DISEÑO DE LA ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO (SSL) Alumno: Héctor Martín Amo Director: Abelardo Martínez Iturbe Dpto. de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Máster Universitario en Ingeniería Electrónica Trabajo Fin de Máster Escuela de Ingeniería y Arquitectura Septiembre de 2011
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DISEÑO DE LA ILUMINACIÓN DE
ESTADO SÓLIDO (SSL)
Alumno: Héctor Martín Amo
Director: Abelardo Martínez Iturbe
Dpto. de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones
Máster Universitario en Ingeniería Electrónica
Trabajo Fin de Máster
Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Septiembre de 2011
Índice
Pág
.
Presentación 5
LED como fuente de luz 9
1.1 Características generales 9
1.2 Características eléctricas y configuración de conexionado 15
1.3 Pérdidas en el LED y eficiencia real 18
1.4 Degradación de un LED 20
1.5 Beneficios y futuro del LED 21
Alimentación para la iluminación de estado sólido 23
2.1 Introducción 23
2.2 Normativa aplicable al diseño 24
2.3 Configuraciones para realizar la alimentación 25
2.3.1 Convertidor AC-DC flyback en modo de corriente constante 26
2.3.2 Convertidor AC-DC alimentando a convertidor DC-DC de I
constante
27
2.3.3 Convertidor AC-DC flyback específico para aplicaciones LEDs 29
Conclusiones 33
Referencias 37
Anexo I 39
Diseño de la fuente de corriente constante AC-DC tipo flyback para LED
Anexo II 44
Diseño del driver DC-DC de corriente constante alimentado con tensión
continua
Anexo III 46
Diseño del convertidor AC-DC específico para LEDs
Agradecimientos a Oscar y Álvaro
de Arrow Iberia, Héctor de
Eurotronix, Jordi de Troll, a mi
director Abelardo y sobre todo a
mi mujer Carolina.
Introducción 5
Presentación
Desde que a finales de los años 90 se desarrolló el primer dispositivo de estado
sólido para iluminación de alta potencia, cuando Luxeon comercializó el diodo LED de
1W (fabricado con mezcla de Nitruro de Galio y Nitruro de Indio, InGaN) con un
rendimiento de 35Lm/W, la carrera de los fabricantes por conseguir la mayor cantidad
de lúmen por watio (Lm/W, es una medida de la eficacia de una fuente de luz en
términos de lúmenes por potencia consumida) ha evolucionado considerablemente
llegando a conseguir actualmente los 130 Lm/W, con la meta de llegar a los 160 Lm/W
a unos precios atractivos. Teniendo en cuenta que el nacimiento de este componente en
el campo de la iluminación tenía un coste de 15 € por watio (es la jerga empleada en el
marketing de este componente) y que actualmente ha disminuido a 1€ por watio con un
rendimiento muy superior, se está convirtiendo en el perfecto aliado para el sector de la
iluminación. Además, se ha introducido en la iluminación profesional-doméstica con la
sustitución de todos los tipos de lámparas existentes en el mercado -lámparas retrofit-,
hasta los nuevos diseños de luminarias LEDs; en el sector de la automoción se ha
observado el mismo efecto, por lo que el coste se está reduciendo rápidamente debido a
la gran demanda.
Las principales ventajas de este componente frente a las actuales fuentes de
iluminación (lámparas de descarga, halógena, incandescente, fluorescencia, etc.) son la
durabilidad, robustez, configuración en el diseño, aplicaciones y, sobre todo, ahorro de
energía, además según un informe de la empresa CREE, son más eficientes que las
actuales lámparas fluorescentes CFL [1].
Otra característica que refuerza el uso del diodo como fuente de luz es el valor
del CRI (Índice de Rendimiento del Color) que sirve para describir el efecto de una
fuente de luz en la apariencia de los objetos, en comparación con una fuente de
referencia de la misma temperatura de color, CCT (Correlación de Temperatura de
Color), es decir, cuantifica lo fielmente que una fuente de luz reproduce los colores.
