Cómo elegir un driver para lámpara LED: tipos, propósito + características de conexión

Las luminarias LED han tenido una amplia difusión, por lo que comenzó la producción activa de fuentes de alimentación secundarias. El driver de la lámpara LED puede mantener de manera estable los valores de corriente especificados a la salida del dispositivo, estabilizando el voltaje que pasa a través de la cadena de diodos.

Les contaremos todo sobre los tipos y principios de funcionamiento del dispositivo de conversión de corriente para el funcionamiento de la bombilla LED. En el artículo propuesto por nosotros se presentan pautas para elegir el driver, se brindan recomendaciones útiles. Los electricistas domésticos independientes encontrarán en él esquemas de conexión probados en la práctica.

Propósito y ámbito de uso

Los cristales de diodo constan de dos semiconductores: ánodo (positivo) y cátodo (negativo), que se encargan de la transformación de las señales eléctricas. Una región tiene conductividad de tipo P, la segunda de tipo N. Al conectar la fuente de alimentación, la corriente fluirá a través de estos elementos.

Debido a esta polaridad, los electrones de la zona tipo P se dirigen a la zona tipo N, y viceversa, las cargas del punto N se dirigen a P. Sin embargo, cada sección de la región tiene sus propios límites, llamados uniones P-N. En estas partes, las partículas se encuentran y se absorben mutuamente o se recombinan.

El diodo pertenece a los elementos semiconductores y posee solo una unión p-n. Por esta razón, la característica principal que determina el grado de brillo de su luminosidad no es el voltaje, sino la corriente.

Durante las uniones P-N, el voltaje disminuye una cierta cantidad de voltios, siempre igual para cada elemento del circuito. Teniendo en cuenta estos valores, el driver estabiliza las magnitudes de la corriente de entrada y genera un valor constante en la salida.

¿Qué potencia se requiere y qué valores de pérdida durante el paso P-N se indican en la hoja de datos del dispositivo LED? Por lo tanto, al elegir una bombilla LED, debe considerar los parámetros de la fuente de alimentación, cuyo rango debe ser suficiente para compensar la energía perdida.

Para que los LED de alta potencia funcionen el tiempo indicado en las especificaciones, se requiere un dispositivo estabilizador: un driver. En la carcasa del mecanismo electrónico siempre se muestra su voltaje de salida.

Las fuentes de alimentación con voltaje de 10 a 36 V se utilizan para equipar dispositivos de iluminación.

La técnica puede ser de los más variados tipos:

• faros de automóviles, bicicletas, motocicletas, etc.;
• linternas pequeñas portátiles o de exterior;
• tiras LED lineales, cintas, bombillas de techo y módulos.

Sin embargo, para LED de baja potencia, así como en caso de usar voltaje constante, no es necesario emplear controladores. En su lugar, se añade una resistencia al circuito, que también se alimenta de la red de 220 V.

Principio de funcionamiento de la fuente de alimentación

Analicemos en qué consisten las diferencias entre una fuente de voltaje y una fuente de alimentación. Como ejemplo, consideremos el esquema que se muestra a continuación.

Al conectar un resistor de 40 Ω a una fuente de alimentación de 12 V, a través de él circulará una corriente de 300 mA (figura A). Al conectar un segundo resistor en paralelo al circuito, el valor de la corriente será de 600 mA (B). Sin embargo, el voltaje permanecerá invariable.

A pesar de la conexión de dos resistores a la fuente de alimentación, el segundo en la salida generará un voltaje invariable, ya que en condiciones ideales no obedece a la carga.

Ahora consideremos cómo cambiarán los valores si en el circuito se conectan resistores a una fuente de alimentación. De manera similar, introducimos un reóstato de 40 Ω con un driver de 300 mA. Este último genera en él un voltaje de 12 V (esquema C).

Si el circuito está compuesto por dos resistores, entonces la magnitud de la corriente es invariable, y el voltaje será de 6 V (D).

