14-Circuitos de Alimentacion Para Diodos LED

7/28/2019 14-Circuitos de Alimentacion Para Diodos LED

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UNIVERSIDAD DE OVIEDO

Sistemas Electrnicos para iluminacin

UNIOVI-GEI: Grupo de Electrnica Industrial Manuel Rico Secadesngel Torres Prez

SISTEMAS ELECTRNICOS PARA ILUMINACIN

CIRCUITOS DE ALIMENTACIN PARA DIODOS LED.


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1.ILUMINACIN DE FONDO (BACKLIGHT)

APLICACIONES DE LOS LEDS:


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REPRODUCTORES MULTIMEDIA, CMARAS, PDA



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CONSOLAS



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MONITORES, TV


DISPLAYS CON MENSAJES

ELECTRODOMSTICOS

REMPLAZANDO OTRAS ALTERNATIVAS DE ILUMINACIN


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SUSTITUCION DEL FLASH DE LMPARAS DE XENON POR LEDS



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BACKLIGHTING

ALTERNATIVAS ANTERIORES A LOS LEDS:Actualmente estn totalmente remplazadas por los LEDs desde principios del 2000.

EL ( Electroluminiscent lamp )

Ventajas

Fuente de luz uniformePuede cortar y dar forma facilmenteExisten varios colores, azul, amarillo verde.Relativo bajo coste.Agradable al tacto.

Desventajas

Mal rendimiento con humedades altas.Necesita un inversor DC-AC (120VAC

@400Hz)Tiene poco brillo.Poco tiempo de vida (3000~5000hrs al

brillo)


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BACKLIGHTING

ALTERNATIVAS ANTERIORES A LOS LEDS:

CFLD (Cold Cathode Fluorescent Lamp )

Ventajas

Fuente de luz uniformeColor blanco y permiteun gran brillo.

Desventajas

CCFL ms caro que los LED y la ELNecesita un inversor DC-AC (1000VAC @

30kHz~40kHz )Tiene poco brillo.Poco tiempo de vida (20000~25000hrs)Usa materiales perjudiciales para el medio

ambiente

Partefrontal de un LCD Toshiba Parte trasera de un LCD Toshiba


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LEDS:Emisin de color.

Cristal con dopado tipo P nodo.

Cristal con dopado tipo NCtodo

Cuando el diodo est polarizado directamente, las recombinacionesen la zona de deplexin emiten luz.


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Segn el tipo de material con el que se dopa se emiten distintos colores.


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La longitud de onda donde es mayor la potencia radiada se llama el pico deemisin o la longitud de onda dominante. Para algunos LED el pico de

emisin cambia segn la corriente, provocando desplazamientos de color.


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PARTES QUE COMPONEN LOS LEDS:

LED DE MONTAJE SUPERFICIAL.

Unin con dopado tipo P nodo.Terminal negativoCtodo


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LEDS DE COLOR BLANCO:4 Opciones para conseguir el color blanco

LA MS UTILIZADA ES LA PRIMERA.LED AZUL(InGaN) MS UN FSFORO AMARILLO


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CURVAS CARCTERSTICAS:

La intensidad luminosa del LED depende de la corrientey de la temperatura de la unin.


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La longitud de onta de los LED de InGaN depende de la corriente que pasa por ellos.Se recomienda utilizar PWM para hacer dimming de los LEDs basados en InGaN.


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Cuando se polariza directamente el LED, la corriente y la tensin presentan unarelacin exponencial. Pequeas diferencias en la tensin dan lugar a grandescorrientes, y por tanto a ms intensidad luminosa Adems la tensin de codo de losLEDs tiene una tolerancia a la hora de fabricarlos,por ello los LED se regulan en

corriente y no en tensin.


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EFECTOS TRMICOS.

TEMPERATURA DE LA UNIN:

Temperaturas altas en la unin provocan que la intensidad luminosa sea menor, la tensin de codo seamenor, y provoca desplazamientos cromticos en los LEDs blancos.

RthJS RthSA

Tj Ts TaPD


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EFECTOS TRMICOS.

