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1 Fuente de alimentación resonante para luminarias LED de alta potencia Resumen En este trabajo se evalúan las prestaciones que ofrece una fuente de alimentación resonante LLC orientada a la aplicación de la iluminación de exteriores mediante LED. Como punto de partida se expone la actual situación del mercado de la iluminación LED a nivel mundial así como las ventajas en comparación con otros sistemas de alumbrado. Posteriormente se detalla el recorrido histórico y las características particulares que hacen del diodo LED un elemento con gran potencial de cara al futuro. Mediante un análisis de mayor profundidad se caracteriza el diodo LED elegido para la construcción de una luminaria que servirá de carga para realizar los ensayos de la fuente de alimentación diseñada. A continuación se describe la realización de un prototipo de luminaria y los resultados experimentales obtenidos. Una vez establecidas las características necesarias para la luminaria empleada como carga se pasa al estudio de las etapas de alta densidad de potencia. Primero se realiza el diseño de una etapa LLC como fuente de tensión así como el cálculo de todos los elementos necesarios para la construcción de un prototipo. El siguiente paso es el estudio de una etapa LLC como fuente de corriente. Se concluye con ensayos experimentales del conjunto Luminaria-Fuente. 2 Contenidos Resumen ........................................................................................................................................ 1 Contenidos .................................................................................................................................... 2 1 Introducción y objetivos ............................................................................................................. 4 1.1 Sistemas de alumbrado. El mercado de la iluminación ...................................................... 4 1.2 Alumbrado con LEDs. Potencialidades. Parámetros característicos. Potencias, corrientes, fabricantes ................................................................................................................................. 6 1.3 Objetivos del trabajo de Master ....................................................................................... 10 2 Caracterización de un LED a partir de su característica V-I ...................................................... 14 2.1 Modelo analítico ............................................................................................................... 14 2.2 Modelo de simulación ....................................................................................................... 14 2.3 Parámetros del LED seleccionado ..................................................................................... 16 3 Prototipo de Luminaria de 100W ............................................................................................. 18 3.1 Medida de las características eléctricas del prototipo...................................................... 18 3.2 Caracterización térmica ..................................................................................................... 19 4 Opciones de esquemas de alimentación .................................................................................. 23 4.1 Una sola etapa con PFC ..................................................................................................... 23 4.2 Dos etapas: PFC y fuente de corriente .............................................................................. 24 5 Etapas de alta densidad de potencia ....................................................................................... 25 5.1 Etapa LLC como fuente de tensión .................................................................................... 26 5.1.1 Esquema ..................................................................................................................... 26 5.1.2 Ganancia de tensión ................................................................................................... 27 5.1.3 Graficas de ganancia en Mathcad. Calculo de los elementos. ................................... 31 5.1.4 Modelo de simulación ................................................................................................ 34 5.1.5 Diseño del PCB ........................................................................................................... 34 5.1.6 Ensayos del circuito .................................................................................................... 36 5.2 Etapa LLC como fuente de corriente ................................................................................. 37 5.2.1 Esquema ..................................................................................................................... 37 5.2.2 Modelo de simulación ................................................................................................ 38 5.2.3 Ensayos del circuito .................................................................................................... 39 6 Conclusiones ............................................................................................................................. 43 Anexos ......................................................................................................................................... 44 Anexo I: Cálculo de los elementos de una fuente de tensión LLC .......................................... 44 Anexo II: Montaje luminaria .................................................................................................... 49 3 Anexo III Caracterización eléctrica experimental de la curva del diodo ................................. 