de atenuación precisa, fundamental en instalaciones de varios LED.

Por supuesto, los diagramas de bloques de alto nivel pueden ser engañosos en cuanto a mostrar la lista total de materiales (BOM), incluidos los componentes pasivos, los componentes activos discretos y otros CI. Por lo tanto, es importante ver el esquema real para entender lo que requiere el circuito completo, ya que esto afecta al embalaje, la producción y el costo.

Para el conjunto de chips de <30 vatios de la Figura 1, el diagrama esquemático que se muestra en la Figura 3 muestra los pocos componentes que se necesitan realmente. (El transformador T1 y el optoacoplador son necesarios para el aislamiento galvánico entre los lados primario y secundario)

Diagrama de los diodos AL5822, AL8116 y AL1665/6/6A (haga clic para ampliar)Figura 3: Los detalles proporcionados por un diagrama esquemático del diagrama de bloques de alto nivel mostrado en la Figura 1 muestran que solo se necesitan unos pocos componentes adicionales en el diseño completo. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

Dado que todos los circuitos de potencia basados en la conmutación tienen sutilezas en el mundo real que un diagrama esquemático por sí solo no puede revelar, una placa de evaluación es una ventaja para acelerar la validación y verificación del diseño. El AL1666+AL8116+AL5822EV1 es una placa de evaluación que utiliza los tres circuitos integrados mencionados para proporcionar un controlador de LED flyback de 0 a 10 voltios regulable, de alta PFC y de una sola etapa (Figura 4). Proporciona una corriente de salida constante de 1200 mA en un rango de tensión de 25 a 50 voltios a partir de una tensión de entrada de 90 VCA a 305 VCA.

Imagen de la placa de evaluación AL1666+AL8116+AL5822EV1 de DiodesFigura 4: Para acelerar la finalización del proyecto, la placa de evaluación AL1666+AL8116+AL5822EV1 (arriba y abajo) facilita una comprensión más profunda del funcionamiento del circuito del controlador LED regulable utilizando el controlador del lado primario AL1666, el CI de interfaz de regulación del lado secundario AL8116 y el supresor de ondulación de corriente LED AL5822. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

El tamaño es importante para la retrocompatibilidad

¿Por qué son importantes el tamaño reducido y una lista de materiales corta, más allá de la lógica habitual de «más pequeño es mejor»? En parte, se trata de un problema de compatibilidad con las lámparas existentes (bombillas) cuando se utilizan circuitos integrados de accionamiento de ledes de forma individual o en grupo.

Por ejemplo, aunque hay muchos factores de forma de las lámparas AL de uso común, uno que está especialmente extendido es el MR16 utilizado en entornos residenciales y comerciales para la iluminación direccional (Figura 5). Las bombillas con fuentes de luz halógena de este formato han sido durante muchos años una de las primeras opciones para la iluminación estándar de AL.

Imagen del factor de forma y tamaño de la bombilla MR16 utilizando halógeno como fuente de luzFigura 5: El factor de forma y tamaño de la bombilla MR16 que utiliza halógeno como fuente de luz se utiliza ampliamente en las instalaciones de AL. (Fuente de la imagen: Wikipedia; W.W. Grainger, Inc.)

El MR16 tiene 2 pulgadas de diámetro en su mayor circunferencia. El «MR» significa reflector multifacético, que es lo que controla la dirección y la difusión de la luz que proyecta. Esta bombilla suele (aunque no siempre) funcionar con una línea de 12 voltios de corriente alterna, que generalmente se suministra a través de un transformador reductor de tensión de línea.

Un pequeño halógeno MR16 requiere 20 vatios y tiene una vida útil de 2,000 a 6,000 horas. En cambio, el equivalente en LED requiere solo unos pocos vatios y tiene una vida útil del orden de 100,000 horas. A medida que el AL va pasando a las fuentes de luz basadas en LED, es importante poder incluir los circuitos necesarios en este paquete para proporcionar bombillas de forma y ajuste para el enorme mercado de recambios, así como para los nuevos diseños de AL.

