Manual Elemental Driver Led

Carlos N. Suarez Edición 1-2014

Manual Elemental de la Fuente Switching Para Iluminación con Led’s

1 ELT Argentina Italavia S.A. - Fuentes de Alimentación Conmutadas Para Leds Carlos N. Suarez

Índice de Contenidos

Introducción Página 2

Las Fuentes Switching Aplicadas a Iluminación Página 3

Principio de Funcionamiento de una Fuente Switching Página 3

Anatomía del Led Página 5

Fuentes Switching Paso a Paso Página 7

A - El Filtro Supresor Página 7

A.1 - Seguridad en los Filtros Supresores Página 9

B - El Rectificador de Baja Frecuencia Página 10

B.1 - Tensión de Ripple Página 11

C - El Corrector del Factor de Potencia Página 14

C.1 - Rechazo de Ripple Página 15

D - El Oscilador Página 15

E - El Transformador Reductor de Alta Frecuencia Página 18

E.1 - Aislación de la Red Página 18

F - El Rectificador de Alta Frecuencia Página 19

G - El Regulador Página 20

G.1 - Fuentes Switching de Tensión Constante Página 22

G.2 - Fuentes Switching de Corriente Constante Página 25

G.2.1 - Precauciones al Conectar Fuentes de I Cte. Página 27

H - Protecciones Página 30

H.1 - Temperatura vs. Vida Útil Página 33

Distorsión Armónica Página 35

¿Qué es el THD? Página 38

Impacto del THD en las redes de alimentación Página 39

Resumen General y Conclusiones Página 44

Correcciones y ampliación de conceptos:

Ing. Carlos Etcheverry.

Prof. Pablo González Rivas.


A menudo, estamos acostumbrados a usar fuentes de alimentación conmutadas en todo momento sin tener una percepción de su influencia en la red eléctrica. Lo hacemos al cargar la batería de nuestro teléfono celular, al conectar un cargador a nuestra notebook o incluso cuando encendemos dispositivos más complejos como Smarts TV o equipos de audio de última generación. Las fuentes de alimentación conmutadas son sin lugar a dudas el sistema de abastecimiento energético de los dispositivos electrónicos más modernos del mercado (figura 1).

Lo que realmente me llamó la atención la primera vez que tuve en mi mano una fuente de alimentación “moderna” fue: ¿Dónde diablos estaba el transformador? Era evidente que tanto ustedes como yo siempre hemos estado más emparentados con las fuentes de alimentación básicas, donde existe un transformador cuyo tamaño es proporcional a la potencia que necesitamos demandar (figura 2).

Reconozcamos que a la hora de armar o comprar una fuente de alimentación, lo más costoso, engorroso, pesado, voluminoso y anti práctico siempre fue ese famoso cubo de hierro con bobina de cobre. Recuerdo que por aquellos días, trasladar un amplificador de audio de unos pocos watts era todo un fastidio. Pesaba tanto que terminaba doblando las manijas a través de las cuales se lo cargaba. Y todo ese peso no era otra cosa que el transformador, dejando de lado los voluminosos y costosos capacitores que había que agregarle a la fuente para que el amplificador no zumbara. El hecho de utilizar un medio electromagnético (transformador) para reducir la tensión de la red y adecuarla a nuestras necesidades tiene varias desventajas:

Volumen elevado.

Peso elevado.

Baja Eficiencia.

Alto Costo. Por suerte esos días pasaron y las fuentes conmutadas han llegado para quedarse. El principio de funcionamiento no es tan diferente respecto de una fuente tradicional, es por ello que para poder comprenderlo más fácilmente partiremos de conceptos conocidos.

Introducción

Figura 1

Figura 2


Conforme el paso del tiempo, las fuentes luminosas fueron mejorando su eficiencia, desde las lámparas incandescentes con sus 10 lm/W hasta las lámparas de sodio súper que hoy alcanzan los 140 lm/W. La iluminación con semiconductores ofrece un rendimiento aceptable que hoy día promedia los 100 lm/W. Las fronteras son muy optimistas, prometiendo superar los 160 lm/W. Sin embargo, al día de hoy, esto constituye solo una expresión de deseo (figura 3).

Alimentar un led es muy diferente si se lo compara con una lámpara de descarga gaseosa. Una de las principales características de los leds es su eficiencia luminosa. Sería contradictorio intentar alimentar un sistema eficiente con otro que no lo es. Por otra parte, los leds ofrecen tamaños muy compactos. ¿Imagina usted colocar un transformador de unos cuantos kilos como sistema de alimentación? Seguro que no... Entonces, una fuente luminosa eficiente debe combinarse con un sistema de alimentación eficiente, para que el conjunto sea eficiente. Aquí las fuentes conmutadas juegan un rol primordial. El ahorro de energía que se atribuye a los leds, es en gran parte producido por la fuente de alimentación y no por el led propiamente dicho. Para que tenga una idea, la perdida de potencia en una fuente conmutada es prácticamente despreciable respecto de un sistema de iluminación con balastos o transformadores electromagnéticos. Resumiendo: podemos decir que las fuentes conmutadas, también llamadas fuentes switching o drivers, constituyen el escenario ideal para alimentar sistemas de iluminación eficientes, debido a su rendimiento, tamaño compacto y peso reducido.

Para comenzar a hablar de fuentes de alimentación eficientes tenemos un problema que solucionar: el transformador. Si de alguna forma pudiéramos reducir sus pérdidas y su tamaño, las cosas no estarían nada mal... Un transformador está construido con un arrollamiento primario y uno secundario, ambos de alambre de cobre aislado, bobinados sobre un núcleo de hierro. En los arrollamientos se pierde potencia, producto de que el cobre posee una determinada resistencia óhmica. En el hierro también se producen pérdidas debido a la circulación de corrientes parásitas (también llamadas corrientes de Foucault) y a los cambios periódicos en el sentido de la laminación del núcleo (pérdidas por histéresis magnética). Observe imagen de la figura 4, la misma le dará una noción de la construcción de un transformador electromagnético.

Las Fuentes Switching Aplicadas a Iluminación

Principio de Funcionamiento de una Fuente Switching

Figura 3


Un transformador electromagnético, está calculado para funcionar a una determinada inducción. El núcleo de hierro, soporta una inducción máxima, por en encima de la cual satura y el transformador deja de comportarse como tal. Cuanto mayor sea la cantidad de hierro que se coloca, la inducción es menor y esto es favorable. Lo que sucede es que siempre, por una cuestión de costos y de peso, se trata de colocar la menor cantidad de hierro posible. Observe como se calcula la inducción:

Dónde:

B es la inducción (medida en Tesla).

U es la tensión eficaz.

F es la frecuencia de trabajo.

N es el número de espiras (vueltas de alambre).

S es la superficie del núcleo de hierro del transformador. El único camino que nos queda, para mantener B constante, si quisiéramos bajar la cantidad de vueltas de alambre de cobre (N) y la superficie de hierro (S), es aumentar proporcionalmente la frecuencia (f). De esta forma, si lográramos obtener una frecuencia mucho más alta que la frecuencia de red (50 Hz) para alimentar el transformador, obtendríamos transformadores cuyo núcleo y arrollamientos serían notablemente más pequeños y, en consecuencia, las pérdidas de potencia también serían menores. Aquí nace el concepto de fuente conmutada o switching: generar a través de un medio electrónico, una tensión cuya frecuencia sea elevada (en el orden de los 40 - 50 kHz) para luego aplicarla a un transformador cuyo tamaño será proporcionalmente menor al aumento de dicha frecuencia. Ahora observe el tamaño del transformador resultante en la figura 5.

Figura 4

Figura 5


La alta frecuencia se obtiene a través de una llave electrónica llamada oscilador, que abre y cierra a altas velocidades conmutando o “switcheando”. De allí el nombre “switching” que reciben este tipo de fuentes. Más adelante veremos en detalle esta parte. Lo cierto es que la cosa podría ser tan simple como alimentar un transformador con un oscilador, aunque en la práctica esto es completamente irreal.

Antes de meternos de lleno a analizar las fuentes conmutadas, hagamos una muy breve reseña del principio de funcionamiento de un led, para saber el tipo de alimentación que necesitan. Aquí no nos vamos a detener demasiado, dado que no es el tema del presente artículo. Los leds son diodos, y como todo diodo (estándar) únicamente permite la circulación de corriente en un solo sentido. Está compuesto por un material tipo N y un material tipo P unidos en una juntura (figura 6).

Olvídese por un momento de la convención acerca de la circulación de corriente desde un polo positivo hacia un polo negativo. La realidad es que esto es un simple acuerdo para facilitarnos la vida. Físicamente los electrones poseen carga negativa y circulan hacia el polo positivo de la fuente de alimentación. Al aplicar una diferencia de potencial, la circulación de corriente en el material N se produce a través de electrones, tal cual estamos acostumbrados a analizar en cualquier tipo de conductor. En cambio, en el material tipo P, se toma como convención (si, una vez más una nueva convención) que la circulación de corriente se realiza a través de “lagunas”. Las lagunas son un concepto nuevo, pero muy sencillo de comprender. Una laguna no es más que un hueco donde falta un electrón. Como los electrones poseen carga negativa, son atraídos fuertemente por el polo positivo de la fuente de alimentación. Esta fuerza, es lo suficientemente grande como para arrancar electrones de su órbita, hasta entonces atraídos por el núcleo del átomo (que posee carga positiva). Al arrancarse un electrón, se genera un hueco, al cual llamamos laguna. Ahora, esta laguna demandará un electrón de otro átomo, el cual saltará y ocupará ese hueco para equilibrar la carga. De la misma forma, el electrón que saltó para ocupar esa laguna, generó una nueva laguna en el átomo al que pertenecía. Este proceso se repite constantemente. Podemos decir entonces, que los electrones circulan en un sentido (hacia el polo positivo de la fuente) y las lagunas en el sentido contrario (hacia la juntura del diodo). Cuando las lagunas del material P se aproximan a la juntura del diodo (el límite con el material N) los electrones del material N saltan al material P y se recombinan con la lagunas. Esa recombinación genera un cambio de energía produciendo un fotón. La longitud de onda de la luz (color) depende de los materiales empleados en la fabricación del led (figura 7). Para obtener luz blanca se agregan diversos componentes sobre el led (como por ejemplo fósforo) con el objetivo de mover la longitud de onda de la luz producida por el diodo.

Anatomía del Led

Figura 6


Cuando a un diodo se lo alimenta con tensión alterna, la corriente circula en un único sentido. Observe la forma de onda de la corriente en la figura 8.

Esta capacidad para bloquear la circulación inversa de corriente se aprovecha para convertir corriente alterna en continua, pero claro está que no se utilizan diodos led para esto, sino que se emplean diodos llamados rectificadores (figura 9).

La capacidad de tolerar tensión inversa está especificada en la hoja de datos del componente y se llama tensión inversa de ruptura. Los diodos led no tienen una gran capacidad de resistir tensión con polaridad opuesta como es el caso de los rectificadores. Su tensión de ruptura inversa es muy baja, en el orden de los 5 volts. Esto significa que un led alimentado “al revés” se puede llegar a quemar. Es por ello que los módulos, tiras o incluso algunas lámparas vienen protegidas ante alimentación inversa. Como conclusión, podemos decir que los diodos led deben ser alimentados con corriente continua, aplicada con polaridad directa.