52 Anexo IV Modelos de simulación en PSIM .............................................................................. 57 Anexo V Placa prototipo esquemático .................................................................................... 59 Anexo VI Algoritmo en C para la simulación analítica en PSIM del diodo .............................. 60 Anexo VII Modelo PSIM caracterización analítica del LED ...................................................... 62 Bibliografía .................................................................................................................................. 63 4 1 Introducción y objetivos 1.1 Sistemas de alumbrado. El mercado de la iluminación La iluminación mediante el uso de tecnología LED (Light-Emiting Diode) es una solución ampliamente extendida en prácticamente todos los campos en los que se requiera una fuente de luz. En el mundo actual en el que vivimos hemos asimilado como habitual la presencia de los LEDs ya que se encuentran presentes en aplicaciones tan dispares como la señalización vial, el alumbrado doméstico o la automoción. Este éxito tan repentino por encima de otros sistemas de iluminación se basa en las características propias de los LED, las cuales han conseguido desplazar en relevancia incluso a las lámparas de bajo consumo, por no hablar de las, ya casi extintas en muchos países, lámparas de incandescencia, condenadas a la desaparición a medio plazo. El único tipo de lámpara que se espera pueda perdurar es la fluorescente, debido a su fiabilidad y su ya alta eficiencia energética, las cuales le permiten contar con el apoyo del consumidor como una forma conocida y confiable de iluminación. Para poder tener una visión en perspectiva del corto plazo en el que ha tenido lugar la revolución LED podemos resumir su historia en unos pocos hitos: 1960 -Nick Holonyak crea el primer LED capaz de emitir luz en el espectro visible. Se le conoce como el padre del diodo emisor de luz 1970 -Fairchild Optoelectronics comercializa LEDs a un precio inferior a los 5 cent. €. Uso común en pantallas de calculadoras electrónicas. 1980 –Se desarrollan mejoras en eficiencia y brillo, se extiende su uso. 1990 -En 1994 Shuji Nakamura presenta el primer LED azul de alto brillo basado en el Nitruro de Galio e Indio, InGaN, el cual dará lugar al LED de luz blanca Por esta invención será premiado en 2006 con el Millennium Technology Prize [1] Actualidad –La tecnología LED es usada masivamente y se han alcanzado valores cercanos a los 200 lúmenes por vatio en laboratorio, haciéndola apta para resolver casi cualquier problema de iluminación. [2] Según las previsiones actuales la aparición de la iluminación mediante LED puede suponer una revolución similar a la que tuvo lugar en los años 30 cuando se comercializo la lámpara fluorescente. Se estima que el cambio que se va a producir en la industria de la iluminación en los próximos 5 años será mayor que el que hemos presenciado en los últimos 50. En el plazo de una década habrá conseguido hacerse con algo más del 50% del mercado global. Como dato esclarecedor las ganancias debido a la tecnología LED han supuesto unos 54 billones de dólares en 2012 aunque no se espera que este nivel se mantenga sino que se irá reduciendo hasta unos 30 billones en 2021 debido a la larga vida útil de este tipo de lámparas que hará que el mercado sufra una desaceleración. 5 En la Fig. 1 se puede apreciar la disminución prevista de beneficios que se producirá en 2013 y los años siguientes en los diferentes mercados. Fig. 1. Ingresos por regiones en el mercado de la iluminación, 2011-2021 [3] La cuota de mercado aproximado del LED era de un 2% en 2011 pero las previsiones estiman que alcanzara hasta un 52% en la próxima década, por el contrario las lámparas incandescentes y los tubos fluorescentes menos eficientes como los T8 y T12 habrán reducido su presencia drásticamente. Fig. 2. Ingresos por tipo de tecnología en el mercado de la iluminación, 2011-2021 [3] Su amplia implantación y el previsible aumento de la demanda harán que los costes de esta tecnología se reduzcan entre un 80 y un 90% en la próxima década, tal como muestra la Fig. 2. Los cálculos estiman que el ahorro potencial es global es enorme, en un país como Estados 6 Unidos el cual representa el 20% del consumo mundial de energía eléctrica, representaría 40 mil millones de dólares por año. [4] 1.2 Alumbrado con LEDs. Potencialidades. Parámetros característicos. Potencias, corrientes, fabricantes Comparativamente la iluminación mediante LEDs presenta unas incontestables ventajas respecto a los sistemas de iluminación usados en el último siglo en cuanto a una serie de parámetros. -Gran valor de Lm/W La luz es energía electromagnética cuya longitud de onda está en el rango visible. La Fig. 3 muestra que solamente una pequeña parte de la energía aplicada se transforma en luz. Fig. 3. Perdidas de energía Una fuente de luz queda caracterizada por la energía de su espectro. Al ser una energía, se puede medir en unidades del sistema internacional. Para ello necesitamos un instrumento de medida capar de traducir la radiación en vatios, se trata de un instrumento radiométrico. Si utilizamos el ojo como sensor, debido a que se comporta como un filtro paso banda, la potencia radiométrica se traduce en una menor potencia ocular detectada, que llamaremos potencia fotométrica. Para comparar ambas escalas radiométrica y fotométrica utilizamos 1W (información radiométrica) de radiación verde de 555nm y le asignamos un valor de 683 Lúmenes (información fotométrica). El término Lm/W relaciona el flujo luminoso, o número de lúmenes emitidos, y los vatios de potencia consumida. En