• Author / Uploaded
• Nicolás Anibaldi Greco

Citation preview

PCB Technology Atenuadores de iluminación

Elliott Sound Products

Atenuadores de iluminación © 2008, Rod Elliott (ESP) Actualizado en noviembre de 2017 Google Bookmark

Facebook Más ...

Lámparas e índice de energía Índice principal

Contenido Introducción 1 - Principios del factor de potencia 2 - Principios de atenuación 2.1 - Atenuadores de vanguardia 2.2 - Atenuadores de borde posterior 2.3 - Atenuadores 'universales' 3 - Factor de potencia del atenuador 4 - Transformadores electrónicos 5 - Atenuadores DC 6 - Iluminación LED hacia el futuro 7 - Atenuadores de onda sinusoidal revisitados Conclusión Parte 2 Introducción Desde el principio, debo enfatizar que este artículo describe los atenuadores (o 'interruptores de atenuación' en los EE. UU.) Utilizados en aplicaciones residenciales. Los atenuadores de etapa de alta potencia no están cubiertos, y tampoco propongo discutir en detalle C-Bus, DALI o cualquiera de los otros sistemas de automatización del hogar. Si bien existen muchas similitudes entre los productos de gama alta y baja, el proceso de automatización es casi completamente digital y puede implementarse de muchas maneras diferentes para lograr el mismo resultado final. Algunas jurisdicciones en los EE. UU. Han ordenado que se usen sensores de atenuación y / u ocupación para minimizar el desperdicio de energía en espacios de oficinas y aparcamientos (entre otros espacios). Espere que en los próximos años esto se generalice, en la búsqueda de minimizar el desperdicio de energía. Hay dos categorías principales de atenuadores de CA tradicionales (también conocidos como atenuadores de 'corte de fase'), comúnmente conocidos como 'borde de ataque' y 'borde de salida', y si bien ambos funcionarán con cargas resistivas como las lámparas incandescentes, la opción es más crítico para cualquier lámpara que incluya electrónica. Probablemente hay incluso algunos de los atenuadores de 'reóstato' ahora muy antiguos (y extremadamente ineficientes), y posiblemente algunos que se basan en transformadores automáticos variables (también conocidos como Variacs). Debido a que ninguno de los dos últimos es común o se volverá común en el futuro, se describirán solo en términos generales. Los transformadores electrónicos ahora son muy comunes para la iluminación de bajo voltaje, y estos han ganado popularidad porque son baratos y comparativamente eficientes. Hay muy poca información real disponible para cualquiera de estos dispositivos. Existen algunos esquemas en la red para atenuadores básicos (de vanguardia) e incluso algunos datos sobre transformadores electrónicos, pero casi nada acerca de los atenuadores de borde posterior y cómo funcionan. Todas las formas de onda y los cálculos utilizados en este artículo se basan en un suministro de red de 230 Hz y 50 Hz. Se pueden extrapolar otros voltajes y frecuencias a partir de los datos mostrados. Esto se hizo en aras de la simplicidad, y las tendencias generales son idénticas para cualquier voltaje o frecuencia. La mayoría de las formas de onda mostradas se derivan de un simulador en lugar de por medición directa. Esto simplifica el proceso de hacer gráficos y también permite un análisis muy detallado de la forma de onda, su Parte superior factor de potencia y armónicos. Si bien podrían haberse utilizado mediciones reales, estas tardan mucho

más en prepararse y tienen muchas incertidumbres debido a la distorsión de la forma de onda de voltaje, las variaciones de voltaje de suministro y el ruido externo y / o la distorsión. Una cosa que es muy desafortunada ... casi todos los atenuadores domésticos son de 2 hilos y, por lo tanto, no tienen conexión neutra. Esto impone muchas restricciones al regulador y qué tan bien (o no) funcionará, especialmente con cargas no resistivas. Estos atenuadores con cable de serie estándar funcionan bien con lámparas incandescentes, porque el filamento de la lámpara proporciona una conexión continua a neutro y el atenuador tiene una referencia (al menos de algún tipo). Con las fuentes de alimentación electrónicas (CFL, LED, etc.), esta referencia no está presente hasta que la lámpara comienza a consumir corriente, y el funcionamiento del atenuador puede ser errático en el mejor de los casos o inútil en el peor. Una forma en que esto se puede "arreglar" es usar una lámpara incandescente en paralelo con la lámpara electrónica. Se puede usar una sola lámpara incandescente (pequeña) con múltiples lámparas electrónicas, siempre que seanespecíficamente diseñado para usar con atenuadores! Finalmente, hay atenuadores que se usan solo con CC. Anteriormente solo una curiosidad (o utilizada para controlar la velocidad del motor de CC), estos obtendrán una nueva vida con iluminación LED. Los balastos regulables consisten en fuentes de alimentación de CC de modo conmutado, adaptadas para proporcionar la corriente constante requerida por los LED. La atenuación a menudo se logra al encender y apagar la CC muy rápidamente, y es casi sin pérdidas. A menos que se indique lo contrario, el voltaje utilizado para todos los ejemplos es el estándar australiano / europeo de 230V a 50Hz. Un ciclo completo dura 20 ms, y el voltaje máximo es nominalmente 325V. Para una red de 120V 60Hz, el período de un ciclo es de 16.67ms y el voltaje máximo es de 170V. Los lectores en los EE. UU. Deberán realizar las conversiones necesarias para adaptarse al voltaje más bajo y a la frecuencia más alta. NOTA CUIDADOSAMENTE: Es extremadamente importante que el lector entienda que las lámparas electrónicas regulables (tanto CFL como LED) comúnmente son compatibles con los atenuadores de borde delantero y trasero. ¡Con muy pocas excepciones, esto no es cierto! Casi todas las lámparas electrónicas generan una corriente de pico muy alta cuando se conectan a los atenuadores TRIAC (borde de ataque), porque el tiempo de subida de la entrada de la red eléctrica es increíblemente rápido. Esto ejerce una enorme presión sobre el atenuador y, lo que es más importante, sobre la electrónica de la lámpara. A pesar de las afirmaciones de los fabricantes, es casi seguro que la lámpara no sobrevivirá al abuso durante mucho tiempo, por lo que la vida útil de la lámpara se reduce, posiblemente drásticamente. Un atenuador de borde de salida (o universal) no somete a la lámpara a una forma de onda ascendente rápida, por lo que no provoca una corriente de pico excesivamente alta. Es importante comprender que el atenuador estándar de 2 hilos fue diseñado para usarse con lámparas incandescentes. ¡A pesar de todo lo que leerá en otra parte, la operación será impredecible con CUALQUIER carga que no sea una lámpara incandescente! Para un rendimiento confiable con cargas electrónicas (LED regulable o lámparas CFL), el atenuador debe ser de 3 hilos (activo, neutro y de carga). Desafortunadamente, estos son poco comunes y generalmente serán difíciles de instalar como retroajuste porque la mayoría de las cajas de interruptores de iluminación no tienen el neutro disponible. Los atenuadores de 2 hilos se diseñaron para lámparas incandescentes (resistivas) y nunca se utilizaron con carga electrónica.

1 - Principios del factor de potencia Usaré el término 'amigable' para describir formas de onda que introducen poca o ninguna distorsión en la red de suministro y que tienen un buen factor de potencia. Muchas personas tienen la impresión de que el factor de potencia solo es relevante con cargas inductivas o capacitivas, pero esto es completamente falso. Cualquier forma de onda de corriente que no sea una réplica exacta de la forma de onda de voltaje tiene un factor de potencia menor que la unidad (lo ideal). No importa si la forma de onda actual simplemente se desplaza en fase o no es lineal, el factor de potencia aún se ve afectado. Ver Factor de potencia para más información. Unidad: la corriente y el voltaje están en fase y tienen formas de onda idénticas (cargas resistivas) Retraso: la corriente se produce después del voltaje, causada por cargas inductivas (motores, transformadores) Liderazgo: la corriente ocurre antes del voltaje, causada por cargas capacitivas (poco común, pero puede ocurrir y ocurre) No lineal: el voltaje y la corriente están en fase, pero tienen formas de onda diferentes (muchas cargas electrónicas) La Figura 1 muestra un ejemplo de cada uno de los anteriores. El voltaje se muestra en rojo y la corriente en verde. Las amplitudes de las dos formas de onda son deliberadamente diferentes, por lo que los dos gráficos son claramente visibles. Estos gráficos no están a ninguna escala en particular, pero todos los factores de potencia se ajustan para estar lo más cerca posible de 0.5, y la potencia en cada caso es de Parte superior 52.9W. Se obtienen 230 mA adicionales de la red eléctrica, pero no hacen un trabajo útil.

