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PROYECTO FIN DE CARRERA ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS Autor: Sandra Solán Colazet Director: Rafael Alloza Coordinador: Carlos Bernal Especialidad: Electrónica Industrial Convocatoria: Marzo 2013 ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 2 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................. - 4 - 0 INTRODUCCIÓN: TECNOLOGÍA LED EN EL CAMPO DE LA ILUMINACIÓN. ............ - 6 - 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS. .......................................................................... - 10 - 1.1 Enunciado del proyecto................................................................................................. - 10 - 1.2 Requisitos de partida..................................................................................................... - 10 - 1.3 Especificaciones técnicas generales del producto ........................................................ - 12 - 2 PLANIFICACIÓN DEL DISEÑO. ........................................................................... - 14 - 2.1 CRONOGRAMA .............................................................................................................. - 14 - 2.2 FASES Y RESPONSABLES ................................................................................................ - 15 - 3 DESARROLLO DEL DISEÑO. ............................................................................... - 16 - 3.1 PLANTEAMIENTOS INICIALES PARA EL DISEÑO. ............................................................ - 16 - 3.2 ETAPAS DEL CIRCUITO ................................................................................................... - 18 - 3.3 “DRIVER” FAN102: FUNCIONAMIENTO. ........................................................................ - 23 - 3.4 CÁLCULOS. ..................................................................................................................... - 27 - 4 VERIFICACIÓN. ................................................................................................. - 33 - 4.1 DISEÑO DE PCB Y MONTAJE DEL PROTOTIPO. .............................................................. - 33 - 4.2 PUESTA EN MARCHA Y MEDIDAS EXPERIMENTALES. ................................................... - 37 - 5 INDUSTRIALIZACIÓN ........................................................................................ - 41 - 5.1 EN 61347 REQUISITOS DE SEGURIDAD. ...................................................................... - 42 -  5.1.1. Generalidades sobre los ensayos .................................................................. - 42 -  5.1.2 Clasificación del equipo. ................................................................................. - 42 -  5.1.3 Marcado ......................................................................................................... - 43 -  5.1.4 Protección contra contactos accidentales con las partes activas .................. - 45 -  5.1.5 Rigidez dieléctrica........................................................................................... - 45 - 5.2 EN 62384 FUNCIONAMIENTO. .................................................................................... - 46 -  5.2.1 Clasificación .................................................................................................... - 46 -  5.2.2 Tensión y corriente de salida ......................................................................... - 47 -  5.2.3 Operación en condiciones anormales ............................................................ - 48 -  5.2.4 Endurancia ...................................................................................................... - 48 - 5.3 EN 55015 PERTURBACION RADIOELÉCTRICA DE LOS EQUIPOS DE ILUMINACIÓN. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 3 COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA. ............................................................................ - 49 -  5.3.1 ¿Qué es la compatibilidad electromagnética? ............................................... - 49 -  5.3.2 Objeto y campo de aplicación ........................................................................ - 49 -  5.3.3 Tensiones perturbadoras en bornes de alimentación ................................... - 50 - 5.4 EN 61000-3-2 ARMÓNICOS. .......................................................................................... - 53 - 6 CONCLUSIONES Y LINEAS DE FUTURO. ............................................................. - 56 - 6.1 Problemas identificados y soluciones propuestas. ....................................................... - 56 - 6.2 Verificación y validación del diseño. ............................................................................. - 58 - 6.3 Líneas de futuro. ........................................................................................................... - 58 - 7 ANEXOS. .......................................................................................................... - 59 - 7.1 PUESTO DE TRABAJO ..................................................................................................... - 59 - 7.2 INSTRUMENTACIÓN. ..................................................................................................... - 60 - 7.3 HERRAMIENTAS SOFTWARE .......................................................................................... - 60 - 7.4 REFERENCIAS ................................................................................................................. - 60 - 7.6 HOJA TÉCNICA DEL PRODUCTO ..................................................................................... - 61 - 7.7 LISTA DE MATERIALES ................................................................................................... - 62 - 7.8 ESQUEMA ELÉCTRICO .................................................................................................... - 64 - 7.9 ESPECIFICACIÓN DEL TRANSFORMADOR ...................................................................... - 65 - 7.10 ANAGRAMA DE MARCAJE ........................................................................................... - 66 - 7.11 DISPOSICIÓN SMD Y SERIGRAFÍAS PCB ....................................................................... - 67 - 8 CONCLUSIÓN ................................................................................................... - 68 - ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 4 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Vida útil de las lámparas existentes en el mercado ........................................ - 7 - Figura 2. Rendimiento LED frente a otras tecnologías (datos publicados CREE) . - 8 - Figura 3. Cronograma ................................................................................................................. - 14 - Figura 4. Diagrama de bloques de la fuente de alimentación para LED ................. - 17 - Figura 5. Esquema filtro de entrada y etapa Valley Fill ................................................. - 18 - Figura 6. Funcionamiento básico del convertidor Flyback. ......................................... - 19 - Figura 7. Esquema convertidor Flyback y circuito de control .................................... - 21 - Figura 8. Esquema red Snubber .............................................................................................. - 22 - Figura 9. Esquema limitador de corriente ......................................................................... - 23 - Figura 10. Señales corriente por el drenador y señal gate MOSFET ........................ - 24 - Figura 11. Corrientes por el bobinado primario y secundario ................................... - 25 - Figura 12. Variación del ancho de pulso en la señal de gate del MOSFET ............. - 26 - Figura 13. Tensión entre drenador y fuente del MOSFET............................................ - 27 - Figura 14. Corriente drenador del MOSFET y corriente diodo del secundario ... - 29 - Figura 15. Dimensiones carrete EF25/7 ............................................................................. - 30 - Figura 16. Dimensiones ferrita ............................................................................................... - 31 - Figura 17. Layout del circuito impreso ................................................................................ - 36 - Figura 18. Medidas experimentales del prototipo .......................................................... - 38 - Figura 19. Gráfica Vout frente a Iout..................................................................................... - 39 - Figura 20. Imagenes termográficas de la cara bottom y de la top ............................ - 40 - Figura 21. Señal en osciloscopio de corriente y tensión de salida ............................ - 43 - Figura 22. Ensayo de rigidez entre primario y secundario ......................................... - 46 - Figura 23. Esquema del conexionado eléctrico ................................................................ - 47 - Figura 24. Ensayo EMC. LISN y analizador de espectros .............................................. - 51 - Figura 26. Normativa para cumplimiento de armónicos ............................................. - 54 - Figura 27. Señal de corriente y tensión de entrada ........................................................ - 55 - Figura 28. Imagen del puesto de trabajo ............................................................................ - 59 - ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 5 Quiero agradecer a mis profesores de la EUITIZ su excelente labor docente, porque gracias a ella, he acumulado los conocimientos necesarios para comenzar mi vida profesional como ingeniera electrónica en una labor de investigación y desarrollo dentro de mi empresa, ELT. Mención especial merecen mis profesores del departamento de electrónica, Carlos, Vicente y Arancha, que me han hecho más fuerte y que gracias a ellos, aprendí a buscar soluciones de problemas que parecían imposibles. ¡Hoy en día en mi puesto de trabajo me enfrento a un examen de analógica o potencia casi todos los días! Agradecer a ELT, empresa en la que actualmente trabajo, la confianza y recursos puestos en mí. Y en especial a Enrique, director de I+D+i, y a Rafael, compañero de departamento, por confiar en mí y darme la oportunidad de trabajar en una empresa como ELB y por todo lo aprendido en estos tres años y medio trabajando junto a él. Por último, agradecer a mi familia el apoyo incondicional que me han dado a lo largo de toda mi vida. Muchísimas gracias a todos. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 6 0 INTRODUCCIÓN: TECNOLOGÍA LED EN EL CAMPO DE LA ILUMINACIÓN. En un primer momento, los LED fueron utilizados como testigos e indicadores luminosos en aparatos electrónicos. Más tarde los fabricantes desarrollaron diodos más precisos y potentes y estudiaron su instalación en semáforos, pantallas informativas y, más adelante, en faros de vehículos. La evolución de la tecnología LED en el campo del LED blanco ha sido muy rápida, desde 2003 se han ido mejorando los parámetros básicos como el rendimiento lumínico, la reproducción cromática (CRI), mejor respuesta térmica y por lo tanto mayor vida útil, hasta el punto de que el LED ha pasado de utilizarse como señalización, a integrarlo en el mundo de la iluminación. Desde el punto de vista luminotécnico, un LED, es una pequeña lámpara en estado sólido sin filamentos, ni gas, ni ampollas de vidrio, estos hechos hacen que no se fundan como lo hacen las tradicionales bombillas y por lo tanto se consigue un aumento de vida útil de la lámpara LED con respecto a otras tecnologías como las lámparas de descarga, las lámparas de sodio o mercurio. En la siguiente figura se muestra una comparativa de la vida útil de los distintos tipos de lámparas que existen en el mercado. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 7 020000 40000 60000 80000 vida útil (horas) Incandescencia Halogenuros metálicos Sodio baja presión Sodio alta presión LED Figura 1. Vida útil de las lámparas existentes en el mercado Además de la vida útil, el LED tiene otro gran beneficio frente a otras tecnologías, un reducido consumo y una alta eficiencia, es decir, muy buen rendimiento energético. Una bombilla emplea sólo un 10% de cada vatio para iluminar, mientras que el resto de consumo se convierte en calor. En la tecnología LED, es totalmente lo contrario, un 90% de luz frente a un 10% en calor. En la siguiente figura se muestra la evolución del rendimiento lúmenes por vatio en la tecnología LED respecto a otras tecnologías de iluminación. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 8 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 LED Fluorescencia Halogenuros metálicos incandescencia Figura 2. Rendimiento LED frente a otras tecnologías (datos publicados por CREE) Otro beneficio es que no hay prácticamente pérdidas por reflexión, los sistemas como los dicroicos o la fluorescencia necesitan de reflectores para concentrar la luz en el punto que queremos iluminar, lo que supone perder hasta un 60% de rendimiento, el LED no precisa de pantallas reflectoras, por lo que se consigue hasta un 90% de rendimiento. El impacto producido por esta tecnología en el mercado ha sido muy grande, pero como toda tecnología, hay que cumplir todos los requisitos de instalación para poder obtener todos sus beneficios. El principal enemigo del LED es el calor. Si no aseguramos una temperatura de funcionamiento adecuada, la vida útil del LED se reduce drásticamente, por este motivo, es muy importante el conjunto disipador – alimentador LED en este tipo de lámparas. El alimentador LED fija la corriente a la que van a ser “conducidos” los LED y por lo tanto la potencia en la lámpara. A más corriente, más potencia, más calor en el LED, aunque también más luz. Por eso, el disipador tiene que ser de materiales de calidad y del tamaño adecuado para la potencia de trabajo y el alimentador debe asegurar una vida útil al menos igual a la de la lámpara. Lúmenes/vatio ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 9 En la actualidad la tecnología está preparada para iluminar calles, tiendas, oficinas, hogares… el mayor obstáculo es el precio. Aun así, los fabricantes de LED anuncian familias cada vez más baratas y más eficientes por lo que la tecnología no tardará en inundar el mercado de la iluminación. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 16 3 DESARROLLO DEL DISEÑO. 3.1 PLANTEAMIENTOS INICIALES PARA EL DISEÑO. Una vez se tienen los datos de partida y las especificaciones técnicas se busca una tecnología para diseñar el producto final cumpliendo con todas las especificaciones planteadas. Para conseguir un factor de potencia mayor de 0.8 existe una etapa de entrada denominada Valley Fill. Esta etapa tiene una circuitería sencilla y mucho más económica que otros circuitos correctores de PFC. Puesto que el equipo va a tener una potencia en carga menor de 25W, la normativa no impone alto factor de potencia (> 0.95). Por tanto, la etapa de entrada Valley Fill es una buena solución para tener un PFC mayor de 0.85 a un coste relativamente pequeño. Para una total comprensión del funcionamiento de la etapa Valley Fill consultar el apartado II de la referencia de International Rectifier, Fluorescent Ballast Design Using Passive P.F.C and Crest Factor Control de Peter N. Wood. Aislamiento entre primario y secundario: convertidor Flyback, dada su sencillez y bajo costo, es una topología muy recomendable para los convertidores baja potencia (hasta 40 w aproximadamente). En una fuente Flyback, el principio de operación consiste en la transferencia de energía que se realiza mediante “paquetes” de energía en forma de campo magnético almacenado en el núcleo a través del devanado primario y que se transfieren al devanado secundario. Más adelante se explicará detalladamente su funcionamiento. Una vez se decide utilizar una topología Flyback, se busca un driver comercial para el manejo de la etapa. La elección del chip FAN102 de Fairchild, se debe básicamente a dos características que otros fabricantes no tienen: el transistor MOSFET del Flyback ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 17 está fuera del integrado y la regulación de la salida se realiza a través de un devanado auxiliar del transformador. Que el transistor MOSFET del Flyback este fuera del integrado permitirá dimensionar dicho componente para la potencia máxima de salida de cada equipo. El hecho de no tener que sobredimensionar ese transistor en todos los equipos de la familia, nos permite reducir el coste del producto final. Por la misma razón, el coste económico, que la regulación de la salida se haga a través de un devanado auxiliar, supone el ahorro de componentes como un optoacoplador, algún comparador y otros componentes pasivos. En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques de la fuente de alimentación para LED: Figura 4. Diagrama de bloques de la fuente de alimentación para LED ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 18 3.2 ETAPAS DEL CIRCUITO En el anexo 7.8 se muestra el esquema eléctrico completo. En este apartado, y para una mejor comprensión del diseño, vamos a desarrollar las diferentes etapas por separado.  Etapa de entrada: Filtro de entrada y etapa Valley Fill. Figura 5. Esquema filtro de entrada y etapa Valley Fill El filtro de entrada está compuesto por los condensadores C1 y C2, y el choque inductivo L2 y se encargan de evitar que los ruidos producidos por las conmutaciones en alta frecuencia pasen a la red. Estos ruidos se propagan a través de los cables de alimentación y pueden llegar a afectar al resto de equipos conectados a la red. En el capítulo de cumplimiento de normativas se explicará de forma más extensa cómo afectan la interferencias electromagnéticas y como se ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 19 diseña el filtro de entrada para cumplir las normativas de compatibilidad electromagnética. El circuito integrado IC1 es un rectificador de onda completa. Por último, la etapa Valley Fill es la compuesta por los dos condensadores electrolíticos C19 y C7, los tres diodos D12, D9 y D4 y la resistencia R9. En este circuito los condensadores se cargan en serie a través del diodo D9. Los condensadores C19 y C7 se cargan en serie y se descargan en paralelo a través de los diodos D12 y D4. Por lo tanto, la forma de la onda de corriente sigue a la de tensión desde los 30° a 150° y desde los 210° a 330°, lo que hace que el factor de potencia sea mayor de 0.80. El objetivo de la resistencia R9 es el de reducir los picos de corriente de la carga de los condensadores. Debe ser de un valor óhmico bajo, en nuestro caso 15R. El diodo D9 se pone para evitar que la descarga de C7 a través de C19.  