Figura 7

Figura 8

Figura 9


Ahora veremos en detalle, como se produce la tensión o corriente continua de salida (necesaria para alimentar uno o varios leds) pasando por todas las etapas, desde el ingreso de la tensión de red (220V 50Hz), hasta los bornes de salida de la fuente de alimentación (figura 10).

Las fuentes conmutadas toman la tensión directamente de la red de alimentación. Idealmente, la forma de onda de la red es senoidal, pero en la práctica no es así. La realidad es que contiene ruidos ocasionados por diversos eventos (como por ejemplo, el arranque de motores). Este ruido está compuesto por picos de alta tensión y corta durabilidad (alta frecuencia) a los cuales llamamos transitorios de red. Si bien los transitorios no tienen la suficiente energía como para afectar el funcionamiento de una fuente estándar con transformador electromagnético, el oscilador de la fuente switching resulta demasiado delicado como para dejar librado al azar el hecho de resistirlos. Sin entrar en demasiado detalle, podemos decir que el filtro supresor tiene dos funciones:

1) Bloquear los transitorios de la línea de alimentación para evitar el paso de los mismos hacia las etapas más delicadas del circuito.

2) Evitar que la alta frecuencia producida por el oscilador se inyecte en la línea de alimentación. Este es uno de los puntos que exige la norma en cuanto a compatibilidad electromagnética.

Fuentes Switching Paso a Paso

A - El Filtro Supresor

Figura 10


¿Qué tengo que saber de los filtros supresores? Hay algo que usted no puede dejar de saber de los filtros supresores; considere el siguiente escenario: entra un transitorio por el conductor de fase. El filtro tranquilamente podría limitarlo con un inductor serie y derivarlo al neutro con un capacitor, como muestra la figura 11.

Las flechas rojas indican la circulación del transitorio de alta frecuencia. El mismo ingresa por la fase, L lo filtra y C se encarga de derivar los restos al neutro para que la onda entre pura al circuito del balasto. Toda esta magia sucede porque entre el pico del transitorio y el neutro (N) existe una gran diferencia de potencial que permite la circulación de corriente. Pero, ¿Qué sucedería si el transitorio ingresara por la fase y por el neutro al mismo tiempo? Evidentemente el circuito anterior queda totalmente inutilizado ya que entre la fase y el neutro no existiría diferencia de potencial que permita que el ruido circule. Para ello, realizando mejoras, arribamos al filtro de la figura 12.

Aquí la tierra establece un punto de referencia en 0 (cero) Volts para que siempre exista diferencia de potencial, siendo que el ruido entre por la fase, por el neutro o por ambos conductores. Las flechas rojas indican el recorrido del transitorio, en este caso, se trata de un transitorio que ingresa por ambos conductores. Como una conclusión muy importante, se puede afirmar que el conductor de tierra es rigurosamente obligatorio para activar el filtro de red de la fuente switching. De no ser conectado, el filtro se limita a bloquear los ruidos que ingresen por la fase o por el neutro disyuntivamente. Este es un caso totalmente improbable, puesto que en la mayoría de los casos el transitorio ingresa por ambos conductores. Si observa el circuito anterior, podría darse cuenta que, si bien C1 y C2 están calculados para derivar ruidos de alta frecuencia a tierra, también se llevan una pequeña corriente, producto de los 50/60 Hz de alimentación. Por lo tanto, existe una corriente que se está derivando a tierra constantemente y el nivel depende de la topología del filtro. A medida que el número de fuentes switching instaladas por circuito aumenta, puede que el disyuntor diferencial actúe.

Figura 11

Figura 12


Tenga sus precauciones al instalar un alto número de fuentes switching por disyuntor diferencial monofásico (figura 13).

En presencia de una instalación trifásica balanceada, protegida con un disyuntor diferencial trifásico, este tipo de fugas se anulan entre fases y la protección diferencial no actúa.

Existe un circuito alternativo que evita el problema de la activación del disyuntor diferencial, ya que prácticamente no deriva corrientes a tierra, a excepción de que exista una tensión alta en el neutro. Observe el diagrama de la figura 14

Desde el punto de vista del filtrado el circuito es menos eficiente, pero facilita la tarea del instalador al conectar un número elevado de fuentes switching por circuito. Seguridad en Filtros Supresores Observe la figura 15, donde se muestra un circuito real correspondiente a un filtro supresor:

+ + Figura 13

Figura 14

Figura 15


Como hemos comentado anteriormente, el filtro está compuesto por una red para evitar ruidos que entren a través de un solo conductor (fase o neutro) y otra red para filtrar ruidos que entren por ambos conductores a la vez (fase y neutro). Observe la red compuesta por los dos capacitores CX. De existir una falla en estos componentes, pueden ocurrir dos cosas: que los capacitores se abran o se pongan en cortocircuito. Si cualquiera de los capacitores CX se abrieran por falla el problema no sería grave, ya que el circuito seguirá funcionando, sólo que sin la protección adecuada y fuera de lo que exige las norma en cuanto a supresión de interferencias. Pero, si cualquiera de los capacitores entrara en cortocircuito, dependeremos de los fusibles y/o termomagnéticas de protección (externas al circuito) para interrumpir el funcionamiento de la fuente. En este caso existe una probabilidad de incendio en el/los capacitor/es CX fallado/s, que depende de muchos factores, pero por sobre todo, de la velocidad con la cual actúen las protecciones externas. Si bien hay un riesgo acotado para la instalación, una falla en el capacitor CX no supone una amenaza para la vida de las personas.

A este tipo de capacitores, que se conectan entre fase y neutro, se los llama Supresores “X” con un subtipo que va del 1 al 3, siendo 1 el más exigente y 3 el menos exigente. Un filtro bien diseñado utilizará capacitores supresores X 1-2 entre fase y neutro para garantizar las medidas de seguridad relativas a la instalación.

Ahora observe la red de filtrado de ruidos a tierra compuesta por el capacitor CY. Si éste entrara en cortocircuito por falla, el potencial de alimentación quedaría conectado al chasis de la fuente. Esto implica un riesgo para la vida del usuario. Los capacitores CY son ensayados bajo rigurosos requisitos que garantizan mayor seguridad que los capacitores CX respecto de fallas por cortocircuito, y por supuesto, resultan más costosos por ello.

A este tipo de capacitores, que se conectan entre fase o neutro respecto de tierra se los llama Supresores “Y” y también se clasifican en subtipos, pero esta vez del 1 al 4 de acuerdo al nivel de exigencia. Un filtro bien diseñado utilizará capacitores supresores Y 1-2 entre fase y tierra, así también como entre neutro y tierra, para garantizar las medidas de seguridad relativas al cuidado de la vida de las personas.

El rectificador de baja frecuencia de la fuente switching es el encargado de convertir la tensión alterna, tomada directamente de la red de alimentación, en tensión continua, para luego ser entregada al oscilador (previo paso por el corrector del factor de potencia). Para ello se utiliza un puente de diodos rectificadores (los cuales hemos mencionado anteriormente en este artículo). Esto permite el paso de la corriente en un único sentido.

B - El Rectificador de Baja Frecuencia

Fig

ura

16


Observe la forma de onda resultante una vez que la corriente circula a través del puente de diodos (figura 16). En el osciloscopio “A” se aprecia la forma de onda senoidal proveniente de la red. Luego del puente, la forma de onda espeja su parte negativa, convirtiéndola en positiva. Si bien teóricamente se trata de tensión continua, se dice que la forma de onda resultante es una “continua pulsante”. Ahora, es momento de integrar esa forma de onda y convertirla en una constante (tensión continua). Para ello, debe colocarse un capacitor. Cuanto mayor sea el valor del capacitor, mejor será la calidad de la forma de onda continua, lo que significa que no se deformará demasiado con el aumento de la carga (cantidad de leds) que se coloque. Aquí existe un dilema: o bien colocamos un capacitor lo suficientemente grande para tener una forma de onda continua que no varíe demasiado con la carga, lo que aumentaría notablemente el tamaño y el costo de la fuente switching, o bien colocamos un capacitor pequeño para reducir el costo y el tamaño de la fuente, lo que aparejaría que la forma de onda continua se deforme con el aumento de la carga. La realidad es que esto depende tanto del diseño como de la tecnología empleada por el fabricante. Observe la forma de onda resultante cuando la fuente de alimentación no tiene carga (figura 17).

De esta forma arribamos a una forma de onda continua, cuya amplitud coincide con el pico de la forma de

onda de red, o sea, 310 Volts ( √ ). La forma de onda continua se mantendrá perfectamente plana mientras que a la fuente no se conecte carga, causa por la cual el capacitor se mantiene siempre cargado. Tensión de Ripple Ahora vayamos a la realidad. La verdad es que las fuentes nunca funcionan en vacío, cuestión completamente lógica, las utilizamos con el objetivo de alimentar “algo”. Lo más probable, es que por una cuestión económica, la fuente switching siempre se mantenga funcionando a plena carga (con el nivel de corriente o tensión máxima que éstas pueden suministrar). A medida que la fuente se va cargando, el capacitor del rectificador tiene un camino por donde drenar su corriente y se descarga, antes que la forma de onda que proviene del puente de diodos lo pueda cargar nuevamente. Observe la imagen de la figura 18.

Figura 17


El capacitor se carga con la forma de onda pulsante que proviene del puente de diodos. Cuando la señal llega a su pico máximo y comienza a descender, el capacitor comienza su descarga a través de la carga de fuente. La velocidad con la cual el capacitor se descargue, depende del nivel de corriente que circule por la carga que se conecta a la fuente switching. De esta forma, la tensión continua se va deformando, alejándose de una recta constante como hemos visto con anterioridad. Observe que sucede si se conecta una carga más grande a la fuente. Entiéndase por carga más grande, aquella que represente una mayor circulación de corriente, o lo que es lo mismo, menor impedancia. La pendiente de descarga del capacitor se acentúa, lo que significa que se está descargando con mayor velocidad. La forma de onda se parece cada vez más a la continua pulsante del puente de diodos, alejándose de una señal plana ideal que se obtiene cuando no se conecta carga a la fuente (figura 19).

A la amplitud desde el pico de la forma de onda hasta el punto de descarga mínimo del capacitor, se la llama “Tensión de Ripple”. Para describir con cifras este fenómeno se utiliza el Porcentual de Ripple, que es el porcentual entre la tensión de salida de la fuente y la tensión de Ripple. Observe la imagen de la figura 20.

Figura 18

Figura 19


Una fuente de buena calidad, no deberá superar un porcentual de Ripple del 20%. El porcentual de Ripple es un dato muy común que figura en las hojas técnicas de las fuentes switching. A medida que este parámetro aumenta, los leds reducen su rendimiento luminoso. ¿Cómo mejorar esta condición? Pudimos ver hasta el momento que el porcentual de Ripple es un parámetro negativo, a medida que aumenta, la fuente es de menor calidad y viceversa. Una forma de reducir el porcentual de Ripple, es aumentar el valor del capacitor del rectificador para que éste tarde más tiempo en descargarse, producto de que almacena mayor cantidad de carga. El capacitor del rectificador es un componente muy voluminoso y costoso. Aumentar su valor provocaría que la fuente cambie radicalmente su tamaño y costo.