El driver, a diferencia de la fuente de voltaje, mantiene en la salida los parámetros de corriente especificados, aunque la potencia del voltaje puede variar.

Sacando conclusiones, se puede decir que un convertidor de calidad suministra a la carga la corriente nominal incluso con caída de voltaje. En consecuencia, los cristales de diodos de 2 V o 3 V y con una corriente de 300 mA brillarán con igual intensidad con un voltaje reducido.

Características distintivas del convertidor

Uno de los indicadores más importantes es la potencia transferida bajo carga. No se debe sobrecargar el dispositivo ni intentar obtener los máximos resultados posibles.

El uso incorrecto contribuye a una rápida avería no solo del mecanismo de visión general, sino también de los chips LED.

Los principales factores que afectan el funcionamiento incluyen:

• los componentes utilizados en el proceso de ensamblaje;
• el grado de protección (IP);
• los valores mínimos y máximos de entrada y salida;
• el fabricante.

Los modelos modernos de convertidores se fabrican basados en microcircuitos y utilizan la tecnología de modulación por ancho de pulso (PWM).

En el funcionamiento de la fuente de alimentación, para regular el valor del voltaje de salida, se implementa el método de modulación por ancho de pulso. En la salida se mantiene el mismo tipo de corriente que en la entrada.

Estos dispositivos se caracterizan por un alto nivel de protección contra cortocircuitos y sobrecargas de red, además de poseer una alta eficiencia.

Reglas para la selección del convertidor de corriente

Para adquirir un convertidor de lámpara LED, debe estudiar las características clave del dispositivo. Debe basarse en el voltaje de salida, la corriente nominal y la potencia suministrada.

Potencia de los diodos emisores de luz

Analicemos inicialmente el voltaje de salida, que está sujeto a varios factores:

• el valor de las pérdidas de voltaje en las uniones P-N de los cristales;
• la cantidad de diodos de luz en la cadena;
• el esquema de conexión.

Los parámetros de la corriente nominal se pueden determinar según las características del consumidor, es decir, la potencia de los elementos LED y su nivel de brillo.

Este indicador afectará la corriente consumida por los cristales, cuyo rango varía según el brillo necesario. La función del convertidor es proporcionar a estos elementos la cantidad de energía requerida.

El valor del voltaje de salida debe ser mayor o igual a la suma total de la energía consumida en cada bloque del circuito eléctrico.

La potencia del dispositivo depende de la intensidad de cada elemento LED, su color y cantidad.

Para calcular la energía consumida se utiliza la siguiente fórmula:

P_H = P_LED * N,

Donde

• P_LED – la carga eléctrica generada por un diodo,
• N – la cantidad de cristales en el circuito.

Los valores obtenidos no deben ser menores que la potencia del driver. Ahora es necesario determinar el valor nominal requerido.

Potencia máxima del dispositivo

También se debe tener en cuenta que para garantizar un funcionamiento estable del convertidor, sus valores nominales deben superar en un 20-30 % el valor obtenido de P_H.

Así, la fórmula adquiere la siguiente forma:

P_max ≥ (1,2..1,3) * P_H,

donde P_max – la potencia nominal de la fuente de alimentación.

Además de la potencia y la cantidad de consumidores en la placa, la intensidad de la carga también está sujeta a factores de color del consumidor. Con la misma corriente, según el tono, tienen diferentes valores de caída de voltaje.

El driver para la lámpara LED debe suministrar la cantidad de corriente necesaria para garantizar el brillo máximo. Al seleccionar el dispositivo, el comprador debe recordar que la potencia debe ser mayor que la que consumen todos los LED.

Tomemos como ejemplo los LED de la empresa estadounidense Cree de la línea XP-E en color rojo.

Sus características son las siguientes:

• caída de voltaje 1,9-2,4 V;
• corriente 350 mA;
• consumo medio de potencia de 750 mW.

Un análogo de color verde con la misma corriente tendrá valores completamente diferentes: pérdidas en las uniones P-N de 3,3-3,9 V y una potencia de 1,25 W.

