Estado actual de los LEDSJCEE’14

20 mayo 2014

Jordi Mayné

Shuji Nakamura’s  y el LED de alto brillo

Aunque el inventor del funcionamiento básico del LED en 1907 fue el inglés Henry Joseph Round.

Tuvieron que pasar 20 años para que el ruso Oleg Vladimirovich redescubriera el LED tal como lo conocemos.

El japonés Shuji Nakamura descubrió el LED azul parallegar a los blancos de alto rendimiento. 

Rango de ondas

Radiometría: la energía total y la potencia (vatios)

Fotometría: la respuesta humana a la luz visible

El color que vemos

• La sensibilidad del ojo es diferente durante el día y la noche

Sobre la Luz

Lúmen (lm) es la unidad de medida del flujo luminoso, una medida de la potencia luminosa emitida por la fuente. 

• 1 lm = cd x sr

Candela (cd) es la unidad de medida de la intensidad lumínica.• 1 cd = lm/sr

Lux (lx) es la unidad de medida del nivel de iluminación. • 1 lx = 1 lm/m2

Comparativa con otras fuente de luz

Comparativa con otras fuente de luz

CRI ‐ Rendimiento del color

CRI (Color Rendering Index) Es una unidad que mide la capacidad de una fuente de luz para reproducir los colores de objetos de manera fiel en comparación a una fuente ideal de luz, o fuente natural como la luz del sol. El CRI se determina entre valores 0 a 100. 100 el valor “perfecto”. 80-90 Bueno. 60-80 Moderado. <60 Pobre

Cuadro comparativo del Indice de Reproducción Cromática de Distintas fuentes de Luz

Comparativa CCT y CRI 

Temperatura de Color

Correlated Color Temperature Temperaturas de color más usadas

• 2700K a 3000K para uso residencial Warm white (3000K)• 3500K a 4100K para una oficina Nature white (4000K)• 5000K+ para alta iluminación Cool white (6000K)

1700 K: Luz de una cerilla1850 K: Luz de vela2800 K: Luz incandescente o de tungsteno

(iluminación doméstica convencional)3200 K: tungsteno

(iluminación profesional)4000–4500 K: Lámpara de mercurio5500 K: Luz de día, flash electrónico 5780 K: Temperatura de color de la luz del sol pura6420 K: Lámpara de Xenón28000–30000 K: Relámpago

A tener en cuenta en un LED

Angulo del LED

Ángulo de visión – Diagrama gráfico de la radiación‐ Gráfico de distribución de la intensidad luminosa de cada ángulo.‐ Ángulo de visión es el ángulo entre el 50% de intensidad dela intensidad máxima.

Ejemplo: Ángulo de visión 120 ˚ (‐ 60 ˚ ~ +60 ˚)Ángulo de visión 90 ˚ (‐ 45 ˚ ~ +45 ˚)

Con una segunda óptica se puede conseguir un ángulo de visión más estrecho

LED: Luz y calor

Conversión de energía en el LED 

En los LEDs la mayoría de la energía eléctrica (85%) se convierte en calor

La mayor parte de la transferencia de calor del LED se lleva a cabo a través de la conducción (sin infrarrojos)

Las lámparas incandescentes convierte más del 95% de la energía eléctrica en infrarrojos y calor.

Incandescente Fluorescente LED

Luz visible 8% 21% 15‐25%

IR 73% 37% 0%

UV 0% 0% 0%

Energía total radiante 81% 58% 15‐25%

Calor 19% 42% 75‐85%

Total 100% 100% 100%

Diseño térmico

Encontrar LEDs con buena resistencia térmica interna y buena superficie de disipación

Convección natural

Convección forzada

PCB de aluminio

Cinta adhesiva conductora térmica 

TIM (Thermal Interface Materials)  

Características térmicas de los encapsulados

Gestión térmica 

Conducción: La transferencia de calor desde la zona caliente al área más fresca. 

Convección (libre y forzada): El movimiento interno de las corrientes dentro de los fluidos, (líquidos y gases)

Radiación: La radiación electromagnética emitida desde la superficie de un objeto

Temperatura de la unión vs Luz Emitida

La luz emitida decrece con la temperatura

Tensión directa vs Temperatura de la unión

La caída de tensión directa decrece con la temperatura

Resumen

La luz emitida decrece con la temperatura

La caída de tensión directa decrece con la temperaturaLa longitud de onda dominante se desplaza con la temperatura

La vida del LED se con la temperatura

El fósforo se reduce con la temperatura

Superando la temperatura de la unión causa un daño permanente al LED

El diseño térmico es CRITICO !!! 

Propiedades eléctricas

• Cuando un LED se encuentra en polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos, liberando energía en forma de fotones. • Este efecto llamado electroluminiscencia y el color de la luz correspondiente a la energía del fotón, se determina a partir de la banda de energía del semiconductor.

Características Ópticas

Control de un LED

Resistencia en serie: • Control muy simple• No hay problemas de EMI• Bajo coste• Varía la luminosidad

con el voltaje• Baja eficiencia

Control de varios LEDs

Leds en Serie Leds en Paralelo

LEDs en paralelo

Se pueden ahorrar resistencias?

Los LED en paralelo tienen que tener la misma caída de tensión directa.

La resistencia tiene que disipar la potencia de todos los LED.

Control Lineal por corriente 

Voltaje de entrada superior al de salida

Regulación de la luminosidad por corriente

Simple

Coste moderado

Altas pérdidas

Baja eficiencia

Familia NUD40xxNUD43NSI450xx

Hasta 500mA

Familia BCR4xxBCR3xx

Hasta 65mA

Control por PWM

• Alta eficiencia

• Sistema muy bueno para variar luminosidad o mezcla de RGB (Reed/Green/Blue).