Por otra parte, el capacitor del rectificador es el componente más crítico de la fuente switching. El mismo se degrada notablemente con el aumento de la temperatura y el paso del tiempo, a tal punto, que se convierte en el componente “fusible” que determina la vida útil de la fuente. Estamos en condiciones de decir que el tiempo de vida de una fuente switching coincide con el tiempo de vida del capacitor del rectificador. Por ello es importante que los capacitores del rectificador toleren altas temperaturas de trabajo (en el orden de los 105ºC) para que su vida útil se prolongue. Obviamente, esto también aumenta el costo de la fuente (figura 21).

Ventajas Tecnológicas Afortunadamente, la tecnología de la etapa correctora del factor de potencia, etapa siguiente en el diagrama en bloques de la fuente, (rever figura 10) cuenta con un parámetro llamado “Rechazo de Ripple”. El rechazo de Ripple es la capacidad que tiene el corrector del factor de potencia en rechazar la tensión de Ripple y hacer que la señal sea más continua. Esta es una característica del chip que se encarga de la corrección del factor de potencia, por lo tanto, aquellas fuentes que no tengan una corrección digital del factor de potencia, no cuentan con esta característica.

Figura 20

Figura 21


Ciertos modelos de fuentes switching, podrán hasta prescindir del capacitor del rectificador, dependiendo del nivel de rechazo de Ripple que tenga el integrado corrector del factor de potencia. Esta ventaja supone tres ventajas fundamentales:

Reducción del tamaño de la fuente.

Reducción del costo de la fuente.

Aumento de la vida útil de la fuente, por ausencia del componente más sensible.

Contrariamente a lo que estamos acostumbrados, el factor de potencia en las fuentes electrónicas es capacitivo. Por lo tanto no lo podemos corregir colocando un capacitor como lo hacemos con las cargas inductivas. La pregunta que se nos plantea en esta instancia es: ¿Cómo hacemos para corregirlo? No podemos hacerlo externamente o sería completamente engorroso y antieconómico. Por lo tanto, el fabricante de la fuente switching, debe proveer un circuito de corrección del factor de potencia, integrado en la misma placa. Esta etapa, si bien no hace al funcionamiento de la fuente en sí, minimiza el impacto del circuito del driver en la red de alimentación alterna. Por otra parte, el hecho de que un circuito presente carga capacitiva, representa un riesgo si fuese alimentado, por ejemplo, con estabilizadores de tensión o grupos electrógenos. En el caso de un grupo electrógeno se produce un aumento de la tensión por efecto de autoexcitación, la carga capacitiva produce una reacción de armadura que se suma al flujo inductor de la máquina, reforzando el mismo.

Recuerde que un factor de potencia no corregido, se expone al cobro de la potencia reactiva consumida y/o aplicación de multas por valores fuera de los parámetros mínimos reglamentarios.

Una fuente switching, puede corregir el factor de potencia (básicamente) de dos formas, dependiendo de la tecnología aplicada:

Pasivamente: Utilizando componentes discretos, como ser bobinas, resistores, diodos, etc. Con este tipo de circuitos pueden obtenerse valores aceptables de factor de potencia, en el orden de 0.9. Sin embargo la distorsión armónica resultante oscila en el 25%.

Activamente En este caso, el circuito del driver incorpora un chip especialmente diseñado para la corrección del factor de potencia y contenido armónico (THD). Utilizando este método se obtienen valores muy exactos y estables de factor de potencia, entre 0.95 y 0.98. La distorsión armónica resultante (THD) oscila entre el 5 y el 10%.

C - El Corrector del Factor de Potencia

Figura 22


En la figura 22 se muestra un corrector activo, a través de un chip de montaje SMD con su respectivo transistor MOSFET (corrector de última generación). Rechazo de Ripple Como hemos comentado con anterioridad, el hecho de utilizar una corrección activa del factor de potencia a través de un circuito integrado especialmente diseñado para tal fin, nos trae como beneficio que, además, podemos omitir el capacitor electrolítico que actúa como filtro en la etapa del rectificador de baja frecuencia. Esto se debe a una característica especial del circuito corrector llamada “Rechazo de Ripple”. El circuito integrado (chip) con el cual está diseñado el corrector del factor de potencia activo tiene la capacidad de filtrar la continua pulsante proveniente de la etapa previa (rectificador). De esta forma, evitando colocar uno de los componentes más sensibles de la fuente switching, se prolonga la vida útil de la misma y se reduce la probabilidad de falla, fundamentalmente en ambientes de alta temperatura, donde la degradación de los capacitores electrolíticos es progresiva (figura 23).

El oscilador es el encargado de producir la alta frecuencia que alimentará al transformador reductor. Todas las etapas que hemos visto hasta el momento, no son más que soportes para que el oscilador funcione de manera eficiente y segura. Para producir la alta frecuencia, una llave electrónica (transistor) abre y cierra a la frecuencia de funcionamiento del driver, por ejemplo 50.000 veces por segundo (50 kHz), alternando la corriente continua proveniente de la etapa correctora del factor de potencia. La información que controla el transistor proviene del control del oscilador (figura 24).

D - El Oscilador

Figura 23

Figura 24


Transistor (llave electrónica) La producción de tensión alterna se realiza recortando la tensión continua que proviene de la etapa anterior. Esta tarea es delegada en un componente electrónico llamado transistor que, entre otros usos, puede utilizarse como llave electrónica. Existen transistores especiales diseñados para ser utilizados en osciladores. Los Mosfets (transistores de efecto de campo de compuerta aislada) tienen la capacidad conmutar a muy altas velocidades sin consumir corriente para realizar esta tarea. ¿Cómo operan los MOSFET? Cierran o abren como si fueran una llave electrónica que se encuentra entre dos de sus terminales (MT1 y MT2) al recibir un campo eléctrico en un tercer terminal llamado GATE. La utilización de transistores Mosfet hace que la fuente aumente su rendimiento, pero al mismo tiempo, el circuito se torna mucho más sensible. Cualquier campo magnético, eléctrico o transitorio de red puede ser interpretado por los Mosfets como información para abrir o cerrar. Por esta razón es tan importante disponer de un buen filtro de línea correctamente conectado a tierra. En la figura 25 se ilustra un transistor MOSFET, en tecnologías de montaje THT y SMT.

Tipo de Llave Electrónica del Oscilador

Transistor Bipolar Transistor Mosfet

Rendimiento de la Fuente

Costo de la Fuente

Sensibilidad del Circuito

Control del Oscilador El control del oscilador es quien le informa a la llave electrónica cuando debe abrir o cerrar y con qué frecuencia hacerlo. También debe garantizar que, si se utilizan transistores MOSFET, la tensión en el Gate se remueva en su totalidad para que la llave electrónica cierre. Todo tipo de deficiencias e inexactitudes en la información que se derive al transistor, incurre en una baja de rendimiento de la fuente switching. Existen dos tipos de controles: Control analógico Se utilizan componentes pasivos. Básicamente una bobina realimentada invierte la tensión en el transistor una vez que se produce el cierre de la llave electrónica y de esta forma se asegura el corte. Esta operación se realiza una y otra vez. Las desventajas desde el punto de vista circuital y de rendimiento son varias:

a) Circuito de arranque adicional Es necesario un circuito adicional de arranque que ponga el oscilador a funcionar en el momento en que se enciende la fuente. Una vez que el oscilador arranca, el circuito de arranque sale de servicio. Podríamos decir que es comparable a un ignitor o arrancador como el que utilizamos en las lámparas de descarga gaseosa. Sumar componentes para implementar este circuito, también aumenta en cierta forma la probabilidad de falla de la fuente.

Figura 25


b) Menor rendimiento Los circuitos pasivos pierden potencia en los bobinados que manejan el o los transistores que funcionan como llave electrónica. Generalmente, en este tipo de controles se utilizan transistores bipolares como llave electrónica, dado que se deben sumar algunos componentes que aseguren remover el campo magnético del Gate en el caso de utilizar Mosfets, característica que un control activo ya tiene incorporada.

c) Aumento de temperatura El núcleo de la bobina de realimentación maneja temperatura. Esto no solo reduce el rendimiento de la fuente sino que impacta en la vida útil, tanto de los aislantes de la bobina como del resto de los componentes que la rodean (incluyendo el circuito impreso). La imagen de la figura 26 muestra un control analógico de oscilador:

Control activo: En este caso, el control sobre la llave electrónica se delega en un circuito integrado (chip) especialmente diseñado para esta operación. Esto asegura que el cierre y la apertura del transistor se efectúen de la manera más eficiente. No es necesario un circuito de arranque y la cantidad de componentes de la fuente se reduce considerablemente. Este tipo de chips se relacionan perfectamente con los transistores Mosfet, con lo cual se obtiene un conjunto de componentes eficientes dentro del oscilador. La imagen de la figura 27 muestra un control de oscilador activo:

El nombre de fuente “switching” (conmutación) deriva de la apertura y el cierre a alta velocidad del transistor o los transistores que componen la llave electrónica del oscilador. Podemos decir que esta etapa le pone el nombre a la fuente.

Figura 26

Figura 27


Ahora que disponemos de una tensión alterna de alta frecuencia, proveniente del oscilador, podemos aplicarla al bobinado primario de un transformador. El transformador se hace notablemente más pequeño, conforme el aumento de frecuencia y las pérdidas, tanto en el cobre como en el hierro son despreciables. Cabe aclarar, que los transformadores de alta frecuencia no utilizan hierro en el núcleo sino ferrita (material magnético cerámico). La tensión alterna disponible para la alimentación del transformador de alta frecuencia (transformador HF)

tiene una amplitud de aproximadamente 400V, 310V debido a la rectificación de los 220V de red √ más un incremento de tensión producido por el corrector del factor de potencia. El transformador de HF reducirá esa tensión a valores superiores a la tensión final que se querrá obtener en la salida de la fuente switching. Esta tensión, será controlada por la etapa de regulación (figura 28).

Aislación de la Red El transformador de HF, además, proporciona uno de los parámetros fundamentales de una fuente switching: la aislación respecto de la red.

Observe la flecha roja en la figura 29. La tensión aplicada al primario del transformador tiene conexión directa con la red de alimentación, lo que significa que entre dicho punto y tierra hay un alto potencial (vea la lectura del primer voltímetro). El transformador desacopla el circuito, aislando la salida de la fuente del potencial de red respecto de tierra (vea la lectura del segundo voltímetro). Pero no todas las fuentes están aisladas de la red, puesto que construir un transformador tiene dificultades propias de fabricación y aumenta el costo final del producto. Muchas veces se opta por un autotransformador, cuya forma de construcción es notablemente más sencilla y el costo final de la fuente es menor. Esto supone un riesgo para las personas, puesto que cualquier sujeto que tenga contacto con tierra y toque la salida de la fuente switching, sería afectado por una descarga eléctrica. Observe la figura 30.

E - El Transformador Reductor de Alta Frecuencia

Figura 28

Figura 29


La norma IEC 60950 establece que la aislación entre la entrada y la salida de una fuente switching, no deberá ser inferior a 3.000 volts. Es entonces el transformador de HF quien se encarga de esta desvinculación. Todas aquellas fuentes sin aislación respecto de la red, quedan fuera de la norma y representan un alto riesgo para la vida de los usuarios.

