La demanda de los consumidores y las iniciativas gubernamentales de cara a retirar progresivamente del mercado las tecnologías de iluminación poco eficientes están dando un empuje a la iluminación LED. Los diseñadores de este tipo de dispositivos no solo tienen que dejar satisfecho al consumidor final con los productos elaborados, sino que estos también han de cumplir una serie de normas publicadas que establecen el rendimiento exigido.
Dado que se pretende que las bombillas LED sean compatibles en lo que a su factor de forma respecta con las incandescentes y las fluorescentes compactas que hay en la actualidad, han de llevar un convertidor de CA/CC, un CI controlador para los LED, un disipador térmico para reducir la temperatura y tecnología óptica para optimizar la calidad de la luz. También se aplican consideraciones similares al diseño de luminarias LED para exteriores.

En lo tocante al diseño, los elementos más importantes son el controlador y su convertidor. En un módulo LED, estas partes son las que más influyen en el cumplimiento de los objetivos de rendimiento. Del mismo modo, los dispositivos de protección para estos circuitos ejercen una gran influencia sobre la fiabilidad y la vida del módulo, sobre todo en exteriores. Además, para poder hablar de seguridad y fiabilidad, se requiere una protección adecuada contra la sobretensión y la sobreintensidad a prueba de fallos.

Normas industriales
A la hora de escoger la topología del convertidor del controlador y los dispositivos de protección para esos circuitos y los LED, los diseñadores de bombillas LED de reequipamiento y de luminarias han de considerar varias opciones. Un buen punto de partida es repasar las normas industriales y especificaciones de pruebas pertinentes.

En la tabla 1 se muestran las normas de aquellos países con mayor demanda de iluminación LED. Tal y como indica la tabla, dos de los puntos centrales que hay que tener en cuenta son la resistencia a la sobretensión y la seguridad. La elección de topologías aisladas o bien sin aislar, con los niveles de potencia correspondientes, establecerá el grado de seguridad necesario para la protección ante cortocircuitos, sobrecargas y sobretensiones transitorias.
En EE. UU., las agencias están en proceso de normalizar el rendimiento, la seguridad y la sobretensión aplicables a la iluminación LED. Las especificaciones Energy Star de la EPA son válidas para bombillas LED de recambio para uso doméstico y para determinados usos comerciales. Tanto la plantilla de pliego de condiciones para LED en calzadas del Consorcio municipal de alumbrado público de estado sólido (MSSSLC) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), como las especificaciones de rendimiento para iluminación LED en exteriores para aparcamientos y parkings de la Unión de la Energía para Edificios Comerciales son documentos importantes, publicados respectivamente en 2011 y 2012, en los que se trata el tema de los niveles de resistencia a la sobretensión para luminarias LED en exteriores.

Dentro de este marco de normas y especificaciones de pruebas, los diseñadores están obligados a cumplir una serie de objetivos de rendimiento directamente relacionados con la topología del controlador y los dispositivos de protección requeridos. Entre dichos objetivos de rendimiento se encuentran los siguientes:

-    Eficacia operativa de los LED (lúmenes emitidos por vatio absorbido).
-    Eficiencia energética total del módulo de iluminación.
-    Regulación de la temperatura de los LED y del circuito de control de estos.
-    Corrección del factor de potencia (CFP) de CA para los circuitos del controlador.
-    Generación de armónicos de CA (distorsión).
-    Cumplimiento de las restricciones relativas a las IEM.
-    Requerimiento o no de regulación de la iluminación.
-    Fiabilidad y vida útil del controlador de los LED (para que se corresponda con la de los LED).
-    Dispositivos de protección de circuitos necesarios.
-    Optimización del espacio ocupado por los componentes electrónicos (tamaño del módulo).
-    Posición competitiva en lo que a costes se refiere.