• Pocas pérdidas.

• Hay que mantener la frecuencia fundamental por encima de 200Hz para evitar el parpadeo

• Problema de EMC

Valores típicos de Frecuencia entre 200Hz a 1000Hz

Regulación PWM 

Efecto sobre la vida útil. 

Solo el tiempo que está en ON contribuye en la degradación 

Control Conmutado

• Control muy estable• Alta eficiencia• Varios componentes• Coste moderado

Configuración Flyback 3‐25W

Pros Cons

Isolated Increased Complexity/Size

High PFC High LED Current Ripple (if PFC)

Good EMI (Valley Sw)

Input Voltage Dimming PFC(>0.9)110V 220V TRIAC TE

TPS92310/11/14 Yes Yes No No Yes

LM3447 Yes Yes Yes Yes Yes

LM3445 Yes Yes Yes Yes Yes

LM3448 Yes Yes Yes Yes Yes

TPS92070 Yes Yes Yes No Yes

TPS92210 Yes Yes External External Yes

Configuración Buck 3‐25W

Input Voltage DimmingPFC (>0.7)

110V 220V TRIAC TE

TPS92310/11/14 Yes Yes No No Yes

LM3445 Yes Yes Yes Yes Yes

LM3448 Yes Yes Yes Yes Yes

TPS92001 Yes No External External Yes

Pros Cons

Simple Not Isolated

Good Efficiency High LED Current Ripple

Configuración Boost 3‐25W

Pros Cons

Simple Not Isolated

Great Efficiency High 2° volt)

Good PF

Input Voltage Dimming PFC(>0.7)110V 220V TRIAC TE

TPS92001 Yes Yes* Yes Yes Yes

Configuración Sepic 3‐25W

Input Voltage DimmingPFC

110V 220V TRIAC TE

TPS92010 Yes Yes No No No

Pros Cons

Simple Not Isolated

Good EMI, Efficiency Non Dimming

Fabricantes para control de LEDs

Power PSOC – CY8CLED04

Paneles de LED

Video DisplayVideo Display

Signboard & GamingSignboard & GamingProfessional(ArchitectureProfessional(Architecture))LightingLighting

Control de Panel de LEDs

Drivers panel LED Texas

Productos Descripción Aplicaciones típicas

TLC 592x Driver 16 Outputs ON/OFF Señalización Carreteras / Imagenes estáticas

TLC 594x Driver 16 Outputs PWM Señalización/Anuncios

TLC 595x Drivers 24 Outputs Combinación de ON/OFF y PWM

Pantallas de Video

TLC 597x Architectural Lighting Drivers Iluminación Profesional / LED de Alta Intensidad

Características de los driver de panel de LED

Detección de LED abierto

Detección de LED en cortocircuito 

Dot correction (compensa las variaciones del brillo del led)

Elimina / reduce el efecto fantasma (ghosting)

Reducción de la corriente de arranque (inrush current), menos EMI

Autodiagnosis

Detección térmica

Retardo para sincronizar datos

….. 

PFC (Corrección del factor de potencia)

Por encima de 25w se requiere cumplir  con la normativa europea EN61000‐3‐2

La  iluminación consume alrededor del 20% de toda la energía generada. Una bombilla incandescente tiene un PF=1

Sin corrección podemos tener un PF=0.43 

Con la corrección se llega a tener un PF>0.9

ICL8001GTDA4863ICE2PDS01

L6562ATL6564T

PMP4692NCP16xx

Protecciones

NUD4700

Fabricantes de LEDs

Luxeon

Acriche

Zenigata

Rebel

Acriche 230Vac

Se conectan directamente a la red (no requiere drivers)

50,000 horas de vida: con 90% de eficiencia, FP=0.95, THD UNDER 25%• Versiones de 4W, 8W, 12W y 16W • CRI de 82 a 3000K• Regulable con triac

LED Tricolor

Tricolor RGB− Rojo

− Verde

− Azul

Tricolor Full pastel− Rojo

− Verde

− Azul

− Blanco cálido

Silica LightSpeed

Ópticas, Reflectores Lentes y Radiadores

Comunicaciones en control de LEDs

Comunicación DALI

Comunicación DMX

PLC (Power Line Communication)

G3-PLC OFDM MAX2991/92

PLC BPSK with DSP

PLC FSK CY8CPLCxx

PLC FSK ST7540

PLC Spread FSK MC16/60

PLC Spread FSK NCN4959x

ZigBee Light Link (ZLL)

ZigBee Light Link proporciona a la industria de la iluminación un estándar global para la iluminación y su control, fácil de usar e interoperable.

ZigBee Light Link es un perfil de ZigBeePro, y estos productos de iluminación pueden interoperar sin problemas con los productos que utilizan otros estándares de ZigBee que ya están en los hogares, incluyendo ZigBee Home Automation, ZigBee Input Device, ZigBee Remote Control y ZigBee Health Care.

Soluciones  ZigBee Light Link 

Texas Instruments− Cumple con el perfil ZigBee Light Link 1.0

− Aplicaciones ZLL certificadas para:– Mando a distancia de color de escena 

– Color de la luz, luz regulable, encendido/apagado de la luz

NXP − Cumple con el perfil ZigBee Light Link 1.0

− Aplicaciones ZLL certificadas para:– Nodos controladores: Interruptor, sensores de 

ocupación, control remoto, smartphones, PC, tablets…

– Nodos de luz: Monocromáticas (mesa, pared, techo) o color (Luz ambiental)

– Conectividad a Internet

Sensores de Luz ambiente

MAX44009

I2CADCAmbient Light Sensor

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0300 400 500 600 700 800 900 1000

“Human Eye Response”

MAX44009

CIE Curve

λ (nm)