Una fuente de luz con CRI<70 no se considera aceptable para aplicaciones en
iluminación de interiores. Los LEDs de potencia para iluminación tienen un CRI de 80 a
6 Diseño de la iluminación de estado sólido (SSL)
90 y con el avance de la tecnología éste va aumentando. El CRI siempre presenta un
compromiso con la eficiencia.
En la tabla 1 se pueden observar las diferencias entre las distintas fuentes de
luz actuales respecto a las características más importantes en el funcionamiento de la
lámpara, Lm/W, CRI y la vida útil dada en horas (K son miles de horas):
Tipo de luz Lm/W CRI Vida (hrs)
Lámpara incandescente 8-15 100 3 K
Lámpara halógena 16-22 100 10 K
LED estándar (blanco cálido) 60-85 >90 50 K*
LED LUXEON® Rebel (blanco frío) 80-120 70-80 50 K*
Tubo fluorescente T8 58-89 75-85 20 K
Lámpara de halogenuro metálico 60-80 70 5K - 15 K
Lámpara de alta presión de sodio 57-125 22 16K - 24 K
Lámpara de baja presión de sodio 68-173 5 16K - 18 K
Tabla 1. Diferencias entre las distintas fuentes de luz. Datos obtenido de distintos catálogos de lámparas. * A las 50.000 horas el flujo se deprecia un 30%. Si no hay una buena disipación de calor en el
componente, la vida se reduce notablemente.
Actualmente, la tecnología LED está abarcando terreno en el mercado de la
iluminación y según un informe del 28/06/2011 de ANFALUM (Asociación de
Fabricantes de Luminarias) el 60% de las luminarias serán LEDs en 2020. El mercado
actual con pequeños presupuestos y poca formación en eficiencia energética valoran
poco esta tecnología, ya que su precio es mucho mayor que las luminarias con otro tipo
de lámparas, pero hay que tener en cuenta que su mantenimiento es mucho menor, por
lo que su durabilidad y ahorro en el consumo eléctrico compensan la elección. Se prevé
que el mercado valore y considere esta gran alternativa de iluminación y también que,
Introducción 7
gracias a las empresas dedicadas al negocio de la eficiencia energética, se promueva el
consumo de la iluminación de estado sólido.
Después de esta introducción para disertar sobre la valía de los LEDs y ratificar
su elección en iluminación, el primer objetivo de este proyecto es conocer y definir
dichos diodos. En segundo lugar, se expone el estudio del suministro de la potencia
necesaria para alimentar a estos componentes, llamados comercialmente “Driver o
Fuente de alimentación para LEDs”. En concreto, se van a estudiar las posibles
configuraciones de los equipos que proporcionan una corriente constante para asegurar
el mismo brillo en todos los diodos de una misma superficie o luminaria. También se
tendrán en cuenta las pérdidas del LED frente a la temperatura de unión y, sobre todo,
cómo puede aumentar su efectividad con una buena disipación del calor.
Como valor añadido a la relevancia de los objetivos planteados, el diseño de
estos alimentadores también es válido para la nueva tecnología WOLED (LED Organic
White), unos dispositivos similares a una resistencia en cuanto a su comportamiento
eléctrico. Se prevé que a finales de 2012 comience la comercialización de estos
últimos en el sector de la iluminación, por atribuírseles un mayor rendimiento, mejor
configuración de diseño y menor generación de calor que en los LEDs.
8 Diseño de la iluminación de estado sólido (SSL)
LED como fuente de luz 9
LED como fuente de luz
1.1 Características generales
Como cualquier otro diodo, el LED es un componente semiconductor de InGaN
(mezcla de Nitruro de Galio y Nitruro de Indio) para los colores fríos y de AlInGaP
(Fosfuro de Galio Indio Aluminio) para los cálidos, que crea un campo eléctrico debido
al potencial de tensión. En la figura 1 se representan ambas tecnologías en el diagrama
cromático xy de CIE 1931 (Commission Internationale de l´Eclairage, Comisión
Internacional de Iluminación).