Convertidor Flyback y control de la corriente de salida. El convertidor Flyback es ampliamente utilizado en aplicaciones de poca potencia debido a que es una solución sencilla, robusta y de bajo coste, ya que no necesita una bobina en la etapa de salida como otras configuraciones. La etapa está formada por un transformador con dos bobinados (primario, secundario), un transistor y el diodo y condensador de secundario. Figura 6. Funcionamiento básico del convertidor Flyback. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 20 La figura 6 muestra el circuito simplificado de la topología Flyback y su funcionamiento básico. En esta figura se muestra el circuito equivalente en los dos estados del transistor: ON y OFF. Cuando el transistor está activado (dibujo de la izquierda), la bobina primaria está conectada directamente a la tensión Vdc proveniente de la etapa Valley Fill . La carga en corriente de la bobina primaria provoca un incremento del flujo magnético en el núcleo. La tensión en el secundario es negativa, por lo que el diodo está en inversa y es el condensador de salida el único que proporciona energía a la carga. Cuando el transistor está abierto (dibujo de la derecha), la tensión en el secundario es positiva, el diodo conduce y la energía almacenada en el núcleo magnético es transferida a la carga y al condensador de salida. El control del transistor MOSFET, se realiza por variación de frecuencia de la señal de GATE. Esta operación es realizada por el circuito integrado FAN102. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 21 Figura 7. Esquema convertidor Flyback y circuito de control En el caso de este diseño, el transformador Flyback tiene un bobinado auxiliar para sacar la alimentación del circuito integrado FAN102 y obtener parte de la información necesaria para así regular la frecuencia de switch del transistor MOSFET, y por lo tanto la corriente de salida del driver. El resto de información se obtiene de la lectura de la corriente Id que pasa por el transistor y que se lee en el shunt resistivo (R1, R3, R8 y R10) ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 22  Red Snubber Las redes snubber se utilizan para suprimir transitorios indeseables y mejorar la conmutación. Estos transitorios se producen en circuitos de conmutación con elementos inductivos y capacitivos como es nuestro caso. La conmutación del transistor MOSFET produce sobretensiones transitorias que pueden exceder los límites de la tensión Vds y producir la destrucción de este. La red snubber diseñada está formada por D1, R2 y C8, y el diodo interno del MOSFET que forma una red de recorte pasiva (clamper). Figura 8. Esquema red Snubber  Limitador de corriente a la salida En los drivers para LED diseñados con topología Flyback, casi siempre tenemos entre bornes de salida un condensador electrolítico de gran capacidad. En la situación de conexión de la carga LED con ese condensador cargado, el resultado es similar a cortocircuitar dicho condensador, por lo que se genera un pico de corriente de varios amperios que rompe todos los diodos LED. Esta situación es relativamente fácil de encontrar en cualquier instalación, ya que la conexión de los módulos LED con tensión de red en el equipo, o simplemente un falso contacto en las conexiones de los cables de la carga hacen que el condensador de salida se cargue y seguidamente se descargue bruscamente por los LED rompiéndolos. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 23 Figura 9. Esquema limitador de corriente El circuito limitador de corriente funciona de la siguiente manera, en funcionamiento normal del equipo con corriente de salida 700mA, el transistor bipolar Q2 está polarizado para que funciones en saturación, de forma que las pérdidas sean las menores posibles. Cuando se produce la situación de descarga brusca del condensador de salida, el pico de corriente pasa por R11 y R12 y cuando llega a 1,3 amperios, Q2 corta y abre el circuito, por lo que el pico no crece más y los LED no se rompen. R14 y R15 son necesarias para polarizar Q2. Se utilizan los diodos D5, D6 y D7 para fijar la tensión en la base del transistor. 3.3 “DRIVER” FAN102: FUNCIONAMIENTO. El FAN102 de Fairchild regula la corriente de salida desde el primario con la información que obtiene de un devanado auxiliar del transformador Flyback. Esto significa que, utilizando este driver no necesitamos acoplar ningún circuito para ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 24 regular la salida desde el secundario hasta el primario, por lo tanto, reducimos el costo de componentes y el espacio que necesitamos en la PCB. La diferencia principal entre un transformador Flyback y un transformador común, es que un Flyback se diseña para almacenar energía en su circuito magnético, es decir, funciona como un inductor puro, mientras que transformador común se diseña para transferir energía del primario al secundario con un mínimo de energía almacenada. En una fuente Flyback el circuito de control es un ON/OFF que controla la tensión de salida regulando la energía que se transfiere mediante cambios en la frecuencia o el ciclo de trabajo del interruptor (MOSFET). Cuando el MOSFET conduce (ON), la corriente crece linealmente en el primario del transformador (figura 10), diseñado con alta inductancia para almacenar energía a medida que el flujo magnético aumenta. Figura 10. Señales corriente por el drenador y señal gate MOSFET Corriente por el bobinado primario Señal en el GATE del MOSFET Ton Toff ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 25 La