Driver para LEDS de alta potencia.

En este artículo describo en modo detallado como construir un Driver para LEDS de alta

potencia analizando muchas cuestione relacionadas con este tipo de dispositivo.

Todos los artículos que he publicado hasta ahora sobre el tema leds, hacen referencia a los

leds de alta luminosidad comunes, es decir, aquellos que trabajan con corrientes de 20mA y

con potencias bastante bajas, entre los 0,03 y 0,08 Watt (según la tensión característica de

cada modelo).

Después del descubrimiento de los materiales que permitieron desarrollar los leds blancos, la

posibilidad de usarlos en iluminación ha impulsado los fabricantes a desarrollar modelos más y

más potentes cada día. Aunque si todavía los leds no son en grado de reemplazar en todos los

casos las lámparas comunes, esta meta está muy cercana.

Spot de 12V con led único de 5 Watt.

Lamentablemente estos resultados obtenidos no son indoloros: los leds son componentes muy

delicados y poco resistentes a condiciones de trabajo poco amigables. El deseo de los

fabricantes de leds de ofrecer una alternativa conveniente a las lámparas con filamento,

impulsan estos a producir modelos que trabajan al límite de sus posibilidades.

Por lo tanto, cuando trabajamos con ellos, conviene prestar mucha atención al “tratamiento”

que les damos. Dos son las condiciones fundamentales que es necesario tener presentes: la

corriente que pasa por el led y la temperatura que disipa. A diferencia de las lámparas con

filamento que no sufren particularmente la alta temperatura (el filamento para dar luz necesita

calentarse), en los leds, la luz se produce directamente por el pasaje de la electricidad y por lo

tanto el calor es un fenómeno secundario y no deseado (como sucede con todos los

semiconductores). La temperatura reduce la eficiencia del led, lo hace envejecer y un exceso

de ella lo puede dañar o reducir su vida útil. Recuerdo a los lectores que los leds no son

eternos, con el tiempo, su eficiencia luminosa disminuye progresivamente y, generalmente, se

considera un led al final de su vida útil cuando la luz que emite es del 50% menor respecto a

la luz producida cuando es nuevo. Por suerte esto ocurre después de miles de horas de uso

(en algunos casos más de 50.000 horas).

Led de 5 Watts

Volviendo al tema de la corriente, con los leds comunes de 20mA ad alta luminosidad, el modo

más simple y económico para regular la corriente es usar una resistencia como hemos visto en

la mayor parte de los artículos anteriores. Con leds de mayor potencia, aunque si en línea

teórica es posible continuar a usar resistencias, se presentan dos problemas: el primero es el

exceso de potencia (y calor) que se desarrolla en las resistencias, el segundo problema es

debido a que la tolerancia de los componentes y de la tensión de alimentación puede llevar la

corriente a valores que puedan dañar o hacer envejecer prematuramente los leds.

El panorama de los leds de alta potencia es muy complejo y variable. Para aumentar la

potencia muchas veces los fabricantes construyen leds compuestos por varios leds más

simples colocados en el mismo substrato (conectados en serie y en paralelo). De cualquier

manera, con los leds de potencia simples y tensión de umbral entre 3V y 3,6V, existen dos

valores de corriente bastante usados: 300mA y 600mA, estamos hablando de leds de 1 Watt y

de 2 Watt respectivamente.

Sin necesidad de saber cómo están construidos, a nosotros nos basta fundamentalmente

conocer la corriente que necesitan y en modo menos preciso, la tensión de umbral en modo tal

de usar una tensión más alta para que el led se encienda.

Led Luxeon de 1 Watt.

Generalmente existen dos modos para alimentar los leds de alta potencia: la regulación de la

corriente serie o a través del uso de convertidores DC-DC switching (“buck converter” o “boost

converter” en base a la configuración). Aunque si los convertidores DC-DC son mucho más

eficientes en materia de rendimiento (90% o más), su realización es más compleja y requiere

muchos componentes no tan fáciles de encontrar como por ejemplo las bobinas que sirven

para generar la tensión de salida. Otro defecto de los convertidores DC-DC es la vida útil que

muchas veces es más breve respecto a los leds que alimentan.