InGaN
AllnGaP
Colores fríos
Azul royal
Azul
Cyan
Verde
Blanco
Colores cálidos
Rojo
Ámbar
Amarillo
Figura 1. Representación de las tecnologías citadas en el diagrama cromático. Los fotones emitidos por alguna de las recombinaciones en la misma región del
semiconductor, al estar los electrones y huecos en la misma región en un rango de
frecuencia muy estrecho, dependen del material del chip, el cual a su vez está
relacionado con la longitud de onda determinando el color de la luz radiada. Además,
10 Diseño de la iluminación de estado sólido (SSL)
en el diagrama cromático de la figura 1 se pueden apreciar las longitudes de onda de
algunos colores.
Los chips más empleados en iluminación son los de color blanco, tanto el blanco
frío de una temperatura de 6000º Kelvin como el cálido de unos 4500ºK. Cuanto más
baja es la temperatura de color, mejor será el CRI del LED. Para iluminación
arquitectónica y decoración de interiores se emplean chips RGB (Blue, Green, Red) que
están compuestos por los colores Azul, Verde y Rojo en el mismo encapsulado y son
controlados para emitir toda la gama de posibles combinaciones de colores. Suelen
tener tres ánodos y un cátodo común y su control se realiza con un sistema llamado
DMX.
Por otro lado, en la figura 2 se detallan las partes principales del LED de
potencia y algunos de los encapsulados actuales existentes en el mercado. Los
principales fabricantes son CREE, Lumileds (Philips Luxeon), OSRAM y Seoul.
Luz radiada
Calor conducido
Conexión de oro
Cátodo
Disipador térmico
Lente de plástico
Capsula para el
silicio
Chip semiconductor
InGaN
Conexión soldada
Base de silicio con protección
contra ESD
XP-G de CREERebel de LumiLeds
Z6 de Seoul
P3 de Seoul
Figura 2. Partes de un diodo LED de potencia y encapsulados.
Otra característica a tener en cuenta es el binning (código BIN) que incluye la
cantidad de flujo luminoso y la longitud de onda del LED. Este código se define
mediante el proceso de clasificación de los LEDs en distintos tipos de flujo, color y
caída de tensión para asegurar la uniformidad del componente, garantizándose así la
repetitividad del producto. Normalmente, los fabricantes de LEDs no ofrecen la
posibilidad de seleccionar un único BIN de color, sino que esta tarea es del distribuidor.
LED como fuente de luz 11
Últimamente los principales fabricantes están adoptando la estructura de bines
ANSI (ANSI NEMA ANSLG C78.377-2008 American National Standard for Electric
Lamps-Specifications for the Chromaticity of Solid State Lighting Products). [2]
También es muy importante en los LEDs de potencia la temperatura de unión
del componente (TJ) pero ésta no puede ser medida directamente porque está dentro del
propio LED, en la unión del chip con el propio sustrato cerámico que tiene debajo. En la
figura 3 se observa la TJ en función del flujo luminoso y cómo disminuye conforme
aumenta dicha temperatura. Por eso es importante realizar una buena disipación de TJ
para mantener estable el flujo luminoso.
Figura 3. Flujo luminoso en función de la temperatura de unión (XP-G de CREE).
Además, la corriente máxima a la que podrá trabajar el LED sin llegar a
destruirse también depende de TJ, como se puede observar en la figura 4.
Figura 4. Máxima corriente de trabajo en función de la TA (XP-G de CREE).
12 Diseño de la iluminación de estado sólido (SSL)
Observando que las características más importantes del LED, el flujo luminoso y
la máxima corriente de trabajo, dependen principalmente de la temperatura de unión,
es muy importante realizar una correcta disipación del chip para que éste sea lo más
estable posible en el funcionamiento habitual. En la figura 5 se muestran las
resistencias térmicas que actúan en la disipación de la TJ.
