Controladores innovadores que cumplen los requisitos globales de corrección del factor de potencia y distorsión armónica total | Revista Española de Electrónica
sábado , diciembre 5 2020
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Controladores innovadores que cumplen los requisitos globales de corrección del factor de potencia y distorsión armónica total

Antes de la llegada de la tecnología LED, las aplicaciones de iluminación se definían en su mayoría dependiendo del tipo de bombilla y de la energía consumida, pero el LED ha acabado con eso. En la actualidad se emplea la misma tecnología básica de estado sólido en aplicaciones de iluminación de baja, media y alta potencia, con mejores niveles de eficiencia y luminosidad. En el segmento de alta potencia, como por ejemplo en plafones para tubos fluorescentes, farolas y alumbrado urbano en general, así como en otros tipos de iluminación en exteriores, el ahorro potencial de energía es enorme. Cuando se añaden a la ecuación lo práctica que resulta la conectividad y la regulación de la intensidad, es difícil superar la propuesta de los LED. Gracias a su eficiencia, la etapa de potencia puede ser inferior a 100W en la mayoría aplicaciones de iluminación LED, lo cual es importante porque influye directamente sobre la topología de convertidores de potencia y los controladores de los LED.

Requisitos del controlador

La mayoría de los tipos de iluminación, exceptuando las bombillas incandescentes (que se conectan directamente a una fuente de CA) necesitan algún tipo de conversión de potencia. La iluminación LED funciona con una alimentación positiva o rectificada, a diferencia de las restantes tecnologías de iluminación que recurren a una alimentación CA de alta tensión/alta frecuencia. Es aquí donde se suelen producir las pérdidas de energía y las ineficiencias, pero para la misma luminosidad los LED consumen mucha menos energía, por lo que pueden funcionar con una fuente CA/CC de baja tensión. Las luces que necesiten menos de 100W de potencia generalmente utilizan una topología de retroceso (flyback) de una sola etapa. El paso de CA a CC, junto con el suministro de una alimentación constante y estable para minimizar el parpadeo (flicker), es el principal objetivo que tiene la adopción de LED a partir de la iluminación existente. No es realista esperar que todos los circuitos de iluminación pasen a CC, al menos a corto plazo, por lo que es necesario desarrollar etapas de conversión y control para cada bombilla, plafón u otro punto de iluminación.

La forma más práctica de llevarlo a cabo, al menos para el usuario, consiste en integrar estos componentes en el punto de iluminación o, mejor aún, en la propia bombilla. Para aplicaciones por debajo de 100W la topología más utilizada es el convertidor de una sola etapa (los convertidores multietapa suelen ser necesarios para potencias superiores a 100W). Un convertidor de una sola etapa puede cubrir un amplio abanico de aplicaciones, empezando por la pequeña potencia requerida por una sola bombilla o por las luces empotradas (down-lighters). En todos los casos es preciso ofrecer corrección del factor de potencia (Power Factor Correction, PFC) y una baja distorsión armónica total (Total Harmonic Distortion, THD). Se trata de factores que en la actualidad son legislados por la Administración, pero sus niveles pueden variar en diferentes regiones. Dependiendo de la energía consumida por la aplicación, PFC y THD son obligatorias y muchos fabricantes ofrecen soluciones de sustitución en las cuales, por ejemplo, los LED sustituyen a los tubos fluorescentes. Esto presenta dificultades por lo que respecta al espacio disponible, ya que todas las funciones de conversión CA/CC y control de LED se debe integrar en un espacio ocupado normalmente solo por la propia bombilla.

Opciones para la conversión de potencia

Debido a estas limitaciones de espacio y a los requisitos legislativos, la topología favorita para la conversión de potencia dentro del LED es un convertidor flyback de una sola etapa que utilice regulación en el primario (Primary Side Regulation, PSR), la cual permite recurrir a menos componentes y a condensadores de menor tamaño que una topología de regulación en el secundario (Secondary Side Regulation). Los fabricantes de semiconductores ya están suministrando una amplia oferta de dispositivos que cubren esta demanda. Una ventaja de PSR es que no necesita realimentación en el secundario, lo cual simplifica el diseño del transformador ni precisa aislamiento óptico. El tipo de regulación utilizada también es importante para cumplir los objetivos de PFC y THD.

En su intento por lograrlo, los fabricantes recurren al modo de conducción discontinua (Discontinuous Conduction Mode, DCM). En este modo, la carga almacenada en el transformador se agota por completo antes de que el transistor conmute y vuelva a conducir, por lo que la tensión del diodo de salida pasa a ser cero. Esto da como resultado un período durante el cual no circula corriente por el lado primario o secundario, el denominado tiempo muerto, que otorga a esta topología flyback su nombre de discontinua. Tiene la ventaja de no sufrir pérdidas en el diodo, y en aplicaciones con una baja potencia de salida permite que el transformador sea relativamente pequeño.