comparación, una bombilla basada en tecnología LED puede iluminar lo mismo que una convencional utilizando potencia hasta 10 veces menor. [5] En laboratorio se han alcanzado valores de hasta 170 Lm/W [6] 7 -Alto CRI El CRI, o “color rendering index”, típico de una luminaria LED es de un valor próximo a 90. El CRI es una medida que cuantifica de cero a cien la capacidad de una fuente de luz de reproducir los colores fielmente en comparación con una fuente de luz ideal. Se considera como luz ideal la que es similar a la emitida por un cuerpo negro a 6000°K. [5] -Larga vida útil La vida útil de un LED es un valor que no se mide por el número total de horas que puede estar encendido antes de apagarse, si no por el número de horas que es capaz de estar encendido emitiendo un flujo luminoso superior al 70% del valor inicial. El valor medio de vida de un LED indicado por los fabricantes es de unas 50.000 horas, el cual suele venir limitado no por la vida del LED en sí, si no por otros componentes como la fuente de alimentación y el recubrimiento plástico de la óptica. Una buena disipación del calor es fundamental para tener una vida útil lo más prolongada posible. -CCT Si el color de una fuente de luz es prácticamente similar al color que adquiere el cuerpo negro a temperatura T se dice que la temperatura de color de esta fuente de luz es T. La distribución espectral del cuerpo negro viene dada por la ley de Plank 𝑃(𝜆,𝑇)=𝐶1∙𝜆−5∙(𝑒𝐶2 𝜆𝑇−1)−1 Donde T es la temperatura absoluta del cuerpo negro, 𝜆 es la longitud de onda, 𝐶1 y 𝐶2 son constantes. 𝑃(𝜆,𝑇) representa el flujo radiante emitido por unidad de área y por intervalo de longitud de onda. Un LED da un espectro diferente de el del cuerpo negro. Aquella temperatura del cuerpo negro cuyo color es próximo al del LED se denomina como CCT, correlated color temperature. -Angulo de emisión Angulo de emisión es aquel en que, con respecto a la dirección de máxima radiación, la intensidad se reduce un 50%. -Encendido instantáneo A diferencia de otros sistemas de iluminación, la tecnología LED ofrece desde el mismo instante en que se enciende, color constante y luz máxima. Esta característica lo hace óptimo para la iluminación de lugares en los que se enciende y apaga la luz con mucha frecuencia o en los que se requiere una respuesta rápida. 8 -Funcionamiento a baja tensión Debido a su alta eficiencia los LED son capaces de funcionar usando tensiones muy bajas y generar unos resultados similares a lámparas tradicionales con un consumo de potencia mucho mayor. Para obtener esas tensiones de funcionamiento se ha de recurrir a etapas transformadoras de tensión que adapten la tensión de alimentación a los valores requeridos. En resumen, tras conocer sus parámetros característicos podemos apreciar que el uso de LEDs para iluminación tiene unas claras ventajas como son: gran fiabilidad, mayor eficiencia energética, robustez constructiva debido a su simplicidad, versatilidad al permitir su implementación en todo tipo de situaciones, capacidad de dar una respuesta rápida y como consecuencia de todo lo anterior un menor impacto ecológico. Para completar esta visión sobre la tecnología LED detallaremos los componentes básicos de un LED típico y las características que nos ofrece el fabricante sobre el LED elegido para este proyecto. La anatomía básica de un LED común según nos detalla el fabricante Phillips se muestra en la Fig. 4: Fig. 4. Sección de un diodo LED común [2] Chip LED Cable de unión Chip-disipador Disipador de calor Encapsulante 9 Fig. 5. Diodo LED común [2] Como se aprecia en las Fig. 4 y Fig. 5 la estructura un LED está compuesta por unos elementos básicos que, si bien pueden variar en diseño y morfología, en líneas generales son comunes a todos los dispositivos de este tipo. En el núcleo encontramos el chip LED el cual al ser sometido al paso de una corriente emitirá luz, este chip está rodeado por un encapsulante que permite pasar la luz y que separa al chip de la estructura metálica utilizada para disipar el calor. El chip se conectara a esta estructura usando unos pequeños cables de unión. En función de las características del LED puede llegar a ser necesario un disipador mayor, que radie el calor al exterior. Este factor es crítico ya que la vida útil y prestaciones de estos dispositivos van relacionadas de forma directa con la temperatura de funcionamiento. Básicamente el objetivo es que la luz sea radiada por la parte superior y el calor conducido por la inferior. Finalmente todo el producto está rodeado de una carcasa de la que surgen sus contactos eléctricos y en la parte superior se encuentra una lente que concentra el haz de luz direccionándolo hacia el exterior. Como ejemplo real utilizaremos uno de los modelos de LED del fabricante Multicomp, el cual es el dispositivo elegido para las pruebas realizadas en este proyecto. Las características principales del chip LED seleccionado se muestran en la Tabla I y en la Fig. 6. Lente Contactos Carcasa 16 inversa baja la posición del codo de la curva. El ajuste de la pendiente se realiza con el valor de la resistencia serie. El aumento de la resistencia se traduce en un aumento de la pendiente. Fig. 11. Comparación entre las características V-I del fabricante (azul) y de la ecuación analítica (rojo), obtenidas con una temperatura de la unión de 25ºC En el Anexo VI se muestra el algoritmo que modela en código C el bloque que simula analíticamente el diodo. 