Rth
J-S
Pd = VF * IF
Tdisipador térmico LED (TS)
Tj
Tplaca (TB)
Tambiente (TA)
Epoxy
Dieléctrico
Rth
S-B
Rth
B-H
Rth
H-A
Tdisipador (TH)
Figura 5. Resistencias térmicas del conjunto LED-Disipador
En la figura anterior, Pd es la potencia disipada por el chip del LED, siendo
directamente proporcional a la tensión y corriente directa (Foward) del componente. El
chip está soldado a un disipador térmico que físicamente es una conexión más, el PAD
Térmico, como lo son el ánodo y el cátodo (ver figura 6). Este PAD térmico se debe
soldar correctamente a la placa PCB y ésta tener la mejor transferencia de calor posible
al disipador, obteniendo en ese punto una temperatura Ts que es prácticamente igual a
la TJ. La Ts es conducida a través de la placa de circuito impreso donde se suelda el
LED, siendo ésta de aluminio (MCPCB) en el mejor de los casos y de fibra de vidrio a
doble cara (FR4) en el caso más económico y menos efectivo [3].
LED como fuente de luz 13
Figura 6. Package del XLamp XP de CREE
En el caso de realizar el montaje del LED en una placa FR4, es muy importante
el diseño de las vías que van a disipar la TJ ya que deben ser las suficientes como para
disipar la temperatura y que tengan el diámetro óptimo que permita rellenar los huecos
con estaño en el proceso de soldado. De este modo se garantiza el contacto suficiente
con la capa inferior de cobre y se disminuye la resistencia térmica. En la figura 7 se
representa el esquema básico de este diseño[3].
Figura 7. Sección de placa de circuito impreso FR4 con vías térmicas.
La mejor disipación de TJ se consigue con placas PCB de aluminio (ver figura 8)
obteniendo una resistencia térmica de prácticamente la mitad que en placas de FR4.
Para que ésta última llegue a niveles similares del MCPCB se deben realizar cerca de
20 vías y ser todas cubiertas de estaño [3]. Además, el fabricante de las placas debe
disponer de la tecnología suficiente para realizar este tipo de vías con una gran
precisión.
Figura 8. Sección de placa de circuito impreso MCPCB.
14 Diseño de la iluminación de estado sólido (SSL)
Con el tipo de placa de circuito impreso elegida y conociendo su resistencia
térmica es posible calcular qué clase de disipador colocar (Rth H-A) para mantener la TJ
dentro de los rangos elegidos, que no disminuya el flujo luminoso y no llegar a los
niveles máximos de disipación de potencia con la consiguiente ruptura del componente.
(2) Multicapa máximo 400V o tipo X1-Y1. Electrolítico 105ºC máximo 400V SMD
* Precio en € con el dólar a 1,42€, para 5.000 piezas al año.
42 Diseño de la iluminación de estado sólido (SSL)
Esquema eléctrico básico:
R1
91 kΩ
0,5 W
R2
91 kΩ
0,5 W
C3
3,3 nF
1 kV
R3
16 Ω
D5
FR106
7
6
D7
SB1100
R6
27 Ω
0,5 W
C7
390 pF
100 V
4
3
D6
MUR110
1
2
C6
2,2 nF
250 VAC
T1
E25/13/7 (…
C8
10 µF
50 V
D
S
CONTROL
M
CU1
TOP253PN
TOPSw itch-HX
C4
0,1 µF
50 V
R4
6,65 kΩ
1%
R5
6,8 Ω
C5
47 µF
10 V
U2B
LTV817A
R7
402 Ω
1%
U2A
LTV817A
R8
1000 Ω
VR1
18 V
2 %
C9
270 µF
35 V
L2
3,3 µHC10
100 µF
100 V
21,0 V, 1,00 A
RTN
C1
100 nF
275 VAC
L1
6 mH
F1
1 A
D1
1N4006
D2
1N4006
D3
1N4006
D4
1N4006
C2
18 µF
400 V
195 - 265
VAC
Anexo I 43
Especificaciones para la construcción del transformador T1:
Electrical Diagram
Mechanical Diagram
44 Diseño de la iluminación de estado sólido (SSL)
Winding Instruction Primary Winding
Start on pin(s) 2 and wind 87 turns (x 1 filar) of item [5] in 2 layer(s) from left to right. At the end of 1st layer, continue to wind the next layer from right to left. On the final layer, spread the winding evenly across entire bobbin. Finish this winding on pin(s) 1.