Por lo tanto, se pueden sacar conclusiones: un driver diseñado para 10 W se utiliza para alimentar doce cristales rojos u ocho verdes.

Esquema de conexión de los LED

La selección del driver debe realizarse después de determinar el esquema de conexión de los consumidores LED. Si se adquieren primero los diodos emisores de luz y luego se elige el convertidor, este proceso estará acompañado de muchas dificultades.

Para encontrar un dispositivo que garantice el funcionamiento de exactamente ese número de consumidores con el esquema de conexión dado, se tendrá que dedicar bastante tiempo.

Pongamos un ejemplo con seis consumidores. Sus pérdidas de tensión son de 3 V y la corriente consumida es de 300 mA. Para conectarlos se puede usar uno de los métodos, y en cada caso los parámetros requeridos de la fuente de alimentación serán diferentes.

La desventaja de la disposición secuencial de los diodos es la necesidad de una fuente de alimentación con alto voltaje si hay muchos cristales en el circuito.

En nuestro caso, con la conexión en serie se necesita una fuente de 18 V con una corriente de 300 mA. La principal ventaja de este método es que por toda la línea pasa la misma intensidad, por lo tanto, todos los diodos brillan con idéntico brillo.

La desventaja de la disposición en paralelo de los consumidores es la diferencia de brillo de cada cadena. Este fenómeno negativo ocurre debido a la dispersión de los parámetros de los diodos como resultado de las diferencias entre la corriente que pasa por cada línea.

Si se utiliza una disposición en paralelo, es suficiente usar un convertidor de 9 V, pero el valor de la corriente consumida se duplicará en comparación con el método anterior.

El método de disposición en serie de dos diodos no se puede aplicar cambiando la cantidad de cristales que entran en el grupo (3 o más). Estas limitaciones se deben a que por un elemento puede pasar una corriente demasiado grande, lo que crea la probabilidad de que falle todo el circuito.

Si se usa el método en serie formando pares de dos LED, se utiliza un driver con parámetros similares al caso anterior. En este caso, el brillo de la iluminación será uniforme.

Sin embargo, incluso aquí no faltaron aspectos negativos: al aplicar alimentación al grupo, debido a la dispersión de características, uno de los LEDs puede encenderse más rápido que el otro, por lo que a través de él pasará una corriente que duplica el valor nominal.

Muchos tipos de bombillas LED para iluminación del hogar están diseñados para soportar estos picos de corta duración, pero este método es menos común.

Tipos de drivers según el tipo de dispositivo

Los dispositivos que convierten la alimentación de 220 V en los parámetros necesarios para los LEDs se dividen aproximadamente en tres categorías: electrónicos; basados en condensadores; regulables.

El mercado de accesorios de iluminación ofrece una amplia variedad de modelos de drivers, principalmente de fabricantes chinos. Y a pesar del bajo rango de precios, se puede elegir una opción bastante decente entre estos dispositivos. Sin embargo, hay que prestar atención a la tarjeta de garantía, ya que no todos los productos presentados tienen una calidad aceptable.

Tipo electrónico del dispositivo

En el caso ideal, el convertidor electrónico debe estar equipado con un transistor. Su función es descargar el microcircuito de regulación. Para eliminar o suavizar al máximo las ondulaciones, se monta un condensador a la salida.

Este tipo de dispositivo pertenece a la categoría de alto costo, pero es capaz de estabilizar corriente hasta 750 mA, algo que los mecanismos de balasto no pueden hacer.

Los drivers más nuevos se instalan principalmente en bombillas con casquillo E27. La excepción a la regla son los productos Gauss GU5,3. Están equipados con un convertidor sin transformador. Sin embargo, el nivel de ondulación en ellos alcanza varios cientos de Hz.

La ondulación no es el único inconveniente de los convertidores. El segundo son las interferencias electromagnéticas de alta frecuencia (HF). Así, si en el enchufe conectado a la luminaria se conectan otros aparatos eléctricos, por ejemplo, una radio, se pueden esperar interferencias en la recepción de frecuencias FM digitales, televisión, router, etc.