2.3 Parámetros del LED seleccionado Una vez realizada la simulación y el ajuste de parámetros se obtienen los valores siguientes: Factor de eficiencia propio del InGaN: 𝜂= 3 Resistencia serie del diodo: 𝑅𝑠=400 ∗𝐸−3 Ω Resistencia paralelo del diodo: 𝑅𝑝= 1 ∗𝐸6 Ω Corriente de saturación inversa en ensayo a 25°C: 𝐼𝑠25 =40 ∗𝐸−21 𝐴 Coeficiente de temperatura de la corriente de saturación inversa: 17 𝑚=15 ∗𝐸−1 Tensión del gap del InGaN/Sapphire 𝑉𝐺𝑂= 3,42𝑉 -Análisis de los resultados: Los parámetros resultantes del ajuste dan lugar a una tensión de gap 𝑉𝐺𝑂= 3,42𝑉 que resulta exagerado con respecto a la información facilitada en la literatura en que 𝑉𝐺𝑂= 2,95𝑉. Ello indica que la curva facilitada por el fabricante es errónea. Para confirmarlo se realiza un ensayo eléctrico a una cadena de 13 LEDs en serie. En el Anexo III se describe el proceso de caracterización eléctrica en PSIM que se ajusta a los datos experimentales. Los resultados obtenidos son los siguientes: 𝜂= 3 𝑅𝑠=248 ∗𝐸−3 Ω 𝑅𝑝= 1 ∗𝐸6 Ω 𝐼𝑠85 =98 ∗𝐸−6 𝐴 𝑚=15 ∗𝐸−1 𝑉𝐺𝑂= 2,95 𝑉 Con estos valores disponemos de un modelo de simulación del LED con el que podemos reproducir escenarios de funcionamiento y obtener el modelo de luminaria con los 98 LEDs ya que el modelo permite además simular una cadena de LEDs en serie y la conexión de varias cadenas en paralelo. Asimismo se puede incorporar el modelo de la luminaria en un esquema PSIM que incluye el modelo de la fuente al completo para comprobar las especificaciones de diseño sin necesidad de usar el montaje físico real. 18 3 Prototipo de Luminaria de 100W El prototipo de luminaria que se ha construido como carga para la etapa de alimentación diseñada y construida en este proyecto consiste en una placa de circuito con 7 ramas con 14 LEDs en cada una, con una potencia total de aproximadamente 100W. Para el correcto funcionamiento de la luminaria es necesario evacuar el calor generado, por ello la placa de circuito va acoplada a un radiador de aluminio. Para la construcción de este prototipo se han realizado una serie de ensayos para establecer cuáles eran las dimensiones adecuadas de los elementos del montaje. 3.1 Medida de las características eléctricas del prototipo La medida de las características eléctricas fue realizada alimentando el prototipo con corriente constante (Fig. 12).Para ello se usa la simulación para reproducir los valores del ensayo y para estimar el comportamiento en otras condiciones. Para llevar a cabo las pruebas experimentales se ha conectado la luminaria a una fuente de potencia y se la ha sometido a una corriente de 2,45A con una tensión resultante de capsula de unos 45V obteniendo la siguiente tabla: Tabla IV. Datos recogidos en el ensayo de la luminaria prototipo Tiempo (s) Tensión (V) intensidad (A) Potencia (W) Temperatura (°C) 0 45,5 2,451 111,5205 21,70 120 45,2 2,451 110,7852 24,13 480 44,7 2,451 109,5597 42,38 660 44,6 2,451 109,3146 49,11 Fig. 12. Montaje ensayo luminaria prototipo Como se puede apreciar conforme se produce el aumento de la temperatura la tensión baja ligeramente y con ella la potencia, ello se debe a que la tensión de la unión se reduce con la temperatura. 19 3.2 Caracterización térmica La evolución de la temperatura se modela con un transitorio de primer orden que se mantiene en el tiempo hasta que alcanza un punto en el que se hace fija y alcanza un valor estacionario. A la hora de hacer este ensayo experimental se utilizan dos termopares colocados en el radiador en posición simétrica y además se ha controlado la aparición de puntos críticos mediante una cámara termográfica. El control de temperatura mediante la cámara termográfica (Fig. 13) reveló que ciertos LEDs no disipaban bien el calor que generaban calentándose más que el resto, alcanzando temperaturas cercanas a los 75°C que marca el fabricante como temperatura máxima de operación. Esto se debe a que la diferencia de presión debida al apriete de los tornillos ha dado lugar a una resistencia térmica local superior en ciertos puntos. Fig. 13. Imagen termográfica de la luminaria prototipo durante el ensayo Este ensayo también arroja la siguiente información: -La temperatura de un LED bien refrigerado es de unos 2 grados por encima de la temperatura del radiador. -El LED más crítico se encuentra a 12 grados por encima de la temperatura del radiador. Esto nos indica que el contacto con el radiador ha de ser lo más uniforme posible ya que un LED mal acoplado en una prueba real se habría calentado hasta quemarse. Dado que las limitaciones del prototipo no nos permitieron alcanzar el punto en el que la temperatura se estabiliza utilizamos los datos recogidos durante el ensayo para realizar una estimación. Para el cálculo de la característica térmica del radiador representamos gráficamente la variación de temperatura a lo largo del tiempo recogida por los dos termopares. LED con problemas de refrigeración LED refrigerado correctamente 20 Fig. 14. Variación de la Tª frente al tiempo medida en los dos termopares acoplados al radiador La Fig. 14 muestra la temperatura alcanzada en función del tiempo. Como era de esperar los dos termopares nos ofrecen unos valores prácticamente idénticos, también podemos apreciar que hasta los 90 segundos de ensayo no se produce ninguna variación de temperatura, esto es debido a que no se comienza a aplicar tensión al sistema hasta ese momento. Este tiempo de 90 segundos será considerado como el ‘tiempo cero’ en los cálculos. La caracterización térmica se ha llevado a cabo mediante el uso de la siguiente ecuación que relaciona la temperatura en función del tiempo: 𝑇(𝑡) = 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙+ (𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙−𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙)𝑒−(𝑡−𝑡𝑐𝑒𝑟𝑜) 𝜏 Donde 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 es el valor que alcanza la temperatura cuando el sistema se estabiliza 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 es el valor de la temperatura del montaje al inicio del ensayo, o en otras palabras, la temperatura ambiente. 