disposición del devanado asegura que el diodo del secundario está polarizado en sentido inverso durante este período, por lo que no circula corriente en el secundario. Cuando el MOSFET conmuta a OFF (figura 11), el flujo en el transformador cesa generando una corriente inversa en el secundario que carga el condensador a través del diodo alimentando la carga. Es decir, en el campo magnético del transformador se almacena la energía durante el período «ON» del transistor y se transfiere a la carga durante el período «OFF». El condensador de salida mantiene la tensión en la carga durante el período «ON». Figura 11. Corrientes por el bobinado primario y secundario La variación del período «ON» se controla por modulación de ancho de pulso (PWM) a frecuencia variable. Obsérvese la figura 12. Corriente por el bobinado primario Corriente por el bobinado secundario Ton Toff ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 32 En el anexo 7.9 se muestra la especificación del transformador, con todos los datos necesarios para su fabricación por parte del proveedor. Ya podemos elegir un transistor MOSFET-N: Vds > (Vbus) max + Vsec + Vconm = (Vbus) max + 2·Vsec Vsec = (Np/Ns)(Vo + VF) Donde (Vbus) max es el valor máximo de la tensión eficaz de entrada. Vsec = (51/18)(23 + 0.4) = 66.3 Vds > 264 · 21/2 + 2 · 66.3 = 378 + 133 = 511V Ajustamos la elección del transistor midiendo en el osciloscopio el pico de corriente máxima entre drenador y fuente. IDS pk medida = 3A Sobredimensionamos un poco el transistor eligiendo un MOSFET-N del fabricante ST, part number STD4NK60 (Vdsmax = 600V y IDSmax = 4A). Con el transformador seleccionado, conocemos la tensión inversa máxima que soportará el diodo en el secundario en el peor caso, es decir, cuando la tensión de alimentación es 264V. Se mide 184V en inversa, por lo tanto seleccionamos un diodo Schottcky con tensión directa 200V. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 33 4 VERIFICACIÓN. 4.1 DISEÑO DE PCB Y MONTAJE DEL PROTOTIPO. Antes de empezar a diseñar la PCB, es muy importante tener un esquemático bien definido y con anotaciones técnicas como la distinción entre la masa de señal y la de potencia, los puntos eléctricos que deben estar ruteados con pistas lo más cortas posibles, los formatos de componentes. Distinguir la parte de potencia y la de señal en un equipo electrónico es esencial a la hora de diseñar un correcto trazado de pistas para que el equipo funcione. En este caso, tenemos una parte de potencia con una señal de tensión elevada conmutando a alta frecuencia (30 - 50 kHz) que corresponde a la etapa del Flyback, y una parte de señal con tensiones menores a 10V correspondientes al control de la etapa Flyback. Estos son las pautas iniciales que se tuvieron en cuenta a la hora de empezar a diseñar la PCB.  Para que el filtro tipo π (dos condensadores y una inductancia) sean efectivos evitando problemas de tipo EMI y ruidos, C1 y L2 deben conectarse primero al puente rectificador, seguidamente la etapa Valley Fill, el condensador C2 cuyas masas deben trazarse con una pista lo mas corta posible. Finalmente, el circuito de conmutación con la masa del primario de la bobina L3 que también debe estar unida a la masa de C2 con una pista lo más corta posible.  En el primario, existe un bucle de corriente con ruido de alta frecuencia con este recorrido: C2 – MOSFET - paralelo entre (R1, R3, R8 y R10) – C2. Esta pista también debe trazarse lo más corta posible.  El circuito snubber RCD debe estar lo más lejos posible de la parte de control para evitar interferencias innecesarias.  La pista de la señal CS (current sense) debe ser lo más corta posible. La masa del paralelo R1-R3-R8 y R10 debe unirse a la de C2, R6 lo más cerca posible ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 34 al pin 8 del driver y la pista desde R6 a el paralelo lo más corta posible.  La masa del circuito de alimentación (bomba) y la del devanado auxiliar del transformador deben estar unidos lo más corto posible.  R6, C6//R5, C11, C14, C12//R16, C15//R19 deben conectarse en sus respectivos pines del driver IC2 lo más cerca posible para tener un buen desacoplo y reducir los ruidos de alta frecuencia. Así como sus masas deben estar unidas lo más cerca posible formando la masa de señal El siguiente paso es dibujar el contorno de la PCB (en color azul) señalizando las zonas donde no pueden ir componentes por razones mecánicas de la envolvente (en color rosa) y colocar los bornes de alimentación y de salida. Apoyos mecánicos en la base de la envolvente Tapa de la envolvente ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 35 Seguidamente se colocan los componentes exóticos y axiales. Hay que tener en cuenta que entre el circuito primario y el secundario debe haber una separación en PCB de al menos 5mm para poder cumplir con la normativa de rigidez dieléctrica. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 36 Finalmente añadimos los componentes SMD y enrrutamos manualmente todo el circuito. Condensador + diodo de salida Valley Fill Salida Bobinado secundario Entrada Filtro EMC Bobinados primario + MOSFET Controlador PWM Figura 17. Layout del circuito impreso ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 37 4.2 PUESTA EN MARCHA Y MEDIDAS EXPERIMENTALES. El siguiente diagrama de bloques ayuda a comprender el proceso de validación de un prototipo. Una vez el equipo funciona aparentemente bien, debemos ratificar este correcto funcionamiento con las primeras medidas de los parámetros básicos del equipo. Con estas primeras medidas se debe comprobar el correcto funcionamiento de Diseño PCB Montaje de prototipo Conexión equipo a red con carga Revisar cálculos componentes ¿Está bien diseñada la PCB? Medidas experimentales: PFC, Iout, pérdidas… ¿Medidas OK según datos de partida? VALIDACIÓN Ajuste de componentes SÍ NO FUNCIONA NO FUNCIONA SÍ NO ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 38 todas las etapas del equipo y que las medidas tomadas coinciden con las especificaciones técnicas descritas en los datos de partida. - Instrumentación utilizada: · Osciloscopio TEKTRONIX