Privilegiando por ahora la solución más fácil de hacer, en este artículo describiré un sistema

del primer tipo, es decir, un regulador serie de corriente. El proyecto es realmente simple y

está pensado para ser usado en modo autónomo o conectado a un sistema de control variable

del tipo PWM que describiré en un próximo artículo.

El modelo propuesto

Los reguladores de corriente se pueden hacer de diferentes maneras: con transistores, con

Mosfet de potencia o con reguladores lineales de tensión conectados en modo particular.

Todos usan el mismo principio de funcionamiento: una resistencia de bajo valor en serie con el

led (generalmente llamada shunt) que “mide” la corriente que pasa por ella y controla el

circuito que regula la corriente.

El modelo que les propongo usa un Mosfet de canal N como regulador porque lo considero el

más eficiente y al mismo tiempo simple de hacer. Para los que no tienen disponible en el cajón

de componentes un Mosfet de canal N de potencia, se puede usar también un transistor NPN

de potencia manteniendo el mismo circuito impreso. Aunque si el resultado es menos eficiente

nos puede sacar de apuros. El circuito es una típica fuente de corriente constante y es

realmente simple de hacer.

¿Cómo funciona?

El “gate” del Mosfet recibe una tensión positiva a través de la resistencia de 47K y por lo tanto

conduce. Esta conducción enciende el led y produce una caída de tensión sobre la resistencia

en serie con el led. Si la corriente aumenta, también aumenta la caída de tensión y si supera la

tensión de umbral de la base del transistor, este último, empieza a conducir disminuyendo la

tensión de gate del Mosfet y reduciendo de consecuencia la corriente sobre el led

(realimentación negativa). Por lo tanto, la corriente sobre el led depende del valor de la

resistencia en serie. El defecto de este circuito es que parte de la potencia consumida se

pierde en forma de calor en el Mosfet. Por lo tanto, es necesario agregarle un disipador

térmico.

Diseño del circuito impreso y vista pictórica del driver propuesto.

Potencia disipada en el Mosfet y rendimiento general.

La potencia disipada en el Mosfet depende de la tensión que cae sobre este y de la corriente

que hacemos pasar para alimentar al led. Por lo tanto, podemos mejorar la eficiencia del

circuito disminuyendo la tensión de alimentación.

Hagamos un ejemplo sobre este punto. Si conectáramos un led de 3V y 600mA (2 Watt) a

nuestro circuito alimentado por 12V, el Mosfet disipará:

Pfet = (Vpower – Vled – Vres) * Iled = (12V – 3V – 0,6V) * 0,6A = 5 Watt

Si usáramos en vez una alimentación de 9V:

Pfet = (Vpower – Vled – Vres) * Iled = (9V – 3V – 0,6V) * 0,6A = 3,24 Watt.

Como podemos ver, la potencia disipada por el Mosfet en el segundo caso se reduce bastante.

Además, en el primer caso con 12V, el rendimiento del circuito es muy bajo porque de los 7,3

Watt que consume, 5 Watt se pierden en forma de calor sobre el Mosfet. De cualquier manera,

no siempre se dispone de la tensión justa para reducir la potencia disipada por el Mosfet. Si

tenemos disponibles solamente 12V podemos mejorar el sistema conectando 2 o 3 leds en

serie (dependiendo de la tensión de cada uno). Por ejemplo, usando 3 leds de 3V y 600mA:

Pfet = (Vpower – Vled1-Vled2-Vled3-Vres) * Iled = (12V-3V-3V-3V-0,6V) * 0,6A = 1,44 Watt.

Es decir, casi todo el consumo del circuito es usado por los leds mientras que una mínima

parte se pierde en el Mosfet. La conclusión es simple: conviene alimentar el circuito con una

tensión poco superior a la suma de las tensiones de umbral de los leds conectados.

El driver controlando un led de 1 Watt

La pregunta surge natural: ¿Cuánto poco superior? Bien, si la tensión de alimentación fuera

igual a la suma de las tensiones de umbral de los leds conectados el circuito dejaría de

funcionar porque el Mosfet no es un componente ideal y un mínimo de tensión cae sobre él. A

esto se le suma la tensión de 0,6V que cae sobre la resistencia en serie y que permite de

regular la corriente. He hecho pruebas directamente con el circuito propuesto y la tensión

mínima necesaria para que funcione correctamente es de 2,5V por encima de la tensión del led

(o de los leds conectados en serie). Para mayor seguridad aconsejo 3V.

