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DRIVER PARA LED DE POTENCIA CON AMPLIO RANGO DE
TENSIÓN DE ENTRADA PARA LUMINARIAS VIALES.
Rodrigo A. Moravicki
Estudiante, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Misiones
[email protected]
Guillermo R. Zacarias
Estudiante, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Misiones
[email protected]
Resumen. Este artículo pretende exponer
los distintos pasos seguidos para el diseño,
proyecto y elaboración de un driver de
LEDs de potencia para luminarias viales. El
mismo debe presentar un factor de potencia
elevado, baja distorsión armónica de la
corriente drenada de la red y debe
responder a una entrada de alimentación
universal de entre 90 y 265Vca. El diseño
debe ser escalable a varias potencias.
Palabras-claves: Driver. LED de potencia.
Flyback. Iluminación vial.
1.
INTRODUCCIÓN
Actualmente en Argentina el incremento
de la demanda de energía eléctrica es
constante y significativamente mayor que el
incremento de generación de la misma.
Solamente la utilización de la energía
eléctrica para los sistemas de iluminación
pública representa un 4% de la energía total
generada [2] . El excesivo consumo provoca
que los actuales sistemas de generación,
transmisión y distribución presenten
problemas de confiabilidad en el suministro
continuo y de calidad, principalmente por la
falta de inversiones. Con base en los
problemas expuestos y ante la demanda de
sustituir tecnología importada, el presente
proyecto surge, a partir de la idea de poder
desarrollar en el mercado local, una
luminaria basada en tecnología LED con
buena calidad de iluminación y un muy bajo
consumo energético. Es bien sabido que los
LEDs cumplen con estas características; o
sea, entregar una elevada potencia lumínica
con muy bajo consumo de potencia. Dado
que los LEDs operan con corriente continua,
se debe realizar previamente una conversión
de la corriente alterna proveniente de la red.
Además, con el objetivo de no introducir
disturbios en la red eléctrica y deteriorar aún
más la calidad de la energía que la
concesionaria suministra, cumpliendo a la
vez con normas internacionales; se busca
que la mencionada conversión de corriente
alterna a continua se realice de forma tal,
que la corriente drenada de la red presente
baja distorsión armónica y un factor de
potencia elevado.
Es en este sentido, que este trabajo propone
la adaptación de una topología conocida, a
las exigencias propuestas en la construcción
de una luminaria para iluminación vial.
2. TOPOLOGÍAS
A la hora de desarrollar un driver para
LEDs la mejor de las opciones es recurrir a
algunas de las topologías existentes, es por
ello que se hace una revisión bibliográfica y
se analizan algunas de las topologías
encontradas para determinar cuáles son las
ventajas y desventajas que presenta cada
una.
En la actualidad existen diversas
topologías de controladores para LED, por
ejemplo: un convertidor reductor Buck,
convertidor
elevador
Boost,
una
combinación de los dos anteriores
denominado Buck-Boost, SEPIC, Flyback,
entre otros [7] . Para resumir las topologías
encontradas se realiza el siguiente diagrama
de flujo donde se exponen las principales
características de cada una y así seleccionar
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la que mejor
requerimientos:
se
ajuste
a
nuestros
Figura 2. Convertidor Flyback simplificado
3. ESQUEMA ELÉCTRICO DEL
CONVERTIDOR
Figura 1. Diagrama de flujo simple para la selección de la
topología correcta según las especificaciones requeridas
Como en la presente propuesta se desea
proveer de una aislación galvánica entre la
entrada y la salida y es necesario obtener una
baja distorsión armónica con un alto factor
de potencia se escoge un convertidor
Flyback [1] .
