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Sistemas Electrnicos para iluminacin
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SISTEMAS ELECTRNICOS PARA ILUMINACIN
CIRCUITOS DE ALIMENTACIN PARA DIODOS LED.
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1.ILUMINACIN DE FONDO (BACKLIGHT)
APLICACIONES DE LOS LEDS:
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REPRODUCTORES MULTIMEDIA, CMARAS, PDA
APLICACIONES DE LOS LEDS:
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CONSOLAS
APLICACIONES DE LOS LEDS:
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MONITORES, TV
APLICACIONES DE LOS LEDS:
DISPLAYS CON MENSAJES
ELECTRODOMSTICOS
REMPLAZANDO OTRAS ALTERNATIVAS DE ILUMINACIN
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SUSTITUCION DEL FLASH DE LMPARAS DE XENON POR LEDS
APLICACIONES DE LOS LEDS:
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BACKLIGHTING
ALTERNATIVAS ANTERIORES A LOS LEDS:Actualmente estn totalmente remplazadas por los LEDs desde principios del 2000.
EL ( Electroluminiscent lamp )
Ventajas
Fuente de luz uniformePuede cortar y dar forma facilmenteExisten varios colores, azul, amarillo verde.Relativo bajo coste.Agradable al tacto.
Desventajas
Mal rendimiento con humedades altas.Necesita un inversor DC-AC (120VAC
@400Hz)Tiene poco brillo.Poco tiempo de vida (3000~5000hrs al
brillo)
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BACKLIGHTING
ALTERNATIVAS ANTERIORES A LOS LEDS:
CFLD (Cold Cathode Fluorescent Lamp )
Ventajas
Fuente de luz uniformeColor blanco y permiteun gran brillo.
Desventajas
CCFL ms caro que los LED y la ELNecesita un inversor DC-AC (1000VAC @
30kHz~40kHz )Tiene poco brillo.Poco tiempo de vida (20000~25000hrs)Usa materiales perjudiciales para el medio
ambiente
Partefrontal de un LCD Toshiba Parte trasera de un LCD Toshiba
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LEDS:Emisin de color.
Cristal con dopado tipo P nodo.
Cristal con dopado tipo NCtodo
Cuando el diodo est polarizado directamente, las recombinacionesen la zona de deplexin emiten luz.
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LEDS:Emisin de color.
Segn el tipo de material con el que se dopa se emiten distintos colores.
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LEDS:Emisin de color.
La longitud de onda donde es mayor la potencia radiada se llama el pico deemisin o la longitud de onda dominante. Para algunos LED el pico de
emisin cambia segn la corriente, provocando desplazamientos de color.
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PARTES QUE COMPONEN LOS LEDS:
LED DE MONTAJE SUPERFICIAL.
Unin con dopado tipo P nodo.Terminal negativoCtodo
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LEDS DE COLOR BLANCO:4 Opciones para conseguir el color blanco
LA MS UTILIZADA ES LA PRIMERA.LED AZUL(InGaN) MS UN FSFORO AMARILLO
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CURVAS CARCTERSTICAS:
La intensidad luminosa del LED depende de la corrientey de la temperatura de la unin.
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La longitud de onta de los LED de InGaN depende de la corriente que pasa por ellos.Se recomienda utilizar PWM para hacer dimming de los LEDs basados en InGaN.
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Cuando se polariza directamente el LED, la corriente y la tensin presentan unarelacin exponencial. Pequeas diferencias en la tensin dan lugar a grandescorrientes, y por tanto a ms intensidad luminosa Adems la tensin de codo de losLEDs tiene una tolerancia a la hora de fabricarlos,por ello los LED se regulan en
corriente y no en tensin.
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EFECTOS TRMICOS.
TEMPERATURA DE LA UNIN:
Temperaturas altas en la unin provocan que la intensidad luminosa sea menor, la tensin de codo seamenor, y provoca desplazamientos cromticos en los LEDs blancos.
RthJS RthSA
Tj Ts TaPD
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EFECTOS TRMICOS.
TEMPERATURA DE LA UNIN:
Corrientes grandes por el LED originan:
Sobrecalentamiento local.Temperaturas altas en la unin.
