INSTITUTO TECNOLOGICO DE ZACATEPEC

TECNOLOGA DE ILUMINACIN MEDIANTE LEDs DE POTENCIA

OBJETIVO GENERAL

Proponer una alternativa para la implementacin de la fuente de alimentacin de energa alternativa, que cumpla con ciertas caractersticas que permitan una operacin adecuada de los LEDs en Mexico.

OBJETIVO ESPECIFICO

Identificar las tcnicas empleadas en el montaje de los LEDs de potencia(Condiciones de temperatura, humedad, disipacin de potencia, etc.). Investigar los mtodos utilizados para la obtencin de luz blanca usando LEDs de potencia. Evaluar las topologas de convertidores ca-cd cuyas caractersticas permiten que sean tiles para alimentar LEDs de potencia. Implementar de una fuente de alimentacin con las caractersticas adecuadas para suministrar energa a tres mdulos de LEDs independientes (aplicaciones en semforos, generacin de luz blanca mediante la tcnica RGB, etc.). Obtener datos experimentales de la fuente de alimentacin.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El crecimiento acelerado del consumo de la energa elctrica en todo el mundo ha generado una notable preocupacin en los investigadores y cientficos. Esto ha motivado el desarrollo de nuevos sistemas que permitan el ahorro de la energa elctrica. En general, un alto porcentaje de la energa elctrica se produce utilizando procesos que implican la quema de combustibles fsiles, bsicamente, recursos naturales no renovables. De acuerdo con las estadsticas, se sabe que la energa se consume principalmente en tres clases de equipos elctricos y electrnicos, estos son: motores, iluminacin y equipos domsticos. De ellos, un alto porcentaje de la energa que se produce, se consume en equipos de iluminacin.

GRAFICA 1 : En esta grafica se presentan las diferentes formas de producir la energia electrica

GRAFICA 2 : En esta grafica se presentan las diferentes formas de consumo de electricidad en Mexico

JUSTIFICACION

Dado que los equipos de iluminacin representan un alto consumo de la energa total generada, es de inters la bsqueda de nuevos sistemas que reduzcan el consumo en este tipo de equipos.

Existen dos sectores que sobresalen debido a que tienen el mayor consumo en iluminacin, el sector residencial y el pblico. En ambos casos, el alto consumo se debe a que un alto porcentaje de los sistemas de iluminacin instalados son ineficientes y adems son sistemas de uso cotidiano. Estos sistemas tienen una muy baja eficacia luminosa y por lo tanto, el desperdicio de energa es elevado. Una solucin a este problema es promover el reemplazo de lmparas incandescentes por lmparas de bajo consumo, sin embargo el costo es significativamente ms alto (hasta 10 veces ms).

Para aliviar esto y promover el uso masivo de estos dispositivos existen programas gubernamentales que subsidian y financian la adquisicin. Se ha demostrado que el costo de inversin por reemplazo de lmparas de bajo consumo se amortiza en seis meses, y adems trae ahorros significativos en cuanto a hidrocarburos, esto implica reducciones en los ndices de contaminacin.

Los beneficios del cambio de focos a LEDs de potencia son los siguientesSe reducira el consumo de energa en estos nuevos dispositivos ya que generaran ms luz y menos calor este proyecto entrara a solucionar el problema de la excesiva energa gastada por los focos incandescentes ahorrando en grandes cantidades.Esta investigacin se realiz como parte del aprendizaje como investigadores y como usuarios del servicio elctrico motivo por el cual surge la inquietud de estudiar un sistema de energa luminosa que permita utilizar la luz de bombillos, lmparas, TV, entre otros, y que a su vez contribuya con el ahorro energtico y disminuya el consumo elctrico, genere economa al hogar de las familias y aumente sus beneficios como lo es la tecnologa LED. Por otra parte esta investigacin tiene como objetivo ser utilizada como soporte para otras investigaciones que abarquen lo referente a la tecnologa LED y el papel fundamental que este representa para contribuir con el ahorro energtico, generando as conocimientos nuevos. La importancia de este estudio radica en aprender y ensear a las personas la manera ms eficiente para ahorrar energa elctrica, manteniendo la calidad, duracin y eficiencia de la misma, disminuyendo los costos y gastos del hogar ya que con la nueva tecnologa LED se logra esto y aun mas ya que se contribuye con la vida del planeta porque mientras disminuya el consumo elctrico, al mismo tiempo no se usara tanta agua para producirla, y no se alterara tanto el ecosistema. Asimismo, es importante sealar que el sistema de iluminacin LED es un importe proyecto para la sociedad ya que los bombillos que funcionan en base a esta tecnologa consumen menos voltaje que los bombillos convencionales lo que generara menos calor y mayor rendimientos para otros artefactos elctricos, mejorando as la calidad de vida de las personas en cuanto a salud, consumo, avances tecnolgicos y mayormente la disminucin del impacto ambiental.En el mbito social se promovera a tener una mejor iluminacin en las vas pblicas y ya que no consume tanta energa reduciran los costos, hacindolos ms econmicos y duraderos.

