Manteniendo las luces encendidas, pero disminuyendo el consumo

Los diseñadores de luces LED se familiarizaron rápidamente con los estándares de seguridad aplicables, como IEC 62560 para lámparas LED domésticas y generales, IEC 62031 para arreglos y módulos LED e IEC 61347 para controladores y fuentes de alimentación. Entre los peligros excepcionales se incluyen sobretensiones de alta energía en líneas de potencia de entrada que pueden ser provocadas por eventos como un rayo que cae en la cercanía. IEC 61000-4-5 describe la prueba de sobretensión usando una forma de onda 8 x 20 μs y especifica niveles tan alto como 10 kV/5 kA para la iluminación exterior en Europa.

Los dispositivos como fusibles en línea, varistores de óxido metálico (MOV) y diodos de supresión de voltaje transiente (TVS) conectados en paralelo se puede utilizar en todo el circuito del controlador y fuente de alimentación. Proveedores como Littelfuse ofrecen asesoramiento exhaustivo sobre cómo seleccionar y posicionar los dispositivos para absorber y derivar la energía de transientes potencialmente peligrosos.

La figura 1 ofrece un resumen de los dispositivos de protección contra sobretensión utilizados en soluciones de iluminación LED genéricas. Los MOV colocados en la línea a neutro, neutro a tierra y línea a tierra, tal como se indica, ofrecen capacidades para soportar sobretensiones altas, como V300SM7 de Littelfuse. El voltaje excesivo en el MOV causa que el dispositivo cree un trayecto conductivo, por lo tanto, deriva la energía de la sobretensión. Los diodos TVS pueden ser dispositivos tales como P6KE300 de Littelfuse y protegen los componentes del circuito al disipar la energía transiente. El dispositivo seleccionado debe poder soportar la corriente de impulso máxima debido al voltaje transiente aplicado.

Figura 1: Pautas de Littelfuse para diseñar dispositivos de protección contra sobretensión en una aplicación de iluminación LED

Protección contra las fluctuaciones del voltaje de línea

Los dispositivos ilustrados son efectivos a la hora de proteger el circuito contra pulsos de alta energía y corto plazo. No obstante, las fluctuaciones con constantes de tiempo más lentas también pueden representar una amenaza. Se sabe que los servicios están bajo presión para mantener la estabilidad de la red a medida que aumenta el consumo de los usuarios finales, la infraestructura envejece y la capacidad de generación tradicional de energía basada en combustibles fósiles está en periodo de transición hacia un modelo más ecológico, por lo que se se depende en gran medida de la generación distribuida de recursos renovables. Bajo estas condiciones, las fluctuaciones de sub y sobrevoltaje pueden reducir la fiabilidad y la duración de componentes en algunos tipos de circuito.

A modo de ejemplo, los reemplazos de ledes para productos de iluminación familiar, como las bombillas MR16 o GU10 enfrentan límites ajustados en cuanto a costos y tamaño. Para ayudar a sobrellevar estas presiones, el controlador LED TPS92210 de Texas Instruments incluye un MOSFET interno que está diseñado para estar conectado a una configuración cascode con un MOSFET externo de alto voltaje. Esto simplifica el arranque, permite un uso sin una resistencia de detección de corriente externa y reduce las pérdidas de conmutación de lado primario. Al admitir la operación en modo de conducción discontinua (CC), también se minimizan las pérdidas de recuperación inversa del diodo rectificador de salida. Como resultado, TPS92210 ayuda a aumentar la eficiencia y la fiabilidad mientras también reduce el costo del sistema en comparación con la arquitectura flyback convencional. La figura 2 muestra el esquema para una aplicación típica. Tenga en cuenta que el MOSFET externo conectado al pin DRN (pin 6) se conecta al drenaje del MOSFET del conductor interno TPS92210 para formar un circuito cascode.

Figura 2: Circuito de controlador LED diseñado para mejorar el rendimiento sobre un convertidor flyback convencional.