Opciones de alimentación de corriente para los controladores; ventajas y desventajas a sopesar
Los módulos LED más comunes llevan una tira de LED conectados en serie y alimentados por un controlador de corriente constante con modo de conmutación. Esta combinación suele ser la mejor opción para obtener la luminosidad deseada, controlar el color y añadir un regulador de iluminación en caso necesario. Si la alimentación proviene de la red de CA, la fuente de corriente constante suele denominarse “convertidor autónomo”. Este es el caso en la mayoría de bombillas de reequipamiento y luminarias para exteriores LED.

A la hora de tomar una decisión con respecto a la topología de los convertidores, la seguridad y el reconocimiento de la empresa UL tienen un gran peso y esto, a su vez, influye en la elección de los componentes, el aislamiento eléctrico, el tamaño del módulo, así como en la forma de utilizar los dispositivos de protección de circuitos y, por supuesto, también en los costes.

La topología afecta asimismo a la eficiencia energética y a otros factores de rendimiento. Aunque para los controladores LED suelen utilizarse convertidores con modo de conmutación, puede que, dados ciertos factores de aplicación, para los convertidores sean recomendables unas topologías específicas. A continuación se presentan algunos ejemplos en líneas generales de opciones de topología para módulos alimentados por CA:

*    Controladores lineales aislados y sin aislar con regulación de corriente constante.
*    Convertidores reductores o reductores/elevadores (con o sin CFP).
*    Controlador de retorno de una sola etapa con CFP.
*    CFP + semipuente aislado con V e I constantes (suprime la etapa de conversión lineal o de CC-CC).

En muchas de estas topologías, también se podría considerar emplear rectificación sincrónica, la cual puede potenciar la eficiencia con voltajes de salida bajos. Por motivos de espacio, no nos es posible analizar aquí en detalle todos estos enfoques relativos a los diseños de controladores LED que puede haber; no obstante, vamos a presentar algunos ejemplos para poner de relieve ciertos aspectos a los que se podría renunciar a cambio de otros.
Ventajas y desventajas de las topologías aisladas y sin aislar

Muchas lámparas de reequipamiento y aplicaciones de menor potencia no llevan transformadores aislados. En estas soluciones sin aislar, como elementos armonizadores se utilizan inductores. En la figura 1 se muestran dos ejemplos simplificados de circuitos de control de LED: el primero, aislado, y el segundo, sin aislar y con CFP opcional.

Hasta cierto punto, la denominación “sin aislar” no es la más conveniente, pues, por motivos de seguridad, en las topologías sin aislar también se exige la utilización de aislamiento eléctrico a fin de proteger (aislar) a los usuarios de los voltajes peligrosos. (Independiente-mente de su topología, todos los módulos han de funcionar de forma segura en caso de fallo.) Entre otros puntos, a la hora de decidir qué topología usar, han de sopesarse los aspectos relativos al coste y al tamaño del módulo.

No obstante, cabe que, basándose en las características de rendimiento deseadas, en normas industriales y en especificaciones de pruebas, prevalezcan otros factores para determinar la topología. (Véase la lista de objetivos de rendimiento anteriormente presentada.)

Topologías aisladas
El transformador puede ser un factor importante en lo que a tamaño, costes y eficiencia energética respecta. Es responsable, en parte, de la pérdida de potencia por inductancia de fugas y uso reducido de la zona de bobinado. A fin de mantener el flujo de corriente a los LED más constante, es posible que para las soluciones con FP elevado sean necesarios componentes más grandes.

Si bien la métrica del FP está relacionada con el consumo total de potencia, cabe que la eficacia de la bombilla o luminaria LED (lúmenes emitidos por vatio absorbido) se considere un factor primordial debido a normas industriales tales como las especificaciones Energy Star. La CFP también es importante para la iluminación LED diseñada para Europa, que ha de ajustarse a la clase C definida en la norma IEC 61000-3-2. En el caso de las aplicaciones con una potencia de entrada de > 25 W en las que los límites van hasta el armónico 39, los requisitos son más estrictos.

Por otra parte, el transformador proporciona cierto grado de protección ante los transitorios y las sobretensiones registradas en el primario. Así, esto puede reducir el número, el tamaño y los costes de los dispositivos de protección de circuitos requeridos en el secundario.