MARCO TEORICO

Para la solucin de los problemas nos apoyaremos en varias leyes fundamentales de circuitos elctricos, electromagnetismo y electrnica.

Laley de Ohmdice que laintensidadque circula entre dos puntos de uncircuito elctricoes proporcional a latensin elctricaentre dichos puntos. Esta constante es laconductancia elctrica, que es lo contrario a laresistencia elctrica.La intensidad de corriente que circula por un circuito dado, es directamente proporcional a la tensin aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo.

Ley de Corrientes de KirchhoffEsta ley tambin es llamadaley de nodos o primera ley de Kirchhoffy es comn que se use la siglaLCKpara referirse a esta ley. La ley de corrientes de Kirchhoff nos dice que:En cualquier nodo, la suma de las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma de las corrientes que salen. De forma equivalente, la suma de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero

Esta frmula es vlida tambin para circuitos complejos:

La ley se basa en el principio de laconservacin de la cargadonde la carga en couloumbs es el producto de la corriente en amperios y el tiempo en segundos.

Ley de Voltajes de KirchhoffEsta ley es llamada tambinSegunda ley de Kirchhoff, ley de lazos de Kirchhoff o ley de mallas de Kirchhoffy es comn que se use la siglaLVKpara referirse a esta ley.En un lazo cerrado, la suma de todas las cadas de tensin es igual a la tensin total suministrada. De forma equivalente, la suma algebraica de las diferencias de potencial elctrico en un lazo es igual a cero.

De igual manera que con la corriente, los voltajes tambin pueden ser complejos, as:

El mtodo de mallas

La tcnica de anlisis de mallas funciona asignando arbitrariamente la corriente de una malla en una malla esencial. Una malla esencial es un lazo que no contiene a otro lazo. Cuando miramos un esquema de circuito, las mallas se ven como una ventana. En la figura 1 las mallas esenciales son uno, dos y tres. Una vez halladas las mallas esenciales, las corrientes de malla deben ser especificadas.2Una corriente de malla es una corriente que pasa alrededor de la malla esencial. La corriente de malla podra no tener un significado fsico pero es muy usado para crear el sistema de ecuaciones del anlisis de mallas.1Cuando se asignan corrientes de malla es importante tener todas las corrientes de malla girando en el mismo sentido. Esto ayudar a prevenir errores al escribir las ecuaciones. La convencin es tenerlas todas girando en el sentido de las manecillas del reloj.2En la figura 2 se muestra el mismo circuito antes pero con las corrientes de malla marcadas.La razn para usar corrientes de malla en vez de usarLCKyLVKpara resolver un problema es que las corrientes de malla pueden simplificar cualquier corriente planteada con LCK y LVK. El anlisis de mallas asegura el menor nmero de ecuaciones, simplicando as el problema.

INTRODUCCION

Desde la poca prehistrica hasta nuestros das, la iluminacin artificial ha sido una de las necesidades primordiales. Tambin, desde los inicios de la iluminacin ha habido una gran cantidad de mtodos para generar luz: desde el fuego, pasando por la lmpara incandescente, hasta las lmparas de descarga y recientemente se desarrolla la tecnologa de iluminacin con el uso de dispositivos semiconductores, en los ltimos aos se han realizado asombrosas mejoras en esos dispositivos.

En la actualidad el mercado est poblado de una gran cantidad de tipos de lmparas con una amplia variedad de caractersticas, formas, tamaos, tecnologa, etc. En general, pueden ser clasificadas en dos grupos principales: Incandescentes y Lmparas de Descarga (baja y alta presin).

Las lmparas incandescentes son las ms econmicas del mercado sin embargo tienen fuertes inconvenientes. Se ha comprobado experimentalmente que tieneneficacias luminosas entre 7 y 17 lm/W y una vida til reducida, que en promedio, apenas alcanza las 1000 hrs.

Por otro lado, las lmparas de descarga se pueden encontrar en una amplia variedad, con especificaciones muy variadas que dependen de la tecnologa empleada en su construccin y de las especificaciones de diseo. Por ejemplo, las lmparas dedescarga de baja presin del tipo fluorescente de 40 W, alcanzan una eficacia luminosa de 36 lm/W, con una vida til promedio de 10,000 hrs. Debido a su vida til y eficacia, estas lmparas son ms costosas que las incandescentes.

Otro tipo de lmparas son las de alta intensidad de descarga (HID, por sus siglas en ingls, High Intensity Discharge) de alta presin. Estas lmparas alcanzan eficacias luminosas de hasta 70 lm/W con una vida media de 24,000 hrs. Como desventaja de estas lmparas puede mencionarse que el ndice de rendimiento del color es muy bajo (alrededor de 25), lo que significa que tiene una muymala reproduccin de los colores.Sin embargo, puede ser adoptada para ser utilizada en ciertas aplicaciones que norequieren un ndice de rendimiento del color elevado, estas aplicaciones son: iluminacin de avenidas, parques, estacionamientos, etc.

Este proyecto detalla caractersticas particulares de los LEDs de Potencia, tales como, principio de operacin, materiales y mtodos de construccin, comportamiento ptico, caractersticas elctricas y tcnicas de montaje.