2.1 Convertidor Flyback
Esta topología es derivada del
convertidor Buck-Boost, con la ventaja de
tener aislación galvánica mediante bobinas
mutuamente acopladas [4] . En la Figura 2
se presenta el circuito del Flyback
simplificado. Este incluye un inductor
Flyback (
) con arrollamientos de bobinas
mutuamente acopladas ( ,
y
), una
llave MOSFET (
) y un diodo en la
salida (
). Las polaridades de los
arrollamientos son tales que durante el
tiempo de apagado de la llave, la corriente
primaria hace que en el secundario ( ) se
mantenga el mismo flujo magnético en el
núcleo; la corriente a través del diodo carga
el capacitor de salida (
) manteniendo la
tensión de salida de CC. Mediante un
arrollamiento auxiliar en el inductor ( ) se
detecta cuando el flujo magnético en el
núcleo ( ) llega a cero y la llave MOSFET
pasa a conducir de forma lineal
incrementando la entrada de corriente y el
flujo magnetizante en el núcleo. Durante
este intervalo la salida CC es completamente
suplida por la energía almacenada en
.
Una vez seleccionada la topología a
utilizar, se hizo un estudio de mercado de los
circuitos integrados dedicados existentes
para la aplicación en el sistema de control
del driver para LED. Entre algunos de los
integrados encontrados se encuentran por
ejemplo el de la empresa “Supertex” el
HV9971 [5] que trabaja con una topología
Flyback, el UCC28810 [6] de “Texas
Instruments” similar al anterior. Finalmente
se decidió trabajar con el IRS2983 [3] cuyo
fabricante es “International Rectifier”,
algunas de las razones para su elección son:
permite hacer el control del lado primario
del transformador, esto elimina la necesidad
de un opto acoplador logrando un control a
bajo costo, la menor cantidad de
componentes necesaria en el circuito final,
esto da mayor robustez al driver, posee una
entrada de alimentación de alta velocidad la
cual permite energizar al integrado sin la
necesidad de resistencias de potencias,
permite hacer la corrección de factor de
potencia, entre otras.
3.1.
Introducción al IRS2983
El IRS2983 es un circuito integrado
encapsulado SOIC-8. Está específicamente
diseñado para el control en aplicaciones de
LEDs con convertidores Flyback. Una de
sus características es que regula la potencia
que es entregada a la carga en el lado
primario del transformador. Esta solución
logra que en convertidores Flyback aislado
de simple etapa o Buck-Boost, conectados a
una carga fija, se puedan aplicar tensiones de
alimentación universal. El diseño se realiza
con una cantidad mínima de componentes,
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resultando en un drive de bajo costo y alta
fiabilidad. El chip incluye toda la circuitería
necesaria para controlar los tiempos de
encendido y apagado del convertidor
Flyback, regular la potencia de entrada,
presentar un alto factor de potencia y baja
distorsión armónica en la corriente de
entrada. Posee además protecciones contra
condiciones de falla como sobre corrientes y
sobre tensiones. Además posee un pin que se
utiliza durante el energizado inicial del
circuito el cual permite proporcionar energía
al integrado mientras la bobina auxiliar no
esté preparada para alimentar al mismo, esto
elimina la necesidad de resistores que
disipan gran potencia para lograr el mismo
objetivo. El IRS2983 puede operar en modo
de conducción crítica (CrCM) o en modo de
conducción discontinua (DCM) y está
totalmente protegido frente a condiciones de
circuito abierto y cortocircuito de la salida
ya que el inductor se satura.
•
En la Figura 5 se observan dos
resistores (
,
) que hacen al
circuito de detección de cruce por cero.
2
1
Figura 5. Circuito para detección de cruce por cero
•
En
la
Figura 6 se observa un diodo
rectificador (
), un resistor (
),
un diodo zener ( ) y un capacitor
(
) que conforman la fuente de
alimentación del integrado.
3.2. Esquema eléctrico
El esquema eléctrico del circuito está
dividido en distintas etapas para su análisis.
Procedemos a describir los componentes que
forman cada bloque:
• Dos resistores ( ,
) y un capacitor
(
) conforman en circuito para el
sensado de la tensión de entrada, como
se muestra en la Figura 3.
