Los motores ligeros AC-LED sin conductor ofrecen un mej

Los motores ligeros AC-LED sin conductor ofrecen un mejor rendimiento de parpadeo

Los motores ligeros AC-LED sin conductor ofrecen un mejor rendimiento de parpadeo

La comunidad de iluminación de estado sólido (SSL) ha seguido explorando las posibilidades de la llamada tecnología AC-LED, ya que un circuito de control para un motor de luz LED es mucho más sencillo que el controlador AC / DC estándar. Sin embargo, hasta el presente, muchos especificadores han sido reacios a usar motores ligeros CA o sin conductor porque la luz se caracterizaba por un índice de parpadeo alrededor de 0,32. En este artículo, presentaremos un nuevo enfoque a los motores de luz AC-LED que utilizan frecuencias más altas para ofrecer un índice de parpadeo de 0,15 simultáneamente combinado con un factor de potencia de 0,9.


El índice de parpadeo es un concepto que ha existido desde 1952, y su concepto de porcentaje de parpadeo asociado se definió por primera vez en el año 2000. El manual de la IES (Illuminating Engineering Society) publicó el gráfico que se muestra en la Fig. 1, que define ambos conceptos. El parpadeo primero vino a la atención pública en los años 70 cuando una correlación fue encontrada entre el parpadeo presente en las lámparas fluorescentes magnéticas balasted y los dolores de cabeza y la tensión del ojo sufrió por un pequeño porcentaje de la mayoría de los trabajadores de oficina que trabajaron en la presencia de estas luces. Después de este reconocimiento, las lámparas fluorescentes lastradas magnéticas fueron gradualmente reemplazadas por luces fluorescentes electrónicas de balasto de alta frecuencia a lo largo de la década de 1990 y cesaron las quejas de cefalea y cefalea ocular.


HIGO. 1. El IES definió el índice de parpadeo y el porcentaje de parpadeo basado en este gráfico.


Desafío de parpadeo


Avance rápido ahora a 2015, y las lámparas LED y luminarias están encontrando uso generalizado. Ha habido problemas de parpadeo a través de una amplia gama de productos SSL para iluminación general, incluidos los productos mal diseñados que utilizan controladores AC / DC. Sin embargo, la tecnología AC-LED es nuestro foco aquí porque parpadeo es uno de los pocos problemas que están dando paso a la adopción más generalizada de la tecnología, que de otro modo puede resultar más rentable y fiable en comparación con los diseños de AC / DC.


Higo. La figura 2 muestra el perfil de salida de luz de un motor convencional de luz de CA sin conductor de 2015. El índice de parpadeo es 0,309 y el porcentaje de parpadeo es del 100%, lo que simplemente refleja el hecho de que en ciertos puntos durante el ciclo de potencia de la línea la salida de luz instantánea pasa a cero. Para la comparación, el perfil de salida de luz de una lámpara de reemplazo de halógeno típica usando LEDs tiene un índice de parpadeo de 0,105.


Michael Poplawski y Naomi Miller del Departamento Nacional de Energía (DOE) Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste (PNNL) documentó los perfiles de salida de luz para una serie de fuentes de luz en una presentación de 2011 en una conferencia IES. Estas formas de onda dan una idea de qué formas de ondas luminosas instantáneas típicas se ven, y sus números de índice de parpadeo asociados.


Reconocimiento de la frecuencia


Ambas medidas estándar de índice de parpadeo y porcentaje de parpadeo tienen una debilidad en que no tienen en cuenta la sensibilidad a la frecuencia del ojo humano. En 1988, Sam Berman y otros tenían algunos voluntarios heroicos con electrodos adheridos a sus ojos para captar los impulsos eléctricos resultantes de los pulsos de luz de alta frecuencia a medida que iban al cerebro a través del nervio óptico. Los resultados mostraron que la sensibilidad disminuye rápidamente con el aumento de la frecuencia, bajando en aproximadamente 1000 × por una frecuencia de 200 Hz y no se registran para las frecuencias más altas. Por esta razón, a veces se han sugerido que para representar lo que el ojo percibe, todas las frecuencias por encima de 200 Hz deben ser filtradas.


HIGO. 2. Los motores ligeros AC-LED típicos han tenido un índice de parpadeo relativamente alto.


HIGO. 3. El circuito representa un motor ligero AC-LED de cuarta generación. Fuente: Segue Electronics. 

En 2015, el Lighting Research Center (LRC) del Instituto Politécnico Rensselaer describió una métrica de parpadeo que refleja la sensibilidad del ojo humano, basada en las frecuencias que el 50% de los sujetos podrían percibir. Sin embargo, la investigación previa realizada por EM Jaen en 2011 había demostrado que el rendimiento visual humano se degrada por la presencia de parpadeo de alta frecuencia incluso cuando los sujetos implicados no eran capaces de percibir el parpadeo directamente.