En el dispositivo opcional de un aparato de calidad debería haber dos condensadores: uno electrolítico para suavizar las ondulaciones, y otro cerámico para reducir la HF. Sin embargo, esta combinación no se encuentra con frecuencia, especialmente cuando se habla de productos chinos.

Aquellos que tienen conocimientos generales sobre este tipo de circuitos eléctricos pueden seleccionar por sí mismos los parámetros de salida del convertidor electrónico, cambiando el valor de las resistencias.

Gracias a su alta eficiencia (hasta 95%), estos mecanismos son adecuados para dispositivos potentes utilizados en diversos ámbitos, por ejemplo, para el tuning de automóviles, en luminarias exteriores, así como en fuentes LED domésticas.

Fuente de alimentación basada en condensadores

Ahora pasamos a dispositivos menos populares: basados en condensadores. Casi todos los circuitos de lámparas LED de bajo costo, donde se utilizan controladores de este tipo, tienen características similares.

Sin embargo, debido a modificaciones del fabricante, sufren cambios, por ejemplo, la eliminación de algún elemento del circuito. Particularmente a menudo, esta pieza es uno de los condensadores: el de suavizado.

Debido a la saturación descontrolada del mercado con productos baratos y de baja calidad, los usuarios pueden «sentir» una pulsación del cien por ciento en las lámparas. Incluso sin profundizar en su funcionamiento, se puede afirmar la eliminación del elemento de suavizado del circuito.

Estos mecanismos tienen solo dos ventajas: son accesibles para el montaje propio y su eficiencia se acerca al cien por ciento, ya que las pérdidas se darán solo en las uniones p-n y las resistencias.

La misma cantidad de desventajas: baja seguridad eléctrica y alto grado de pulsación. El segundo defecto es de aproximadamente 100 Hz y se produce como resultado de la rectificación del voltaje alterno. En la norma GOST se especifica el límite de pulsación admisible del 10-20 %, según el propósito del local donde se instala el dispositivo de iluminación.

La única forma de suavizar este defecto es seleccionar un condensador con el valor nominal correcto. Sin embargo, no se debe esperar una eliminación completa del problema; esta solución solo puede atenuar la intensidad de los picos.

Convertidores de corriente regulables (dimmers)

Los controladores reguladores de luz para bombillas LED regulables permiten modificar los parámetros de corriente de entrada y salida, con lo cual se reduce o aumenta el nivel de brillo de la luz emitida por los diodos.

Existen dos métodos de conexión:

• el primero implica un arranque suave;
• el segundo es por impulsos.

Examine el principio de funcionamiento de los controladores regulables basados en el chip CPC9909, utilizado como dispositivo de control para circuitos LED, incluso aquellos de alta luminosidad.

Esquema de conexión estándar del CPC9909 con alimentación de 220 V. Según las indicaciones esquemáticas, es posible controlar uno o varios consumidores de alta potencia.

En el arranque suave, el chip con el controlador proporciona una activación gradual de los diodos con brillo creciente. Para este proceso se utilizan dos resistencias conectadas al pin LD, diseñado para realizar la función de atenuación suave. Así se logra una tarea importante: prolongar la vida útil de los elementos LED.

Este mismo pin también proporciona regulación analógica: la resistencia de 2,2 kΩ se reemplaza por una variable más potente de 5,1 kΩ. De esta manera se logra un cambio suave del potencial en la salida.

La aplicación del segundo método implica el suministro de pulsos de tipo rectangular a la salida de baja frecuencia PWMD. Para ello se utiliza un microcontrolador o un generador de impulsos, los cuales deben estar separados por un optoacoplador.

¿Con carcasa o sin ella?

Los drivers se fabrican con carcasa o sin ella. La primera opción es la más común y más cara. Dichos dispositivos están protegidos contra la entrada de humedad y partículas de polvo.

Los dispositivos del segundo tipo se utilizan para instalaciones ocultas y, por consiguiente, se caracterizan por su bajo costo.