Add 1 layer of tape, item [3], for insulation. Bias Winding
Start on pin(s) 4 and wind 11 turns (x 2 filar) of item [6]. Wind in same rotational direction as primary winding. Spread the winding evenly across entire bobbin. Finish this winding on pin(s) 3. Add 3 layers of tape, item [3], for insulation. Secondary Winding
Start on pin(s) 7 and wind 14 turns (x 1 filar) of item [7]. Spread the winding evenly across entire bobbin. Wind in same rotational direction as primary winding. Finish this winding on pin(s) 6. Add 2 layers of tape, item [3], for insulation. Core Assembly
Assemble and secure core halves. Item [1]. Varnish
Dip varnish uniformly in item [4]. Do not vacuum impregnate.
Comments 1. For non margin wound transformers use triple insulated wire for all secondary windings.
Materials Item Description
[1] Core: E25/13/7 (EF25), NC-2H (Nicera) or Equivalent, gapped for ALG of 258 nH/t²
[2] Bobbin: Generic, 5 pri. + 5 sec.
[3] Barrier Tape: Polyester film [1 mil (25 µm) base thickness], 15,30 mm wide
[5] Varnish
[5] Magnet Wire: 0,28 mm, Solderable Double Coated
[6] Magnet Wire: 0,45 mm, Solderable Double Coated
[7] Triple Insulated Wire: 0,45 mm
Anexo I 45
Electrical Test Specifications Parameter Condition Spec
Electrical Strength, VAC 60 Hz 1 second, from pins 1,2,3,4 to pins 6,7. 3000
Nominal Primary Inductance, µH Measured at 1 V pk-pk, typical switching frequency, between pin 1 to pin 2, with all other Windings open.
2141
Tolerance, ±% Tolerance of Primary Inductance 10,0
Maximum Primary Leakage, µH Measured between Pin 1 to Pin 2, with all other Windings shorted. 64,2
Although the design of the software considered safety guidelines, it is the user's responsibility to ensure that the user's power supply design meets all applicable safety requirements of user's product.
The products and applications illustrated herein (including circuits external to the products and transformer construction) may be covered by one or more U.S. and foreign patents or potentially by pending U.S. and foreign patent applications assigned to Power Integrations. A complete list of Power Integrations' patents may be found at www.powerint.com.
46 Diseño de la iluminación de estado sólido (SSL)
Anexo II: Diseño del driver DC-DC de corriente constante
alimentado con tensión continua
El diseño del driver DC-DC se ha realizado con la herramienta Webench Design
de National Semiconductor con los parámetros siguientes:
Tensión de entrada: entre 24 y 26 V
Salida: 21 V – 1A para conectar 6 LEDs de IF = 1A y VF = 3,5V.
El esquema eléctrico que ha dado el programa se muestra en la próxima página.
El coste de los materiales excluida la placa de circuito impreso son los siguientes:
Descripción Unidades Coste unidad* Total*
Resistencias SMD 1% 2 0,0099 0,0198
Condensadores multicapa bajo coste (1) 3 0,0097 0,0291
Condensadores electrolítico bajo coste (1) 2 0,02 0,04