 

HIGO. 4. El circuito de la Fig. 3 fue implementado en este producto modular por Segue Electronics.


Aquí surge una imagen coherente. La mitad de los seres humanos no puede percibir parpadeo por encima de los 60 Hz según lo documentado por el LRC, sin embargo, el trabajo de Berman muestra que las frecuencias de hasta 200 Hz se están transmitiendo al cerebro, y Jaén confirma que el rendimiento visual se degrada incluso cuando los sujetos no pueden percibir el parpadeo. El límite de 200 Hz corresponde a una frecuencia que tiene un período de tiempo de 5 ms (milisegundos), lo que hace que el punto de que un hueco en una forma de onda del orden de, por ejemplo, 2 msec o menos será imperceptible porque el ojo humano no puede detectar Y señalan la existencia de tales acontecimientos rápidos. Este conocimiento puede servir como la base de un circuito que alcanza simultáneamente bajo índice de parpadeo y alto factor de potencia.


HIGO. 5. Una gráfica de la corriente a través de las cuerdas de LED con respecto a la tensión de línea muestra breves intervalos en la salida de luz. 

Nueva topología sin conductor


El año pasado, habíamos descrito lo que considerábamos ser una cuarta generación de motores ligeros AC-LED sin conductor. Ese circuito se muestra en la Fig. 3. El circuito alcanza un factor de potencia superior a 0,7 - adecuado para las aplicaciones de consumo de Energy Star - y un índice de parpadeo de 0,28, que era en ese momento mejor que cualquier motor de luz LED AC disponible.Higo. La figura 4 muestra un ejemplo de un motor de luz fabricado utilizando este circuito. Las resistencias mostradas en el circuito teórico de la Fig. 3 han sido reemplazados por resistencias controladas por corriente (CCRs) para obtener una mejor regulación de voltaje de la luz, y se han añadido componentes convencionales de protección contra sobretensiones de tensión.


Este circuito de apariencia sencilla contiene cuatro cadenas idénticas de LED, todas conectadas en serie. En la simulación de diseño su eficiencia eléctrica es del 87%, aunque esto disminuye ligeramente en la vida real cuando se agregan circuitos de protección contra sobretensiones. Un aspecto de estos motores de luz es que las dos cadenas LED más internas producen luz cada medio ciclo, mientras que las dos cadenas LED exteriores producen luz en cada medio ciclo.


La salida de luz de las dos cuerdas externas proviene de la cuerda superior en un semiciclo y de la cadena inferior en el siguiente semiciclo. Para conseguir que la salida de luz se mezcle uniformemente, cada LED de la cadena más alta se coloca lo más cerca posible de un LED correspondiente de la cadena más inferior. Esta disposición se puede ver en el circuito real ilustrado en la Fig. 4. Para minimizar el número de componentes, se utilizan pares de LED integrados para cada componente de LED en lugar de utilizar LEDs discretos. Higo. La figura 5 muestra la corriente calculada a través de cada una de las cuatro cadenas trazadas en el tiempo, en comparación con la tensión de la línea de alimentación. Se puede ver que la corriente combinada es relativamente plana, excepto para una separación de 2 mseg cada medio ciclo. 

Lo que es intrigante sobre la Fig. 5 es que la separación de 2 mseg no ocurre en el cruce de voltaje de la línea de cero, sino en lugar de pasar el pico de la forma de onda de la tensión de línea. El factor de potencia 0.73 se produce debido a que hay poca corriente de drenaje justo después del pico de la tensión de la línea de alimentación. El índice de parpadeo es tan alto como 0,28 porque no hay salida de luz en este mismo período de tiempo justo después de cada pico de la tensión de la línea de alimentación. Si se trata de extraer una corriente de la línea de alimentación y pasarla a través de los LED durante este intervalo de tiempo, entonces se puede mejorar el factor de potencia y se puede disminuir el índice de parpadeo. Este concepto da nacimiento al circuito comercial e industrial mostrado en la Fig. 6 - el motor de luz de Photalume.


Alto PF y parpadeo bajo


El circuito de la Fig. 6 contiene el circuito de consumo anteriormente descrito pero ahora con la adición de una quinta cadena de LEDs, que se enciende durante la separación en la salida de luz del circuito original. Un circuito de control lo enciende sólo cuando la tensión de línea está por debajo de cierto nivel y está disminuyendo. El valor instantáneo de la salida de luz medida a lo largo del tiempo se muestra en la Fig. 7. Hay dos inmersiones en la salida de luz por medio ciclo, una aproximadamente para 1 msec y una con duración de menos de un msec. Estas breves inmersiones son imperceptibles para el ojo humano y, por lo tanto, la calidad de la luz percibida es mejor de lo que se esperaría del índice de parpadeo de 0,152.