La alimentación de todos los dispositivos presentados puede ser de 12 V o 220 V. A pesar de que los modelos sin carcasa ganan en precio, están muy por detrás en términos de seguridad y fiabilidad del mecanismo.

Cada uno de ellos difiere en la temperatura admisible durante el funcionamiento; también se debe prestar atención a esto al seleccionar.

Esquema clásico del driver

Para el montaje independiente de una fuente de alimentación LED, analicemos el dispositivo más simple de tipo pulsante sin aislamiento galvánico. La principal ventaja de este tipo de circuitos es la conexión sencilla y un funcionamiento fiable.

El esquema del convertidor de 220 V se presenta como una fuente de alimentación conmutada. Durante el montaje se deben seguir todas las normas de seguridad eléctrica, ya que aquí no hay límites en la capacidad de corriente.

El esquema de dicho mecanismo consta de tres áreas de etapa principales:

1. Divisor de tensión por resistencia capacitiva.
2. Rectificador.
3. Estabilizadores de tensión.

La primera sección es la oposición que ofrece la corriente alterna en el condensador C1 con la resistencia. Esta última se requiere únicamente para la carga autónoma del elemento inerte. No afecta al funcionamiento del circuito.

El valor nominal de la resistencia puede estar en el rango de 100 kΩ a 1 MΩ, con una potencia de 0,5-1 W. El condensador debe ser electrolítico, y su valor eficaz de tensión de pico debe ser de 400-500 V

Cuando la semionda de tensión formada pasa a través del condensador, la corriente fluye hasta que las placas se cargan por completo. Cuanto menor sea la capacitancia del mecanismo, menos tiempo se empleará en su carga completa.

Por ejemplo, un dispositivo de 0,3-0,4 µF se carga durante 1/10 del período de la semionda, es decir, solo una décima parte de la tensión de paso atravesará esta sección.

El proceso de rectificación en esta sección se realiza según el esquema de Graetz. El puente de diodos se selecciona en función de la corriente nominal y la tensión inversa. Este último valor no debe ser inferior a 600 V.

El segundo cascada es un dispositivo eléctrico que transforma (rectifica) la corriente alterna en corriente pulsante. Este proceso se denomina de onda completa. Dado que una parte de la semionda ha sido suavizada por un condensador, en la salida de esta sección la corriente continua será de 20-25 V.

Dado que la alimentación de los LEDs no debe exceder los 12 V, para el circuito es necesario usar un elemento estabilizador. Para ello se introduce un filtro capacitivo. Por ejemplo, se puede usar el modelo L7812.

El tercer cascada funciona basándose en un filtro estabilizador de suavizado: un condensador electrolítico. La elección de sus parámetros capacitivos depende de la intensidad de la carga.

Dado que el circuito ensamblado comienza a funcionar inmediatamente, no se debe tocar los cables pelados, ya que la corriente conducida alcanza decenas de amperios; primero se realiza el aislamiento de las líneas.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Todas las dificultades que puede encontrar un radioaficionado al seleccionar un convertidor para lámparas LED de alta potencia se describen detalladamente en el vídeo:

Características clave de la conexión independiente de un dispositivo convertidor al circuito eléctrico:

Instrucción paso a paso que describe el proceso de montaje casero de un driver LED con materiales disponibles:

A pesar de las decenas de miles de horas de funcionamiento continuo declaradas por el fabricante para las lámparas LED, existen muchos factores que reducen significativamente estos indicadores.

Los drivers están diseñados para suavizar todos los picos de corriente en el sistema eléctrico. Su selección o montaje independiente debe abordarse de manera responsable después de calcular todos los parámetros necesarios.

Cuéntenos cómo seleccionó el driver para el funcionamiento de la bombilla LED. Comparta sus argumentos y métodos para estabilizar el suministro de voltaje al dispositivo de iluminación con diodos. Deje comentarios en el bloque que se encuentra a continuación, haga preguntas, publique fotos sobre el tema del artículo.