No obstante, experimenta corrientes de rizado que pueden aumentar las pérdidas. La conmutación de valle es una ampliación a partir de DCM que conmuta el transistor para que conduzca cuando la oscilación de la tensión de salida es mínima. Esto tiene lugar durante las primeras oscilaciones al inicio del tiempo muerto, y será cuando conmutará el transistor para que vuelva a conducir y reinicie el ciclo de transferencia de potencia. Ello exige un controlador capaz de detectar la oscilación de la tensión de salida y que conmute cuando detecte que está en un valle. Generalmente también se le exige que pueda variar el tiempo de conmutación en función de la demanda de potencia a la salida: conmutará antes cuando la demanda es alta, o después si la demanda es baja. Esta característica también se conoce como reinyección de tensión y, si bien la variación de la frecuencia de conmutación puede reducir el nivel de EMI, la conmutación del valle también puede aumentar el nivel de rizado debido a los tiempos variables de conmutación. Una alternativa bien conocida a la DCM y a la conmutación de valle es el modo cuasirresonante (Quasi- Resonant, QR), también denominado modo de conducción crítica (Critical Conduction Mode, CrM). En este modo, el transistor conmuta cuando el controlador detecta el inicio de la primera oscilación en la tensión de salida, por lo que disminuye las pérdidas en conmutación y ofrece la máxima eficiencia entre todos los modos, si bien puede resultar muy complicado lograr una buena PFC y THD con QR/CrM.

Desarrollo de un controlador de LED

La familia NCL3038x está formada por convertidores reductores/ elevadores flyback de una sola etapa que funcionan en modo QR/ CrM para suministrar una corriente constante y una tensión constante a un LED o una cadena de LED. Sin embargo, a diferencia de otros controladores QR/CrM, el NCL3038x proporciona una excepcional PFC de >0,95 con una THD muy baja <10%. Esto supera lo exigido por los estándares globales, por lo que estos dispositivos están indicados para cualquier región con requisitos legislativos acerca de PFC y THD. La Figura 2 muestra el uso del NCL30386 (con atenuación) en un circuito típico. El dispositivo funciona de hecho en tres modos: cuando la carga de salida es superior al 80% emplea CrM, mientras que con cargas inferiores al 80% utiliza el modo valle y para cargas muy pequeñas puede emplear reinyección de frecuencia. Esta flexibilidad le ayuda a ofrecer altos niveles de eficiencia y una THD excepcional bajo todas las condiciones. El NCL3038x también integra una función de arranque a alta tensión (High Voltage, HV) que asegura un tiempo de arranque consistente y lo mantiene en funcionamiento incluso con cargas muy pequeñas. La patilla HV ajusta el funcionamiento dinámicamente para conseguir los mejores niveles de PFC, THD y regulación durante su funcionamiento.

Iluminación inteligente

La atenuación es una función importante de la iluminación LED inteligente ofrecida por muchos controladores de LED, como el NCL30386. Se suele implementar mediante un nivel analógico para establecer la intensidad luminosa o una señal PWM; el NCL30386 dispone de ambos. Una función de atenuación basada en PWM puede generar ruido eléctrico y parpadeo a la salida debido a los periodos en que la señal PWM está a cero, pero cuando se utiliza el NCL30386 la salida siempre se convierte a un nivel analógico, tanto si la atenuación se aplica como una entrada analógica o como una señal PWM. El NCL30386 puede alcanzar unos niveles de atenuación del 0% al 100% con PWM y del 0,5% al 100% con entrada analógica. La Figura 3 muestra las curvas de salida para las versiones lineal y cuadrática del NCL30386. La forma de onda a la salida también es importante y normalmente será una curva lineal o cuadrática. La primera ofrece unos intervalos de iluminación determinísticos y regulares, mientras que con la segunda el resultado suele ser más natural. El NCL30386 se suministra con salida lineal y cuadrática, y también existe una versión sin atenuación denominada NCL30388.

Conclusión

La iluminación LED está entrando rápidamente en casi todas las aplicaciones de iluminación gracias a su larga vida operativa, alta eficiencia y eficacia. No obstante, conlleva unos requisitos estrictos en cuanto a PFC y THD que pueden variar entre regiones. A diferencia de otros controladores de LED, el NCL3038x emplea el modo QR/CrM para ofrecer ventajas como su alta PFC, baja THD y un diseño más simple del transformador. Dado que estos dispositivos suministran corriente constante y tensión constante, también pueden ‘arrancar en frío’ y funcionar como fuente de alimentación auxiliar. Gracias a su THD de primera categoría y a su excepcional PFC para un amplio rango de cargas, los fabricantes pueden cumplir plenamente estos requisitos legislativos con una sola plataforma común que se puede utilizar en un gran número de regiones y mercados.



One comment

  1. Ingahichafaj.Mihanblog.Com

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