Este circuito del controlador está diseñado para ofrecer potencia constante a la cadena de ledes. Si la inestabilidad de la red provoca la reducción del voltaje de línea, la corriente de entrada al controlador aumentará para mantener la potencia de salida constante. Esta mayor corriente puede ejercer una presión excesiva en los componentes del controlador. De la misma manera, un aumento importante en el voltaje de línea junto con ruido producido por la inductancia de bobinado de lado principal del transformador puede superar las clasificaciones nominales de componentes importantes, como MOSFET y capacitores. Si bien los componentes estándares, como MOV y diodos TVS mencionados anteriormente, ofrecen protección efectiva contra sobretensiones cortas de energía alta, se puede necesitar protección adicional para prevenir daños provocados por la inestabilidad subyacente de la línea.

Al usar un controlador como TPS92210, el circuito externo se puede diseñar para aprovechar la capacidad de detección de energía cero del transformador de CI para desactivar temporalmente el controlador cuando la entrada de la línea CA aumenta o disminuye por debajo del rango normal.

Operación del circuito con protección contra sobrevoltaje/subvoltaje

Cuando el controlador está operando en DCM, cada ciclo de conmutación sucesiva se inicia solo cuando el transformador se ha reiniciado completamente o cuando la energía es cero. El resistor-divisor conectado al pin TZE permite el punto de energía cero del transformador se ha detectado al monitorear la corriente provocada por el pin TZE cuando el arrollamiento de polarización principal es negativo con respecto a la puesta a tierra.

La figura 3 muestra un circuito de protección que detiene el controlador en funcionamiento al prevenir la iniciación del siguiente ciclo de conmutación en caso de sub/sobrevoltaje de entrada. Esto se logra al forzar un voltaje CC en el pin TZE para prevenir la detección de cruce cero. Cuando el voltaje de entrada se encuentra dentro del rango de operación, el circuito no emite voltaje de CC al pin TZE, por lo tanto, permite una detección de cruce cero normal que permite que el controlador coordine la conmutación de valle para una eficiencia óptima.

Figura 3: Esquema de la protección de baja tensión de entrada

El circuito opera al recibir el voltaje de línea rectificado y sin estabilizar proveniente de la salida del rectificador de puente. Este voltaje se fija en 12 V con Zener D2 y se reduce aún más por los resistores-divisores. Los resistores R3 y R4 están asociados con la protección del subvoltaje mientras que el R5 y R6 manejan la protección del sobrevoltaje. Los valores del resistor R3, R4, R5 y R6 se determinan para establecer umbrales de activación de 1 V y 2.5 V, respectivamente.

La polarización de 12 V también se utiliza para ofrecer un optoamplificador de micropotencia de fuente única quad de precisión, U1 (TLC27L4). Se elige un optoamplificador de micropotencia para U1 para permitir la operación directamente desde el diodo Zener sin experimentar los ciclos de encendido/apagado erráticos a voltajes de entrada bajos que se pueden producir si se utiliza una corriente de suministro mayor. U1-A funciona como un detector de pico generando un voltaje CC proporcional al Vin(rms) en el capacitor C4. U1-B regula el voltaje CC y U1-C emite una señal de error si el voltaje del detector pico está por debajo del VR1 de referencia de subvoltaje. De igual modo, U1-D compara la salida del detector pico con VR2 de referencia de sobrevoltaje para generar una señal de error cuando el voltaje de entrada RMS supera el umbral del disparador de sobrevoltaje. Las salidas U1-C y U1-D se fijan en 3.3 V con Zener D5 y luego se regulan con el Q1 del transistor que se alimenta al pin TZE. R10 y R12 introduce alrededor de 5 V de histéresis para prevenir la activación falsa a los límites establecidos.

Como la entrada TZE de TPS92210 se escanea constántemente por transiciones de valle, los ciclos de conmutación se previenen cuando el circuito de protección fuerza el voltaje de CC en el pin. La conmutación se puede reanudar cuando el voltaje de entrada regresa dentro del rango de operación normal. La tabla muestra el comportamiento del dispositivo y el estado de salida del controlador en respuesta a las condiciones normales y sobretensión en la entrada.

Tabla 1: Resumen de estados de controlador TPS92210.

Conclusión

Los dispositivos de supresión de sobretensión convencional, como fusibles, MOV y diodos TVS son claves para asegurar que las soluciones de iluminación LED cumplan con los estándares de seguridad internacional. El circuito adicional puede ofrecer protección inteligente contra el deterioro de la calidad de la línea de potencia CA al prevenir el posible daño que pueden provocar corrientes o el sobrevoltaje a los componentes del controlador o ledes.