Figura 1 - Formas de onda de voltaje y corriente

Dado que el voltaje y la corriente simplemente se multiplican para obtener la clasificación VA, es obvio que para los ejemplos inductivos y capacitivos, la clasificación VA es 105.8VA, pero la potencia sigue siendo la misma, a 52.9W. La carga no lineal es un caso especial, simplemente porque no es lineal. La potencia es de 64.8W y el circuito aún requiere 105.8VA de la red eléctrica, pero la potencia de carga es de 64.8W y el factor de potencia es de 0.61, una ligera mejora, ¡pero no se puede corregir fácilmente! Siempre que la clasificación VA y la clasificación de potencia sean diferentes (VA no puede ser inferior a la potencia), se extrae una corriente excesiva de la red eléctrica, causando pérdidas en los cables de distribución, transformadores, subestaciones y alternadores. Un alternador de 1MW con un factor de potencia de 0.5 solo puede producir 500kW, ya que en última instancia está limitado por su clasificación VA. Todos los componentes del sistema de distribución eléctrica en realidad están limitados a una clasificación VA, no a una clasificación de potencia.

Figura 2 - Circuitos utilizados para crear formas de onda de voltaje y corriente

La Figura 2 muestra los diagramas de circuito utilizados para producir las formas de onda anteriores para aquellos que estén interesados. Estos son teóricos, ya que las cargas reales rara vez son tan simples y generalmente no se pueden representar con precisión con tan pocos componentes. Sin embargo, el efecto es lo suficientemente similar como para que estos circuitos sean bastante adecuados para mostrar la tendencia general. Como muchos anuncios dicen en letra pequeña, "los resultados reales pueden variar". Aunque la potencia puede estar dentro de la clasificación de la placa de identificación de un transformador, si se excede la clasificación VA, se sobrecalentará. El sobrecalentamiento continuo causará fallas. Debido a esto, las compañías de suministro y / o autoridades de todo el mundo necesitan tener el mejor factor de potencia posible para aprovechar al máximo sus equipos. Las grandes instalaciones serán penalizadas con cargos adicionales si su factor de potencia no está dentro de los límites especificados. Las formas de onda como el último ejemplo son las peores, porque es muy poco lo que se puede hacer externamente para modificar la forma de onda para reducir las no linealidades, y los armónicos de la frecuencia de red se inyectan en el sistema causando más problemas. Una discusión completa de los estragos causados por las formas de onda no lineales está fuera del alcance de este artículo, pero muchos países han introducido (o planean introducir) la corrección obligatoria del factor de potencia para todas las cargas electrónicas por encima de un límite de potencia dado. 2 - Principios de atenuación Para atenuar una lámpara, el enfoque común es reducir el voltaje aplicado de una forma u otra. LosParte superior primeros intentos utilizaron un reóstato (una resistencia variable) en serie con la lámpara, ya que no había una alternativa viable en ese momento. Este enfoque desperdicia una enorme cantidad de poder, y

probablemente hayan pasado más de 40 años desde que alguien hizo tal bestia. Este enfoque proporciona una carga muy amigable a la red de suministro, con cero impulsos de conmutación y un factor de potencia perfecto. Eliminar el exceso de calor es un desafío, especialmente para lámparas de potencia razonablemente alta. Se puede esperar que los reguladores de reóstato (si se encuentran) sean bastante grandes debido al calor que se debe disipar. Un autotransformador variable (comúnmente conocido como Variac ™) casi no desperdicia energía y es tan amigable con la red eléctrica como un reóstato, pero es una forma costosa (y voluminosa) de atenuar las lámparas. El transformador variable más barato actualmente disponible cuesta alrededor de $ 150 y pesa varios kilogramos. Si bien no hay duda de que este es un buen enfoque, la economía impide su uso general. Los atenuadores Variac eran comunes en los estudios de televisión hasta hace unos 20 años. Es posible que vea comentarios (en otros lugares) de que los atenuadores Variac son con pérdidas e ineficientes, pero esto simplemente no es cierto: son muy eficientes y rivalizan con los mejores atenuadores de estado sólido (TRIAC, SCR o IGBT). Sin embargo, son voluminosos y algo inconvenientes para su uso como atenuadores. La operación remota se logra mediante el uso de un servomotor para ajustar la posición del limpiador y, por lo tanto, el voltaje de salida.Transformadores - La Variac . Otro método que se usó en los primeros días fue un dispositivo llamado 'amplificador magnético' (o simplemente amplificador magnético), pero por lo que pude encontrar, estos no eran comunes en nada más que atenuadores industriales bastante grandes utilizados para la iluminación de estudios de TV . Al igual que un Variac, un amplificador magnético crea poca o ninguna interferencia, pero han sido reemplazados por otros métodos. No pretendo cubrir los principios de los amplificadores magnéticos aquí ni en ningún otro lugar del sitio ESP. Hoy en día, el atenuador más común es el atenuador TRIAC de borde de ataque controlado por fase (también conocido como 'corte de fase'). Un TRIAC es un dispositivo de conmutación bidireccional, y solo requiere un breve impulso para encenderlo. Con un circuito de CA, se apagará automáticamente cuando se invierta la polaridad del voltaje de CA. Esto sucede porque el voltaje (y, por lo tanto, la corriente) pasan por cero. El TRIAC no puede seguir conduciendo con corriente cero, por lo que se apaga. El proceso de encendido y apagado ocurre 100 veces por segundo (120 veces para una red eléctrica de 60Hz). Sin embargo, los atenuadores domésticos están evolucionando, y el último tipo se llama atenuador 'universal'. Estos pueden cambiar la operación desde el borde de ataque al borde de ataque dependiendo de la carga (vea a continuación una explicación de los diferentes tipos). Al variar la relación entre el voltaje encendido y apagado, se crea un esquema de modulación de ancho de pulso bruto, y esto permite que la potencia de la lámpara se cambie en un amplio rango. Las lámparas incandescentes son ideales para este método de control y proporcionan una progresión agradable y natural entre casi apagado y (casi) completamente encendido. Muchos atenuadores TRIAC baratos disponibles utilizan el circuito más simple posible, por lo que los ajustes bajos pueden no ser estables. En un ajuste medio, el voltaje RMS de la media forma de onda es 162V, basado en un voltaje de alimentación de 230V AC. Independientemente del método realmente empleado, el objetivo es variar la potencia entregada a la lámpara, lo que permite al usuario establecer el nivel de luz apropiado para la ocasión. Ningún atenuador comúnmente disponible es capaz de mantener un buen factor de potencia (importante para la salud de la red de suministro). Para un funcionamiento confiable, los atenuadores deben ser de 3 hilos (activo, de carga y neutro) para garantizar que el punto de cruce cero de la forma de onda de la red se pueda mantener con precisión. No hay atenuadores pequeños de 3 hilos porque eso dificultaría la instalación, por lo que con cualquier otra cosa que no sean cargas resistivas como lámparas incandescentes, el atenuador a menudo se comportará mal. El grado de mal comportamiento depende del tipo de carga (especialmente lámparas electrónicas como lámparas CFL o LED). Los atenuadores de dos hilos no tienen un punto de referencia de cruce por cero confiable porque dependen del filamento de la lámpara para la referencia neutral. Las cargas electrónicas no proporcionan ninguna referencia útil porque los condensadores cargados (dentro de la fuente de alimentación de la lámpara) provocan corriente cero durante la mayor parte del ciclo de la forma de onda. Por lo tanto, el atenuador no puede estar encendido permanentemente (potencia máxima), porque lleva tiempo antes de que el TRIAC pueda activarse. Agregar una lámpara incandescente en paralelo con cargas electrónicas solo puede funcionar de manera confiable con atenuadores de borde posterior: los tipos de borde de ataque nunca deben usarse con ninguna carga electrónica. Nota con cuidado: las lámparas CFL o LED no regulables nunca deben conectarse a un circuito atenuado, incluso si el atenuador está configurado al máximo. Si bien no es aparente, la corriente consumida por el circuito de la lámpara puede aumentar drásticamente (5 veces o más) y puede presentar un riesgo de incendio y reducir la vida útil de la electrónica de la lámpara. Parte superior