Recombinaciones no radiantesDEGRADACIN FUERTE DE LA LUZ
Temperaturas altas en la unin=>RUPTURA DEL LED
ES MUY IMPORTANTE RESPETAR LAS RECOMENDACIONES DEL FABRICANTE.
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DIODOS LED COMO CARGA:
Intensidad relativa vs Longitud de Onda ()
El l
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DIODOS LED COMO CARGA:
Vc
Vc
1 Aprox 2 Aprox
RF
0.816
50F
VR
mA
Si t El t i il i i
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Circuitos con LED:
VcVc
Ve
2 Aprox 1er Circuito 2 Circuito
Vc
Ve
RF es pequea
RF
RF
e cD
F
V Vi
R
e cV V
RF
R
Si
ID es grande con tensiones
poco mayores a la tensin de codo
e c
D
F
V Vi
R R
FR Re c
D
V V
iR
Si t El t i il i i
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Circuitos con LED:
Zona Lineal
R1
R2VR2VIN
D1
Amplificador de transconductancia
1
2
0.6
1
IN
D
Vi
R
1c e
i i
Zona Saturacin
D1
R2
R1
VIN
1
0.6IN
B
Vi
R
VCC
'
C Bi i
1
'
2 2
CC CC
C C D
V Vi i i
R R
R1 es pequea
Si se tiene:5
CCV V
5IN
V V
100
Calcular R1 y R2 para
que pasen 20 mA por elLED?
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Circuitos con LED: Conexin de varios LEDs
SERIEPasa la misma corriente
Mismo flujo luminoso PARALELO
No pasa la misma corriente
(Distintas tensiones de codoy resistencia directa).
R
VCCCC
V
iR
Distinto flujo luminoso
Si se estropea uno dejan de funcionar los otros
Principal Inconveniente: Principal ventaja:
Si se estropea uno funcionan los otros
VCC
R
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Circuitos con LED:
SERIEPasa la misma corriente
Mismo flujo luminoso
Tiras de LED conectados en serie:Ventajas:
Pasa la misma corriente por todos los LED, misma intensidad luminosapor todos.Ms eficiente.Prdidas = VBalasto * ILEDPuede implementar facilmente con una topologa elevadora.
Desventajas:Se necesita elevar mucho la tensin si se ponen muchos led,problemas de EMI.Los semiconductores deben soportar mucha tensin, ms caros.
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Circuitos con LED: Conexin de varios LEDs
Si se estropea uno funcionan los otros
LED LAMP.
Remplazan a las bombillas incandescentes y halgenas
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http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/84/E27_with_38_LCD.JPG -
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Circuitos con LED:
Tiras de LED conectados en paralelo:Ventajas:
Es interesante si se utilizan bombas de cargaSe pueden utilizar semiconductores de poca tensin, ms barato.
Desventajas:
Debe regularse la corriente de cada LED, para asegurar que todos emiten con la mismaintensidad luminosa.
Prdidas = N * VBalasto * ILED
PARALELO
No pasa la misma corriente
(Distintas tensiones de codo
y resistencia directa).Distinto flujo luminoso
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Circuitos con LED:
Tiras de LED en serie y conectadas en paralelo:
Ventajas:Es interesante si se desean utilizar muchos LED.Solo una rama est regulada en corriente. La caida de tensin
en los otros diodos fija la corriente en las otras ramas.
Desventajas:
Las diferencias de tensin de los diodos hace que se percibamayor brillo en unas ramas que en otras.
NOTA: El ojo humano empieza a percibir diferencias en el brillo, cuando entre
las ramas hay una diferencia de corriente de un 3%.
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S stemas Electrn cos para lum nac n
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ESTRATEGIAS DE DIMMING
VCC
VGS
R
ID
VGS
IAVG
TIMAX
AVG MAXI I D
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p
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ESTRATEGIAS PARA CONSEGUIR LA TENSIN (VCC)
Tensin de entrada es DC, con un determinado rizado de tensin.
Por ejemplo, si la corriente de entrada es AC, debe rectificarse.
Se supone:
El problema se resuelve utilizando estrategias de conversin DC/DC.