𝑡 es el valor del tiempo 𝑡𝑐𝑒𝑟𝑜 es el valor del tiempo desde que comenzamos a tomar datos hasta que conectamos la tensión. 𝜏 Constante de tiempo térmica 0 10 20 30 40 50 60 0 45 90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720 765 Temperatura (ºC) Tiempo (s) Ensayo Térmico Radiador Luminaria Canal_1 Canal_2 21 De esta ecuación conocemos el valor de 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙, 𝑡, 𝑡𝑐𝑒𝑟𝑜 por lo que para realizar el ajuste variaremos el valor de 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 hasta que la representación gráfica sea lo más parecida posible. La Fig. 15 muestra el resultado. Fig. 15. Variación de la Tª frente al tiempo medida en los dos termopares acoplados al radiador y grafica del ajuste. El valor de 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 necesario para alcanzar el ajuste es de 79,5°C y la constante de tiempo es 900s, lo cual nos indica que hemos de aumentar la capacidad disipativa del radiador, ya que la temperatura de capsula máxima de operación de los LEDs según el fabricante es de 75°C. Con este dato podemos calcular cual sería el radiador necesario para poder realizar un ensayo en condiciones nominales sin riesgo de quemar los LEDs, para ello establecemos los siguientes parámetros. 𝑇max𝐿𝐸𝐷=75°𝐶 Limitada por el fabricante. 𝑇max𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟=73°𝐶 Dos grados menor que la temperatura del LED, valor deducido experimentalmente. 𝑇ambiente𝑚𝑎𝑥=45°𝐶 Suponemos una temperatura ambiente extrema. Para calcular el nuevo radiador partimos del radiador que ya tenemos. El primer dato que calculamos es su resistencia térmica: 0 10 20 30 40 50 60 0 45 90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720 765 Temperatura (ºC) Tiempo (s) Ensayo Térmico Radiador Luminaria Canal_1 Canal_2 ajuste 22 𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 1=(𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙−𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =79,5 −22,25 111,5205 = 0,51 °𝐶 𝑊 Ahora a partir de los datos establecidos para el nuevo radiador calculamos la 𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 2 del nuevo radiador 𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 2=(𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙−𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =73 −45 111,5205 = 0,25 °𝐶 𝑊 Por lo tanto la relación entre un radiador y otro será 𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 1 𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 2=0,51 0,25 = 2,04 Es decir, que un radiador el doble de grande del que se utilizó para el prototipo permitiría llevar a cabo un ensayo en el que se alcanzara una temperatura final que no supusiera un peligro para los LED. 23 4 Opciones de esquemas de alimentación 4.1 Una sola etapa con PFC A la hora de diseñar el sistema de alimentación para la aplicación que nos ocupa se nos presentan diferentes opciones, la primera de ellas es alimentar el circuito con una sola etapa que incluya un corrector del factor de potencia. El integrado que analizaremos es el LT3799 del fabricante Linear Technology ya que esta específicamente diseñado para ser utilizado como driver para aplicaciones LED (Fig. 16). Las etapas flyback tienen limitada su capacidad de dar potencia por el elevado valor eficaz de la corriente que se impone sobre el condensador y el diodo de salida. Por ello su uso esta limitado a potencias inferiores a 100W. Fig. 16. Encapsulado del integrado LT3799 [9] Este integrado es un convertidor AC-DC flyback con corrector del factor de potencia. Se puede utilizar con potencias de salida desde 4 hasta 100W siendo su tensión de salida limitada por los componentes a los que se conecte. Es una etapa de alta eficiencia, la cual configurada para 220V de tensión de entrada, ofrece un valor de eficiencia de aproximadamente un 84%. Según podemos ver en las especificaciones del datasheet (Fig. 17) la corriente de salida en cualquiera de las posibles tensiones de entrada y configuraciones alcanza valores ligeramente superiores a 1A. Fig. 17. Graficas de la relación Vin-Iled para diferentes configuraciones [10] Observando estos datos vemos que a pesar de ser un driver para uso con LED está en el límite de los requerimientos de intensidad calculados anteriormente para nuestro proyecto. No obstante se trata de la mejor opción del mercado para potencias inferiores a 90 W. 24 En el datasheet se plantean diferentes tipos de configuración (Tabla V) las cuales dependiendo del transformador que se utilice nos van a dar como resultado distintos valores de tensión y corriente a la salida. Tabla V. Características de los diferentes trafos ofrecidos por el fabricante. [10] 𝑵𝒑𝒔𝒂 𝑽𝒐𝒖𝒕 (V) 𝑰𝒐𝒖𝒕 (A) 𝑷𝒐𝒖𝒕 (w) 1:0.24:0.24 22 1 22 6.67:1:1.67 10 0.4 4 20:1:5 3.8 1.1 4.18 6:1:1 18 5 90 4:1:0.71 28 0.5 14 8:1:1.28 14 1 14 1:1:0.24 85 0.4 34 1:1:0.22 90 1 90 1:1:0.17 125 0.32 40 72:16:10 30 0.5 15 Atendiendo a estos valores comprobamos que no producen la potencia necesaria para nuestra aplicación. Por ejemplo utilizando el transformador con la relación de espiras 6:1:1 podríamos alimentar una luminaria compuesta por 14 ramas de 5 LEDs cada una, haciendo una suma total de 70 LEDs, la cual, aun siendo una buena aproximación, todavía se quedaría lejos de nuestro objetivo. 