HIGO. 6. Una nueva topología AC-LED agrega una quinta secuencia de LEDs para permitir una salida de luz más uniforme. 

Una pregunta común es cómo este rendimiento se relaciona con los requisitos de IEEE 1789-2015, un estándar que hace recomendaciones sobre el contenido de parpadeo de luz? Ese estándar se limita a las fluctuaciones sinusoidales de la salida de luz, que esta forma de onda es muy claramente no; Por lo tanto IEEE 1789 no se aplica a esta forma de onda. Dado que la quinta cadena sólo funciona para una pequeña fracción de cada ciclo, es aceptable simplemente limitar la corriente de LED con resistencias, lo que tiene un impacto menor en la eficiencia general. 
HIGO. 7. El gráfico de la salida de luz del circuito de la Fig. 6 muestra un índice de parpadeo mucho menor. 
HIGO. 7. El gráfico de la salida de luz del circuito de la Fig. 6 muestra un índice de parpadeo mucho menor. 

Higo. 8 muestra un ejemplo de un motor de luz fabricado utilizando el circuito comercial / industrial de la Fig. 6. Este circuito tiene circuitos de protección contra sobretensiones que consisten en un varistor de óxido metálico (MOV), resistencias de caída de tensión y un supresor de tensión transitorio (TVS), que le permite soportar pruebas de sobretensión convencionales. La potencia perdida en las resistencias de caída de voltaje reduce la eficiencia al 83%. La tabla muestra un resumen de los datos de rendimiento. Cuando se ejecuta en un banco al aire libre, una versión de 10W del motor ligero funciona a una temperatura de 60 ° C, lo que refleja su nivel de eficiencia.


Rendimiento del motor ligero


Una propiedad interesante de la forma de onda de salida de luz de este motor de luz es que la modulación está en frecuencias que son demasiado altas para que el ojo humano perciba. Como se ha descrito anteriormente, se puede lograr una buena aproximación a lo que el ojo humano puede percibir simplemente poniendo la salida de luz a través de un filtro de paso bajo de 200 Hz. En este caso, se utilizó un filtro Butterworth de 4º orden y el porcentaje de parpadeo que fue casi el 100% se redujo a sólo 22% cuando la forma de onda de salida de luz se filtró de la manera que corresponde a la capacidad del ojo humano.


La salida de luz del motor de luz aumenta con la tensión de línea de entrada. Un aumento del 10% en la tensión de línea da un aumento de 6.4% en la salida de luz.


El rendimiento de atenuación del motor ligero es de particular interés. Dado que el circuito contiene condensadores, aunque pequeños, se debe utilizar un dimmer capacitivo (también conocido como atenuador de borde de arrastre, un atenuador electrónico de bajo voltaje [ELV] o regulador de fase inversa). De esta manera, el producto puede atenuarse hasta un 2,8% sin ninguna inestabilidad.El índice de parpadeo aumenta a medida que avanza el oscurecimiento, similar a lo que se observa con cualquier motor de luz sin conductor AC-LED.


En el trabajo de 2011 mencionado anteriormente por Poplawski y Miller en PNNL, se probaron varios motores ligeros AC-LED y se informó que todos tenían un índice de parpadeo de 0,42. En 2015, los mejores motores de luz AC-LED disponibles tenían un índice de parpadeo de 0,32. Ahora, en 2016, el motor ligero de Photalume está funcionando con un índice de parpadeo de 0.15. Esto se está logrando almacenando cantidades minuciosas de energía en los condensadores de chips y soltándolos en el momento justo. El resultado de esto es un motor ligero sin conductor que es plano y eficiente, y combina un factor de potencia de 0,90 con un índice de parpadeo de 0,15.


Datos de rendimiento para el motor de luz de Photalume.


Para aplicaciones de iluminación básicas, es una buena predicción que los controladores de LED separados se están convirtiendo cada vez más innecesario como el concepto de la antigua de conductor LED más LED es reemplazado por el motor de luz AC sin conductor. En particular, se puede predecir un futuro en el que las luminarias que utilicen estos motores ligeros y eficientes podrían simplemente colocarse sobre los techos con sólo agujeros pequeños de alambre, una conveniencia útil y una reducción de costes. Las versiones a gran escala de estos circuitos se han diseñado que son convenientes para luces de la alto-bahía, luces de la calle, y otras aplicaciones de gran alcance.


HIGO. 8. El circuito de la Fig. 6 se captura en este motor de luz LED modular fabricado por ERG Lighting. 

Los circuitos descritos en este artículo están pendientes de patente. Las licencias se pueden obtener de Photalume.