1) Reguladores lineales
2) Convertidores DC/DC-- Convertidores sin aislamiento
-- Convertidores con aislamiento
-- Bombas de carga.
ReductorElevadorElevador-Reductor
Flyback
Forward
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p
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ESTRATEGIAS PARA CONSEGUIR LA TENSIN (VCC)
Reg Lineal Convertidor
conmutado conbobina
Bombas de carga
Eficiencia 20-60% 90-95% 75-90%
PCB rea Poca, 2
condensadores
Grande, por la
bobina
Poca, 3-4
condensadores
Ruido Muy poco Elevado Moderado
Rizado Muy poco Alto Moderado
EMI Muy poca Bastante Poca
Coste Bajo Ms Alto Alto
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ESTRATEGIAS PARA CONSEGUIR LA TENSIN (VCC)
Parmetros para decidirse por una de las 2 alternativas:
1. Convertidor conmutado con bobina es mejor:Si se desea elevar mucho.
Normalmente se utiliza con LEDs en serie.El voltaje deseado no es un mltiplo del voltaje de la entradaCuando la eficiencia es ms importante que el tamao.
2. La bomba de carga es mejor:Evita el coste de la bobina, el tamao y la EMI radiada.La tensin deseada es mltiplo de la entrada.Cuando el nmero de LEDs es pequeo.Como el voltaje a elevar no suele ser muy alto se utilizatecnologa CMOS que es barata.
Despus de ver las alternativas, se debe decidir entre utilizar
bombas de carga o un convertidor conmutado con bobina
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ESTRATEGIAS PARA CONSEGUIR LA TENSIN (VCC)
Regulador lineal
En el transistor cae la tensin para conseguir Vout
ReguladoresLineales
Baratos, Sencillos, Robustos, Sin EMI
Voluminosos, pesados, mal rendimiento
IN OUTV V
2CE
V V
-
+VIN VOUT
2CE
V V
Vref
VIN
IOUT
Vref
+
-
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ESTRATEGIAS PARA CONSEGUIR LA TENSIN (VCC)
Convertidores DC/DC
Sin aislamientoReductor (BUCK)
BUCK
OUT IN V V D
Vout
Sencillo
RobustoBuenas prestaciones dinmicasMuy eficiente
Vin
VGS
D
TMCC
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ESTRATEGIAS PARA CONSEGUIR LA TENSIN (VCC)
Convertidores DC/DC
Sin aislamientoElevador (BOOST)
BOOST
1
1OUT IN
V VD
Vout
Sencillo
RobustoMuy eficienteTrabaja bien con rangos de tensin amplios
VGS
D
T
Vin
MCC
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ESTRATEGIAS PARA CONSEGUIR LA TENSIN (VCC)
Convertidores DC/DC
Sin aislamientoReductor-Elevador (BUCK-BOOST)
BUCK-BOOST
1OUT IN
DV V
D
Sencillo
RobustoTrabaja bien con rangos de tensin ampliosMayores esfuerzos en los semiconductoresque los otros
VGS
D
TMCC
Vin Vout
-
+
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ESTRATEGIAS PARA CONSEGUIR LA TENSIN (VCC)
Convertidores DC/DC
Con aislamientoFLYBACK
FLYBACK
Sencillo
RobustoProteccin gracias al aislamiento
1
IN
OUT
V D
V n D MCCVin
Vo
n:1
2 bobinas acopladas
L1 L2
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ESTRATEGIAS PARA CONSEGUIR LA TENSIN (VCC)
Convertidores DC/DC
Con aislamiento
FORWARD
FORWARDComplejo
Proteccin gracias al aislamiento
IN
OUT
VV D
n MCC
N1 N2N3
LMVin
V0
Sistema de
desmagnetizacin
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ESTRATEGIAS PARA HACER DIMMING
1) FORMA :Se utiliza un convertidor DC/DC para tener la tensin deseada V
CC
Convertidor
DC/DCVIN VCC
Control de la corriente en lazo abierto, no hay sensado de corriente, ni se corrige el duty enfuncin de la corriente media por los LEDs. Por ejemplo, no se modifican las desviaciones decorriente por la T.