Ahora necesitamos acumular los pulsos de alta frecuencia que provienen de la salida del transformador de HF. El concepto es muy similar al rectificador de entrada (etapa B). Sin embargo, aquí la señal no tiene semiciclo negativo, por lo tanto no tiene sentido colocar cuatro diodos para construir un rectificador de onda completa. Con un solo diodo (rectificador de media onda) alcanzará. La única precaución a tener en cuenta es que ya no operamos con 50Hz, por lo tanto, el diodo deberá manejar velocidades mayores. Para ello utilizaremos un diodo ultra rápido apropiado para tal fin. Esos pulsos se acumularán en un capacitor (también preparado para manejar alta frecuencia). Una vez cargado, ese capacitor proporcionará la corriente necesaria para alimentar los leds. El diodo evitará la descarga del capacitor en el momento en que produce el flanco descendente de la señal proveniente del transformador de HF (figura 31).

Se debe tener en cuenta que, así como sucede con el capacitor del rectificador de entrada, aquí también estamos en presencia de un componente “fusible” para la vida útil de la fuente. Lo correcto es utilizar capacitores preparados para operar tanto con alta frecuencia como con alta temperatura de trabajo (105ºC).

F - El Rectificador de Alta Frecuencia

Figura 30

Figura 31


El regulador es una etapa importantísima dentro de la fuente switching. Es el encargado de mantener estable la tensión o corriente de salida respecto de:

Cambios en la tensión de alimentación.

Cambios en la carga (cantidad o potencia de los leds que se coloquen).

Cambios de temperatura que causen corrimiento de valores eléctricos en los componentes. La estabilidad de la tensión o corriente de salida respecto de cualquiera de los cambios mencionados con anterioridad, tiene una tolerancia, se mide porcentualmente y depende de la tecnología implementada por el regulador. Ejemplo: una fuente de 12 Vcc de salida +/- 5% significa que, si la fuente opera dentro de los parámetros especificados por el fabricante, la tensión de salida podrá oscilar entre 11.4 y 12.6 Volts. Los parámetros típicos de operación de una fuente switching especificados por el fabricante son:

Rango de tensión de alimentación.

Temperaturas máximas y mínimas de operación.

Potencia máxima de salida. Si se respetan estos requisitos, la fuente switching se manejará dentro de los límites de tolerancia del regulador. Todos estos parámetros se ampliarán más adelante en este documento.

Cabe aclarar que, si bien la fuente podría funcionar perfectamente sin esta etapa, sería impensable conectar leds a un driver sin regulación. Esto se debe a que la vida útil de los leds está muy ligada a los cambios en la alimentación. Si la tensión o corriente es superior, el led reduce su vida útil, si la tensión es inferior, el led no cumple con los niveles luminosos especificados en su hoja de datos.

Observe el diagrama de la figura 32:

G - El Regulador

Figura 32


En el circuito se muestran tres flechas en rojo, representando las variables que el regulador deberá controlar. Si se tratara de un driver de corriente constante, una resistencia en serie controlará el nivel de corriente (sensor de corriente). Si por el contrario, se tratara de un driver de tensión constante, una resistencia en paralelo realizará el muestreo de tensión (sensor de tensión). Esta información es suministrada al controlador del oscilador (detallado con anterioridad en el presente documento) a través de una red de realimentación. El control del oscilador actuará sobre la llave electrónica para regular la forma de onda que se aplica al primario del transformador. De esta forma, se reduce o incrementa la tensión o corriente en el secundario hasta estabilizarse en los valores deseados. Luego, se vuelve a controlar a través de las resistencias y el proceso se repite continuamente, con el objetivo de mantener la tensión o corriente en los valores establecidos. Problemas en la etapa de regulación Observe nuevamente el diagrama de la figura 32. De alguna forma, la red de realimentación está “puenteando” el transformador de HF, que como bien hemos visto, es el encargado de aislar la salida de la fuente. ¡Aquí tenemos un problema! Estaríamos cortocircuitando de alguna forma la aislación de la salida de la fuente switching respecto de la red. Es por ello que lo correcto es utilizar una realimentación aislada, por ejemplo, ópticamente. El camino es utilizar un componente llamado optoacoplador para informar el estado de los sensores (corriente o tensión) al control del oscilador a través de un método óptico, manteniendo la aislación eléctrica (figura 33).

El acoplamiento óptico en la realimentación es fundamental para mantener la salida de la fuente aislada de la red de alimentación, y de esa manera, preservar la seguridad del usuario.

Figura 33


Y hemos llegado a la parte más interesante y práctica del artículo. Si hemos leído hasta aquí, tenemos los conocimientos necesarios para conectar led’s a nuestros drivers, ¡enhorabuena! Antes de seguir adelante voy a recomendarle que repase un poco los conceptos del apartado “Anatomía del led” ¿Ya lo hizo? Excelente, comencemos entonces. Alimentación de Leds por fuente de tensión constante Como hemos visto en el apartado, los diodos led necesitan ser alimentados con tensión continua en polaridad directa para que funcionen emitiendo luz. Sin embargo, las cosas no son tan sencillas como eso. La realidad es que la corriente que circula a través del led, debe ser controlada por algún método, dado que la impedancia interna (resistencia) es comparable a un cortocircuito (ver figura 34).

2Es muy similar a lo que sucede con las lámparas de descarga, las cuales necesitan un balasto para limitar la corriente que las atraviesa. Pero aquí no podemos colocar un inductor, dado que estamos alimentando con tensión continua y los inductores se comportan como un cortocircuito ante esta condición. El camino más sencillo para controlar esa corriente es colocar una resistencia como indica la figura 35.

La caída de tensión en el led es de aproximadamente 3 Volts, aunque depende mucho del fabricante y modelo que se utilice. No se preocupe demasiado, ya que es un dato muy típico y fácil de ubicar en las hojas técnicas. Entonces la resistencia tiene la siguiente fórmula de cálculo:

Fuentes Switching de Tensión Constante

Figura 34

Figura 35


Vayamos a un caso práctico:

En ese caso la resistencia necesaria sería de 30 Ω Cuando los leds se alimentan con drivers de tensión constante se colocan en paralelo con la fuente (cada uno de los leds con su respectiva resistencia para limitar la corriente). Observe la figura 36.

La cantidad de leds que se pueden conectar al driver depende de la potencia máxima de salida que éste pueda entregar. Para el ejemplo de la figura 35, donde se han conectado 6 leds con su respectiva resistencia, si cada red resistencia - led es de 24 Volts / 2 Watts, se necesitará un driver de 24 Volts y 12 Watts de potencia (mínima). Recuerde que aquí el consumo no implica solamente al led, sino que también debe considerarse la potencia disipada por la resistencia. Este tema lo ampliaremos en detalle cuando hablemos de las protecciones. Si se demanda mayor potencia a la que puede entregar la fuente, ésta puede dañarse o en su defecto activar la protección ante sobrecarga (si es que cuenta con esta característica). Otros fabricantes especifican la corriente máxima de salida del driver, en lugar de la potencia. Personalmente no estoy de acuerdo con esto, puesto que acarrea confusiones a los usuarios e instaladores cuando en toda esta historieta aparezcan las fuentes de corriente constante, un concepto nuevo que enseguida abordaremos. Pero de todos modos vamos a plantear un ejemplo para dejar las cosas claras. En este caso debemos conocer cuál es la corriente que drena por cada red resistencia - led. Para el ejemplo de la figura 36, si cada red resistencia - led fuera de 24 V - 0,10 A, se necesitaría un driver de 24 V 0,6 A (600 mA) de corriente como mínimo. Note que estamos destacando no solo el consumo del led, sino también el de su resistencia limitadora, por eso siempre hacemos referencia al término: red resistencia - led.

Las fuentes de tensión constante, mantienen siempre el mismo nivel de tensión. La corriente es variable y depende de la cantidad de leds (carga) que se conecten (en paralelo) a la misma. Los leds que se alimentan con fuentes de tensión constante y se asocian en determinadas cantidades, suelen comercializarse con la resistencia integrada en el mismo circuito. Es el caso de las famosas “tiras de leds”. Si usted observa muy de cerca una de ellas, se dará cuenta que no solo encontrará el led integrado en el circuito, sino también su resistencia limitadora de corriente. Observe la figura 37.

Figura 36

Figura 37


Podemos decir que en la mayoría de los casos, cuando los leds se comercializan integrados en cantidad y los mismos se alimentan con fuente de tensión constante, ya incluyen la resistencia limitadora de corriente. Verificar la existencia de la resistencia limitadora es una buena manera de diferenciar si los conjuntos de leds se alimentan con fuente de tensión constante, o por el contrario, con fuente de corriente constante. Los leds se asocian en conjunto con la finalidad de obtener mayor flujo luminoso y mejorar la distribución de la luz, pero por sobre todo, disponer de una mayor superficie para disipar el calor producido por el chip. En un solo chip de mucha potencia es muy difícil de disipar la potencia ya que se produce mucha cantidad de calor en un solo punto. Al distribuir los chips se reparte la potencia y en consecuencia la cantidad de calor producida; la disipación se hace más sencilla y hasta puede realizarse a través del mismo circuito impreso.

Existen circuitos impresos construidos con placa de aluminio para este tipo de tareas. Los mismos suelen ser muy utilizados en la construcción de módulos de led, un típico caso de asociación de leds para mejorar la distribución luminosa y la disipación de calor de cada uno de los chips que lo componen.

Sin embargo hay otros casos en los cuales existe un solo chip led de gran potencia donde la disipación de calor se dificulta demasiado y se realiza a través de disipadores más complejos (figura 38).

En este caso, la resistencia suele estar integrada dentro del chip, lo que permitiría alimentar el mismo con una fuente de tensión. Pero cerciórese de esto consultando siempre la hoja técnica del producto puesto que ya sabemos lo que pasa si alimentamos un led en directa con fuente de tensión sin colocar una resistencia limitadora…

La primera pregunta que debemos plantearnos a la hora de alimentar un led (o una asociación de leds en sus diversos formatos) es si se debe hacer a través de una fuente de tensión constante o de una fuente de corriente constante. Rápidamente podemos darnos cuenta de esto por la existencia de la resistencia limitadora, pero la misma no siempre está expuesta visualmente y otras veces es demasiado pequeña como para identificar con facilidad. Por lo tanto, lo más apropiado es consultar siempre la hoja técnica del producto.

Es muy importante conocer los parámetros que definen una fuente switching de tensión constante:

Parámetro Unidad

de Medida Observaciones

Tensión de salida Volt (V) Tensión constante que entrega la fuente.

Potencia máxima de salida Watt (W) Potencia máxima que entrega la fuente, nos define la cantidad de leds que podemos conectar a la misma, dependiendo de la potencia de cada uno de ellos y su resistencia asociada.

Corriente máxima de salida Amperes (A) Opcional. Tal cual lo hemos comentado, algunos prefieren especificar la corriente máxima que puede entregar el driver (ya que se trata de una fuente de corriente variable)

Tensión de Alimentación Volts (V) La tensión de alimentación del driver. Ejemplo: 220 Vca, 110 Vca, etc.

Consumo del driver Watts (W) La potencia de pérdida del driver. Cuanto menor sea la perdida de potencia, mayor es el ahorro de energía. Esto define el rendimiento de la fuente.

Figura 38


Factor de Potencia - El factor de potencia del driver. Aquí se puede observar si el mismo posee corrector o no tal cual lo hemos estudiado en el presente artículo.

Rendimiento %

(Potencia de Salida / Potencia de Entrada) x 100. Es el rendimiento de la fuente, a menor potencia de pérdida, mayor rendimiento. Una fuente con 90% de rendimiento es considerada de alta calidad.