Satisfacer las necesidades de mayor potencia

Para el accionamiento de lámparas LED de más de 30 vatios (lo que equivale a unos 3 amperios (A) de accionamiento de corriente LED), como en las aplicaciones de exterior, puede ser preferible una topología de dos etapas a la de una sola etapa, aunque sus módulos de control y comunicaciones pueden ser los mismos (Figura 6).

Diagrama de diseños de iluminación LED de mayor potencia (más de 30 vatios) (haga clic para ampliar)Figura 6: Los diseños de iluminación LED de mayor potencia (más de 30 vatios) utilizan una topología de dos etapas (derecha) en contraste con el enfoque de una sola etapa de los diseños de menor potencia (izquierda), pero su interfaz «inteligente» puede ser la misma. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

Una vez más, el esquema del circuito -en este caso para la solución de diseño de iluminación LED de mayor potencia- ofrece una visión más detallada (Figura 7).

Diagrama del alto nivel de integración que ofrece esta solución de mayor potencia (haga clic para ampliar)Figura 7: El diagrama esquemático muestra de nuevo el nivel relativamente alto de integración que ofrece esta solución de mayor potencia. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

Al igual que en el diseño de menor potencia, tres circuitos integrados constituyen el núcleo de esta implementación. El primero es el AL1788W6-7, un controlador del lado primario que admite topologías buck (reductor) y flyback que no requieren optoacoplador, mientras que su funcionamiento cuasi-resonante (QR) con «función valley-on» proporciona una baja pérdida de conmutación. El factor de potencia es superior a 0.9, mientras que la THD es inferior al 15%, y la potencia en espera es inferior a 200 mW (para usarla durante el día cuando las luces están apagadas, por ejemplo), lo que contribuye a la eficiencia general.

A continuación, el AL17050WT-7 es un regulador buck universal de CA no aislado que proporciona un control preciso de la tensión constante (CV) con una potencia de espera extremadamente baja en un diminuto encapsulado SOT-25. Integra un MOSFET de 500 voltios y funciona con un inductor de un solo devanado, lo que permite simplificar los componentes externos y reducir el costo de la lista de materiales. Debido a su función eléctrica y a su posición en la topología general, el dispositivo incluye múltiples «capas» de producción, como la protección contra sobretemperatura, el bloqueo por subtensión de VCC, la protección contra cortocircuitos de salida, la protección contra sobrecargas y la protección en bucle abierto.

Por último, está el AL8843SP-13, un regulador reductor de 1 megahercio (MHz) y controlador analógico de LED con atenuación PWM, capaz de suministrar una corriente de salida de hasta 3 A, ajustable mediante una resistencia externa. Funciona con una amplia tensión de entrada de 4.5 a 40 voltios y presenta una precisión de detección de corriente de ±4% para una adaptación superior de canal a canal en los diseños de varios LED.

El AL8843SP-13 integra el conmutador de potencia y un circuito de detección de corriente de salida en el lado alto; dependiendo de la tensión de alimentación y de los componentes externos, el convertidor puede proporcionar hasta 60 vatios de potencia de salida con una eficiencia de hasta el 97%. La importante función de atenuación puede implementarse aplicando una señal de control externa a un único pin del paquete que acepta una tensión continua o una señal PWM. Este dispositivo con embalaje SO-8EP mejorado térmicamente también incluye protección contra un LED abierto o en cortocircuito y una resistencia de detección de corriente abierta o en cortocircuito, entre sus otros modos de protección.

Al igual que en el caso de la disposición de conducción de ledes de menor potencia, una placa de evaluación para la solución de mayor potencia puede reducir en gran medida las horas necesarias para comprender mejor una situación de diseño completa y, por tanto, hacer avanzar el proyecto de forma más eficaz. Para el controlador LED reductor AL8843SP-13 -el componente más difícil del diseño de mayor potencia-, Diodes Incorporated ofrece la placa de evaluación AL8843EV1 (Figura 8).