Incluso los atenuadores comerciales que no mantienen una precisa referencia de cruce por cero no se deben utilizar con CFL o lámparas LED, o cualquier otra carga 'fuente de

alimentación de entrada de condensador'. En una instalación que conozco personalmente, el usuario final tuvo casi un 100% de fallas en las luces de tubo LED conectadas a través de un atenuador comercial. La tasa de falla normal es inferior al 1%, pero los proveedores del regulador optaron por discutir. El unicoLa diferencia entre su instalación y todos los demás es el atenuador, por lo tanto, solo puede ser el atenuador que causa las fallas. Curiosamente, tanto el usuario final como el proveedor de dimmers parecen tener un problema con este concepto simple. Los atenuadores comerciales de alta potencia a menudo usan SCR (cableados en paralelo inverso), porque estos se fabrican en clasificaciones de corriente mucho más altas que los TRIAC. La activación es típicamente por pulsos de alta frecuencia, entregados por la duración completa de la parte 'encendida' de la forma de onda de la red. Tienen una referencia completa de 3 hilos y nunca pierden su referencia de cruce por cero. No obstante, como se señaló anteriormente, ni siquiera se puede confiar en que estos atenuadores funcionen correctamente con cargas de tipo de fuente de alimentación electrónica. 2.1 - Atenuadores de vanguardia También conocidos como reguladores de 'control de fase hacia adelante'. Estos son actualmente los tipos más comunes, y se llaman así porque el atenuador funciona eliminando literalmente el borde de ataque de la forma de onda de CA. El interruptor activo para potencia baja a media es casi siempre un TRIAC para atenuadores domésticos típicos. Cuando se activa el TRIAC, la señal de red se aplica a la carga, con un período de retraso que varía de cero milisegundos (completamente encendido) a alrededor de 9 ms (muy tenue). Como ejemplo, la forma de onda de voltaje a través de la carga para un atenuador de borde de ataque establecido al 50% se muestra en la Figura 3, con los dos primeros ciclos (en verde) mostrados sin referencia como referencia. Esta forma de onda es 'ideal', lo que significa que es el resultado que esperaría de un circuito que funcionó exactamente de acuerdo con la teoría.

Figura 3 - Forma de onda del atenuador de borde de ataque ideal

Como se señaló anteriormente, los atenuadores de borde de ataque nunca deben usarse con lámparas fluorescentes compactas (CFL), incluso si las instrucciones establecen específicamente que esto está permitido . La señal ascendente muy rápida hace que una gran corriente fluya a través del condensador del filtro principal que forma parte del circuito de balasto de la lámpara. La mayoría de las lámparas LED actuales tendrán el mismo problema. Sugiero que SOLO se utilicen reguladores de borde de salida o universales con cualquier lámpara CFL o LED regulable. La siguiente forma de onda muestra la corriente dibujada por una lámpara incandescente de 75 W conectada a un atenuador de vanguardia. La lámpara está dibujando 200mA. La duración de la onda se midió a 1,8 µs, ¡eso es rápido en el idioma de cualquiera! ¡Con 230 V de red, el voltaje aumenta de cero a 325 V en menos de 2 µs! Es este aumento extremadamente rápido el que causa problemas de carga electrónica, porque incluso con lámparas CFL o LED 'compatibles con dimmer', siempre hay una capacitancia que se carga desde casi cero hasta el voltaje completo en menos de 2 µs. ¡Incluso puede ver un pequeño sobreimpulso en la forma de onda actual con una lámpara incandescente! Esto es causado por la pequeña capacitancia del cable del atenuador a la lámpara.

Parte superior

Figura 3A - Forma de onda de corriente del atenuador de borde de ataque capturado

Como ejemplo, si un balasto electrónico extrae 83 mA de la red eléctrica, esto es suficiente para alimentar una lámpara de 8 W con conmutación electrónica (de cualquier tipo). Si no se utilizan circuitos adicionales para mejorar el factor de potencia, tendrá picos de corriente de 270 mA y un PF de aproximadamente 0,42, bastante pobre, pero ciertamente no desconocido. Si el mismo circuito exacto se alimenta a través de un atenuador, la corriente RMS en el peor de los casos aumentará a 240 mA, con picos de 4.2A. El factor de potencia cae a 0.14, un resultado realmente terrible. En este punto, la fuente de alimentación de esa lámpara está obteniendo más de 55 VA de la red eléctrica, con una forma de onda de punta realmente desagradable. Consulte la Figura 2 (Carga no lineal) para ver un ejemplo de una fuente de alimentación típica. El condensador de filtro en la Figura 2 (usado para crear las formas de onda mostradas en la Figura 1) es de 18 µF. Este no es un valor común, pero se utilizó para garantizar que los ejemplos sean iguales.

Figura 4 - Esquema típico del atenuador de borde de ataque

El circuito anterior es típico de un atenuador de vanguardia típico disponible comercialmente. C1 y L1 son para supresión de interferencia de RF. El circuito funciona utilizando el cambio de fase creado por VR1, C2, R1 y C3. Esta red retrasa la señal aplicada a DB1 (un diodo de ruptura bidireccional llamado DIAC). Cuando el voltaje excede el voltaje de ruptura de 30V (típico) del DIAC, se conduce completamente y la carga en C3 se usa para activar el TRIAC. Una vez activado, el TRIAC se conducirá completamente hasta que la corriente caiga a casi cero, momento en el cual se apagará nuevamente. Este proceso se repite para cada medio ciclo de la tensión de red. Los puntos de retraso, encendido y apagado son visibles e indicados en la Figura 3.

Parte superior

Figura 4A: forma de onda del atenuador de borde de ataque en carga electrónica

Los atenuadores de borde de ataque nunca deben usarse con ninguna carga electrónica (la mayoría de los circuitos electrónicos de lastre), porque el tiempo de subida muy rápido del voltaje causa un flujo de corriente instantánea extremadamente alto en el condensador como se muestra arriba. La Figura 4A muestra picos de corriente de más de 11A en el mismo ejemplo de carga no lineal utilizado para las Figuras 1 y 2. La corriente RMS es 1.12A para una potencia de carga de poco más de 56W. Tenga en cuenta que la potencia de carga solo ha disminuido una pequeña cantidad, de 64.8W a ~ 56W. La forma de onda de voltaje es exactamente como se muestra en las Figuras 3 y 3A. 11 Una corriente máxima para una corriente RMS de poco más de un amplificador es extremadamente hostil para la red, el atenuador y la carga electrónica. ¡Un atenuador estándar de 2 hilos presentará una forma de onda muy similar a la que se muestra incluso cuando se configura al máximo! Quizás sorprendentemente, las cargas inductivas (como los transformadores de núcleo de hierro convencionales o los motores de ventiladores eléctricos comunes) son bastante seguras con los atenuadores de vanguardia, porque la inductancia limita el tiempo de subida de la corriente a valores seguros. Estas cargas siempre deben usar un atenuador de borde de ataque adecuado, que debe estar certificado por el fabricante como adecuado para cargas de motor o transformador.