TDS3012C · Vatímetro YOKOWAGA WT210 · Pinza amperimétrica TEKTRONIX TCP202 · Sondas de tensión. · Cámara termográfica FLIR E60 Figura 18. Medidas experimentales del prototipo Con la instrumentación mencionada anteriormente, se comprueban los parámetros básicos de forma rápida y sencilla. En la figura 18, se encuentra el montaje con una carga de 9W. Como el equipo debe ser multipotencia para asegurar las distintas cargas existentes en el mercado, se toman los datos de tensión de salida (Vout) y corriente de salida (Iout) para comprobar que el equipo regula bien corriente ante variación ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 39 de carga. Vout (V) Iout (mA) 27,5 0 27,1 28 26 148 24,8 500 22 660 18,9 660 15,8 663 12,7 666 9,6 661 6,5 661 3,25 614 0 0 0 5 10 15 20 25 30 0200 400 600 800 Vout (V) Iout (mA) Iout (mA) Figura 19. Gráfica Vout frente a Iout En la figura 19 se refleja que el equipo regula correctamente la corriente de salida. Comprobación de funcionamiento en todo el rango de tensión de alimentación se realiza con la variación de tensión entre 98 y 264V. Como el equipo sigue funcionando el rango de alimentación es el correcto. El equipo se bloquea y deja de funcionar cuando la tensión de alimentación es menor a 85V y mayor de 285V. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 40 La comprobación de la protección contra sobrecarga y funcionamiento en vacío se han comprobado cuando se han tomado los datos de la figura 19. Con sobrecarga el equipo empieza a reducir la corriente de salida hasta dar cero amperios cuando la carga supone una tensión de 27.5V entre bornes de salida. En circuito abierto, la tensión aumenta hasta 32V y la corriente es cero amperios. En esta situación, el equipo entra en un modo de stand by y consume tan solo 0,4 vatios. También se realizan unas medidas con la cámara termográfica para comprobar que ningún componente se sobrecaliente más de la cuenta. Figura 20. Imagenes termográficas de la cara bottom y de la top Todos los componentes semiconductores que trabajan a altas temperaturas tienen tecnologías de funcionamiento hasta 175ºC . En la figura 20, cuyas medidas se han realizado con una temperatura ambiente de 22ºC, se observa que los componentes trabajan lejos de este límite. (87ºC máximo) Una vez realizada la comprobación de que el equipo funciona correctamente y que los parámetros básicos cumplen los requisitos de los datos de partida, pasamos a la fase de industrialización. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 41 5 INDUSTRIALIZACIÓN Para poder utilizar los aparatos eléctricos y electrónicos en la Comunidad Europea, es obligatorio que sean portadores de la marca CE, la cual significa “Conformidad Europea”, y representa el cumplimiento, en nuestro caso, de las siguientes Directivas Comunitarias a las que están sujetos los productos para iluminación como es el alimentador de corriente constante para módulos LED diseñado. - 89/336/CEE Compatibilidad electromagnética (EMC) - 973/23/CEE Material eléctrico de baja tensión (LV) - 2000/55/CE Requisitos de eficiencia energética de los balastos de - lámparas fluorescentes (EEI) - 2002/96/CE Residuos de aparatos eléctricos y electrónicos (WEEE) - 2002/91/CE Eficiencia energética de los edificios - 2002/95/CE Restricciones a la utilización de determinadas sustancias peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos (ROHS) El marcado CE no lo otorga ninguna entidad de certificación, siendo el propio fabricante, bajo su responsabilidad, el que realiza la declaración de conformidad al respecto. Además de cumplir con las directivas que permiten marcar el equipo CE, este equipo debe cumplir con unas normas internacionales lo que permitirá ser marcado ENEC. Esta marca de certificación es otorgada por un organismo oficial y proporciona al producto un plus de confianza para el comprador ya que es un sello de calidad que otorga un organismo ajeno al fabricante. A continuación se resumen las directivas a cumplir y los pertinentes ensayos realizados, así como la instrumentación utilizada, para poder marcar CE y obtener la certificación ENEC. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 48 debe estar entre un ±10% de la corriente de salida nominal. Cuando un equipo es multipotencia, hay que hacer este ensayo con su potencia mínima y con la máxima. - Potencia total del circuito A la tensión nominal de alimentación, la potencia total no debe sobrepasar más del 110% del valor declarado por el fabricante cuando está operando con un módulo LED. - Factor de potencia El factor de potencia del circuito que aparece en el marcaje no debe tener un error mayor de 0.05 del medido.  5.2.3 Operación en condiciones anormales - Operación sin módulo LED conectado. Se alimenta un equipo sin carga durante una hora. Después de ese tiempo, se conecta la carga y el equipo debe funcionar correctamente. - Operación con cortocircuito a la salida. Se alimenta un equipo con el secundario cortocircuitado. Después de una hora en esa situación, se conecta la carga y el equipo debe funcionar correctamente.  5.2.4 Endurancia - El equipo debe garantizar una vida útil mínima. Para ello, se debe medir la temperatura en los componentes críticos que marcan la vida del aparato. En equipos electrónicos estos componentes suelen ser, si existen, los condensadores electrolíticos. En nuestro caso, la vida útil del equipo la marca el condensador electrolítico de salida. El ensayo consiste en meter el equipo en una cámara climática a la ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 49 temperatura ambiente máxima que se aconseja en el marcaje del equipo, en este caso 50°C. Se ponen termopares (sondas térmicas) en los condensadores electrolíticos y se deja estabilizar unas 4 horas. Se toman los datos de temperaturas y se realizan los siguientes cálculos: El condensador de la salida es un 105°C 10.000 horas, esto significa que si trabajara a 105°C tendría una vida útil de 10.000h. La vida de estos condensadores se multiplica por dos cada vez que se disminuyen diez grados de temperatura. En el ensayo medimos una temperatura de 80°C en el condensador de salida. Esto significa que estamos asegurando una vida del equipo de más de 40.000 horas. Vida útil = 10.000 x (tramo de 10°C) x (tramo de 10°C) = 10.000 x 2 x 2 = 40.000horas. 