Tambin el tipo de fuentes de alimentacin para suministrar energa a los LEDs de potencia.

Con el consistente desarrollo de la tecnologa en la fabricacin de dispositivos basados en materiales semiconductores, muchos dispositivos han evolucionado en tamao, forma y caractersticas. La evolucin de estos dispositivos ha permitido que se les den nuevos enfoques. Dentro de los dispositivos que han mejorado notablemente suscaractersticas, estn los diodos emisores de luz (LEDs, que proviene del ingls, Light Emitting Diodes).

Precisamente por esas mejoras, hoy en da se le considera al LED un dispositivo prometedor en la iluminacin artificial en muchas aplicaciones.Una de las caractersticas que han mejorado respecto a los primeros LEDs es la capacidad de manejo de potencia. Esto se logra con el estudio y uso de nuevos materiales, o aleaciones de elementos, para la fabricacin de semiconductores, as como sus mtodos de construccin. Todas estas caractersticas y mtodos le dan un carcter emergente a la tecnologa de estado slido para iluminacin, que es importante conocer para establecer claramente sus ventajas y desventajas, as como los campos de aplicacin. Este trabajo de investigacin est enfocadoa estudiar las caractersticas de esta tecnologa.

DESARROLLOPara iniciar el desarrollo del proyecto primero tenemos que comprender conceptos bsicos como la luz y el color. El fenmeno de la luz ha sido, por muchos aos, objeto de estudio de una gran cantidad de cientficos e investigadores a lo largo de la historia. La luz como actualmente se concibe, es como una oscilacin electromagntica la cual se propaga a travs del vaco, con longitudes de onda muy pequeas, unos 400 a 750 nanmetros (nm). Por otra parte, la luz constituye una parte muy pequea del espectro electromagntico. Ms all del rojo esta la radiacin infrarroja, y con longitudes de onda an ms largas esta la zona del infrarrojo lejano, las microondas de radio, etc. En el otro extremo se encuentra la radiacin ultravioleta, los rayos X y con longitudes de onda muy diminutas los rayos (gamma)

COMPORTAMIENTO OPTICO DEL LEDExisten bsicamente dos tipos de ptica que rigen el comportamiento de la luz en unLED; ptica primaria y ptica secundaria. La ptica primaria se refiere a los elementos pticos que forman parte del encapsulado del LED. Por otro lado, la ptica secundaria se refiere a elementos pticos externos independientes al LED.

COMPORTAMIENTO Y MANEJO ELECTRICOEl comportamiento elctrico de estos dispositivos es muy similar al de un diodo rectificador comn. Presentan una tensin de umbral a partir de la cual el dispositivo comienza a conducir cierta corriente, provocando con esto la emisin de luz.

Las consideraciones ms importantes del circuito incluyen:1.- Nmero de LEDs conectados en el arreglo.2.-Tipo de conexin de los arreglos de LEDs.3.- Mtodo para limitar la corriente (resistencias o circuito activo).4.-Mtodo de control de intensidad luminosa (Dimming).TECNICAS DE MONTAJEUna disipacin adecuada del calor generado por la operacin del dispositivo ayudar a tener un buen desempeo. Esta disipacin de calor tiene que ver directamente con el montaje del dispositivo, algunos de los dispositivos disponibles en el mercado presentan la caracterstica de estar montados sobre un MCPCB. Un MCPCB consiste de algunas capas que proporcionan rutas para conexiones elctricas y tambin rutas de baja resistencia trmica hacia disipadores externos. Algunos LEDs utilizan MCPCB laminado que consiste de las siguientes tres capas:

1.-Base de aluminio.2.-Capa aislante de cristal-epoxy.3.- Capa de cobre.

TECNICAS DE CONTROL DE INTENSIDAD LUMINOSA

Es posible que en algunas aplicaciones se requiera tener una fuente de luz dimmable, por lo que esta situacin exigir una modificacin en el circuito de la fuente de alimentacin. Se sabe que una de las tcnicas ms comunes para hacerlo, es reduciendo o incrementando la corriente la tensin de salida. Existen otras tcnicas de dimming que se han utilizado para lograr esta caracterstica.

SELECCIN DEL ESQUEMA DE ALIMENTACIONUno de los requerimientos principales del esquema de alimentacin es que proporcione primordialmente un adecuado manejo de los LEDs de potencia. Por lo tanto, un adecuado control de la corriente y de la tensin de salida son caractersticas que se deben incluir en dicho esquema.Ejemplo del esquema de alimentacin de LEDs

FUENTES DE ALIMENTACION PARA LEDs

Los esquemas de alimentacin para cada tipo de LED pueden tener una gran variedad de enfoques. Estos enfoques dependen principalmente de las caractersticas de los dispositivos, de la forma en la que estos son conectados y de la aplicacin en particular. En el caso de los pcLEDs los esquemas de alimentacin para propsitos generales son sencillos. Pueden ser alimentados desde una simple batera hasta una fuente de alimentacin conmutada con caracterstica de dimming.

DIAGRAMA FINAL DE UNA LAMPARA DE LED DE POTENCIA