Aislación Respecto de la Red Volts (V) Rigidez dieléctrica que soporta la fuente entre la salida y la línea de alimentación. Este parámetro nos indica que la fuente se encuentra aislada de la red. La norma establece > 3000V.

Aislación Respecto de Tierra Volts (V) Rigidez dieléctrica que soporta la fuente entre el chasis y sus partes conductoras (borneras, pistas del circuito, etc.). La norma establece > 1440V.

Temperatura de operación Grados

Celsius (ºC) Los límites de operación de temperatura (mínimos y máximos) del driver. Ejemplo -5 a 50 ºC

Temperatura tc max. Grados

Celsius (ºC)

Es el valor máximo de temperatura que debe medirse en un el punto del chasis marcado como “tc” cuando el driver se encuentra en régimen de funcionamiento estabilizado.

Grado de protección IP - Define el ambiente en el cual puede ser utilizada la fuente: interior, intemperie, lluvia, inmersión, etc.

Modelos de fuentes de tensión constante para uso interior

Modelos de fuente de tensión constante para uso intemperie, grado de protección IP67:

Hasta ahora hemos analizado el funcionamiento de las fuentes switching de tensión constante. Sin embargo, alimentar leds con este tipo de fuentes, requiere de un método de control para la corriente que circula a través de los mismos. Desde el punto de vista de la eficiencia, esto no es del todo conveniente, ya que si estamos en presencia de un sistema orientado al ahorro de energía, las resistencias que controlan el drenaje de corriente por los leds perderían una potencia disipada en forma de calor (revea la figura 36). Cuando utilicemos fuentes de tensión constante lo haremos con la finalidad de alimentar leds para entornos cuyos requerimientos de eficiencia son acotados. Siempre deberá existir una resistencia que limite el paso de

Fuentes Switching de Corriente Constante


la corriente a los leds, ya sea integrada, montada sobre el impreso, etcétera y esto siempre implicará un consumo extra de energía. Si en cambio, adaptamos el regulador de la fuente switching para que en lugar de entregar una tensión constante, entregue una corriente constante y varíe el nivel de tensión en función de la carga (cantidad de leds conectados), podríamos evitar el uso de las resistencias y así eliminar la pérdida de potencia sobre éstas. El concepto de fuente de corriente constante (tensión variable) es exactamente al revés del que estamos acostumbrados a manejar con las fuentes de tensión. Para comenzar, las cargas siempre se conectan en serie, pues la fuente garantiza un mismo nivel de corriente y ajusta la tensión para mantener esta condición. Observe el diagrama de la Figura 39.

Se podría llegar a pensar en este tipo de conexión que, ante un defecto en cualquiera de los leds, el circuito se abriría y en consecuencia los leds restantes se apagarían. Sin embargo, los fabricantes de leds deben garantizar que ante cualquier anomalía de funcionamiento y/o agotamiento, el led deberá ponerse en cortocircuito. Al estar alimentado por una fuente de corriente constante, la tensión varía para compensar el mismo valor de intensidad y el resto de los leds siguen funcionando como si nada hubiese pasado (figura 40).

La cantidad de leds que se pueden conectar al driver de corriente constante, al igual que en un driver de tensión constante, depende de la potencia máxima de salida que la fuente pueda entregar. Para el ejemplo de la figura 38, donde se han conectado 6 leds en serie, si cada led es de 500 mA - 3 Watts, se necesitará un driver de 500 mA y 18 Watts de potencia mínima. Si se demanda mayor potencia a la que puede entregar la fuente, ésta puede dañarse o en su defecto activar la protección ante sobrecarga (si es que cuenta con esta característica).

Figura 39

Figura 40


Otros fabricantes prefieren especifican la tensión máxima de salida del driver, en lugar de la potencia máxima. Entonces, se podría definir al driver de la figura 39 como una fuente switching de corriente constante de 500 mA - 42 Volts (máximo). Esto significa que la fuente tendrá la capacidad de elevar el nivel de tensión hasta 42 volts (como máximo) para mantener siempre la corriente constante en 500 mA a medida que la cantidad de leds conectados aumente.

Las fuentes de corriente constante, mantienen siempre el mismo nivel de corriente. La tensión es variable y depende de la cantidad de leds (carga) que se conecten (en serie) a la

misma. ¿Qué tengo que saber acerca de las fuentes de corriente constante? A usted no se le ocurriría hacer un cortocircuito en una fuente de tensión, ¿verdad? Ya se imagina las consecuencias. Si la fuente no cuenta con protección ante cortocircuito, adiós fuente… Sin embargo, ¿pasaría lo mismo en una fuente de corriente? Analicemos un poco: La fuente de corriente constante intentará mantener siempre la misma intensidad. Para ello, a medida que la impedancia (resistencia) que se conecta a la salida aumenta, la fuente producirá más tensión para que la corriente siga siendo la misma. Esto no es ni más ni menos que la ley de Ohm (ver figura 41).

La resistencia aumenta a medida que el usuario coloca mayor cantidad de leds. Recuerde que en una fuente de corriente constante, las cargas se conectan en serie y las resistencias al estar en serie se suman. El driver continuará elevando la tensión hasta que la misma sea la máxima admitida por su circuito, en dicho caso, estaremos en presencia de la mayor cantidad de leds que se puedan conectar. Si seguimos agregando carga, dañaremos el driver o se dispararán las protecciones si es que el equipo cuenta con ellas. Un caso extremo de carga se daría cuando no se coloca ningún led (funcionamiento en vacío) y la fuente permanece alimentada de la red. La resistencia, en este caso, que el driver está viendo en su salida es infinita (circuito abierto). El driver intentará mantener el mismo nivel de corriente elevando la tensión. Claro está, que para mantener el mismo nivel de corriente sobre una resistencia infinita, la tensión que debe proporcionar el driver también deberá ser infinita. El circuito no puede producir tensión infinita y por lo tanto se enclava en el valor máximo de tensión que el driver pueda llegar a entregar. Es obligatorio que todas las fuentes de corriente cuenten con un sistema de enclavamiento de tensión, caso contrario, se quemarían al funcionar en vacío. Precauciones al Conectar Fuentes de Corriente Constante: Razone el siguiente caso: se alimenta un driver de corriente desde la red, sin conectar los leds. Entonces el circuito intenta elevar la tensión para producir el nivel de corriente para el cual el driver ha sido diseñado. Al no poder hacerlo, puesto que la resistencia de carga es infinita, queda enclavado en el máximo nivel de tensión que pueda llegar a entregar el circuito. Esto significa, que el capacitor del rectificador de HF queda cargado a la tensión máxima que pueda entregar la fuente.

Figura 41


Si luego de esta condición se conectan los leds, en un primer instante, los mismos recibirían directamente la tensión máxima de la fuente que quedó acumulada en dicho capacitor. Luego, comienza la circulación de corriente a través de los leds y el driver ajusta la tensión adecuadamente a través de la realimentación tal cual lo analizamos con anterioridad. Sin embargo, en un primer instante, los leds recibieron un pico de corriente elevado a causa de la tensión máxima de la fuente acumulada en el capacitor del rectificador de HF, lo cual afecta tanto su integridad como su vida útil. Por esta razón es que las fuentes switching de corriente constante nunca deben alimentarse si los leds no están conectados. Siempre se deben conectar los leds antes de suministrar alimentación a la fuente, nunca con la alimentación previamente conectada. Visualice la leyenda “NO DEBEN CONECTARSE LOS LEDS CON LA ALIMENTACIÓN CONECTADA” (figura 42).

Existe un tipo de protección que opcionalmente puede ser incorporado al circuito del driver para evitar que esto suceda. Sin embargo, se trata de un circuito adicional que consume una potencia determinada de manera continua. Esto supone varias desventajas:

Aumento innecesario del consumo de la fuente, por ende, menor eficiencia.

Aumento del tamaño de la fuente.

Aumento del costo de la fuente.

Mayor riesgo de falla de la fuente por aumento de la cantidad de componentes. Por supuesto que la ventaja de incorporar este tipo de protección adicional radica en que el usuario podría conectar los leds sin tener la precaución de quitar previamente la alimentación del driver. Queda en usted optar por este costo extra de acuerdo al nivel de capacitación y conocimiento del personal encargado de la instalación. La condición máxima de reposo para una fuente de corriente es cuando la misma permanece en cortocircuito. Allí la tensión que debe producir el driver es de cero Volts. Es muy importante conocer los parámetros que definen una fuente switching de corriente constante:

Figura 42


Parámetro Unidad

de Medida Observaciones

Corriente de salida Amperes (A) Corriente constante que entrega la fuente.

Potencia máxima de salida Watt (W) Potencia máxima que entrega la fuente, nos define la cantidad de leds que podemos conectar a la misma, dependiendo de la potencia de cada uno de ellos.

Tensión máxima de salida Volts (V) Opcional. Tal cual lo hemos comentado, algunos prefieren especificar la tensión máxima que puede entregar el driver (ya que se trata de una fuente de tensión variable)

Tensión de Alimentación Volts (V) La tensión de alimentación del driver. Ejemplo: 220 Vca, 110 Vca, etc.

Consumo del driver Watts (W) La potencia de pérdida del driver. Cuanto menor sea la perdida de potencia, mayor es el ahorro de energía. Esto define el rendimiento de la fuente.

Factor de Potencia (λ) - El factor de potencia del driver. Aquí se puede observar si el mismo posee corrector o no tal cual lo hemos estudiado en el presente artículo.

Rendimiento %

(Potencia de Salida / Potencia de Entrada) x 100. Es el rendimiento de la fuente, a menor potencia de pérdida, mayor rendimiento. Una fuente con 90% de rendimiento es considerada de alta calidad.

Aislación Respecto de la Red Volts (V) Rigidez dieléctrica que soporta la fuente entre la salida y la línea de alimentación. Este parámetro nos indica que la fuente se encuentra aislada de la red. La norma establece > 3000V.

Aislación Respecto de Tierra Volts (V) Rigidez dieléctrica que soporta la fuente entre el chasis y sus partes conductoras (borneras, pistas del circuito, etc.). La norma establece > 1440V.

Temperatura de operación Grados

Celsius (ºC) Los límites de operación de temperatura (mínimos y máximos) del driver. Ejemplo -5 a 50 ºC

Temperatura de test (tc) Grados

Celsius (ºC)

Es el valor máximo de temperatura que debe medirse en un el punto del chasis marcado como “tc” cuando el driver se encuentra en régimen de funcionamiento estabilizado.

Grado de protección IP - Define el ambiente en el cual puede ser utilizada la fuente: interior, intemperie, lluvia, inmersión, etc.

Los leds que se alimentan con fuentes de corriente constante, se comercializan sin ningún tipo de resistencia integrada. Es el caso de los famosos “módulos de led”, una asociación de leds que se alimentan con corriente constante orientados a la eficiencia energética (figura 43)

Módulo de led de corriente constante

Figura 43


Hemos llegado a la etapa final del circuito de una fuente switching. A esta altura ya disponemos de tensión o corriente continua constante, dependiendo del tipo de fuente. Una fuente de alta calidad, deberá estar protegida ante los errores más frecuentes producidos tanto en el momento de la instalación como en el funcionamiento en régimen permanente. Básicamente, las protecciones en las fuentes switching tanto de tensión como de corriente constante son similares. Protecciones necesarias en las fuentes switching de tensión constante Existen tres tipos de problemas ante los cuales se hace necesario proteger una fuente switching de tensión constante:

1 - Cortocircuito. 2 - Sobrecarga (exceso de consumo). 3 - Térmico (exceso de temperatura de trabajo).