¿Cómo regulamos la corriente?

Como hemos dicho, la corriente que obtenemos para alimentar el led depende solamente del

valor de la resistencia en serie y su valor se puede calcular a través de esta sencilla fórmula:

R = 0,6V / Iled.

Si por ejemplo, quisiéramos hacer pasar una corriente por nuestro led (o leds) de 0,3A (o

300mA):

R = 0,6V / 0,3A = 2 ohm.

Si quisiéramos hacer pasar una corriente por nuestro led (o leds) de 0,6A (o 600mA):

R = 0,6V / 0,6A = 1 ohm

Corriente (en Amperes) entregada por el driver con una resistencia de 1,8 Ohm.

Debido a las pequeñas tolerancias de los componentes, la corriente real puede ser ligeramente

diferente. Por ejemplo, en el prototipo, para obtener la corriente de 0,3A he debido conectar

una resistencia de 1,8 ohm en lugar de una de 2 ohm. Por el hecho que en comercio muchos

valores intermedios de resistencia no existen, puede ser necesario aproximar el valor

manualmente conectando resistencias en serie y en paralelo.

¿Cuánto disipa la resistencia?

La resistencia en serie disipa bastante poco. Por ejemplo en nuestro caso de 0,6A:

Pres = I * Vres = 0,6A * 0,6V = 0,36 Watt.

Para tener un buen margen de trabajo con distintos valores de corriente yo sugiero de

conectar una resistencia de 1Watt (o menor en el caso de 2 o más resistencias conectadas

para aproximar el valor justo de corriente).

¿Qué potencia máxima podemos controlar?.

Diagrama pictórico de conexión del driver a dos leds de 1 Watt cada uno.

En realidad, nuestro circuito puede trabajar con corrientes mucho más elevadas de los

ejemplos que hemos presentado (5A o más) aunque si será necesario considerar algunos

aspectos:

1. reducir al mínimo indispensable la tensión de alimentación del circuito (solamente 3V por

encima de Vled).

2. usar una resistencia en serie de potencia adecuada.

3. agregar al Mosfet un disipador que sea en grado de mantener la temperatura “bajo control”.

La versión con transistor de potencia.

Versión del driver que usa un transistor de potencia en lugar del Mosfet.

Con el mismo principio de funcionamiento, podemos reemplazar el Mosfet con un transistor

NPN de potencia. El resultado obtenido es de calidad inferior porque el transistor necesita

bastante más corriente de base respecto al Mosfet y también porque la caída de tensión

colector-emisor mínima es mayor por lo que será necesario alimentarlo con una tensión un

poco más alta respecto a los 3V por encima de la Vled necesarios con el Mosfet. De cualquier

manera el sistema funciona y nos puede resolver el problema en caso de apuros.

Versión con un transistor NPN BD911 y disipador hecho con un perfil de aluminio.

Reemplazando componentes.

Se puede usar cualquier tipo de Mosfet de canal N que sea en grado de manejar la corriente

necesaria para alimentar los leds. Quizás sea mejor elegir un modelo con encapsulado TO220

para mantener el proyecto del circuito impreso sin necesidad de introducir variaciones. Lo

mismo ocurre en el caso de la versión con transistor, cualquier transistor de potencia con una

buena ganancia en continua (HFE) y también con encapsulado TO220 puede reemplazar el

Mosfet. Recuerden que en el caso del transistor será necesario cambiar la resistencia de 47K

por una de un valor mucho menor, por ejemplo 470 ohms.

Versión con un transistor NPN BD911 y disipador hecho con un perfil de aluminio.

En el prototipo he usado un disipador comercial. Si no se dispone de uno así se puede

construir uno con una perfil rectangular de aluminio como se observa en la fotografía. No será

tan eficiente pero de cualquier manera nos resuelve el problema.

La entrada de control.

Una cosa bastante interesante del circuito propuesto consiste en la posibilidad de controlar la

intensidad luminosa a través de la entrada de control indicada en los diseños. El control debe

ser del tipo PWM (modulación por ancho de impulso), bastante simple de hacer con un micro y

con un adaptador de niveles como por ejemplo un transistor. En un próximo artículo explicaré

como construir uno.

Versión con el Mosfet de canal N tipo IRF530 y disipador comercial.