Por que não direcionar o AC para sua sequência de LED?

Feb 10, 2024

Os porquês e porquês da condução direta AC de sistemas de iluminação LED explicados por François Mirand

Fiéis à história de outros tipos de produtos semicondutores, os LEDs oferecem melhor desempenho a um custo menor a cada ano que passa.

Tanto é assim, de facto, que os outros elementos de uma luminária LED convencional – a caixa, os conectores, a placa de circuito impresso, a óptica e, acima de tudo, a fonte de alimentação – assumiram uma grande parte do custo total do sistema que há cinco anos atrás teria sido dominado apenas pelo custo dos LEDs.

Isto impulsionou tentativas de criar uma arquitetura muito mais barata, reduzindo drasticamente o custo da fonte de alimentação. Em tipos de luminárias como downlighters de baixo custo, luminárias lineares e anteparas, o baixo custo é o atributo mais importante para os compradores. Aqui, o conceito de 'sistemas LED CA-diretos' foi desenvolvido para eliminar totalmente a necessidade de uma fonte de alimentação comutada CA-CC (SMPS) convencional (mas volumosa e cara).

As primeiras implementações de sistemas LED AC-direct, no entanto, deram aos seus projetistas problemas de design complicados para resolver e limitaram severamente a sua liberdade para otimizar as características operacionais e o formato da luminária.

Agora, uma arquitetura aprimorada para sistemas LED diretos de CA parece oferecer desempenho competitivo e flexibilidade de design. Mas isso tem um custo aceitável?

Figura 1: uma implementação simples de AC-direct com quatro LEDs

Por que projetar o SMPS? Um LED convencional de alto brilho é um dispositivo de baixa tensão, normalmente com uma tensão direta de cerca de 3V. A energia da rede elétrica é fornecida em aproximadamente 120 V ou 240 V, dependendo da parte do mundo em que o usuário se encontra.

Uma luminária, portanto, requer uma maneira de reduzir a tensão CA da rede elétrica até a tensão direta CC de um LED ou série de LEDs, normalmente abaixo de 60V.

A maneira mais comum de fazer isso até agora tem sido com um SMPS. A principal vantagem do SMPS é a sua excelente eficiência, por vezes superior a 90%, combinada com a sua capacidade de fornecer isolamento eléctrico (para fins de segurança).

Sua eficiência é um atributo da arquitetura de modo chaveado, que economiza energia e descarrega energia de indutores e capacitores em altíssima velocidade, armazenando assim energia no pico da oscilação de tensão CA em vez de dissipá-la, como um simples sistema linear. regulador faz.

Infelizmente, um SMPS requer indutores ou transformadores e capacitores volumosos. Além disso, o tipo de condensador eletrolítico utilizado nas fontes de alimentação tem uma vida útil muito mais limitada do que os outros componentes – é normalmente o primeiro componente num sistema de iluminação LED a falhar. Contramedidas EMI também são necessárias, porque os SMPS normalmente comutam em altas frequências de 20kHz ou mais.

E um SMPS não pode ser montado facilmente no mesmo PCB que os LEDs. A construção de cobre unilateral de uma PCB com núcleo metálico (MCPCB) torna o roteamento do circuito SMPS muito difícil, e os dispositivos passivos necessários tendem a não estar disponíveis em pacotes de montagem em superfície. O FR4 (o tipo de substrato de PCB mais comum) oferece mais camadas de roteamento, mas o isolamento e o gerenciamento térmico podem se tornar complicados com esse tipo de PCB. Em qualquer caso, os grandes componentes passivos de um SMPS criarão sombras se forem colocados muito próximos dos LEDs.

Um SMPS, então, é volumoso, cria algumas dificuldades de projeto e é relativamente caro tanto em termos de lista de materiais quanto de custos de montagem.

Uma abordagem mais simples é não deixar o cargoIsso deu aos fabricantes de CIs de regulação de energia o incentivo para desenvolver uma arquitetura mais simples que aciona LEDs de alta tensão diretamente da tensão da rede elétrica, sem diminuir essa tensão.

O esquema de regulação direta CA consegue isso ligando os LEDs em sequência seguindo a tensão senoidal da rede. Os LEDs adequados para esta aplicação incluem o LUXEON 3535 HV da Lumileds, bem como as séries 5630 HV, 5250 HV e 3030N HV da LG Innotek.

A implementação mais simples do conceito é mostrada esquematicamente nas Figuras 1 e 2.