Figura 5 - Interior del atenuador de borde de ataque

El dispositivo negro a la izquierda es el TRIAC. Si bien está equipado con un 'disipador térmico', el contacto entre el disipador térmico y el TRIAC se describe mejor como accidental. Casi no hubo ningún contacto en este caso cuando se desmanteló, sin embargo, ha estado funcionando de manera confiable durante 12 años y es probable que dure tanto tiempo nuevamente. La simplicidad del circuito es bastante obvia en la falta de sofisticación de la PCB. Los pocos componentes utilizados son todos de tipo orificio pasante, y no hay partes en la parte posterior del tablero. El circuito es casi idéntico al que se muestra arriba. La bobina y el condensador naranja son para supresión de interferencias, pero no hay fusible instalado. Si el atenuador fallara en cortocircuito, la lámpara simplemente se encenderá a pleno brillo. Si bien los fabricantes de atenuadores de vanguardia a menudo afirman que son adecuados para su uso con transformadores con núcleo de hierro, algunos ciertamente no lo son. Un problema común con los atenuadores TRIAC simples es que entran en modo de 'media onda', conduciendo solo en una polaridad de la forma de onda de la red. Esto es un desastre para cualquier transformador, que generará inmediatamente una corriente muy alta, limitada solo por la resistencia primaria. Probablemente sea mejor usar un atenuador 'universal' para cargas inductivas, porque estos tienen un circuito mucho más sofisticado y es mucho menos Parte superior probable que sean 'engañados' en la operación de polaridad única (media onda).

Hay un esquema completo para un atenuador de 3 hilos de trabajo conocido (es decir, construido y probado) en las páginas del proyecto ESP. Vea el Proyecto 157B para más detalles. 2.2 - Atenuadores de borde posterior También conocidos como reguladores de 'control de fase inversa'. Un atenuador de borde posterior es un circuito considerablemente más complejo. El circuito simple que es común con los tipos de borde de ataque ya no se puede usar, porque la mayoría de los TRIAC no se pueden apagar. Existen TRIAC de cierre de puerta (GTO), pero son mucho más caros y menos comunes en los tamaños relativamente pequeños necesarios para la iluminación. Para poder implementar un atenuador del borde posterior, el dispositivo de conmutación debe encenderse a medida que la onda de CA pasa a través de cero, utilizando un circuito llamado detector de cruce por cero. Después de un tiempo predeterminado establecido por el control, el dispositivo de conmutación se apaga y la carga no utiliza la parte restante de la forma de onda. Los atenuadores de borde posterior comúnmente usan un MOSFET , ya que estos casi no requieren corriente de control y son resistentes y confiables. También son relativamente baratos y fácilmente disponibles en clasificaciones de voltaje adecuadas para la operación de la red. Otra opción es utilizar un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada), que combina las ventajas de MOSFET y el transistor bipolar. Estos son generalmente más caros que los MOSFET. Una vez más, la forma de onda es ideal, y es obvio a partir de la forma de onda real que se muestra en la Figura 9 que hay una desviación significativa, especialmente a plena potencia. Esto se debe a que parte del voltaje aplicado siempre se perderá porque los componentes electrónicos complejos requieren algo de voltaje para funcionar. La mayoría de los atenuadores de borde posterior tienen otra función útil, al menos cuando se usan con lámparas incandescentes. El circuito está diseñado para proporcionar un "arranque suave", aumentando el voltaje a la lámpara de manera relativamente lenta. Con las lámparas incandescentes, esto casi elimina el "choque térmico", ese breve período de encendido donde la lámpara consume alrededor de 10 veces la corriente de funcionamiento normal. El choque térmico es responsable de la mayoría de las fallas tempranas de la lámpara; de hecho, es raro que una lámpara incandescente falle mientras está encendida. La falla es casi siempre en el momento en que se enciende el interruptor. Al incluir la función de arranque suave, la vida útil de la lámpara aumenta, pero no ayuda mucho a las lámparas CFL o LED.

Figura 6 - Forma de onda del atenuador del borde posterior ideal

Nuevamente, los puntos de conmutación y el retraso se muestran en la forma de onda. Un diagrama de circuito completo no es especialmente útil para un atenuador de borde posterior, porque generalmente usan circuitos integrados dedicados (o circuitos bastante complejos que usan circuitos integrados más comunes) para realizar las funciones necesarias. La Figura 7 muestra un diagrama de bloques de las partes esenciales del circuito, y la Figura 8 muestra el circuito para un atenuador utilizando un IC comercial [ 1 ].

Parte superior

Figura 6A - Forma de onda del atenuador del borde posterior capturado

El ideal está estrechamente relacionado con la realidad. La forma de onda actual que se muestra arriba se capturó utilizando un atenuador de borde posterior, utilizando una lámpara incandescente de 75 W como carga. Como puede ver, la forma de onda es prácticamente idéntica a la forma de onda teórica (ideal) que se muestra arriba. La corriente RMS es de 200 mA. El tiempo de caída medido (de corriente máxima a cero) fue de aproximadamente 30 µs, pero es benigno porque se trata de la eliminación de voltaje en lugar de la aplicación de voltaje, muy, muy diferentes escenarios.

Figura 7 - Diagrama de bloque del atenuador del borde posterior

C1 y L1 son nuevamente los componentes de supresión de interferencia de RF. El rectificador es necesario porque los MOSFET no pueden cambiar CA, solo CC. La fuente de alimentación, el detector de cruce por cero y el temporizador generalmente son parte de un CI diseñado para este propósito. Las formas de onda se muestran en cada punto del circuito. La salida del detector de cruce por cero restablece el temporizador, enviando su salida alta, y así enciende el MOSFET. Después de un tiempo entre cero y 10 ms para 50Hz, la salida del temporizador baja, el MOSFET se apaga y se interrumpe la corriente a través de la carga. En la mayoría de los aspectos, los atenuadores de borde de ataque y borde de ataque son exactamente opuestos entre sí. Debido a que el voltaje de salida aumenta relativamente lento, el pico de corriente masivo que causa un atenuador de borde de ataque en una carga capacitiva ya no es un problema, y algunas lámparas fluorescentes compactas y lámparas LED regulables funcionan perfectamente bien con este tipo de atenuador. Sin embargo, los atenuadores de borde posterior nunca deben usarse con transformadores con núcleo de hierro, y esto siempre se indica en las instrucciones. ¿Por qué? Parecería que el atenuador del borde posterior debería estar bien, pero el problema se debe en gran parte al EMF posterior que se genera cuando el interruptor se apaga 100 o 120 veces por segundo. La energía de retorno EMF no se puede disipar, por lo que se acumula a un voltaje potencialmente destructivo. Además, al encender cualquier carga inductiva en el cruce por cero de la forma de onda de la red eléctrica se produce una corriente de magnetización mucho más alta de lo normal. El resultado más probable será Parte superior que el atenuador se dañe, ya sea por sobrecorriente o sobretensión. Es poco probable que las unidades

comerciales puedan manejar la corriente adicional o disipar la energía de EMF sin sobrecalentamiento o destrucción. Back-EMF se genera en cualquier carga inductiva, porque el inductor es un componente de almacenamiento de energía (reactivo). La energía se almacena como un campo magnético, y cuando se interrumpe la corriente, el campo magnético colapsa, generando una corriente en el proceso. Si no hay carga (como una lámpara) conectada al componente inductivo, incluso una corriente pequeña se convierte en un voltaje muy alto. Este efecto se ve regularmente, pero comúnmente se disipa como un pequeño arco a través de los contactos del interruptor. Tales arcos son inofensivos si solo ocurren unas pocas veces al día, pero si se repiten 100 o 120 veces por segundo, la potencia promedio se vuelve significativa, al igual que el calor y el potencial de incendio.

Figura 8 - Esquema del atenuador del borde posterior

Como puede ver, no es fácil descubrir cómo funciona el circuito cuando simplemente se enfrenta a un circuito integrado de múltiples pines. Sin embargo, he etiquetado las funciones de pin, y es útil ver el esquema solo para ver algo de lo que se ha hecho. Tenga en cuenta que el circuito que se muestra está diseñado para una conexión de 3 cables, que es mucho más estable que los atenuadores de 2 cables más comunes. Naturalmente, esta no es la única forma, y algunos atenuadores de borde de salida comerciales como el que se muestra a continuación usan uno o más circuitos integrados de temporizador 555 y una multiplicidad de otras partes de montaje en superficie para lograr el mismo fin. Sin embargo, casi todos los atenuadores comerciales son solo de 2 hilos y a menudo funcionan mal con cargas electrónicas (lámparas CFL o LED, por ejemplo). El Atmel U2102B sería una buena base de partida para un atenuador de 3 cables adecuado, pero desafortunadamente ' s ahora obsoleto y no puedo encontrar ningún equivalente. El circuito que se muestra está adaptado de la hoja de datos U2102B, pero usa un MOSFET en lugar del IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) que se muestra en el circuito de ejemplo. Consulte la Figura 10A para ver un circuito actualizado (aunque el IC no es fácil de obtener).