1 - Cortocircuito Cuando una fuente de tensión constante ideal se pone en cortocircuito, el valor de corriente que circulará a través del conductor es infinito. Obviamente que esto en la práctica es inviable. Observe la siguiente imagen (figura 44):

Otra forma de cortocircuito frecuente, es respecto de tierra (figura 45).

Ahora vayamos a la práctica y observemos donde se producen este tipo de problemas: Cortocircuito directo en la salida: esto se debe tanto a un despuntado incorrecto, como a un diámetro excesivo en los conductores de salida (figura 46)

H - Protecciones

Figura 44

Figura 45


Cortocircuito a masa por defecto en el aislante del conductor (figura 47)

Cortocircuito a masa por estrangulación de conductores (figura 48)

El circuito de salida de la fuente switching detecta un nivel de tensión bajo, producto del cortocircuito en la salida. Esta tensión es insuficiente para permitir una realimentación al oscilador a través del sistema óptico (tal cual lo hemos visto con anterioridad), entonces el oscilador se detiene. En este tipo de operación, al liberar el cortocircuito, la fuente restablece el suministro de tensión. Otros modos de detección incorporan un circuito adicional en la salida del rectificador de HF que corta el abastecimiento de tensión de la fuente switching. En este caso es necesario inicializar la fuente switching, desconectando la misma de la red de alimentación.

2 - Sobrecarga Otro de los errores que frecuentemente se cometen es sobrecargar la fuente, o sea, colocar mayor cantidad de carga respecto de la máxima disponible.

Figura 46

Figura 47

Figura 48


Dañar un driver por sobrecarga es mucho más frecuente cuando se trata de fuentes de tensión constante. Déjeme mostrarle cuál es el error que se comete al obviar ciertas consideraciones cuando se conectan LEDS a una fuente de tensión constante. Exageraremos un poco los parámetros para que el ejemplo se pueda apreciar con amplitud. En la realidad la desviación será más sutil, pero no por eso menos importante. Ahora bien, observe detalladamente el ejemplo de la figura 49:

Se trata de un conjunto de leds, 8 en total, de 2 Watts cada uno. Como serán alimentados con fuente de tensión constante los mismos necesitarán una resistencia para controlar el nivel de corriente. A simple vista se puede pensar que con una fuente de 50 Watts de potencia máxima alcanzaría para cubrir los 16 Watts (8 leds de 2W cada uno). Sin embargo, la potencia del driver es insuficiente y la protección ante sobrecarga actuará dejando el mismo fuera de servicio. Lo que no se está teniendo en cuenta, es que existe una potencia que se está disipando en cada una de las resistencias. Vamos a calcular cual es el valor de la potencia demandada para la totalidad del circuito. a) Caída de tensión en el Led: 2W (potencia del led) / 0,7 A (corriente del led) = 2,85 V b) Caída de tensión en la resistencia: 12 V (tensión de alimentación) - 2,85 V (tensión en el Led) = 9,15 V c) Potencia en la resistencia: 9.15 V (tensión en la resistencia) x 0,7 A (corriente en la resistencia) = 6,4 W Cada red se compone de: 6,4 W de potencia en la resistencia + 2 W de potencia en el led, lo que arriba a un total de 8,4 W. Si tenemos en cuenta que se trata de un circuito con 8 redes, la potencia final consumida será de 8.4 W x 8 = 67,2 W. Por lo tanto, la potencia entregada por la fuente (50 W max) es insuficiente para alimentar el circuito. En las tiras de leds que se alimentan con fuentes de tensión constante, se define la cantidad de Watts (totales, y esto incluye a las resistencias) por metro de tira para evitar este tipo de confusiones. Lo que usted tiene que tener presente es que esa potencia declarada no se encuentra aplicada solamente al led para producir luz.

Figura 49


3 - Protección Térmica: Ciertos tipos de drivers, en su mayoría aquellos con oscilador de tecnología digital, cuentan con una protección adicional por exceso de temperatura de trabajo. El circuito integrado (chip) que controla el/los transistor/es MOSFET (llave/s electrónica/s) incluye un sensor de temperatura que detendrá la etapa de oscilación, y en consecuencia la fuente switching, cuando la temperatura de trabajo supere los valores máximos admisibles. Muchas veces suele atribuirse la activación de cualquiera de las protecciones del driver a una falla en el funcionamiento del mismo y la protección térmica es la que se lleva todos los premios en este aspecto, puesto que, hasta que la temperatura del ambiente donde se encuentra instalada la fuente no descienda por debajo de los niveles de seguridad, el chip del oscilador no enviará información hacia la llave electrónica y la fuente permanecerá apagada. Temperatura v. Vida Útil La temperatura del recinto de instalación de la fuente es fundamental tanto para la seguridad en el funcionamiento del driver, como para para determinar su vida útil. Existen dos datos fundamentales que obligatoriamente el fabricante deberá marcar en el chasis del driver según lo requerido por la norma de seguridad IEC 61347. tc max: la temperatura máxima tolerada por el driver, una vez colocado dentro del recinto de instalación, en régimen de funcionamiento. tc: el punto donde debe apoyarse la termocupla para realizar la medición de temperatura. Observe la imagen de la figura 50:

Durante el funcionamiento del equipo en su recinto de instalación, una vez que las temperaturas de trabajo se hayan estabilizado, la medición en el punto tc debe ser inferior a la tc max especificada para que la vida útil del equipo cumpla con la declaración del fabricante. El tiempo mínimo de funcionamiento para que los niveles térmicos se homogenicen y se pueda tomar una medición representativa es de 5 (cinco) horas. Si la temperatura medida en el punto tc es superior a la especificada como tc max, la protección térmica podrá dispararse (dependiendo del ajuste del chip del oscilador) dejando el driver fuera de servicio. Sin embargo la vida útil de los componentes también se verá afectada, reduciéndose a la mitad por cada 10ºC de exceso respecto del tc max.

Para un driver de 50.000 horas de vida, si la temperatura tc max es de 75ºC y la temperatura medida en el punto tc (luego de 5 horas de funcionamiento) es de 85ºC, la vida útil promedio del driver se reducirá a la mitad, o sea, 25.000 horas. Si en cambio, la temperatura medida en el punto tc arriba a los 90ºC, la vida útil se reducirá a la cuarta parte, en este caso: 12.500 horas. Ya por encima de los 90ºC existe una alta probabilidad de mortalidad de los componentes, en consecuencia, la fuente switching puede averiarse y dejar de funcionar permanentemente.

Figura 50


Protecciones necesarias en las fuentes switching de corriente constante Existen tres tipos de problemas ante los cuales se hace necesario proteger una fuente switching de corriente constante: 1 - Circuito abierto. 2 - Sobrecarga (exceso de consumo). 3 - Térmico (exceso de temperatura de trabajo).

1 - Circuito Abierto: A diferencia de los drivers de tensión constante, las fuentes de corriente constante intentan mantener siempre la misma intensidad de corriente. Para ello, a medida que la resistencia de carga aumenta, la fuente producirá más tensión para que la corriente siga siendo la misma. Un caso extremo se daría cuando no se coloca ningún led (funcionamiento en vacío). En ese caso, la resistencia que el driver está viendo en su salida es infinita (circuito abierto). El driver intentará mantener el mismo nivel de corriente, elevando la tensión. Pero para mantener el mismo nivel de corriente sobre una resistencia infinita, la tensión que se debe proporcionar también es infinita. El circuito no puede producir tensión infinita y por lo tanto activa su protección ante circuito abierto enclavándose en el valor máximo de tensión que el driver pueda llegar a entregar. Observe la figura 51.

Cuando la fuente de corriente se enclava en su valor máximo de tensión podemos decir que la protección ante circuito abierto se encuentra activa.

2 - Sobrecarga En una fuente de corriente constante la sobrecarga está determinada únicamente por la cantidad de leds conectados al driver, ya que afortunadamente, los leds se conectan en serie y sin resistencia alguna. Toda la potencia disponible se entrega al led. La fuente activará su protección cuando la suma de la potencia de cada uno de los leds conectados exceda la potencia máxima del driver especificada por el fabricante. En la imagen de la figura 52 se muestra un ejemplo típico de sobrecarga:

Figura 51


La suma de las potencias de cada uno de los leds da como resultado una potencia total consumida de 12W, cuando la fuente puede entregar como máximo 10W. En este caso la protección ante sobrecarga se activa.

3 - Protección Térmica: La protección térmica en las fuentes de corriente constante, cumple los mismos lineamientos que las fuentes de tensión constante.

Introducción Ya estamos a un paso de ser expertos en fuentes switching ¡felicitaciones! Pero como no podría ser de otra forma, hemos dejado el tema más complejo para el postre. Le recomiendo que revea el capítulo “El Filtro Supresor” antes de continuar, voy a darle unos minutos para lectura rápida… ¿Ya lo hizo? Excelente, sigamos adelante entonces. La realidad es que para comprender a ciencia cierta de que se trata este tema de la distorsión armónica, necesitamos conocimientos avanzados de matemática. Dado que aprender matemáticas no es el objetivo que nos convoca en este documento, y con el permiso de los fanáticos y expertos de las ciencias exactas, voy a tratar de explicarle este concepto desde un punto de vista un tanto más práctico. Pierda cuidado, que más práctico no significa que sea cuestión de soplar y hacer botellas… Por lo tanto en esta etapa final voy a pedirle el máximo de atención. Cuando estudiamos los filtros supresores nos dimos cuenta que el circuito electrónico de la fuente switching necesitaba una forma de protegerse ante los transitorios de red, dado que en una línea de alimentación real existen ruidos que afectan la integridad del driver. Podríamos decir que el filtro supresor de entrada nos protege de los factores externos nocivos. Pero al mismo tiempo, cuando una fuente switching se encuentra en funcionamiento, también produce efectos nocivos para la red de alimentación que se inyectan a la misma en forma de contenido armónico. De alguna manera, el driver deberá incluir un sistema de protección (analógico o digital) para no inyectar residuales y afectar a todos los equipos conectados en el mismo circuito que esperan recibir una forma de onda senoidal de tensión de alimentación (figura 53).

Distorsión Armónica

Figura 52


Contenido Armónico Cuando un dispositivo se alimenta con una tensión senoidal, se espera que la corriente que circule a través del mismo siga o “copie” a la forma de onda de la tensión que se aplicó. La corriente podrá estar en fase con la tensión (cuando se alimentan cargas resistivas) o desfasada (cuando se alimentan cargas inductivas o capacitivas). Sin embargo, la corriente tendrá la misma forma de onda que la tensión. Observe los tres casos planteados en las imágenes de la figura 54, donde el tipo de cargas conectadas no producen contenido armónico. A este tipo de cargas se las llama: cargas lineales y se puede entender como que la circulación de corriente se mantiene igual a la forma de onda de tensión a lo largo del tiempo, descartando que la misma pueda estar o no defasada.

