Drivers LED. Sistemas de alimentación de módulos LED. Tensión constante Vs. Corriente constante

Dubai Middle East Electricity 2017
5 April, 2017

Básicamente, la luz emitida por un diodo LED surge de la liberación de energía producida al recombinarse los electrones (-) y huecos (+) de la unión P-N del diodo polarizada directamente.

Fig.1.- Diagrama básico unión PN en un diodo led polarizado en directa

El número de recombinaciones, y por tanto, la cantidad de luz emitida, dependerá del movimiento de esos electrones, o lo que es lo mismo, de la corriente que circule por la unión.
Por lo tanto, podemos afirmar que la luz emitida por un LED dependerá de la corriente que circule por el mismo. Y esta dependencia será cuasi lineal aunque su eficiencia bajará cuando la corriente aumente.

Es lógico pensar que para conseguir que la luz emitida por varios diodos que componen un módulo o luminaria sea uniforme, habrá que intentar que la corriente por cada uno de ellos sea lo más similar posible. Aquí es donde los Drivers de corriente constante surgen como la opción más adecuada siempre que sea posible. Veamos las razones.

Hay dos formas de alimentar un sistema led (módulo ó luminaria):

A través de una tensión constante. En este caso los leds irán conectados en paralelo de manera que se aplicará la misma tensión a cada uno de ellos, lo que presenta el inconveniente de las pérdidas asociadas al circuito de ecualización (resistencias) necesario, como veremos a continuación.
– A través de una corriente constante (driver de corriente constante). En este caso la conexión de los diodos será en serie. Al no ser necesaria la ecualización de los circuitos la eficiencia del sistema será máxima y la más recomendable para circuitos de potencia (alumbrado exterior e industrial).

La alimentación de sistemas led a tensión constante se utiliza principalmente cuando se deben conectar una o varias tiras de leds en paralelo con longitudes (número de leds) muy variables. Los dispositivos de alimentación se caracterizan por tener una baja tensión y alta corriente de salida.

Fig.2.- Ejemplo de conexión de dos tiras de led en paralelo a la salida del driver.

En la fig.2 se observa cómo podemos alimentar a la misma tensión dos tiras con número de led diferentes. Si están bien elegidos y ecualizados, la corriente por cada led será la misma.

Es importante señalar que normalmente cada rama tendrá varios diodos led en serie (un valor típico es 3 diodos para ser alimentados a 12VDC).

En este caso

Iout = I1+I2+….+In

siendo “n” el número de tiras conectadas.≈

Además

I1 = Id11 + Id12 + …. + Id1N  N1 x Id

………………….

In = Idn1 + Idn2 + …. + IdnN Nn x Id

siendo “Nn” el número de conexiones en paralelo (ramas) de la tira “n”. La segunda igualdad se da para un circuito ecualizado donde:

Id1 Id2 …. IdN Id

El driver deberá suministrar una tensión constante a la salida adecuada al número de diodos de cada rama paralelo. Valores típicos son 12VDC, 24VDC y 48VDC.

Pero veamos por qué es necesaria la ecualización de los leds conectados en paralelo.

Una gráfica típica de corriente por el led en función de su voltaje en polarización directa sería la de la fig. 3.

 

Fig.3.- Gráfica de la corriente por un diodo led típico en función de la tensión directa.

Supongamos que se trabaja con diodos con una tolerancia de voltaje (binning) de 0,2V (digamos entre 2,9 y 3,1V). Ello implicaría que al aplicar un voltaje igual a los diodos, la diferencia en sus corrientes sería de hasta 900 mA !!. Se puede comprobar en la fig.3 para tres diodos con diferencias de Vf entre los extremos de 0,2V (a igualdad de corriente) si suponemos conectarlos a 3V por ejemplo.

Para un binning de 0.1V la diferencia sería de aproximadamente la mitad, 450mA. Pero además habrá que añadir las diferencias de tensión en las distintas ramas debidas a las caídas de tensión sucesivas.

Estas diferencias son claramente inadmisibles, como se puede observar en el gráfico de flujo luminoso relativo (RFL) en función de la corriente, donde para 400mA de diferencia el flujo puede cambiar un 50% y obligan a incorporar circuitos para igualar las corrientes por diodo (típicamente una resistencia en serie), que incorporará unas pérdidas por calor, disminuyendo la eficiencia del sistema.

Además, habrá unas diferencias de temperatura (potencia disipada) en cada diodo dependiente tanto del voltaje de cada diodo como de su corriente pues ambos factores estarán sujetos a variabilidad.

Fig.4.- Gráfico de Flujo lumínico relativo (%) en función de la corriente por el led.

Fig.5.- Diagrama de conexión de leds en paralelo con resistencias de ecualización.

La mejor alternativa siempre que sea posible, será la alimentación con un Driver de corriente constante, puesto que la fuente (driver) tenderá en todo momento a fijar la corriente por los leds, que igualarán por lo tanto su flujo luminoso y se ajustarán a su tensión característica.

Fig.6.- Diagrama de conexión de leds en serie.

En este circuito se cumplirá siempre:

Iout = Id1 = Id2 = …. = IdN = Id

Vout = Vf1 + Vf2 + …. + VfN » N x Vf

Donde Vf variará según el binning de voltaje y siendo “N” el número de diodos en serie.

Como se ve en la fig.4 el RLF dependerá de la Id, que en este caso es igual para todos los leds, por lo que habrá el mismo flujo luminoso por cada uno de ellos, y se consigue una iluminación de la mayor calidad y equilibrio en brillo y color.

Las diferencias de temperatura en cada diodo (potencia disipada) dependerán únicamente de las diferencias de sus voltajes en directo.

En los casos en los que se conecten varias ramas en paralelo el comportamiento no será ideal y dependerá de la selección de los leds. Aun así, veremos cómo las diferencias son menores que en el caso de aplicar un voltaje constante.

Como en el caso anterior supondremos un binning entre Vf1 y Vf2. Lo que en una configuración como la de la figura daría:

Fig.6.- Conexión en serie con dos ramas de leds en paralelo.

formula_sistemas_alimentacion_modulos_led

Si Vf1=2,9V y Vf2=3,1V (binning 0.2V) tendremos:

I2 = Iout x 0,483

I1 = Iout x 0,517

I1 = 1,07 x I2 (variación del 7%)

Si Vf1=2,95V y Vf2=3,05V (binning 0,1V) tendremos:

I2 = Iout x 0,492

I1 = Iout x 0,508

I1 = 1,03 x I2 (variación del 3%)

 

Lo que indica que, aunque existe una desviación, la selección adecuada de los leds la limita considerablemente, permitiéndose así sistemas con una mayor cantidad de leds de menor corriente (aumenta eficiencia).

 

Preparado por:

Rafael del Águila / Ingeniero – Export Area Manager / raguila@layrton.com

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