4.2 Dos etapas: PFC y fuente de corriente Como se ha concluido previamente, no hay en el mercado estudiado una etapa que cubra todas nuestras necesidades de forma específica, por lo que el siguiente paso es utilizar la combinación de dos elementos para conseguir nuestro objetivo. (Fig. 18) El primero de estos elementos es el corrector de factor de potencia, el cual permitirá tener a la salida del mismo un bus de DC al cual conectar una fuente de corriente, de manera que las características combinadas del uso conjunto de las dos dando como resultado un sistema capaz de ofrecer una alta potencia a la salida. El corrector del factor de potencia se impone para potencias superiores a 75W con el fin de cumplir la norma de armónicos (IEC-61000-3-2). La demanda de potencia para luminarias con LED se sitúa en potencias superiores a 100W, por ello se requiere disponer de etapas de alta eficiencia y densidad de potencia en este rango de necesidades. Fig. 18. Esquema del montaje de una etapa PFC + Fuente de corriente 25 5 Etapas de alta densidad de potencia En el siguiente paso en la búsqueda de una solución para nuestros requerimientos de potencia a la salida vamos a estudiar la etapa configurada como un semipuente resonante LLC, para la cual se dispone de un circuito integrado específico del fabricante Fairchild Semiconductor junto con una nota de aplicación AN-4151 para facilitar el diseño. [11] La etapa LLC y su dual LCC utilizan la resonancia para hacer conmutaciones con tensión nula o con corriente nula permitiendo aumentar la eficiencia al reducir las pérdidas de conmutación. La Fig. 19 muestra la disposición de los componentes Fig. 19. Diagrama del circuito de una etapa LLC resonante [12] Los dos transistores de potencia están integrados en la capsula del circuito y tienen capacidad para controlar las corrientes demandadas por la aplicación. La resonancia serie-paralelo quiere decir que uno de los elementos de la resonancia (bobina o condensador) se duplica y se disponen, uno en serie con la carga y otro en paralelo con la carga. En la Fig. 19 hay una bobina en paralelo con la carga y otra en serie con la misma. En la Fig. 20 hay un condensador en paralelo con la carga y otro en serie con ella. En ambas figuras, la carga está representada por el primario del transformador. Cuando se comparan las configuraciones hibridas LLC o LCC con las configuraciones simples LC (serie o paralelo) las configuraciones hibridas ofrecen mejor regulación de tensión y mejor comportamiento en situaciones de circuito abierto y cortocircuito. [13] 32 Fig. 26. Grafica de la ganancia con trafo ideal para diferentes valores de Q. En resonancia todas las curvas pasan por el mismo punto. Siguiendo el mismo planteamiento a partir de la expresión de la ganancia para el trafo real podemos representar gráficamente (Fig. 27) el resultado para diferentes valores de 𝑄 y frecuencia. 𝑀=𝜔2 𝜔02(𝑚−1)∙𝑀𝑣 𝜔2 𝜔𝑝2−1 + 𝑗∙�𝜔2 𝜔02−1�∙𝜔 𝜔0∙(𝑚−1)∙𝑄∙𝑀𝑣2 En resonancia la ganancia es 𝑀𝑣=�𝑚 𝑚−1 𝐶𝑜𝑛: 𝑚=𝐿𝑝 𝐿𝑟 33 Fig. 27. Grafica de la ganancia con trafo real. En esta grafica se han añadido las rectas horizontales M_min y M_max para mostrar el rango en que debe variar la frecuencia para atender los casos en que la tensión del bus es máxima y mínima respectivamente. El cálculo de todos los elementos y valores resultantes del diseño se justifican en el Anexo I. Los datos de la tabla VI son un resumen de los mismos. Tabla VI. Resumen del cálculo de elementos Nombre Sigla Valor Potencia de salida 𝑃𝑜 101,319𝑊 Rendimiento 𝜇 0,92 Frecuencia resonancia 𝑓𝑠 100 𝐾𝐻𝑧 Ganancia a V max 𝑀𝑚𝑖𝑛 1,118 Factor de calidad 𝑄𝑟 0,4 Tensión Bus 𝑉𝑏𝑢𝑠 400 𝑉 Ganancia en resonancia 𝑚 5 Omega resonancia 𝜔0 2∙𝜋∙100𝐾𝐻𝑧 Omega polo 𝜔𝑝 2∙𝜋∙44,721𝐾𝐻𝑧 Condensador resonante 𝐶𝑟 10𝑛𝐹 Inductancia resonante 𝐿𝑟 238 𝜇𝐻 Inductancia resonante p 𝐿𝑝 1,19𝐸3 𝜇𝐻 Resistencia Soft Start 𝑅𝑆𝑆 4,7 𝐾Ω Condensador Soft Start 𝐶𝑆𝑆 1,509 𝜇𝐹 Frecuencia Soft Start 𝑓𝑖𝑆𝑆 237,1 𝐾𝐻𝑧 34 5.1.4 Modelo de simulación Para la simulación se realizó en PSIM un modelo de la fuente. Fig. 28. Modelo de simulación PSIM fuente LLC Un esquema ampliado del mismo y su descripción se encuentra en el Anexo IV 5.1.5 Diseño del PCB El diseño PCB se ha realizado teniendo en cuenta que el circuito tiene dos partes que funcionan a diferente tensión las cuales deben encontrarse, en la medida de lo posible, separadas al máximo ya que los componentes de la parte de alta tensión pueden generar ruido eléctrico que interfiera en el funcionamiento de la parte de baja. Como se puede comprobar en la Fig. 29 se pueden ver dos partes claramente diferenciadas, izquierda y derecha, separadas por el transformador. También se ha tenido muy en cuenta la conexión en paraguas de las pistas de baja señal y las de potencia. 35 Fig. 29. PCB Cara superior Otra pauta que se siguió fue el intentar que las líneas entre los componentes SMD fueran lo más cortas posibles. Para la realización de toda la placa se aprovecharon las posibilidades que ofrecía usando las dos capas quedando el aspecto de la capa inferior de la manera mostrada en la Fig. 30. Fig. 30. PCB Cara inferior La Fig.31 muestra el aspecto de la fuente construida con el “layout” de los componentes. 36 Fig. 31. Vista superior placa prototipo 5.1.6 Ensayos del circuito Los ensayos realizados con la placa prototipo son los siguientes. -Frecuencia mínima antes de regulación (Fig. 32): La salida de la fuente está conectada a una carga de resistencias de potencia de valor 10 Ω. Se aumenta la tensión 𝑉𝑏𝑢𝑠 hasta el máximo valor que mantiene la frecuencia en su mínimo. En el punto en el que la frecuencia comienza a aumentar se toman datos acerca del estado del sistema, los datos recogidos son: 𝑉𝑏𝑢𝑠=257.5 𝑉 𝑓=70,3 𝐾𝐻𝑧 Fig. 32. Ensayo tensión máxima antes de regulación. Amarillo, corriente en la carga. Verde, tensión del secundario del transformador de salida. 37 -Frecuencia de trabajo a 𝑉𝑏𝑢𝑠=400 𝑉 La salida de la fuente está conectada a una carga de resistencias de potencia de valor 10 Ω. Se aumenta la tensión 𝑉𝑏𝑢𝑠 hasta que alcanza la tensión de 400 V y se recogen los valores obtenidos (Fig. 33). 