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Integrar la protección para evitar los fallos de los LED en sus diseños

El diodo emisor de luz (LED) parece ser un trabajador incansable y su construcción de estado sólido promete una larga vida útil. Con la disponibilidad en aumento de los dispositivos de alta intensidad, los LED se están convirtiendo rápidamente en el componente tradicional para el área de la iluminación. Pese a que la iluminación LED promete mayor durabilidad que las antiguas tecnologías incandescente y fluorescente, los fallos prematuros en las luminarias pueden decepcionar a los usuarios. Las reseñas online y el boca a boca indican rápidamente al mercado el nivel de rendimiento de las diferentes marcas en cuanto a su fiabilidad, y los fabricantes corren un riesgo reputacional así como un potencial de disminución en las ventas en comparación con la competencia que se considera ofrece productos de mejor rendimiento.

Por qué pueden fallar los LED

A pesar de su renombrada fiabilidad como dispositivos de estado sólido, los LED pueden ser frágiles y una razón clave para los fallos prematuros son los daños en los propios LED causados por las sobretensiones transitorias que pueden provenir de diversas fuentes. Como los LED con frecuencia se usan en entornos de baja tensión, como indicadores, y raramente encuentran sobretensiones dañinas, los diseñadores a menudo subestiman los riesgos que corren los LED cuando se usan en aplicaciones más exigentes o en condiciones más difíciles, como en iluminación de exteriores. Pese a su notoria fiabilidad, los LED cuentan con mecanismos de fallos conocidos de índole tanto mecánica como térmica. Por ejemplo, un LED que funciona a su máxima capacidad durante largos periodos generará grandes cantidades de calor que con el tiempo dañan las juntas de los conductores que conectan el dispositivo con su encapsulado. Como los conductores metálicos se oxidan con el calor, con el tiempo se vuelven quebradizos, lo que aumenta la posibilidad de un fallo en el LED, en particular en sistemas propensos a la vibración.

Otras causas de los fallos de los LED, como sucede con otros semiconductores, son las descargas electrostáticas o sobrecargas inducidas por rayos cercanos. Otro desafío al usar los diseños de iluminación de estado sólido es que toda una tira de LED en una luminaria puede fallar debido a un problema con uno solo de los LED en la matriz. Los LED usualmente se conectan en serie y se alimentan de una fuente de corriente constante según el brillo, el color y la intensidad deseados, requeridos por la aplicación. Se favorece el cableado en serie porque ofrece un comportamiento más constante en todos los LED de la tira que ofrece un brillo más uniforme. Un circuito abierto en un solo LED en una tira, causado quizás por la ruptura de un solo conductor en la junta, puede causar que toda la tira falle.

En las aplicaciones de alumbrado público o iluminación en las pistas de los aeropuertos, la pérdida de la tira puede oscurecer o apagar la luz, provocando un riesgo de seguridad. El uso en los carteles publicitarios que utilizan pantallas LED es menos crucial, pero los puntos en blanco causados por fallos en las tiras conllevan quejas y la pérdida potencial de ganancias además de incurrir en costes de visitas de mantenimiento más frecuentes. En las aplicaciones domésticas, las marcas reconocidas por su propensión a fallos prematuros encontrarán problemas en el mercado.

Incorporar la protección en el diseño para evitar los fallos comunes

La diligencia en los circuitos hace posible, no obstante, reducir los fallos o hasta evitarlos. Muchos sistemas contarán con cierto nivel de protección ESD y contra sobretensiones, pero a menudo centrada en la entrada de la fuente de alimentación. Naturalmente, la entrada CA es un área clave de protección, pero en todas las aplicaciones de iluminación LED existen tres áreas que requieren protección de los circuitos. Además de la entrada CA, la porción CC de la fuente de alimentación y los LED en sí necesitan protección, y los diseñadores deben atender todos los diferentes tipos de protección necesarios en cada punto del circuito.