TEMPERATURA DE LA UNIN:

Corrientes grandes por el LED originan:

Sobrecalentamiento local.Temperaturas altas en la unin.

Recombinaciones no radiantesDEGRADACIN FUERTE DE LA LUZ

Temperaturas altas en la unin=>RUPTURA DEL LED

ES MUY IMPORTANTE RESPETAR LAS RECOMENDACIONES DEL FABRICANTE.


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DIODOS LED COMO CARGA:

Intensidad relativa vs Longitud de Onda ()

El l


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DIODOS LED COMO CARGA:

Vc

Vc

1 Aprox 2 Aprox

RF

0.816

50F

VR

mA

Si t El t i il i i


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Circuitos con LED:

VcVc

Ve

2 Aprox 1er Circuito 2 Circuito

Vc

Ve

RF es pequea

RF

RF

e cD

F

V Vi

R

e cV V

RF

R

Si

ID es grande con tensiones

poco mayores a la tensin de codo

e c

D

F

V Vi

R R

FR Re c

D

V V

iR

Si t El t i il i i


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Circuitos con LED:

Zona Lineal

R1

R2VR2VIN

D1

Amplificador de transconductancia

1

2

0.6

1

IN

D

Vi

R

1c e

i i

Zona Saturacin

D1

R2

R1

VIN

1

0.6IN

B

Vi

R

VCC

'

C Bi i

1

'

2 2

CC CC

C C D

V Vi i i

R R

R1 es pequea

Si se tiene:5

CCV V

5IN

V V

100

Calcular R1 y R2 para

que pasen 20 mA por elLED?



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Circuitos con LED: Conexin de varios LEDs

SERIEPasa la misma corriente

Mismo flujo luminoso PARALELO

No pasa la misma corriente

(Distintas tensiones de codoy resistencia directa).

R

VCCCC

V

iR

Distinto flujo luminoso

Si se estropea uno dejan de funcionar los otros

Principal Inconveniente: Principal ventaja:

Si se estropea uno funcionan los otros

VCC

R



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Circuitos con LED:

SERIEPasa la misma corriente

Mismo flujo luminoso

Tiras de LED conectados en serie:Ventajas:

Pasa la misma corriente por todos los LED, misma intensidad luminosapor todos.Ms eficiente.Prdidas = VBalasto * ILEDPuede implementar facilmente con una topologa elevadora.

Desventajas:Se necesita elevar mucho la tensin si se ponen muchos led,problemas de EMI.Los semiconductores deben soportar mucha tensin, ms caros.



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Circuitos con LED: Conexin de varios LEDs

Si se estropea uno funcionan los otros

LED LAMP.

Remplazan a las bombillas incandescentes y halgenas

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/84/E27_with_38_LCD.JPG


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Circuitos con LED:

Tiras de LED conectados en paralelo:Ventajas:

Es interesante si se utilizan bombas de cargaSe pueden utilizar semiconductores de poca tensin, ms barato.

Desventajas:

Debe regularse la corriente de cada LED, para asegurar que todos emiten con la mismaintensidad luminosa.

Prdidas = N * VBalasto * ILED

PARALELO

No pasa la misma corriente

(Distintas tensiones de codo

y resistencia directa).Distinto flujo luminoso



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Circuitos con LED:

Tiras de LED en serie y conectadas en paralelo:

Ventajas:Es interesante si se desean utilizar muchos LED.Solo una rama est regulada en corriente. La caida de tensin

en los otros diodos fija la corriente en las otras ramas.

Desventajas:

Las diferencias de tensin de los diodos hace que se percibamayor brillo en unas ramas que en otras.

NOTA: El ojo humano empieza a percibir diferencias en el brillo, cuando entre

las ramas hay una diferencia de corriente de un 3%.



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S stemas Electrn cos para lum nac n


ESTRATEGIAS DE DIMMING

VCC

VGS

R

ID

VGS

IAVG

TIMAX

AVG MAXI I D



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p


ESTRATEGIAS PARA CONSEGUIR LA TENSIN (VCC)

Tensin de entrada es DC, con un determinado rizado de tensin.