Figura 9 - Interior de un atenuador de borde posterior comercial

Los dos dispositivos grandes en el tablero izquierdo son MOSFET de potencia. Tenga en cuenta que la parte inferior de la PCB también está cubierta de partes, incluido el temporizador, otro IC que no se puede identificar, cuatro transistores y varias resistencias y condensadores. Si bien la unidad en la foto sería bastante barata de fabricar, imagino que perfeccionar el diseño para una alta confiabilidad en el uso normal podría haber tomado mucho tiempo. A alrededor de AU $ 50 de mi salida de hardware local, no es barato en comparación con el atenuador de borde posterior más común (generalmente alrededor de $ 16 - $ 20, pero Parte superior algunos son mucho más).

Figura 10 - Formas de onda de corriente medidas

El atenuador de borde de salida comercial en la foto se probó con una lámpara incandescente de 60W y proporcionó las formas de onda que se muestran arriba. Si bien la configuración máxima difiere de la forma de onda ideal que se muestra en la Figura 5, cuando se establece para la teoría y la realidad mínimas (y hasta aproximadamente la mitad de potencia) coinciden muy bien. El circuito no puede actuar como un verdadero cortocircuito cuando está completamente encendido porque se necesita parte del voltaje aplicado para alimentar la electrónica. Esto provoca la discontinuidad observada alrededor de la región de corriente cero cuando el atenuador se configura al máximo. Tenga en cuenta que las formas de onda anteriores se capturaron cuando este artículo se escribió por primera vez en 2008, pero son tan válidas como la captura del osciloscopio digital que se muestra en la Figura 6A. Tenga en cuenta que, a menos que una lámpara de base electrónica sea específicamente regulable, un atenuador de borde posterior de 2 hilos no funcionará. Solo para una prueba, lo probé con una CFL normal. No hubo grandes picos de corriente, pero la lámpara no se atenuó de manera sensible o predecible, y el circuito del atenuador en sí mismo se confundió y no funcionaría correctamente. Esto se aplica igualmente a las lámparas CFL y LED a menos que afirmen ser regulables en las instrucciones. El uso continuo de cualquier lámpara electrónica con un atenuador puede causar daños en el circuito, sobrecalentamiento grave o incendio. Como se señaló anteriormente, todos los productos de iluminación electrónica regulable solo deberían usar atenuadores de borde 'universal' o de borde posterior, incluso si el fabricante afirma que los reguladores de borde de ataque basados en TRIAC están permitidos .

Figura 10A - FL5150 Atenuador de borde delantero / trasero

El dibujo anterior está adaptado de la hoja de datos de Fairchild (ahora ON Semiconductor) para el IC del regulador de intensidad de luz FL5150MX. Solo se muestra la versión de 3 hilos de 230V, 50Hz, y el circuito anterior se modifica de las versiones que se muestran en la hoja de datos original. Nivel máximo de salida es solamente disponible cuando el IC se utiliza en el modo de 3 hilos, y el modo de 2 hilos no se recomienda para cualquiercarga electronica. El IC está disponible en una pequeña cantidad de puntos de venta (uno solo en el último vistazo), pero no se ha construido ni probado. Aunque se muestra con MOSFET IRF840, los más grandes se pueden usar para obtener una mayor potencia. Con los IRF840 en su lugar, la carga máxima se limita a alrededor de 1 A (hasta 230 W, dependiendo del factor de potencia de la carga). Para la operación de 60Hz, use el FL5160MX (los temporizadores internos son diferentes). Estos circuitos integrados solo están disponibles en paquetes SMD. Haga clic aquí para ver la hoja de datos. También hay un esquema completo para un atenuador de borde posterior de 3 hilos en funcionamiento conocido (es decir, construido y probado) en las páginas del proyecto ESP. Vea el Proyecto 157A para más detalles. 2.3 - Atenuadores 'universales'

Parte superior

Los atenuadores universales tienen funciones 'inteligentes' incorporadas que permiten al atenuador decidir si debe funcionar como borde de ataque o de salida. Sin embargo, los circuitos de detección no siempre son tan inteligentes como cabría esperar, y a veces pueden tomar una decisión equivocada. Algunos sistemas de automatización del hogar tienen interruptores que permiten que los atenuadores universales se configuren para detección automática, borde delantero o posterior. Sin embargo, la instalación generalmente no cuenta con atenuadores pequeños de 'placa de pared', por lo que debe confiar en que el atenuador tome la decisión correcta.

Figura 11 - Intestinos del atenuador universal

El interior de un atenuador de placa de pared 'universal' bastante típico se muestra arriba. Si bien es de esperar que se pueda usar un pequeño microcontrolador, parece estar basado en un temporizador 555 dual y un par de MOSFET. Hay algunos otros componentes pasivos y varios diodos, y eso es básicamente todo lo que hay que hacer. Estos atenuadores son generalmente adecuados para cargas electrónicas regulables, pero como se señaló, no siempre toman la decisión correcta. Como todos los atenuadores de 2 hilos, a menudo no funcionan bien con cargas electrónicas. Las pruebas hasta ahora muestran que funciona aceptablemente bien con algunas fuentes de alimentación LED regulables, y no hace falta decir que el rendimiento con lámparas incandescentes es casi perfecto. Esta unidad en particular estaba destinada a manejar suministros de 4 x 12W regulables para downlights que he tenido durante algún tiempo, pero no usé porque los controladores eran basura y no eran regulables. Es importante que los atenuadores universales no se usen con cargas mixtas, como transformadores electrónicos y transformadores con núcleo de hierro. Dado que los requisitos para cada uno son completamente opuestos, el atenuador nunca puede seleccionar el modo correcto. Fallará o provocará una falla externa en el equipo conectado (o en ambos). En caso de que esté interesado, describiré la forma en que algunos (y tal vez la mayoría) de atenuadores universales deciden si deben funcionar como borde de ataque o de salida. Si hay una carga inductiva, cuando el atenuador se apaga bajo carga, se generará un pico de alto voltaje. Este es el mismo pico que domesticamos con un diodo cuando manejamos relés. El atenuador tiene un circuito para detectar el pico, y si se detecta cambiará del modo de borde de salida al de borde de ataque. Las cargas inductivas están bastante contentas con un atenuador de borde de ataque, por lo que el atenuador permanecerá en modo de borde de ataque después de que el circuito haya detectado picos. Este proceso ocurre cada vez que se enciende el circuito, ya que el atenuador no tiene memoria, por lo que simplemente no puede recordar la configuración que utilizó por última vez. La detección normalmente ocurrirá muy rápidamente, unos pocos ciclos de la red eléctrica como máximo, y cuando el voltaje a la carga es bastante bajo. Todos los atenuadores de borde posterior y universales que he visto tienen una función de "arranque suave", donde el voltaje de la carga se desarrolla durante unos segundos. Durante este tiempo, el atenuador detectará picos de alto voltaje causados por una carga inductiva, y cambiará al modo de borde de ataque. El proceso está cubierto por una patente - ver Un atenuador universal - EP 1961278 B1 otorgado a Clipsal Australia en 2012. Creo que es una aplicación muy inteligente. Se basa en el uso de MOSFET con una calificación de avalancha definida y garantizada para que no sean destruidos por los picos, pero son muy comunes en estos días. 3 - Factor de potencia del atenuador Los atenuadores de borde delantero y trasero tienen exactamente el mismo factor de potencia para la misma potencia de salida a la carga. Ninguno de los dos tipos permite ningún método real o útil de corrección del factor de potencia, y el único factor atenuante es que, en configuraciones bajas, la corriente se extrae de la red durante partes del ciclo que la mayoría de las fuentes de alimentación pequeñas no Parte superior usan. Sin embargo, el factor de potencia sigue siendo horrible, especialmente en configuraciones de muy baja potencia. A pesar de esto, no hay duda de que el consumo de energía se reduce en proporción,