Desde el punto de vista del número de componentes, puede que tenga mayor importancia la implementación de una topología dada, tal como la de un controlador de retorno. Por ejemplo, con el retorno de una sola etapa (fig. 1), en comparación con el de dos, se reducen el número de componentes, el tamaño del módulo y los costes. Al ser necesaria una única etapa de procesamiento de la energía tras el rectificador y el filtro, generalmente también aumenta la fiabilidad.

Uno de los ámbitos problemáticos en el diseño de fuentes de alimentación para controladores es el uso de condensadores electrolíticos, que suelen ser de los primeros componentes en fallar y cuya vida útil depende en gran medida de la temperatura de funcionamiento. Para que un producto tenga éxito, es esencial que la regulación térmica sea eficaz. (Volveremos a hablar de la temperatura de funcionamiento más adelante.) En las soluciones con FP elevado no hay un condensador acumulador grande para alta tensión, normalmente de tipo electrolítico, tras el puente rectificador de diodos de entrada. Además de los problemas de fiabilidad, los condensadores de entrada grandes distorsionan la corriente de la red y reducen el FP. Aunque en el secundario se utiliza un condensador que atraviesa los LED, también se puede optar por un dispositivo de menor tensión pero mayor vida.
Topologías sin aislar

Dado que las topologías sin aislar no llevan transformador, sus circuitos son más simples y el número de componentes, menor. Estas topologías (generalmente, un controlador reductor o reductor/elevador) destacan en bombillas LED de reequipamiento de uso doméstico y en otras aplicaciones de menor potencia. Con la tecnología de control adecuada, estas soluciones también pueden alcanzar un FP de entre 0,95 y 0,98.

Aun así, agregar aislamiento eléctrico para proteger a los usuarios de los voltajes peligrosos supone otro coste adicional de montaje, pues los LED necesitan disipadores térmicos para mantener la temperatura por debajo de un valor crítico. Dado que los disipadores quedan al descubierto, esto no es tarea fácil en la configuración de bombillas de uso doméstico (A19).

Cuando los LED registran temperaturas superiores a los 80 °C, esto da lugar a una pérdida considerable de eficacia y, asimismo, pueden producirse cambios de color. Por consiguiente, el diseñador ha de controlar la temperatura para mantenerlos con una luminosidad alta. Por otra parte, una temperatura excesiva conlleva peligro de incendio y disminuye la vida tanto de los LED como del controlador.

La falta de aislamiento en el transformador también implica que los circuitos de conversión y los LED serán más propensos a sufrir daños por sobretensiones provenientes de la red de CA. Por lo tanto, es necesario recurrir a más dispositivos de protección de circuitos que sean más resistentes para ambos lados (de CA y de CC) del módulo de iluminación.

Una vez más, y del mismo modo que hemos hecho en la topología de retorno aislada, cabe considerar los condensadores. Si la topología no está aislada, para mantener un flujo constante de corriente a los LED en torno a los cruces por cero de la alimentación de CA, será necesario un condensador relativamente grande.

Tanto si está valorando elegir una topología aislada como sin aislar, si hay que regular la iluminación de los LED, la labor de diseño también será más sencilla recurriendo a un FP elevado. Al igual que en el caso de los productos anteriores desarrollados para bombillas incandescentes, permite reducir el número de componentes del circuito de regulación, así como utilizar reguladores triac externos con corte de fase.

Requisitos de protección de circuitos
Todos los controladores LED necesitan diversos dispositivos posicionados en diferentes lugares (fig. 2) para proteger los circuitos ante episodios de sobretensión y sobreintensidad. En la actualidad, existen una serie de especificaciones y normas industriales claves que debería analizar antes de comenzar a diseñar una bombilla de reequipamiento o una luminaria para exteriores LED. La norma UL 8750, de reciente creación, constituye el estándar de seguridad para el uso de equipos LED en productos de iluminación. En ella se exige la utilización de un dispositivo de protección para interrumpir o limitar el flujo de corriente que pudiera derivarse de una sobrecarga, a fin de minimizar el riesgo de choque e incendio. Para ello, la utilización de fusibles constituye la tecnología más común y fiable de protección ante cortocircuitos y episodios de sobrecarga. Estos fusibles de CA van conectados en serie con la carga y están disponibles en un amplio rango de factores de forma, amperajes y voltajes nominales, capacidades interruptoras y opciones de montaje para que el ingeniero goce de flexibilidad a la hora de diseñar.