𝑉𝑏𝑢𝑠=400 𝑉 𝑓=106,4 𝐾𝐻𝑧 𝑉𝑜=24,8 𝑉 (𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒) 𝐼𝑜= 2,16 𝐴 Fig. 33. Ensayo a tensión de bus de 400V. Amarillo, corriente en la carga. Verde, tensión del secundario del transformador de salida 5.2 Etapa LLC como fuente de corriente A partir de la estructura de la etapa LLC como fuente de tensión se implementa un circuito que permite que la fuente pase a funcionar como fuente de corriente. Para convertir la fuente en modo tensión a modo corriente se añade un regulador shunt para limitar al corriente en paralelo con el shunt regulador de la tensión. Con ambos reguladores se realiza la función “OR” uniendo sus ánodos de tal manera que la regulación de la frecuencia la realiza aquel regulador que primeramente resulte activado por el parámetro sensado (corriente de carga o tensión de salida). Se ajustan los reguladores para que entre primero la limitación de corriente y, en caso de circuito abierto entre la regulación de la tensión. La tensión a regular se establece en 1V superior a la tensión máxima de salida requerida por la luminaria. 5.2.1 Esquema El circuito que permite el funcionamiento de la etapa como fuente de corriente consiste en un regulador shunt TL411 acoplado a una resistencia de sensado de valor 1,11 Ω sobre la que pasa la corriente de la carga que conectamos a la etapa (Fig. 34). 38 Primeramente se utiliza una resistencia de 10Ω para verificar la limitación en intensidad y posteriormente se sustituye la resistencia por la luminaria de LEDs. Fig. 34. Esquema circuito etapa LLC funcionando como fuente de corriente. En el recuadro se muestra el regulador shunt que limita la corriente. 5.2.2 Modelo de simulación El modelo de simulación realizado en PSIM se muestra en la Fig. 35. Fig. 35. Esquema PSIM fuente LLC como fuente de corriente con carga de LEDs (7 ramas x 14 LEDs por rama) Incluye el oscilador (1), la etapa de potencia (2), la carga de LEDs (3), reguladores shunt (4) y temperatura de la unión (5). 1 2 3 4 5 39 5.2.3 Ensayos del circuito -Ensayo a 𝑉𝑏𝑢𝑠=400𝑉 La salida de la fuente está conectada a una carga de resistencias de potencia de valor 10 Ω. Se aumenta la tensión 𝑉𝑏𝑢𝑠 hasta que alcanza la tensión de 400 V y se recogen los valores obtenidos (Fig. 36). 𝑉𝑏𝑢𝑠=400 𝑉 𝑓=106,4 𝐾𝐻𝑧 𝐼𝑜= 2,25 𝐴 𝑉𝑜=23,88 𝑉 𝑉𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠=21,45 𝑉 𝑉𝑅 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜= 2,24 𝑉 Fig. 36. Ensayo de la limitación de corriente con carga resistiva de 10Ω -Ensayos de pérdida de ciclo (“skipping”) Para limitar la corriente se reduce la ganancia de la etapa aumentando la frecuencia de oscilación. Si se agota el rango de regulación (𝑓=𝑓𝑚𝑎𝑥) y no se consigue el objetivo, la etapa suspende la oscilación hasta que la perturbación desaparece. Es decir, se pierden ciclos (“skipping”) y la tensión de salida baja. Para forzar la perdida de ciclo se han realizado dos ensayos En el primero la tensión de bus es de 370 V con la salida en circuito abierto. En este ensayo el sistema se encuentra en estado de skipping permanente ya que no hay carga a la salida. Esto provoca que la tensión de salida sea tan alta que el regulador de tensión pide máxima frecuencia. Al conectar las resistencias a la salida abandona el skipping y al momento lo recupera. (Fig. 37) 40 Fig. 37. Ensayo de pérdida de ciclo. Verde, tensión de salida que provoca perdida de ciclo. Amarillo, corriente en la carga. Morado, tensión en el secundario del transformador cuando se activa un solo ciclo de oscilación. Si realizamos la observación durante un tiempo mayor obtenemos la gráfica de la Fig. 38: Fig. 38. Ensayo skipping con mayor tiempo observado Se observa la recuperación de la oscilación después de 4 intentos. -Ensayos de aumento de carga La salida de la fuente está conectada a una luminaria que de 49 LEDs distribuidos en 7 ramas con 7 LEDs por rama. Para que funcione en régimen nominal es necesario alimentar la luminaria a 21V y una corriente de 2,45 A. 41 En el ensayo se aumenta la tensión 𝑉𝑏𝑢𝑠 hasta que alcanza la tensión de 400 V y la corriente de la luminaria se establece en el valor programado de 2,45 A. En ese momento se conecta en paralelo a la luminaria una carga de resistencias de potencia de valor 20 Ω. Se pretende observar la reacción del sistema y el pico de corriente resultante de este aumento de carga. Al conectar la resistencia le hubiera correspondido incrementarse la corriente en 𝑉𝑜 20Ω=23,88𝑉 20Ω = 1,19𝐴 No obstante, el incremento observado es de 2,8𝐴−2,45𝐴= 0,35𝐴 Esto se debe a que los LEDs han reducido su consumo debido a su sensibilidad antes los cambios de tensión. Fig. 39. Ensayo luminaria con conexión de una carga resistiva adicional de 20Ω En la Fig. 39 se observa que al conectar la resistencia de potencia de valor 20Ω en paralelo a la luminaria se produce un pico de corriente que activa la protección de corriente que incluye la fuente entrando en modo “skipping” en un solo ciclo de oscilación. Se observa que el ancho del pulso alcanza primero su valor mínimo (máxima frecuencia) y posteriormente desaparece la oscilación. Si aumentamos el tiempo observado obtenemos la Fig. 40 donde se observa el pico completo y su atenuación. La corriente decae durante 1,85ms hasta su valor nominal. 