Figura 53

Figura 54


Por otra parte, existen cargas que al ser alimentadas con una determinada forma de onda de tensión la corriente no circula de la misma manera a lo largo del tiempo. A éstas se les da el nombre de cargas alineales. Los dispositivos electrónicos, más específicamente las fuentes switching, representan cargas alineales donde la circulación de corriente no guarda la misma forma de onda que la tensión aplicada. Por ende, se dice que la corriente está “distorsionada”. ¿Le suena? ¡Bien! Nos vamos acercando… Observe la imagen de la figura 55.

La corriente producida por las cargas alineales posee contenido armónico. ¿Y cómo se entiende esto? ¿Qué es un armónico? Tranquilo, no desespere, vamos por partes… ¿Qué es un armónico? En la figura 54, pudimos ver que tanto las formas de onda de tensión, como las de corriente, son senoidales. Este tipo de forma onda es conocida e interpretada por los instrumentos de medición (voltímetros, amperímetros, vatímetros, etc.) más comunes y económicos del mercado. Por otra parte es muy sencillo operar matemáticamente con este tipo de señales: sumarlas, restarlas, multiplicarlas, integrarlas, etc. Pero muy diferente es la forma de onda de la corriente en la figura 55 (B). Para poder medir ese tipo de forma de onda, hacen falta instrumentos especializados llamados “True RMS”. Este tipo de instrumentos son caros y generalmente para uso en laboratorio. Al mismo tiempo, operar matemáticamente con señales distorsionadas es prácticamente imposible. Pero claro está que de alguna forma hay que solucionar este tema. Para ello se aplica una regla llamada Serie de Fourier. La misma enuncia que: cualquier tipo de forma de onda no senoidal, se puede descomponer en la suma de señales senoidales cuyas frecuencias serán múltiplos de la frecuencia fundamental. En nuestro caso, la frecuencia fundamental es 50Hz, dado que estamos obteniendo la alimentación desde la red de distribución. Tranquilo, no desespere, se lo explico con un ejemplo: La forma de onda “B” de la figura 55 (distorsionada) podría dibujarse también como la suma de varias formas de onda, cuyas frecuencias serían: 50Hz (fundamental), 100Hz, 150Hz, 200Hz, 250Hz, 300Hz, etc., es decir, múltiplos de 50Hz (que es la frecuencia fundamental).Observe la imagen de la figura 56, donde se muestran dos formas de representar la misma señal:

Figura 55

Figura 56


Cada una de las formas de onda múltiplos de la frecuencia principal (amarilla, roja y azul) recibe el nombre de

armónica. La primera armónica en particular (verde), recibe el nombre de fundamental y coincide con la frecuencia de la señal en cuestión (50Hz). No era tan difícil después de todo, ¿verdad? Entrarán dos ciclos de la segunda armónica dentro de un ciclo de la fundamental, puesto que tiene el doble de frecuencia. Entrarán tres ciclos de la tercera armónica dentro de un ciclo de la fundamental, puesto que tiene el triple de frecuencia y así sucesivamente. Por una cuestión práctica en la imagen B de la figura 56 graficamos hasta la 4º armónica, tal vez sea necesario incluir más armónicas para que la suma de todas ellas nos acerque más a la forma de onda A. Observe el siguiente cuadro, donde se describe hasta la 7º armónica de una forma de onda distorsionada cuya frecuencia fundamental es de 50Hz:

Fundamental 2º

Armónico 3º

Armónico 4º

Armónico 5º

Armónico 6º

Armónico 7º

Armónico

50 Hz 100 Hz 150 Hz 200 Hz 250 Hz 300 Hz 350 Hz

Cada uno de esos armónicos puede medirse con un instrumento llamado: “Analizador de Espectro”. El analizador de espectro descompone una forma de onda distorsionada brindando la información del porcentaje o amplitud que representan las diferentes armónicas respecto de la fundamental. Los analizadores de espectro son instrumentos de gran costo, y diversas calidades, precisiones y alcance; suelen comercializarse por el número de armónicos que los mismos alcanzan a medir.

Tenga presente que en este caso, la frecuencia fundamental coincide con la frecuencia de alimentación de línea (50 Hz), y por ende las armónicas son sus múltiplos. Pero en el caso de redes de 60 Hz sería diferente:

Fundamental 2º

Armónico 3º

Armónico 4º

Armónico 5º

Armónico 6º

Armónico 7º

Armónico

60 Hz 120 Hz 180 Hz 240 Hz 300 Hz 360 Hz 420 Hz

¿Qué es el THD? El THD (en inglés: Total Harmonic Distortion) es un dato que nos da una idea del contenido porcentual de todas las armónicas que contiene la forma de onda distorsionada respecto de la fundamental. Es un dato muy práctico y rápido que nos indicará cuan distorsionada estará la forma de onda de la corriente que circula a través de la entrada de alimentación del driver. Observe la imagen de la figura 57 donde se muestra la especificación del THD en un driver.

Figura 57 55656


Diversas calidades de drivers en función del valor de THD:

THD Tipo de Corrección Calidad

Mayor al 30% Sin Corrección Inaceptable

Menor al 25% Analógica Buena

Menor al 15% Hibrida Muy buena

Menor al 10% Digital Excelente

Para medir el THD se puede utilizar un analizador de espectro, instrumentos especializados que arrojan el valor de THD o bien se puede calcular, conociendo la amplitud de cada una de las armónicas de la corriente distorsionada. Se obtiene como el porcentual de la suma cuadrática de cada una de las amplitudes de los armónicos respecto de la fundamental:

√

Dónde:

IF1 es la corriente (en amperes) de la fundamental.

IF2 a IFn son cada una de las armónicas (en amperes) que se quieran incluir para el cálculo del THD. A medida que se incluyan más cantidad de armónicos en el cálculo, el valor del THD obtenido será más preciso. Un buen analizador de espectro le permite obtener, por ejemplo, hasta la armónica 12º. Otros instrumentos arrojan directamente el valor de THD% e incluso el porcentual de cada uno de los armónicos respecto de la fundamental.

Cuando la corriente de entrada de dispositivo electrónico se encuentra distorsionada (por ende posee contenido armónico) tiene un impacto en la red de alimentación que depende de dos factores:

El valor de dicha corriente distorsionada: en amperes, medida con un instrumento True RMS.

El THD de dicha corriente: porcentual, medido con un analizador de espectro. A medida que la amplitud de corriente y/o el nivel porcentual de THD aumenten, crece el riesgo de impacto en la red de alimentación. Dependiendo de otros factores como ser:

Las caídas de tensión en los conductores de la instalación.

Distancia del circuito al transformador de distribución.

Balanceo de las fases.

Impedancia de la red de alimentación.

Sección del conductor de neutro. Se pueden presentar dos factores de riesgo:

Distorsión de la forma de onda de la tensión que alimenta el circuito.

Aumento considerable de la corriente por el conductor de neutro en una instalación trifásica.

Impacto del THD en la Red de Alimentación


El reemplazo indiscriminado de lámparas incandescentes por lámparas de bajo consumo, las cuales no poseen corrector de contenido armónico y cuyo THD oscila el 120% (Si, leyó bien, ¡120%!), el uso de balastos electrónicos de baja calidad y la reciente incorporación de drivers leds sin ningún tipo de corrección del contenido armónico, hacen que este tema se convierta en un verdadero problema; muy difícil y costoso de resolver, pero peor aún: muy difícil de detectar.

Se necesita tanto de conocimientos profesionales como de instrumental altamente costoso para asociar un problema de red con la presencia de contenido armónico. Podríamos dedicar un documento completo al tema “contenido armónico”, de hecho hay libros muy interesantes que lo abordan, sin embargo, no es objetivo del presente artículo. No obstante, vamos a describir dos de los inconvenientes más importantes y relativamente sencillos de detectar. Distorsión de la forma de onda de tensión por exceso de corriente distorsionada: Cuando tanto la potencia consumida, como el THD de los dispositivos electrónicos que no poseen corrección de contenido armónico es elevada y los factores de la red de alimentación (mencionados con anterioridad) no ayudan, es probable que la forma de onda de tensión que alimenta a toda la instalación se distorsione. Y con esto queremos decir que la tensión también comienza a cargarse con armónicos. Entonces, todos los dispositivos, motores, capacitores utilizados para corregir factor de potencia, circuitos, etc. que esperan recibir una forma de onda senoidal de 50 Hz, reciben una forma de onda distorsionada con armónicas de frecuencias múltiplos. Observe el grafico de la figura 58, donde se muestra una forma de onda de tensión distorsionada producida por un exceso de corriente con alto contenido de THD.

Para detectar esto, tendremos que disponer de un osciloscopio o bien de un analizador de espectro. Esto escapa a la medición que puede realizarse con un tester… Cuando la distorsión armónica total (THD) en la forma de onda de la tensión es superior al 5% estamos en problemas. Considere el siguiente ejemplo:

Un circuito de iluminación con lámparas fluorescentes corrige el factor de potencia a través de capacitores, dado que utiliza balastos electromagnéticos. En la misma instalación existe otro circuito de iluminación con leds, cuyos drivers no poseen corrección del contenido armónico. Luego, la potencia instalada es considerable como para producir una distorsión en la forma de onda de la tensión de red.

Figura 58 55656


Usted sabe que un capacitor representa un cortocircuito para las altas frecuencias ¿verdad? Entonces los capacitores que corrigen el factor de potencia en los tubos fluorescentes en lugar de recibir una tensión senoidal de 50Hz, reciben una señal con componentes de frecuencias más altas. Las componentes armónicas de alta frecuencia circulan libremente por el capacitor dado que el mismo no presenta una impedancia (resistencia) considerable ante estas. Y por el exceso de corriente, todo culmina en un incendio cuyo foco se origina en los capacitores. Y así, todos y cada uno de los equipos conectados a la red, que esperen recibir una frecuencia de 50Hz para funcionar, recibirán componentes de frecuencias superiores (armónicos) que podrán alterar su funcionamiento o incluso destruirlos. En circuitos con motores, ciertas armónicas como ser la 5º y la 7º provocan un campo magnético en oposición que trabaja como una especie de freno magnético, reduciendo la potencia final entregada por el motor. Al mismo tiempo, estas componentes aumentan el calentamiento del bobinado y las pérdidas en la laminación de hierro del estator.

Pero lo realmente peligroso, es que los dispositivos no se dañan al instante, sino que el siniestro se produce con el paso del tiempo y la degradación de los componentes, quitándole al profesional la capacidad de control sobre la instalación. Aumento de corrientes en el conductor de neutro por contenido armónico: Preste atención a la siguiente definición: En un circuito trifásico, donde las formas de onda correspondientes a cada una de las fases se encuentran defasadas 120 grados respectivamente, las armónicas múltiplos de 3 (tres) impares se superponen. La resultante es una corriente armónica del triple de amplitud. Esta corriente circulará a través del conductor del neutro aunque las cargas estén completamente equilibradas. Ahora veamos cómo se puede entender esto paso a paso. Considere el ejemplo de la figura 59

Cuando las fases se encuentran balanceadas, es decir, las cargas conectadas a cada una de ellas son iguales, no existe circulación de corriente por el conductor del neutro. No se preocupe, la ley de Kirchhoff se sigue cumpliendo. Sucede que la sumatoria de tres corrientes de igual amplitud defasadas 120 grados respectivamente es cero, dado que las mismas se anulan punto a punto.

Figura 59 55656


Observe el diagrama de la figura 60, donde se muestra la sumatoria punto a punto de las tres corrientes por cada una de las cargas de la figura 59.