En EE. UU., para lámparas de reequipamiento e iluminación LED en interiores, las especificaciones Energy Star de la EPA requieren una resistencia a la sobretensión por ondas oscilatorias de un nivel de hasta 2,5 kV (fig. 3).

*    Nivel de prueba: 2,5 kV/83 A, entre fases (ANSI/IEEE C.62.41-1991, funcionamiento de clase A)
*    Número de sobretensiones: 7 golpes en modo común y 7 en modo diferencial, 1 minuto entre cada uno de ellos
Para países fuera de EE. UU., la norma IEC 61547 reclama la prueba de resistencia a la sobretensión de la IEC 61000-4-5, en la que se especifica la prueba de sobretensión por ondas combinadas (fig. 4) en función del vataje del módulo de iluminación LED, tal y como se detalla a continuación. Entre los requisitos centrales de las pruebas de sobretensión según la IEC 61000-4-5 se encuentran los siguientes:
*    Para lámparas y luminarias con balasto propio de < 25 W, 500 V/250 A: aplicar 500 V entre fases con 2 ohmios de impedancia de la fuente y 1 kV de fase a tierra     con 12 ohmios de impedancia.
*    Para luminarias de > 25 W, 1000 V/500 A: aplicar 1 kV entre fases con 2 ohmios de impedancia de la fuente y 2 kV de fase a tierra con 12 ohmios de impedancia.
*    Número de sobretensiones: 10 golpes, 5+ y 5- respectivamente en los desfases 90/270, 1 minuto entre cada uno de ellos.

En la iluminación LED en exteriores, la propensión a episodios de altas sobretensiones derivados, pongamos, de tormentas con descargas eléctricas, es mucho mayor. Es fundamental que los componentes electrónicos sensibles de los controladores LED, así como los propios LED estén protegidos contra dicho tipo de episodios de alta tensión. Para la iluminación LED en exteriores, como pueden ser luminarias en calles, calzadas, aparcamientos y garajes, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) ha publicado una plantilla de pliego de condiciones en la que se habla de las pruebas de rendimiento y resistencia a la sobretensión. La situación de esas luminarias se incluye dentro de la categoría C alta, de alta exposición a fenómenos naturales.

Son ya muchas las ciudades y municipios en los que se utiliza el pliego del DOE para las licitaciones de proyectos de iluminación LED de reequipamiento. Lo que se pretende con esto es garantizar la rentabilidad de la inversión en luminarias LED a largo plazo, dado que estas pueden costar el doble o el triple que las tecnologías de iluminación convencionales.

Partiendo de la ubicación física de la luminaria LED (véase la fig. 5), la norma IEEE C.62.41-2002 establece el nivel exigido de resistencia a la sobretensión.

Según lo especificado en la norma IEEE C.62.41-2002, la sobretensión se caracteriza por una onda de forma combinada con 1,2/50 µs con tensión a circuito abierto y 8/20 µs con corriente de cortocircuito. En la tabla 2 se presentan de forma resumida los niveles de sobretensión que han de probarse para diferentes aplicaciones de iluminación en interiores y exteriores.

El MSSSLC del DOE hace referencia a esta norma en su plantilla de pliego de condiciones para LED en calzadas para iluminación en exteriores, perteneciente a la categoría C alta. Este nivel de sobretensión, a 20 kV/10 kA y con un total de 30 golpes en diferentes modos de acoplamiento y desfases, es uno de los más estrictos. En la tabla 3 se puede ver una breve exposición de los requisitos de las pruebas para las categorías C alta y C baja.