48 -Protección y sensado de la corriente El filtro RC de sensado de la corriente se elige con una constante de tiempo del 1/100 a 1/20 veces el periodo de conmutación Corriente de protección 𝐼𝑜𝑐𝑝= 1,5 𝐴 Representación interna del umbral de protección 𝑉𝑜𝑐𝑝= 0,6 𝑉 𝑅𝑠𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜=𝑉𝑜𝑐𝑝 𝐼𝑜𝑐𝑝 = 0,4 Ω Constante de tiempo del filtro 𝑅𝑐=1 100 ∙1 𝑓𝑜= 1,012 ∙10−7𝑠 Elegimos arbitrariamente 𝑅𝑓= 1𝐾Ω 𝐶𝑓=�𝑅𝑐 𝑅𝑓∙1 𝑝𝐹�∙𝑝𝐹=101 ∙𝑝𝐹 Para calcular las ganancia en Mathcad primero determinamos el rango en el que se van a encontrar las ganancias en resonancia. Sabiendo que la relación entre 𝐿𝑝 y 𝐿𝑟 se halla en un valor entre 3 y 7 tomamos: 𝑚= 5 Calculamos 𝑀𝑚𝑖𝑛 y 𝑀𝑚𝑎𝑥 a la frecuencia de resonancia 𝜔0 𝑀𝑚𝑖𝑛=�𝑚 𝑚−1= 1,118 𝑀𝑚𝑎𝑥=𝑀𝑚𝑖𝑛∙𝑉𝑏𝑢𝑠 𝑉𝑖𝑛 𝑚𝑖𝑛= 1,118 ∙400𝑉 372𝑉= 1,2 Hallamos el resto de valores necesarios para realizar la representación gráfica: 𝑓𝑠=100𝐾𝐻𝑧 𝑓𝑝=𝑓𝑠 √𝑚=44,7𝐾𝐻𝑧 𝜔0= 2 ∙𝜋∙𝑓𝑠 𝜔𝑝= 2 ∙𝜋∙𝑓𝑝= 2,81 ∙105∙𝑟𝑎𝑑 𝑠 Introduciendo los datos anteriores en la expresión que representa la relación entre la tensión AC de entrada al trafo y la tensión AC de salida del semipuente podemos hallar una representación gráfica en función del factor de calidad 𝑄 y la frecuencia. 49 Anexo II: Montaje luminaria La luminaria construida para los ensayos con carga consta de 98 LEDs montados sobre una placa atornillada a un radiador de aluminio para disipar el calor generado. La Fig. 42 muestra la matriz de LEDs soldados sobre una placa de circuito impreso. La Fig. 43 muestra el radiador de aluminio que sirve de soporte. La Fig. 44 muestra la placa del circuito impreso con las perforaciones para que el fondo del LED apoye sobre el radiador de aluminio. La Fig. 45 y la Fig. 46 muestran el anverso y el reverso de la placa de soporte con los LEDs soldados. La Fig. 47 muestra el montaje final. Fig. 42. Detalle LED y placa de montaje Fig. 43. Radiador de aluminio 50 Fig. 44. Apariencia de un LED antes del montaje final Fig. 45. Placa con los LED soldados Fig. 46. Detalle parte inferior de la placa 51 Fig. 47. Montaje final 52 Anexo III Caracterización eléctrica experimental de la curva del diodo Al contrario de lo que sucede con la información facilitada por Cree, se observa que la información facilitada por Multicomp respecto al diodo utilizado en la plataforma experimental no coincide con la información obtenida en el laboratorio. En consecuencia, se ha procedido a obtener esta información por medios experimentales. -Montaje para la caracterización experimental de la curva V-I del diodo: a) Se utiliza una cadena de 13 LEDs Multicomp tipo 703-0142 5000K de 1W, conectados en serie. b) Se disponen sobre un radiador de elevada inercia térmica c) Se aplica progresivamente una tensión creciente y se mide la característica V-I. d) Cuando se alcanzan una corriente de 400mA con una tensión en 39,53V, ésta se mantiene constante y se espera a que el sistema alcance su equilibrio térmico. e) La gráfica adjunta muestra los valores obtenidos por cada diodo. Fig. 48. Relación V-I diodo f) Cuando se alcanza el estado estacionario se toma una foto térmica como indica la Fig. 49. 1 11 30 49,7 100,5 149,2 200,3 250,4 302 351,1 401,3 416,8 433,8 445,6 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 2,4 2,6 2,8 33,2 V_I_Led V_I_Led 53 Fig. 49. Imagen termográfica del prototipo Tabla VIII. Detalle de temperatura según zona Zona Temperatura Punto central 36,3°C Más caliente 49,5°C Más Frío 19,0°C El perfil de temperaturas mostrado a lo largo de la línea de la Fig. 49 se muestra en la Fig. 50. Fig. 50. Perfil de temperaturas de la línea en la termografía 54 g) Con una temperatura media de cápsula de 38,4°C se ajusta una curva de diodo que pase por el punto (39,53V, 445,6mA). Hay que tener en cuenta la temperatura de la unión que se obtiene mediante cálculo teniendo en cuenta la potencia disipada y la resistencia térmica (R_th=15°C/W) dada por el fabricante. h) La gráfica resultante se muestra en la Fig. 51 siguiente con una temperatura de unión de Tj=108,77°C. Fig. 51. Característica V-I del diodo Multicomp 1W 703-0142 5000K con una temperatura de capsula de 38,4°C. En rojo: tensión en terminales. En verde: Tensión de la unión. En azul: comparación con la tensión entre terminales de un diodo Cree xp-E2 a una temperatura de unión de Tj=85°C i) Los resultados del ajuste son 𝑛𝑖= 3 Resistencia serie 𝑅𝑠=248𝐸−3Ω Resistencia paralelo 𝑅𝑝= 1𝐸6Ω Corriente de saturación inversa a 85°C 𝐼𝑠85 =98𝐸−16𝐴 Coeficiente de Temperatura 𝑚0 = 15𝐸−1 Tensión de gap 𝑉𝑔0 = 295𝐸−2𝑉 55 La dependencia con la temperatura de la unión se muestra en la Fig. 52. Fig. 52. Curva V-I del diodo en cuatro valores de la temperatura de unión. Naranja: 25°C; Azul: 45°C; Marrón: 65°C; Verde: 85°C. Se ha incluido dos rectas que representan la corriente nominal de 350A y la corriente máxima de 700mA. El simulador indica que con corrientes de diodo de 700mA, la temperatura de cápsula no puede superar los 85°C al objeto de que la unión no alcance la temperatura máxima de Tj_max=120°C. Cuando se monta una luminaria en la que disponen 7 cadenas de LEDs en paralelo con 14 LEDs en serie por cadena, las tensiones extremas con las que tendrá que trabajar la fuente de alimentación con I_Led=350mA, se obtienen del modelo PSIM. Estas se muestran en la Fig. 54. 56 Fig. 53. Variación de la tensión de alimentación cuando la temperatura de cápsula varía entre 0°C (curva en rojo) y 100°C (curva en azul). Las líneas horizontales marcan una corriente de 350mA por diodo (2,45A en luminaria) y 700mA por diodo (4,9A en luminaria). Con corrientes de LED de 350mA la tensión varía entre 41,9V -42,26V. Con corrientes de LED de 700mA, la tensión varía entre 43,57V-44,1V Cuando la temperatura de la capsula se mantiene constante, la temperatura de la unión depende de la corriente que alcanza el diodo. La Fig.54 muestra esta dependencia. Se observa que con corrientes de 700mA la temperatura límite de la capsula no puede superar los 85°C Fig. 54. Dependencia de la temperatura de la unión con la corriente del diodo 40 41 42 43 44 45 Vd_01.01 0 2 4 6 8 Id_01.01 Id_02.01 2.45 4.9 57 Anexo IV Modelos de simulación en PSIM Modelo de simulación en PSIM fuente LLC Fig. 55. Esquema PSIM fuente LLC