5.3 EN 55015 PERTURBACION RADIOELÉCTRICA DE LOS EQUIPOS DE ILUMINACIÓN. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA.  5.3.1 ¿Qué es la compatibilidad electromagnética? La compatibilidad electromagnética es la aptitud de un equipo eléctrico o electrónico que le permite funcionar correctamente en un ambiente con interferencias electromagnéticas producidas por otros equipos y que a su vez, no produce interferencias que eviten el correcto funcionamiento de otros equipos electrónicos. Henry W. Ott interpreta una interferencia electromagnética como “cualquier señal eléctrica presente en un circuito en lugar de la señal deseada.”  5.3.2 Objeto y campo de aplicación Esta norma se aplica a la emisión (radiada y conducida) de las ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 50 perturbaciones de radiofrecuencia de, en nuestro caso, equipo de iluminación cuya función primaria es la generación de luz y para conectarse a la red de alimentación. La banda de frecuencias que aplica a nuestro equipo es de 9kHz a 300MHz.  5.3.3 Tensiones perturbadoras en bornes de alimentación Clasificaremos las EMI en dos grupos: emisiones conducidas (en la banda 9kHz a 30MHz) y emisiones radiadas (en la banda de 30MHz a 300MHz.) Interferencias conducidas son las que se transmiten y/o reciben a través de los cables de alimentación. Interferencias radiadas son las emitidas o recibidas por el medio que rodea al equipo. ENSAYO EMISIONES CONDUCIDAS A continuación se muestra la tabla con los límites de la tensión perturbadora en los bornes de alimentación que marca la norma para emisiones conducidas. Banda de frecuencias Límites dB(µV) Cuasi-cresta Valor medio 9kHz a 50kHz 50kHz a 150kHz 150kHz a 0,5MHz 0,5MHz a 5MHz 5MHz a 30MHz 110 90 a 80 66 a 56 56 60 - - 56 a 46 46 50 Los límites en la banda de 50kHz a 0,5MHz decrecen linealmente con el logaritmo de la frecuencia. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 51 - Instrumentación utilizada durante el ensayo: · Analizador de espectros FSL 9kHz … 3GHz de RODHE & SCHWARZ. · LISN (Line Impedance Stabilizer Network) ENV216 de RODHE & SCHWARZ. · Limitador de pulsos. - Ensayo: · Lugar de ensayo: caja de Faraday (laboratorio de EMC en ELT) · Medidas realizadas en modo detección de “cuasi-cresta” y” valor medio”. Figura 24. Ensayo EMC. LISN y analizador de espectros ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 52 100 dBµV 90 dBµV 80 dBµV 70 dBµV 60 dBµV 50 dBµV 40 dBµV 30 dBµV 20 dBµV * Att 15 dB * RBW VBW SWT 200 Hz 3 kHz 36s 1Av Clrw 2Pk Clrw Ref 111.00 dBµV Tdf Start 9.0 kHz Stop 150.0 kHz 55015_QP.LIN Limit Check PASS Line 55015_QP PASS Date: 15.APR.2011 13:08:15 Rango de frecuencias entre 9kHz y 150kHz. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 53 Rango de frecuencias entre 150kHz y 30MHz. 5.4 EN 61000-3-2 ARMÓNICOS. Esta normativa es reciente para equipos con potencia activa de entrada menor de 25W. En nuestro caso, debemos aplicar los criterios que afectan a equipos de clase C. Hay que cumplir los siguientes requisitos: - El tercer armónico de corriente, expresado como porcentaje de la corriente fundamental, no debe exceder del 86% y el quinto armónico 90 dBµV 80 dBµV 70 dBµV 60 dBµV 50 dBµV 40 dBµV 30 dBµV 20 dBµV 10 dBµV 0 dBµV Att 10 dB * * RBW VBW SWT 9 kHz 100 kHz 15s 1Av Clrw 2Pk Clrw Ref 97.00 dBµV Tdf Start 150.0 kHz Stop 30.0 MHz 55015_AV.LIN 55015_QP.LIN Limit Check PASS Line 55015_AV PASS Line 55015_QP PASS Date: 15.APR.2011 13:07:13 ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 54 no debe exceder del 61%. También, la forma de onda de la corriente de entrada debe ser tal que alcance el umbral del 5% de corriente en 60º o antes, que tenga sus valor de cresta en 65º o antes y que no caiga por debajo del umbral del 5% de corriente antes de 90º, referida a cualquier paso por cero de la tensión fundamental de alimentación. El umbral de corriente es el 5% del valor de cresta absoluto más alto que tenga lugar en la ventana de medición, y las mediciones de ángulos de fase se realizan en el ciclo que incluya este valor de cresta absoluto. Observar la figura 26. Figura 25. Normativa para cumplimiento de armónicos Estos son los resultados del ensayo a plena carga. En la figura 27 se pueden observar las ondas en el osciloscopio necesarias para tomar las medidas pertinentes. En color amarillo la tensión de red y en azul la corriente de entrada. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 55 Figura 26. Señal de corriente y tensión de entrada Corriente armónica de entrada Medida Límite Armónico orden 3 28% < 86% Armónico orden 5 17% < 61% Forma de onda de la corriente de entrada Medida Límite Alcanza el 5% de corriente 25 <60º Cresta de la corriente 56.8º <65º Caida por debajo del 5% de corriente 150.7º >90º ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 56 6 CONCLUSIONES Y LINEAS DE FUTURO. 6.1 Problemas identificados y soluciones propuestas. Una vez que se han desarrollado, montado y están funcionando varios prototipos, comienza el proceso de industrialización, ensayos de funcionamiento y test para cumplir normativas. En este apartado se recogen los problemas encontrados durante los ensayos y las modificaciones de diseño que se han llevado a cabo para solucionar dichos problemas. El primer problema surge en las pruebas realizadas para comprobar que el equipo regula con distintas cargas. Para que la prueba fuese más rápida, se comienzan a cambiar las cargas sin quitar la alimentación del equipo a red. Puesto que el equipo es SELV (Safety Equivalent Low Voltage), no hay ningún riesgo para la persona en esta maniobra. Cuando se conecta el alimentador a la red sin carga, en la salida de éste se fija una tensión constante de salida. En paralelo con los bornes + y – de salida hay un condensador electrolítico con un valor alto de capacidad, esto provoca que se almacene mucha energía en dicho condensador. Si conectamos la carga de