Elección de dispositivos de protección de circuitos y colocación de estos
En el apartado anterior hemos analizado los requisitos de protección para aplicaciones de iluminación LED en interiores y exteriores. En este, describiremos cuál es la mejor forma de cumplir con las normas publicadas y proteger las luminarias eligiendo los componentes adecuados y la colocación idónea de estos en los circuitos. En la figura 2 se puede ver un esquema de protección en forma de diagrama de bloques que cumple las normas relativas a la seguridad y la sobretensión.

En dicha figura, los tres varistores de óxido metálico (MOV) incluidos en el bloque de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) se utilizan para lograr que el producto diseñado presente un alto nivel de resistencia a la sobretensión. La mejor opción para responder a múltiples golpes de sobreintensidades de 10 kA son los varistores de óxido metálico de 25 mm con protección térmica. Estos varistores han sido diseñados para cubrir todos los posibles trayectos de la corriente, entre ellos, fase a neutro, fase a tierra y neutro a tierra. Así, por ejemplo, en caso de impacto de rayo, estos varistores absorberán la sobretensión en su mayor parte. A pesar de ello, se permitirá el paso de parte de la energía siempre que el siguiente varistor más pequeño del controlador LED pueda soportarla.

En el bloque de alimentación de CA, ha de coordinarse la selección de los fusibles y los varistores de óxido metálico de la alimentación de CA. Esto implica que la energía necesaria para fundir el fusible (su valor I2t) ha de ser lo suficientemente elevada como para permitir que el varistor funcione bajo sobretensión, pero sin hacer que se abra el fusible. Este solamente ha de abrirse en caso de sobrecarga o cortocircuito.

En algunas ocasiones, aunque lleve un varistor en la alimentación de CA, será imposible que el controlador resista algún episodio de sobretensión. En dichos casos, se puede añadir un diodo supresor de tensiones transitorias (TVS) en la entrada de la etapa del convertidor, tal y como se muestra en la figura 2. Este permitirá una mayor retención de aquella energía que “pudiera pasar” desde el varistor con el objetivo de salvar el circuito del controlador. Para proteger los LED, puede que sea necesario recurrir a un dispositivo de coeficiente térmico positivo (PTC), a un segundo diodo supresor de tensiones transitorias y a los dispositivos de protección de LED a circuito abierto (PLED) mostrados en la figura 2. El dispositivo de coeficiente térmico positivo limita la CC en condiciones de sobreintensidad o sobretemperatura para proteger los LED. El segundo diodo supresor de tensiones transitorias protege de toda energía residual que haya podido atravesar el circuito LED.

Los dispositivos de protección de LED a circuito abierto son componentes únicos que permiten la derivación para tiras LED abiertas y las protegen contra descargas electrostáticas e inversión de polaridades. El controlador de una fuente de corriente constante tiene una tensión de salida máxima (circuito abierto) que se denomina “tensión disponible”; esta se presenta en un LED que se abre (tipo de fallo más frecuente). Ello hará que se active dicho dispositivo de protección de LED, conduciendo la corriente en torno al LED abierto. (La disipación de energía de estos dispositivos es menor que la de un LED encendido.) Los LED restantes permanecerán encendidos y en muchas aplicaciones, el que falle uno solo no supone un problema grave, o ni siquiera se percibe.

Los autores
-    Jim Young se licenció en la Universidad de Arizona en la rama de ingeniería eléctrica y lleva 35 años trabajando en el campo de la electrónica de potencia. Tiene experiencia, entre otros ámbitos, en el diseño de fuentes de alimentación para plataformas militares aerotransportadas, aplicaciones de telecomunicaciones y medicina de alta fiabilidad y electrónica de consumo. En la actualidad, se dedica al diseño de controladores LED y CI de control para la empresa ON Semiconductor.
-    Usha Patel es titulada por la Universidad del Sur de California e ingeniera profesional registrada. En la actualidad, dirige el departamento de marketing y ventas para Latinoamérica de la empresa Littelfuse. Además de sus responsabilidades en América Latina, también lleva las iniciativas globales de la empresa relacionadas con el mercado de la iluminación LED.

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