Figura 6. Fuente de alimentación del integrado
•
En la Figura 7 se observan un diodo
(
) y un
mantienen al MOSFET
en una zona de trabajo seguro debido al
estrés eléctrico que produce la
conmutación.
Se
conoce
como
‘snubber’.
Figura 7. Snubber
•
Figura 3. Circuito para sensado de la tensión de entrada
•
En la Figura 8 se observa una llave
MOSFET (
) y un resistor ( ) que
producen la conmutación del primario.
Dos resistores (
,
) junto con un
capacitor ( ) sensan la corriente del
bobinado primario, esto se observa en la
Figura 4.
Figura 8. Circuito lLave
•
En la Figura 9 se observan un diodo
(
), un capacitor (
) y un resistor
Figura 4. Circuito para sensado de corriente
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(
) que son los componentes del
filtro de salida.
Figura 9. Circuito de salida
4. Simulaciones
Para verificar el comportamiento de un
convertidor Flyback de etapa simple se
realiza
una
simulación
de
su
comportamiento mediante el software PSIM.
En primer lugar se realizaron los cálculos
para obtener un convertidor flyback DCM
trabajando en modo de conducción
discontinua, se determinó la eficiencia del
convertidor, la cual arrojó un valor en torno
al 90%. Es importante destacar que la
mayoría de los componentes seleccionados
para la implementación del driver, se
consiguen en el mercado argentino.
driver para LEDs de potencia para
luminarias viales, diseño que será
posteriormente transferido a una empresa del
medio que está fabricando luminarias para
iluminación de calles y avenidas. Este driver
está basado en un integrado comercial y
tiene las características de presentar elevado
factor de potencia y una distorsión armónica
reducida en la corriente que toma de la red;
utilizando como etapa de conversión una
topología asilada y simple como lo es el
convertidor flyback.
6. REFERENCIAS
[1] ANDREW SMITH, Power Integrations,
"How to Choose the Correct Topology
for LED Drivers" Sep 10, 2013.
[2] FABIO KLITENIK, PABLO MIRA Y
PABLO MOLDOVAN, “El mercado
eléctrico argentino”. Ministerio de
economía y finanzas públicas. Nota
Técnica correspondiente al informe
económico N° 70 del cuarto trimestre de
2009.
[3] INTERNATIONAL
RECTIFIER.
Application Note AN-1195, Primary
Side Regulated LED Driver using the
IRS2983. Ektoras Bakalakos. 2014.
Figura 10. Tensión entre el drenador y el surtidor de la
llave MOSFET en régimen estacionario con V_cc=340V
En tanto a las simulaciones realizadas, se
obtuvieron datos importantes sobre el
comportamiento de las distintas partes del
circuito que ayudan a seleccionar los
componentes que conforman el mismo, por
ejemplo, en la Figura 10 se observa la
tensión que debe soportar el MOSFET
trabajando en régimen estacionario con una
alimentación de 340Vcc, en principio los
valores que debía soportar la llave eran más
elevados pero con la utilización del snubber
se redujo de forma considerable.
5. CONCLUSIONES
Este trabajo presentó de forma resumida las
etapas iniciales para la construcción de un
[4] MIRIAM
K.
KAZIMIERCZUK,
“Pulse-width Modulated DC-DC Power
Converters”, Dayton Ohio, USA. 2008.
[5] SUPERTEX INC, “Isolated, Constant
Current LED Driver” Hoja de datos de
HV9971.
[6] TEXAS
INSTRUMENTS
INCORPORATED, “Led Lighting
Power Controller” Hoja de datos de
UCC28810.
[7] VAN
DER
BROECK,
H.;
SAUERLANDER, GEORG; WENDT,
M., "Power driver topologies and
control schemes for LEDs," Applied
Power Electronics Conference, APEC
2007 - Twenty Second Annual IEEE ,
vol., no., pp.1319,1325, Feb. 25 2007March 1 2007.
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