especialmente con LED. La potencia también se reduce con las lámparas incandescentes, pero no en la misma medida. La columna 'en ángulo' se refiere al número de grados de la forma de onda donde se suministra energía a la lámpara. Un ciclo completo es 360 °, y cada medio ciclo es 180 °. Se usaron incrementos de 18 ° porque a 50Hz, 18 ° equivale a un intervalo de 1 milisegundo. Esto se usó para facilitar el cálculo de la tabla. Estos datos son exactamente los mismos para una fuente de 60Hz, la única diferencia es que el tiempo para un ciclo completo a 60Hz es 16.67ms en lugar de 20ms. Esto no afecta el ángulo, la potencia o el factor de potencia, pero la corriente será diferente debido al diferente voltaje utilizado por los países de 60Hz. Factor de potencia 1000 mA 230 W 100% 1.00 994 mA 227 W 99% 0,99 971 mA 217 W 94% 0,97 918 mA 194 W 84% 0,92 829 mA 158 W 69% 0,83 702 mA 113 W 49% 0,70 557 mA 71 W 31% 0,55 391 mA 35 W 15 % 0,39 226 mA 11,7 W 5.1% 0.23 83 mA 1,6 W 0.7% 0,08 00 00 00 N/A Ángulo de fase vs factor de potencia, 230 V CA, 230 ohmios de carga

En ángulo 180 ° 162 ° 144 ° 126 ° 108 ° 90 ° 72 ° 54 ° 36 ° 18 ° 0°

Corriente ideal

Poder ideal

Por ciento

Tenga en cuenta que la carga utilizada para la tabla anterior es puramente resistiva (por lo tanto, corriente y potencia "ideal"), y permanece constante en todos los ajustes. Sin embargo, las lámparas incandescentes no presentan una carga constante. A medida que el filamento se enfría en configuraciones bajas, su resistencia es menor y atrae más corriente de la esperada. Por esta razón, aunque la atenuación indudablemente reduce la potencia utilizada, no la reduce tanto como cabría esperar (o esperar). Una lámpara típica de 100W GLS (servicio de iluminación general) consumirá alrededor de 18W cuando esté configurada para un brillo apagado; normalmente se esperaría menos. La resistencia del filamento cae a alrededor de la mitad de la resistencia de potencia total porque es mucho más fría, por lo que se extrae el doble de corriente de lo que sería el caso de una resistencia fija. Como referencia, se probó una bombilla GLS de 100 W y se midieron 44 ohmios cuando estaba fría y 552 ohmios cuando estaba caliente (a plena potencia: 95,8 W). 4 - Transformadores electrónicos Muchas instalaciones nuevas que utilizan lámparas halógenas de bajo voltaje ahora utilizan un transformador electrónico. El transformador de núcleo de hierro tradicional funciona bien y durará para siempre, pero son caros. Algunos también están construidos a un precio muy alto, y son bastante ineficientes, desperdiciando el 20% o más de la potencia total aplicada como calor. Los transformadores electrónicos suelen ser mucho más pequeños y livianos, por lo que tienden a carecer de la sensación de "calidad sólida", pero la mayoría son razonablemente eficientes, por lo general desperdician bastante menos del 10% de la potencia total. Las pérdidas más bajas significan menos calor y facturas de energía marginalmente más bajas. Aunque la disipación de cada unidad individualmente puede parecer razonable, cuando miles de ellas están funcionando, la pérdida adicional se vuelve significativa. Un transformador de núcleo de hierro convencional funciona a la frecuencia de la red (50 o 60Hz), y el núcleo debe ser bastante grande debido a la baja frecuencia. El tamaño del núcleo es inversamente proporcional a la frecuencia, por lo que operar a alta frecuencia significa que el transformador puede ser mucho más pequeño. El término "transformador electrónico" es realmente un nombre inapropiado, en realidad es una fuente de alimentación conmutada (SMPS). Los circuitos electrónicos se utilizan para rectificar la red eléctrica y convertir la CA en CC pulsante. Esta CC pulsante se alimenta a un circuito de conmutación de alta frecuencia y a un pequeño transformador. La figura 10 muestra una foto de una unidad típica.

Parte superior

Figura 12 - Componentes internos del transformador electrónico

Los terminales de la red están a la izquierda y los terminales de salida de 12V están a la derecha. Hay algo de filtrado de RF en la entrada, y los dos transistores de conmutación son los dispositivos verticales a lo largo del borde inferior. El pequeño anillo verde es el transformador de conmutación del transistor (T1 en la Figura 12), y el transformador de salida es el gran objeto de plástico blanco. Este tiene un núcleo de ferrita con los devanados primarios en el interior, y el secundario (la salida de 12V) está enrollado en el exterior de la cubierta aislante de plástico. La salida no está rectificada: es CA, pero viene en ráfagas de señal de alta frecuencia (consulte la Figura 13 para ver la forma de onda de salida).

Figura 13 - Diagrama del circuito del transformador electrónico

T1 es el transformador de conmutación del transistor. Tiene tres devanados, el primario (T1A) y dos secundarios (T1B y C). Compare esto con el transformador verde en la Figura 10. El primario es de una sola vuelta, y cada devanado de accionamiento del transistor es de 4 vueltas. T2 es el transformador de salida. DB1 es un DIAC (como se usa en el atenuador de borde de ataque), y se usa para iniciar el circuito oscilando una vez que el voltaje excede aproximadamente 30V. Una vez que comienza la oscilación, continuará hasta que el voltaje caiga cerca de cero. Tenga en cuenta que la frecuencia de salida base es el doble de la frecuencia de la red, por lo que un transformador electrónico utilizado a 50Hz tiene una señal de frecuencia de salida de 100Hz, que se compone de muchos ciclos de conmutación de alta frecuencia. La mayoría de los transformadores electrónicos no funcionarán sin cargas (o ligeras). Por ejemplo, una unidad de 60W normalmente necesitará una carga que consuma al menos 20W antes de que funcione normalmente. Con una carga muy ligera, no hay corriente suficiente a través del primario del transformador de conmutación para mantener la oscilación.