Proteger el LED en sí mismo

El problema ante el fallo en un solo LED que causa el oscurecimiento de toda una tira se puede evitar simplemente poniendo un dispositivo de protección de LED abierto en paralelo con cada LED de la tira. Un tipo de componente que puede actuar como un protector de LED abierto es un derivador electrónico que actúa como un puente de corriente para el circuito que ha quedado abierto y permite que la potencia fluya al resto de los LED en la tira. El derivador es un dispositivo de dos terminales que se resetea de forma automática si la conexión del LED abierta se recupera por sí misma o se reemplaza. Un buen diseño para tal protector derivador es un interruptor activado por tensión con una fuga de microamperios. Una vez el LED quede abierto, habrá suficiente tensión en el circuito para activar el encendido del protector. Una ventaja de ese tipo de protector es su inmunidad a sobretensiones integrada, eludiendo el LED en caso de una sobretensión que pueda inducirse debido a un rayo en la proximidad o a descargas electrostáticas. Se pueden encontrar ejemplos de dichos derivadores electrónicos en la gama PLED, cuyos dispositivos además protegen los LED ante inversiones de tensión accidentales. Los PLED son relativamente fáciles de especificar. Con parámetros como tensión directa y corriente directa y el esquema de conexión empleado en las tiras de LED, solo queda determinar el tamaño del LED y su coeficiente de protección. La corriente de conmutación del PLED debe ser inferior al valor provisto por la fuente de corriente constante y la tensión de encendido debe ser inferior a la tensión de “cumplimiento”, que se trata de la tensión de salida del circuito abierto máxima provista por la fuente de alimentación de la tira de LED. El siguiente paso es determinar el número de LED protegidos por un solo PLED: un diseñador puede optar por arriesgarse al oscurecimiento causado por tener tres LED sin alimentación si solo uno de los LED del grupo falla. Generalmente, un PLED6, que se activa a 6 V, protege un LED; un PLED9, que se activa a 9 V, es apto para usar con dos LED; y el PLED13 se puede usar con un grupo de tres LED. Otros componentes con el potencial de ser usados para proporcionar protección de LED abierto con frecuencia presentan inconvenientes.

Por ejemplo, los rectificadores controlados de silicio (SCR) y los diodos Zener tienen ambos atributos que pueden hacer pensar que son aptos para esta tarea. Un diodo Zener ofrece protección contra rayos y ESD efectiva así como protección contra polaridad inversa. Sin embargo, no sobreviviría mucho tiempo en la aplicación actual, ya que al estar activa, la corriente de la tira fácilmente sobrecargará el diodo disminuyendo su durabilidad. Un SCR protegerá ante condiciones de LED abierto pero no ante descargas electrostáticas ni por rayos, ni ofrecerá detección contra polaridad inversa. Un SCR además generalmente se trata de un dispositivo de mayor tamaño que no será fácil de acomodar en muchas luminarias de alto brillo en las que los LED pueden estar ya densamente encapsulados.

Protección para la entrada CA

Cuando de seleccionar la protección para la entrada CA se trata, una consideración clave es que esta es un área muy susceptible a sobretensiones por rayos. Los dispositivos de protección deben ser lo suficientemente resistentes para responder a los requisitos de las sobretensiones por rayos. Se requiere un mínimo de 3 kA pero puede ser importante garantizar 6 kA. La respuesta también debe ser rápida para limitar cualquier daño subsiguiente. El criterio de selección de la línea de fusibles para la entrada CA incluye la tensión y la corriente, así como el valor I2T. El tercer parámetro ofrece un indicador de la cantidad de energía que el elemento del fusible puede resistir antes de abrirse. Por consiguiente, los fusibles de retardo tienen valores I2T superiores que los fusibles de acción más rápida. Además, el valor I2T aumenta en proporción a la corriente nominal del fusible. Otro componente clave para la fuente alimentación CA es un supresor de sobretensiones (TVS) o un varistor de óxido metálico (MOV), empleados para apartar las tensiones de los componentes sensibles.

Protección para la entrada CC

Un componente crucial en la sección de corriente continua es el fusible CC de alta tensión, diseñado para abrirse durante las sobrecorrientes. Un TVS secundario en la sección CC ofrece protección adicional contra las sobretensiones, previniendo los daños a la electrónica de control del convertidor de potencia y limitando la cantidad de carga dañina que puede pasar a las tiras de LED como tal. En conclusión, pese a que los LED pueden tener un mayor nivel de durabilidad que las soluciones de iluminación tradicionales, necesitan de la protección de los circuitos adecuada para poder cumplir su promesa. Al concentrarnos en los tres elementos principales de los diseños eléctricos de una luminaria, los LED tendrán una mayor durabilidad y su uso se extenderá a entornos cada vez más exigentes.



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