Por ejemplo, si la corriente de entrada es AC, debe rectificarse.

Se supone:

El problema se resuelve utilizando estrategias de conversin DC/DC.

1) Reguladores lineales

2) Convertidores DC/DC-- Convertidores sin aislamiento

-- Convertidores con aislamiento

-- Bombas de carga.

ReductorElevadorElevador-Reductor

Flyback

Forward



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p



Reg Lineal Convertidor

conmutado conbobina

Bombas de carga

Eficiencia 20-60% 90-95% 75-90%

PCB rea Poca, 2

condensadores

Grande, por la

bobina

Poca, 3-4

condensadores

Ruido Muy poco Elevado Moderado

Rizado Muy poco Alto Moderado

EMI Muy poca Bastante Poca

Coste Bajo Ms Alto Alto



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UNIVERSIDAD DE OVIEDOUNIOVI-GEI: Grupo de Electrnica Industrial Manuel Rico Secadesngel Torres Prez


Parmetros para decidirse por una de las 2 alternativas:

1. Convertidor conmutado con bobina es mejor:Si se desea elevar mucho.

Normalmente se utiliza con LEDs en serie.El voltaje deseado no es un mltiplo del voltaje de la entradaCuando la eficiencia es ms importante que el tamao.

2. La bomba de carga es mejor:Evita el coste de la bobina, el tamao y la EMI radiada.La tensin deseada es mltiplo de la entrada.Cuando el nmero de LEDs es pequeo.Como el voltaje a elevar no suele ser muy alto se utilizatecnologa CMOS que es barata.

Despus de ver las alternativas, se debe decidir entre utilizar

bombas de carga o un convertidor conmutado con bobina



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Regulador lineal

En el transistor cae la tensin para conseguir Vout

ReguladoresLineales

Baratos, Sencillos, Robustos, Sin EMI

Voluminosos, pesados, mal rendimiento

IN OUTV V

2CE

V V

-

+VIN VOUT

2CE

V V

Vref

VIN

IOUT

Vref

+

-



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Convertidores DC/DC

Sin aislamientoReductor (BUCK)

BUCK

OUT IN V V D

Vout

Sencillo

RobustoBuenas prestaciones dinmicasMuy eficiente

Vin

VGS

D

TMCC



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Convertidores DC/DC

Sin aislamientoElevador (BOOST)

BOOST

1

1OUT IN

V VD

Vout

Sencillo

RobustoMuy eficienteTrabaja bien con rangos de tensin amplios

VGS

D

T

Vin

MCC



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Convertidores DC/DC

Sin aislamientoReductor-Elevador (BUCK-BOOST)

BUCK-BOOST

1OUT IN

DV V

D

Sencillo

RobustoTrabaja bien con rangos de tensin ampliosMayores esfuerzos en los semiconductoresque los otros

VGS

D

TMCC

Vin Vout

-

+



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Convertidores DC/DC

Con aislamientoFLYBACK

FLYBACK

Sencillo

RobustoProteccin gracias al aislamiento

1

IN

OUT

V D

V n D MCCVin

Vo

n:1

2 bobinas acopladas

L1 L2



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Convertidores DC/DC

Con aislamiento

FORWARD

FORWARDComplejo

Proteccin gracias al aislamiento

IN

OUT

VV D

n MCC

N1 N2N3

LMVin

V0

Sistema de

desmagnetizacin



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ESTRATEGIAS PARA HACER DIMMING

1) FORMA :Se utiliza un convertidor DC/DC para tener la tensin deseada V

CC

Convertidor

DC/DCVIN VCC

Control de la corriente en lazo abierto, no hay sensado de corriente, ni se corrige el duty enfuncin de la corriente media por los LEDs. Por ejemplo, no se modifican las desviaciones decorriente por la T.