LEDs en esta situación, se produce una descarga brusca de dicha energía dando lugar a un pico de corriente de varios amperios el cual pasa a través de la carga de LEDs rompiéndola. Precisamente porque el equipo es SELV, muchos instaladores conectan los equipos a red y terminan la instalación o simplemente realizan una reposición de lámparas rotas con la tensión de alimentación conectada. No podemos vender un equipo que genere este problema, por lo que la solución propuesta es poner un limitador de corriente a la salida, que evite que la descarga brusca del condensador de salida se realice en la lámpara LED llevando a la rotura de ésta. Se ha diseñado una etapa con bipolares de forma que en condiciones normales, la corriente de los LEDs pasa de colector a emisor y por un “shunt” de corriente puesto en el emisor del bipolar que está trabajando en saturación. Cuando la ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 57 corriente es mayor de 1.2A el transistor pasa a corte y por lo tanto se abre el circuito serie de los LEDs evitando la rotura de éstos. Durante el ensayo de comprobación de cumplimiento de los límites máximos de armónicos, se detecta que el equipo no cumple con los requisitos de la normativa. El problema es que el pico de corriente de entrada esta muy desplazado hacia la derecha. Disminuiyendo la capacidad de los electrolíticos de la etapa Valley desplazamos el pico de la corriente de entrada por debajo de 65º (que es lo que exige la norma). El tercer problema aparece en el ensayo de la protección térmica del equipo. La temperatura de protección que se indica en el datasheet del driver de Fairchild es demasiado elevada (actúa cuando el circuito integrado está a 140ºC). Surgen problemas de sobretemperatura que ponen en riesgo la vida del equipo. Primero se intenta obtener una solución barata y se diseñan varios circuitos analógicos para cortar la alimentación del driver y así que deje de funcionar. El problema en todos ellos es el mismo: el ciclo de histéresis en la temperatura entre el OFF y el ON es muy corto en tiempo ya que los sensores se hacen con NTC o PTC. El resultado es que el equipo empieza a encenderse y apagarse produciendo un parpadeo en la luz. Finalmente la mejor solución, aunque también la más costosa, es poner un termostato en una de las fases de entrada. Un termostato es un componente que abre o cierra un circuito eléctrico en función de la temperatura. En nuestro caso se trata de un termostato normalmente cerrado que abre la fase cuando pasa de 105°C y como es rearmable vuelve a cerrar el circuito cuando la temperatura baja a 70°C sin necesidad de quitar la alimentación. Durante la fabricación de la preserie surge un último problema en el diseño. En la prueba de rigidez dieléctrica, salta el relé de sobreintensidad (con el límite fijado en 5mA) cuando se prueban los 3850Vac entre primario y secundario. Es decir, el equipo está fugando corriente entre primario y secundario. ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 64 7.8 ESQUEMA ELÉCTRICO ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 65 7.9 ESPECIFICACIÓN DEL TRANSFORMADOR ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 66 7.10 ANAGRAMA DE MARCAJE ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 67 7.11 DISPOSICIÓN SMD Y SERIGRAFÍAS PCB ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 68 8 CONCLUSIÓN La planificación llevada a cabo durante el desarrollo de este proyecto se encuentra dentro de los procedimientos de la empresa y resume como se ha ido desarrollando el equipo punto a punto de forma sistemática. Más allá de la formalidad de los procedimientos y documentos oficiales, tengo que decir que la realización de este proyecto me ha aportado una gran experiencia profesional y personal. Profesionalmente he aumentado mi conocimiento en la electrónica, ya que he tenido que consultar libros, apuntes, artículos y hojas de datos de fabricantes durante el diseño del equipo. Obligatoriamente he tenido que aplicarme en el manejo de la instrumentación y el uso de herramientas CAD, ya que el día a día en el laboratorio te obliga a estar en contacto con todas estas herramientas. Además, la necesidad de certificar el producto ENEC, me ha obligado a buscar y entender las normativas que aplican a los equipos de iluminación para módulos LED así como a saber realizar los ensayos necesarios para cumplir dichas normativas. Personalmente tengo que nombrar mi nueva percepción sobre la importancia de trabajar en equipo, y la diferencia entre los criterios de diseño si el producto tiene que salir al mercado o simplemente tiene que funcionar. Que trabajar en equipo es importante, no cabe duda, pero hasta que no tienes que ponerlo en práctica, no te das cuenta de la dificultad que conlleva. En este proyecto han colaborado desde los comerciales al aportar sus datos de partida para diseñar un equipo competitivo en el mercado, hasta el departamento de calidad a la hora de homologar el equipo para su introducción en producción. Sin olvidar, a producción, compras, logística e ingeniería, que en mayor o menor medida hemos tenido que colaborar para la puesta en marcha del proyecto. La coordinación y comunicación entre todos ha sido fundamental. Por otro lado, he sufrido las dificultades de tener que diseñar un producto “bueno, bonito y barato”. Es decir, técnicamente bueno, que tenga un formato lo más compacto posible, y un precio adecuado para el mercado. Que este proyecto tuviese que ser apto para ser vendido en el mercado ha hecho ALIMENTADOR DE CORRIENTE CONSTANTE PARA MÓDULOS DE LEDS 69 que el diseño fuese mucho más complicado de desarrollar. Tener un precio objetivo que cumplir significa que tienes que compensar de forma óptima la balanza calidad-precio, y eso conlleva elegir una tecnología lo más simple posible pero que funcione y dimensionar los componentes muy bien. Con todo eso, este proyecto ha sido una transición entre mi vida de estudiante y mi vida profesional, ya que ha sido el primer proyecto que he afrontado sola en ELT y con el cual he empezado mi formación profesional que espero nunca se pare.