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ESTRATEGIAS PARA HACER DIMMING
2) FORMA :Se utiliza un convertidor DC/DC, controlado por corriente.Se necesita sensar la corriente por los LEDs.Control en modo corriente a frecuencia variable (Imax-Toff, Imax-Ton, Histresis), oUtilizando control en modo corriente a frecuencia fija.
Convertidor
DC/DC
Sensado decorriente
Control
convertidor
Vin
IREF ILED
PWM
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ESTRATEGIAS DE DIMMING CON LEDS EN PARALELO:
1) Se tiene una tensin de salida no regulada mltiplo de Vin.(Tpico de una bomba de carga no regulada)
A) La corriente por los LED no es la misma, por tanto el flujo luminoso tampoco lo es:
Las resistencias fijan la corrienteVin es fijaNo es bueno el ajuste de brillo.
2) Se tiene una tensin de salida fija(Tpico de una bomba de carga regulada)
Las resistencias fijan la corrienteVin puede variarNo es bueno el ajuste de brillo.
Se hace Dimming variando Vout.En este caso no hay realimentacin y
es en bule abierto
No se puede hacer Dimming, a
no ser que se haga con PWM.
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PROBLEMTICA DE LOS LEDS EN PARALELO:
3) Se tiene una tensin de salida regulada en corriente.
A) La corriente por los LED no es la misma, por tanto el flujo luminoso tampoco lo es, pasos:
4) Controlando la corriente en la primera rama, los espejos de corriente aseguran lamisma corriente en las otras ramas
La corriente por los LED es la misma,independientemente de la tensin de los LED.Diseo robusto> Si 1 LED Falla, los otros siguenfuncionando.
Tensin de FeedBack fija la corriente.Slo la primera rama est reguladaLa corriente en las otras ramas vara con VdSi D1 falla, V+ se dispara, destruira los otrosLEDSe hace Dimming Variando la referencia decorriente en la primera rama.
Se hace Dimming controlando la corriente delprimer espejo de corriente.
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PROBLEMTICA DE LOS LEDS EN PARALELO:
5) Se tiene una tensin de salida regulada en corriente, con LEDs en serie y paralelo.
Slo la primera rama est controlada en corrienteEstadsticamente las otras ramas tambin tendrn un buen ajuste en corriente
Tensin a soportar de los semiconductores VLED*NLED+VfbDiseo no destructivo: si falla un LED en la primera rama los otros funcionaran.
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EFICIENCIA
La Eficiencia del driver de LEDs no es la misma que la del convertidor DC/DC. Ya que enla eficiencia del convertidor no se tiene en cuenta las prdidas de los componentespasivos que se utilizan para regular la corriente por los LED.
LED LED
Balasto
IN IN
V I
V I
Si se regula en corriente, el valor de las resistencias debe ser pequeo, para que laeficiencia sea alta.
En la siguiente transparencia se comenta las ventajas e inconvenientes de utilizar unconvertidor controlado en corriente, frente el dimming clsico con PWM.
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EFICIENCIA
LED LED
Balasto
IN IN
V I
V I
IO
R1
R1
R2 R2
RC
VS
PWM
Vcc
ControlVIN
CONTROL
PWM
IO
VOIREF R2y R1 son grandes, no hay muchas prdidas.Rc contribuye a las prdidas, debe ser pequea,y la ganancia diferencial grande para maximizarla eficiencia.
Este es el esquema ms eficiente.1 slo transistor que controla el convertidor y puede hacer dimming
Problema: Si se necesitan controlar distintas ramas, se tienen que usar msconvertidores, ms bobinas, ms tamao. No obstante se pueden integrar bobinas convarios devanados en un mismo ncleo ahorrando espacio.
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EFICIENCIA
LED LED
Balasto
IN IN
V I
V I
R es pequea y contribuye a las prdidas. Aunquela eficiencia del convertidor sea grande, la
eficiencia global se ve mermada por R.
Este esquema es menos eficiente.1 transistor que controla el convertidor y otro para hacer dimmingVentaja: Si se necesitan controlar distintas ramas, slo se necesitan ms
transistores.
VCC
VGS
R
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FUTURO DE LOS LEDs