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ESTRATEGIAS PARA HACER DIMMING

2) FORMA :Se utiliza un convertidor DC/DC, controlado por corriente.Se necesita sensar la corriente por los LEDs.Control en modo corriente a frecuencia variable (Imax-Toff, Imax-Ton, Histresis), oUtilizando control en modo corriente a frecuencia fija.

Convertidor

DC/DC

Sensado decorriente

Control

convertidor

Vin

IREF ILED

PWM



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ESTRATEGIAS DE DIMMING CON LEDS EN PARALELO:

1) Se tiene una tensin de salida no regulada mltiplo de Vin.(Tpico de una bomba de carga no regulada)

A) La corriente por los LED no es la misma, por tanto el flujo luminoso tampoco lo es:

Las resistencias fijan la corrienteVin es fijaNo es bueno el ajuste de brillo.

2) Se tiene una tensin de salida fija(Tpico de una bomba de carga regulada)

Las resistencias fijan la corrienteVin puede variarNo es bueno el ajuste de brillo.

Se hace Dimming variando Vout.En este caso no hay realimentacin y

es en bule abierto

No se puede hacer Dimming, a

no ser que se haga con PWM.



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PROBLEMTICA DE LOS LEDS EN PARALELO:

3) Se tiene una tensin de salida regulada en corriente.

A) La corriente por los LED no es la misma, por tanto el flujo luminoso tampoco lo es, pasos:

4) Controlando la corriente en la primera rama, los espejos de corriente aseguran lamisma corriente en las otras ramas

La corriente por los LED es la misma,independientemente de la tensin de los LED.Diseo robusto> Si 1 LED Falla, los otros siguenfuncionando.

Tensin de FeedBack fija la corriente.Slo la primera rama est reguladaLa corriente en las otras ramas vara con VdSi D1 falla, V+ se dispara, destruira los otrosLEDSe hace Dimming Variando la referencia decorriente en la primera rama.

Se hace Dimming controlando la corriente delprimer espejo de corriente.



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PROBLEMTICA DE LOS LEDS EN PARALELO:

5) Se tiene una tensin de salida regulada en corriente, con LEDs en serie y paralelo.

Slo la primera rama est controlada en corrienteEstadsticamente las otras ramas tambin tendrn un buen ajuste en corriente

Tensin a soportar de los semiconductores VLED*NLED+VfbDiseo no destructivo: si falla un LED en la primera rama los otros funcionaran.



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EFICIENCIA

La Eficiencia del driver de LEDs no es la misma que la del convertidor DC/DC. Ya que enla eficiencia del convertidor no se tiene en cuenta las prdidas de los componentespasivos que se utilizan para regular la corriente por los LED.

LED LED

Balasto

IN IN

V I

V I

Si se regula en corriente, el valor de las resistencias debe ser pequeo, para que laeficiencia sea alta.

En la siguiente transparencia se comenta las ventajas e inconvenientes de utilizar unconvertidor controlado en corriente, frente el dimming clsico con PWM.



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EFICIENCIA

LED LED

Balasto

IN IN

V I

V I

IO

R1

R1

R2 R2

RC

VS

PWM

Vcc

ControlVIN

CONTROL

PWM

IO

VOIREF R2y R1 son grandes, no hay muchas prdidas.Rc contribuye a las prdidas, debe ser pequea,y la ganancia diferencial grande para maximizarla eficiencia.

Este es el esquema ms eficiente.1 slo transistor que controla el convertidor y puede hacer dimming

Problema: Si se necesitan controlar distintas ramas, se tienen que usar msconvertidores, ms bobinas, ms tamao. No obstante se pueden integrar bobinas convarios devanados en un mismo ncleo ahorrando espacio.



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EFICIENCIA

LED LED

Balasto

IN IN

V I

V I

R es pequea y contribuye a las prdidas. Aunquela eficiencia del convertidor sea grande, la

eficiencia global se ve mermada por R.

Este esquema es menos eficiente.1 transistor que controla el convertidor y otro para hacer dimmingVentaja: Si se necesitan controlar distintas ramas, slo se necesitan ms

transistores.

VCC

VGS

R



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FUTURO DE LOS LEDs

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