Imagen de la placa de evaluación AL8843EV1 de DiodosFigura 8: Los usuarios del AL8843SP-13 se beneficiarán de la placa de evaluación básica AL8843EV1, que se centra por completo en el regulador reductor único y en el CI controlador de ledes analógicos de 3 A con regulación PWM. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

La placa de evaluación AL8843EV1 permite un ejercicio básico del CI sin interacción o interferencia debido a otros componentes activos.

Luego está la «iluminación conectada».

Otra de las mejoras prácticas y deseables de la iluminación moderna basada en LED es la posibilidad de implantar una «iluminación conectada inteligente» (SCL), a menudo descrita simplemente como «iluminación conectada». Entre sus diversos atributos, permite controlar las lámparas tanto en grupo como individualmente dentro de un grupo, a través de un estándar de conectividad.

¿Cuáles son las ventajas del SCL? Desde una perspectiva de sistema de alto nivel -y quizás incluso con cierta especulación y exageración-, una infraestructura de iluminación conectada se convierte en una inversión en una red de conectividad para todo el edificio. Los datos que fluyen a través de esta infraestructura permiten a los gestores de los edificios integrar, automatizar y prolongar la vida útil de los sistemas principales del edificio, reducir sus costos de funcionamiento, aumentar el rendimiento y reducir el tiempo de inactividad.

Algunos analistas sostienen que los beneficios de la iluminación conectada van mucho más allá de la simple iluminación. Por ejemplo, Szymon Slupik, director de tecnología y fundador de Silvair, señala: «El valor de los servicios adicionales que permite la iluminación inteligente es de siete a diez veces más valioso que los propios controles de iluminación y el ahorro de energía».

Las lámparas SCL suelen estar en estado de «escucha» pasiva durante largos periodos, por lo que el consumo de energía en espera es un parámetro clave que preocupa a los diseñadores, y los valores máximos se especifican en los distintos mandatos normativos. Los controladores y reguladores de Diodes Incorporated están diseñados con potencias en espera inferiores a los valores permitidos. También funcionan con modelos de control/comunicación de regulación que admiten varios estándares de interfaz, como Bluetooth, Zigbee y Wi-Fi.

Uno de los factores que impulsará la instalación de la iluminación conectada es el desarrollo de normas para todo el sector que garanticen la interoperabilidad de los componentes de SCL de diferentes proveedores. Por ejemplo, Bluetooth Special Interest Group (SIG) ha trabajado con la industria de la iluminación para desarrollar una norma de malla Bluetooth optimizada para crear redes de dispositivos aplicables a gran escala. Además, el Bluetooth SIG y la DALI Alliance colaboraron para crear una interfaz estandarizada que permitirá desplegar las luminarias certificadas D4i y los dispositivos DALI-2 en las redes de control de iluminación de malla basadas en Bluetooth (D4i es el estándar DALI para luminarias inteligentes preparadas para el IoT). A través de esta interfaz, los datos pueden fluir sin obstáculos entre las luminarias con sensores y los controles de iluminación, e incluso hacia otros sistemas de gestión de edificios.

Conclusión:

La iluminación arquitectónica inteligente basada en LED está mejorando la eficiencia energética de los sistemas de iluminación de los edificios comerciales. También es un elemento crítico para permitir ganancias potenciales a largo plazo en el rendimiento general del edificio. Los circuitos integrados de controladores, reguladores y controladores de LED de Diodes Incorporated, enfocados y optimizados para la AL basada en LED, se encuentran entre los bloques de construcción clave necesarios para traducir con éxito los beneficios potenciales de estas posibilidades avanzadas de AL en una realidad potente, versátil y rentable.

Fuente de información: https://www.digikey.com.mx/es/articles/how-to-design-for-optimal-led-performance-in-architectural-lighting

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