Sumemos punto a punto las tres corrientes defasadas 120º cada una y veamos cual es el resultado al cual arribamos: Punto 0 grados: la corriente correspondiente a la fase R (roja), pasa por cero por lo tanto no influye en la suma. La corriente correspondiente a la fase S (amarilla) pasa por el -86% de su valor y la corriente T (celeste) por el +86%. Por lo tanto: 0 - 86 + 86 = 0. Tomemos otro punto al azar, por ejemplo: Punto 90 grados: la corriente correspondiente a la fase R (roja) pasa por el 100% de su valor. La corriente correspondiente a la fase S (amarilla) pasa por el -50% de su valor al igual que la corriente T (celeste) por el -50%. Por lo tanto: 100 - 50 - 50 = 0. Y esto se repite para todos los puntos de la señal. Por lo tanto, podemos afirmar que en un circuito trifásico se sigue cumpliendo la ley de Kirchhoff, solo que la suma algebraica de las corrientes entrantes da como resultado cero cuando el sistema está balanceado. Hasta ahora hemos colocado cargas resistivas, las cuales no generan contenido armónico. Veamos que sucede al conectar cargas electrónicas con contenido armónico. Colocaremos la misma cantidad de carga por fase para mantener el sistema balanceado (figura 61).

Figura 60 55656

Figura 61


Pese a que las fases se encuentran con la misma cantidad de carga (vea los amperímetros) la corriente por el neutro incluso es superior a la de los conductores principales. Este es el principal problema que se presenta al colocar cargas con alto porcentaje de THD en redes trifásicas. Pero, ¿cómo se puede entender esto si hemos verificado que la suma de las corrientes en un sistema trifásico se anulan? Esto sigue siendo cierto, con la diferencia que ahora la forma de onda que circula a través de las cargas no es senoidal, sino que se trata de una señal distorsionada con contenido armónico. Si descomponemos esta corriente distorsionada en una suma armónicos (tal cual lo hemos hecho en ejemplos anteriores) para cada una de las fases, observaremos que las mismas no se anulan como ocurre en el caso de señales senoidales puras. Pero hay un caso bastante particular, el cual vale la pena hacer referencia: los armónicos impares múltiplos de tres, o sea:

Fundamental 2º

Armónico 3º

Armónico 4º

Armónico 5º

Armónico 6º

Armónico 7º

Armónico 8º

Armónico 9º

Armónico

50 Hz 100 Hz 150 Hz 200 Hz 250 Hz 300 Hz 350 Hz 400 Hz 450 Hz

Este tipo de armónicos, quedan perfectamente superpuestos al representarlos en un sistema de corrientes trifásicas (defasadas 120 grados respectivamente). En el gráfico de la figura 62 se representa el tercer armónico de cada una de las corrientes de una red trifásica balanceada.

El resultado es una corriente del triple de la amplitud de dicho armónico circulando por el conductor del neutro. Y claro está, que se adicionarán las demás corrientes de los armónicos múltiplos impares de tres que no hemos representado en el gráfico por un tema de practicidad y entendimiento. Ahora, ¿entiende la importancia de seleccionar un buen driver con bajo contenido de THD a la hora de planificar su obra de iluminación con leds? Para finalizar, resumimos en el siguiente cuadro los efectos de los armónicos en las instalaciones eléctricas:

Figura 62


Componente de la instalación Problema Efecto

Conductores principales Aumento de la resistencia del

conductor por efecto Joule.

Recalentamiento de conductores.

Envejecimiento prematuro de conductores.

Protecciones Térmicas Aumento de las pérdidas

térmicas por efecto Joule. Disparo de las protecciones

térmicas.

Conductor Neutro Circulación de corrientes

producidas por armónicos múltiplos impares de 3.

Recalentamiento de conductores.

Envejecimiento prematuro de conductores.

Incendio del conductor.

Motores Circulación de corrientes

armónicas por los devanados.

Reducción de la potencia entregada.

Vibraciones en el eje.

Transformadores Circulación de corrientes

armónicas por los devanados.

Aumento de pérdidas por corrientes parásitas.

Aumento de pérdidas por histéresis.

Sobrecalentamiento por efecto Joule.

Capacitores Resonancia.

Circulación de corrientes armónicas.

Sobrecalentamiento.

Envejecimiento prematuro.

Destrucción del capacitor.

Instrumentos de Medición Contenido armónico en las

señales a medir

Aumento del costo del instrumental de medición apto.

Lecturas incorrectas de los instrumentos de señales senoidales (no true RMS).

Interferencias en las lecturas de instrumental con baja inmunidad al ruido.

A continuación, citaremos los tips que resumen de manera muy sintética todos los conceptos que hemos analizado en el presente documento. 1. El objetivo de utilizar fuentes switching (drivers) es sumar eficiencia al sistema de iluminación, reduciendo

el volumen, el peso y fundamentalmente las pérdidas de potencia respecto de fuentes de alimentación tradicionales.

2. El principio de funcionamiento de una fuente switching se basa fundamentalmente en la producción de alta frecuencia para poder utilizar un transformador de HF y de esta forma a reducir las pérdidas de potencia respecto de un transformador electromagnético tradicional.

3. Los leds son diodos emisores de luz que permiten el paso de la corriente en un solo sentido, tienen polaridad y deberán ser alimentados con una tensión continua.

4. Si los leds se alimentan con polaridad invertida, se pueden quemar por exceso de tensión inversa.

Resumen General / Conclusiones


5. Si los leds se alimentan con una corriente superior a los valores establecidos por el fabricante, pueden reducir su vida útil o quemarse por exceso de corriente.

6. El filtro supresor de una fuente switching es el encargado de filtrar los ruidos de línea que puedan afectar la integridad del circuito del driver.

7. El filtro supresor también se encarga de que la alta frecuencia producida por el circuito del driver, no se inyecte en la red de alimentación.

8. Es rigurosamente obligatoria la conexión a tierra de las fuentes switching para que ciertas funcionalidades del filtro supresor se activen.

9. La calidad del rectificador de baja frecuencia determina el porcentaje de Ripple de la fuente switching. A menor porcentaje Ripple, mayor performance de la fuente switching.

10. El capacitor del rectificador de baja frecuencia es un componente muy sensible a la temperatura y por lo tanto es determinante para la vida útil de la fuente. Es importante que éste maneje altas temperaturas.

11. Es fundamental que, una vez estabilizado el funcionamiento de la fuente switching en su recinto de

instalación, la temperatura medida en el punto tc, se mantenga por debajo del valor tc max especificado por el fabricante.

12. La etapa de corrección del factor de potencia es de vital importancia para no afectar la integridad de la red de alimentación.

13. El factor de potencia de las fuentes switching sin corrección es capacitivo, no se puede corregir externamente y representa un riesgo para los sistemas de emergencia, grupos electrógenos y estabilizadores de tensión.

14. Los sistemas modernos de corrección del factor de potencia proporcionan un rechazo de Ripple que permite omitir el uso del capacitor en el rectificador de baja frecuencia y de esta forma aumentar la vida útil de la fuente switching.

15. El oscilador es la etapa principal del driver y se basa en una llave electrónica que abre y cierra a altas velocidades para producir tensión alterna de alta frecuencia.

16. El trasformador de HF recibe la tensión de alta frecuencia producida por el oscilador y la reduce a los niveles apropiados de salida especificados.

17. El transformador de HF aísla la salida de tensión o corriente de la fuente, respecto del potencial de la red de alimentación. La norma exige al menos 3.000 Volts de aislación.

18. El rectificador de alta frecuencia se alimenta de la salida de tensión alterna del transformador de HF y convierte la misma a tensión o corriente continua.

19. El regulador estabiliza la tensión o corriente de salida de la fuente switching respecto de: cambios en la tensión de alimentación, cambios en la carga (cantidad de leds conectados) o cambios en la temperatura de trabajo.

20. La calidad del regulador se mide porcentualmente, y representa la desviación del nivel de tensión o corriente nominal de salida del driver. A menor porcentaje de regulación, mayor performance de la fuente switching

21. La regulación por sistema de realimentación, debe realizarse a través de un método óptico, para

mantener la aislación eléctrica de la fuente switching respecto de la red de alimentación.


22. Cuando se alimentan leds con fuentes de tensión constante, los mismos se deben conectar en paralelo con una resistencia para regular la corriente de trabajo de los mismos.

23. Los leds alimentados con tensión constante, pierden potencia en la resistencia que limita su corriente y por lo tanto son poco eficientes.

24. Al calcular la potencia de trabajo de una fuente switching de tensión constante, se debe tener en cuenta no solo la potencia de los chips leds, sino también la potencia que disipan las resistencias que regulan su corriente de trabajo.

25. Una fuente switching de tensión constante se especifica básicamente por su tensión de salida y su potencia máxima o bien por su tensión de salida y la corriente máxima que es capaz de entregar.

26. Cuando se alimentan leds con fuentes de corriente constante, los mismos se deben conectar en serie sin ningún tipo de resistencia, ya que la regulación de corriente es realizada por el driver.

27. Los leds que se alimentan con fuentes de corriente constante son más eficientes, dado que no necesitan resistencia para regular su corriente de trabajo.

28. Los leds alimentados con fuente de corriente constante, se ponen en cortocircuito al dañarse o al llegar al final de su vida útil, garantizando la continuidad del circuito serie.

29. Una fuente switching de corriente constante se especifica básicamente por su corriente de salida y su potencia máxima o bien por su corriente de salida y la tensión máxima que es capaz de entregar.

30. Las fuentes switching de tensión constante se deben proteger ante cortocircuito, sobrecarga y térmicamente.

31. Las fuentes switching de corriente constante se deben proteger ante circuito abierto, sobrecarga y térmicamente.

32. Nunca se debe conectar la carga a la fuente switching si la misma se encuentra alimentada. Se debe quitar

previamente la alimentación del driver para evitar el daño prematuro de los leds.

33. Las fuentes switching deberán estar dotadas de un filtro corrector de armónicos para preservar la integridad de la red de alimentación.

34. Entre los problemas más importantes que pueden ocasionar los drivers sin corrección de contenido armónico están: la distorsión de la forma de onda de tensión y las corrientes por el neutro en instalaciones trifásicas.

35. Cuando es muy alto el porcentaje de THD y la potencia instalada es importante, se puede distorsionar la forma de onda de la tensión de alimentación.

36. El THD es un parámetro porcentual que nos permite saber cuál es el nivel de distorsión armónica total

que presenta el driver, a menor porcentaje de THD mejor es el desempeño de la fuente switching.

37. Cuanto menor sea el porcentaje de THD de una fuente switching, el riesgo de impacto en la red de alimentación es menor.

38. Si el porcentaje de THD es alto, y se instala una potencia considerable de leds con drivers sin corrección

de contenido armónico, se puede distorsionar la tensión de alimentación, lo cual afectará a todos los dispositivos conectados a la red.

39. Las corrientes de los armónicos múltiplos de tres impares se suman en el neutro produciendo un recalentamiento de dicho conductor y aumentando el riesgo de incendio.


40. Para medir la corriente de entrada de las fuentes switching y su contenido armónico, se deben utilizar costosos instrumentos de laboratorio, no se pueden utilizar multímetros estándar, por lo tanto es muy importante seleccionar previamente drivers con un nivel bajo de THD.

Fin del Documento

Manual Elemental Driver Led

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