Parte superior

Figura 14 - Forma de onda de salida del transformador electrónico

Aunque la forma de onda que se muestra es exactamente la capturada por mi osciloscopio basado en PC, las transiciones que son claramente visibles son un artefacto del proceso de digitalización: la frecuencia es mucho mayor que la indicada. El voltaje RMS de la forma de onda mostrada mide 12.36V, pero es una forma de onda difícil de medir con precisión. Espero que el voltaje real esté más cerca de alrededor de 10 V, medido con un medidor analógico (la clasificación de la placa de identificación es de 11.5 V). A través de una carga de 2 ohmios (5A), la potencia de salida era de alrededor de 50W. El suministro extrajo 231 mA de la red eléctrica (52,2 VA). La potencia de entrada medida fue de 52W, por lo que el factor de potencia resulta ser lo suficientemente cercano a la unidad. La eficiencia es casi del 96%, una cifra muy respetable. Se debe tener cuidado si se usa un transformador electrónico con lámparas LED de bajo voltaje o CFL. Debido a que estas lámparas tienen un rectificador interno, los diodos deben ser de alta velocidad. Los diodos rectificadores normales se calientan mucho porque la frecuencia de funcionamiento es mucho más alta que aquella para la cual están diseñados los diodos comunes. Aunque la envolvente de la forma de onda es de solo 100 Hz, la frecuencia de conmutación es mucho más alta, generalmente alrededor de 30-50 kHz (la frecuencia generalmente disminuye al aumentar la carga). Cabe mencionar que el ahorro de energía de los transformadores electrónicos a menudo puede ser exagerado. Mientras que los transformadores convencionales durarán prácticamente para siempre, los transformadores electrónicos pueden fallar en cualquier momento, y así lo demuestran. Las altas temperaturas que se encuentran en el espacio del techo de muchas casas estresan los dispositivos semiconductores, y el uso generalizado de soldadura sin plomo garantiza que las fallas en las juntas de soldadura no sean infrecuentes. He visto varias unidades fallidas, y si bien es posible que pueda reparar algunas de ellas, el 99% de los hogares simplemente tirarán una unidad fallida e instalarán una nueva. Cuando se considera la fabricación, el envío y la conducción a las tiendas para obtener una nueva unidad, usted (y el medio ambiente) podrían haber estado mejor si se hubiera utilizado un transformador de núcleo de hierro 'ineficiente'. 5 - Atenuadores DC Si bien muchas personas (incluyéndome a mí, hace unos 40 años) han experimentado con atenuadores de CC, hasta hace poco no se les pedía mucho. Hay ocasiones en que una lámpara de automóvil (foco u otro) necesita atenuarse, y la mayoría de los automóviles tienen iluminación regulable para el tablero de instrumentos. En el último caso, más comúnmente, se usa una resistencia variable en serie con las lámparas o, en algunos casos, se conectan y desconectan resistencias de diferentes valores según sea necesario. Si bien esto está bien para sistemas de baja potencia con poca eficiencia, no tiene sentido fabricar productos de iluminación de alta eficiencia y desperdiciar energía con un atenuador resistivo. Para mostrar la energía residual, se puede hacer un cálculo simple, suponiendo un suministro simple de 12V y una lámpara de 12W ... Poder de la lámpara 12 W 9W 6W 3W

Actual

voltaje

1A 866 mA 707 mA 500 mA

12 10,39 V 8.48 V 6.00 V

Resistor en serie 00 1.86 ohmios 4.97 ohmios 12 ohmios

Poder de resistencia 00 1,4 W 2,48 W 3W

Por simplicidad, se supone que la lámpara tiene una resistencia constante, pero esto no es cierto para las lámparas de filamento reales de cualquier voltaje y solo empeora el problema. Sin embargo, esto no cambia el principio, e incluir la resistencia de la lámpara para las diferentes configuraciones solo confundiría el problema. Tenga en cuenta que para una salida de 3 W, la corriente (de la batería) debe ser de 250 mA (sin tener en cuenta las pérdidas), pero con un atenuador resistivo es de 500 mA y 3 W se disipan en laParte superior resistencia. Incluso si la fuente de luz fuera 100% eficiente, la resistencia la ha reducido al 50%.

Claramente, este método no puede usarse si queremos la máxima eficiencia. Si bien 3W no parece mucho calor, tratar de deshacerse de él en un espacio cerrado es muy difícil si las altas temperaturas son un problema. El problema de la eficiencia se vuelve mucho más importante a medida que aumenta la potencia de la lámpara, y para mayor flexibilidad se necesita una mejor solución. Afortunadamente, hay una respuesta muy simple. La modulación de ancho de pulso (PWM) es una técnica común en electrónica y proporciona una eficiencia extremadamente alta en los circuitos electrónicos. Al modular los períodos de encendido y apagado del voltaje enviado a la lámpara, su brillo se puede controlar fácilmente con pérdidas muy bajas. Si el voltaje se enciende y apaga con la misma temporización (relación de espacio de marca del 50%), la lámpara adjunta (o LED de alta potencia) ve el voltaje completo (y la potencia máxima) durante la mitad del tiempo y, por lo tanto, los LED funcionan a ½ poder. Debido a que la relación se puede cambiar de cero (completamente apagado) a máximo (completamente encendido) con un potenciómetro o un voltaje de control de 0-10 V CC, este sistema es ideal para LED alimentados por una fuente de alimentación de voltaje constante . Los sistemas PWM pueden volverse confusos, porque algunos tienen un filtro en la salida para eliminar el componente de CA de la forma de onda. Si se hace esto, el voltaje promedio se aplica a la lámpara. Con una modulación del 50%, la lámpara recibirá 6 V CC y la potencia es de solo 3 W (¼ de potencia). No se puede usar un filtro con lámparas LED, ya que dependen mucho del voltaje. Si el voltaje a un conjunto de LED de 12V se redujera a 6V con un sistema PWM filtrado, no habría salida de luz. Los LED no tendrán suficiente voltaje para superar su voltaje directo de ~ 3.3V. La mayoría de los LED blancos tienen un voltaje directo de aproximadamente 3.1V hasta 3.3V o más, y una matriz de 12V usará 3 en serie (9.9V), con los 2.1V restantes absorbidos por las resistencias limitadoras de corriente.

Figura 15 - Formas de onda de modulación de ancho de pulso para DC Dimmer

Para atenuar las lámparas LED, no utilizamos un filtro, y la frecuencia de conmutación puede mantenerse lo suficientemente baja como para minimizar la interferencia de radiofrecuencia. Alrededor de 300Hz funciona muy bien, y aunque los LED se encenderán y apagarán por completo 300 veces por segundo, nuestros ojos no pueden ver la velocidad de parpadeo, ya que es demasiado alta. El parpadeo de la lámpara es un tema candente en algunas áreas, pero siempre que esté muy por encima de la velocidad máxima visible no debería haber problemas. Normalmente, cualquier cosa por encima de 100 flashes / segundo se considera muy por encima de nuestro umbral de persistencia de visión (hay muchas referencias disponibles en la red). Sin embargo ... Nota: aunque el parpadeo no se puede ver a simple vista, se debe tener cuidado cuando se utiliza un atenuador PWM en cualquier aplicación industrial. Es completamente posible que la velocidad de parpadeo combinada con la maquinaria rotativa pueda producir un efecto de "stop motion" debido a la naturaleza estroboscópica de las fuentes de luz pulsada. ¡Los atenuadores PWM no deben usarse en dispositivos LED en talleres mecánicos o cerca de maquinaria de ningún tipo! Esto puede ser extremadamente peligroso en algunas condiciones, porque varias máquinas pueden parecer detenidas o solo girando lentamente, cuando en realidad están girando a velocidad normal. El peligro es más extremo con máquinas como tornos, prensas de taladro y fresadoras, pero el efecto de stop motion puede hacer que cualquierLa máquina rotativa parece "segura" cuando en realidad no es nada. Este efecto a veces es evidente con las lámparas fluorescentes, pero las luces LED atenuadas PWM pueden ser mucho peores a este respecto. No usar ningún filtro también maximiza la eficiencia, pero acentúa la posibilidad de estroboscopio. En un atenuador de CC de conmutación típico, la potencia perdida a través del MOSFET será inferior a 100 mW con un suministro de 12 V y una carga de 10 A si se utiliza un MOSFET robusto. La señal de referencia para un sistema PWM suele ser una forma de onda triangular como se muestra (Figura 14, Rojo). Esto se Parte superior compara con el voltaje de control (Azul), y si el voltaje de control es mayor que la onda triangular, el

MOSFET de energía se encenderá y la energía se aplicará a la carga (Verde). Del mismo modo, si la onda triangular es mayor que el voltaje de control, el MOSFET se apagará. Variar el voltaje de control cambia la relación de encendido y apagado y la potencia de la carga.

Figura 16 - Diagrama de bloques del atenuador de CC

Este tipo de atenuador ciertamente no es nuevo, y también se utilizan circuitos similares para los controles de velocidad del motor de CC. Su aplicación a la iluminación de uso general aún no es común, pero es probable que lo sea para los sistemas de baja potencia. Debido a que el circuito es tan simple y fácil de controlar, es probable que se generalice a medida que las luminarias LED completas se vuelvan populares. Esto es solo cuestión de tiempo, ya que no es necesario poder cambiar la lámpara debido a la larga vida útil de los LED. Los accesorios completos adecuados para aplicaciones domésticas y comerciales no necesitarán lámparas reemplazables como las conocemos ahora, y con un circuito simple y capacidades de atenuación de rango completo (y prácticamente sin pérdidas) definirán en última instancia los accesorios elegidos. El atenuador puede instalarse en el accesorio (como parte de la fuente de alimentación), Esto también hace que los sistemas de automatización del hogar sean más fáciles de implementar, ya que ya no habrá necesidad de modificar el voltaje de la red de CA: todo se puede hacer a bajo voltaje. El módulo de fuente de alimentación se fabrica fácilmente para consumir muy poca energía cuando no se utiliza corriente continua, por lo que incluso se puede prescindir del interruptor. Un regulador de prueba que construí es bastante capaz de manejar hasta 120W (12V a 10A), pero consume menos de 20mA (menos de ¼W) cuando se configura al mínimo. La disipación del atenuador en sí es típicamente de alrededor de 3 W o menos a la potencia máxima (casi todo en el MOSFET), por lo que tiene una eficiencia superior al 97%. Este atenuador es ideal para lámparas LED. Permite un control total desde completamente apagado hasta completamente encendido, y una posterior reducción de energía cuando los LED están atenuados. Como se muestra, este método de atenuación es adecuado solo para matrices de LED que ya tienen limitación de corriente. La siguiente etapa para el control de la lámpara LED es prescindir de las resistencias para limitar la corriente y, en su lugar, utilizar la limitación de corriente PWM. La limitación de corriente PWM ya se usa con muchas lámparas, especialmente los tipos de alta potencia, y se puede esperar que sea más común a medida que los LED se conviertan en el método de iluminación elegido para la mayoría de las aplicaciones. La facilidad con la que se pueden controlar los LED lo hace muy atractivo, y la alta eficacia luminosa que se está logrando actualmente (hasta 180 lúmenes / vatio y mejorando todo el tiempo) significa más luz con menos potencia y muy poco calor.

Figura 17 - Conjunto típico de LED de 12 V CC (fuente de voltaje constante)

Más arriba se muestra un conjunto de LED típico diseñado para operación de 12V: normalmente se usarán resistores de 3 x 120 ohmios porque la mayoría de los conjuntos usan resistencias de montaje en superficie que tienen una potencia mucho menor que los tipos de orificio pasante tradicionales. Las resistencias limitantes de 40 ohmios establecen la corriente a través de cada cadena de LED a 52.5 mA, y las cuatro cadenas están en paralelo. La corriente total será de 210mA para una potencia total de 2.5W. Las resistencias son desafortunadas porque disipan energía pero no hacen un trabajo útil. Cada resistencia se Parte superior disipa aproximadamente 37mW, por lo que se desperdicia un total de 0.44W. Esta disposición es muy sensible al voltaje: un aumento de solo 0.5 V hará que la corriente del LED aumente a 65 mA, y una caída

de 0.5 V hará que la corriente caiga a 40 mA. Si bien esto es menos que ideal, en la actualidad no es económico incluir reguladores de corriente individuales de alta eficiencia en lugar de las resistencias. La abundancia de LED de potencia media y alta ahora hace que las matrices pequeñas como la que se muestra sea redundante. Tenga en cuenta que la atenuación PWM entre la fuente de alimentación y los LED solo es posible si la matriz de LED se alimenta desde una fuente de voltaje constante. Cuando se utilizan suministros de corriente constante , es probable que agregar un circuito PWM externo cause fallas en los LED porque el voltaje aumentará cuando se apaguen los LED. Cuando se enciende nuevamente, el voltaje más alto de lo normal causará una corriente excesiva y el daño del LED es inevitable. Cuando se utilizan suministros de corriente constante, la atenuación es interna a la fuente de alimentación. El controlador PWM enciende y apaga el regulador de corriente o varía la corriente de salida. Muchas matrices de LED ahora se fabrican con LED coincidentes, y están cableadas directamente en cadenas en serie / paralelas sin resistencia alguna. Estos arreglos se manejan invariablemente usando una fuente de alimentación regulada por corriente y están disponibles en módulos de muy alta potencia. He trabajado con módulos de 100W y 150W, pero generalmente es mejor usar una mayor cantidad de conjuntos de LED de menor potencia porque es demasiado difícil disipar un módulo cuando la potencia disipada es del orden de 100W o más. Las resistencias solo se usan con LED de baja potencia, y la mayoría de los últimos conjuntos de LED utilizan LED combinados, incluso para una potencia relativamente baja. Los circuitos integrados reguladores de corriente dedicados ahora son comunes y limitan la corriente al valor requerido, pero casi no disipan energía. Para LED de mayor potencia (tipos de 1-100W, por ejemplo), la limitación de corriente activa se usa en prácticamente todas las lámparas de calidad. Las cosas de marca desconocidas que puede encontrar en el supermercado o en los sitios de subastas en línea son una apuesta, e incluso algunos de los principales fabricantes han tenido serios problemas con los productos LED. Se cree comúnmente que el color de los LED 'blancos' cambiará si la corriente se reduce linealmente, en lugar de usar PWM. Sin embargo, esto generalmente no es cierto, y no es un requisito que se use PWM. Simplemente cambiar la corriente de estado estable para obtener el brillo requerido generalmente funciona muy bien. Si bien es casi seguro que hay algún cambio de color y / o cambio del índice de reproducción cromática (CRI), rara vez es un problema con los LED modernos. Los LED atenuados no solo reducen el consumo de energía, sino que también reducen el calor generado por los propios LED, por lo que su vida útil se prolonga. Los LED también mejorarán su eficacia (medida en lm / W ) a medida que se reduce la corriente, ya que funcionan a una temperatura más baja. Temperatura más baja = mayor vida útil y mayor salida de luz por cada vatio suministrado. 6 - Iluminación LED hacia el futuro A medida que los productos de iluminación LED maduran, también lo hacen los circuitos integrados necesarios para controlarlos. Hay bastantes fabricantes importantes que fabrican circuitos integrados de controladores de LED, y algunos de estos incluyen la capacidad de proporcionar atenuación, generalmente activando y desactivando la fuente de corriente en modo conmutado a varios cientos de Hertz (PWM). Estamos atascados con los accesorios de iluminación existentes para los próximos años porque la gente generalmente prefiere simplemente cambiar las lámparas en lugar de cambiar el accesorio para una luminaria LED dedicada. Ahora estamos viendo accesorios que están diseñados específicamente para LED y tienen fuentes de alimentación incorporadas (balastos) e instalaciones de atenuación. Estas son luminarias completas y no dependen de ninguna forma de lámpara intercambiable. Los módulos LED y las fuentes de alimentación se pueden reemplazar de forma independiente. Esto se está haciendo, pero actualmente existen pocos estándares, por lo que cada fabricante utiliza su propio sistema patentado. Aunque esto está cambiando, relativamente pocos fabricantes de iluminación parecen dispuestos a aceptar la idea de usar módulos de luz estandarizados (comúnmente conocidos como 'motores de luz'). La capacidad de los fabricantes de luminarias para elegir el motor de luz óptimo de una variedad de fabricantes es un proceso continuo que apenas comienza a avanzar [ 3, 4 ], por ejemplo. Tener múltiples cuerpos de 'estandarización' no es útil. Las normas oficiales (reguladas por el gobierno) también existen en muchos países. El rendimiento de atenuación (utilizando atenuadores de generación actual) mejora enormemente si la fuente de alimentación / balasto está completamente corregida por el factor de potencia. Este tipo de fuente de alimentación actúa más como una carga resistiva que las cargas de filtro de entrada de condensador simple como la que se muestra en la Figura 2 (no lineal). Muchas de las últimas fuentes de alimentación LED utilizan la corrección del factor de potencia, pero no todas son regulables. Hacer accesorios con características que son demasiado complejas o que no satisfacen las necesidades reales de los consumidores retrasará la aceptación de la iluminación LED. La atenuación sigue siendo uno de los mayores obstáculos, y se han hecho muchos intentos. Algunos funcionan lo suficientementeParte biensuperior (o al menos en un grado limitado) con los atenuadores existentes, como es el caso con los CFL 'regulables', pero los resultados generalmente no son muy satisfactorios. Una gran parte del problema es (nuevamente) que

no hay estándares, y la gente espera poder usar atenuadores existentes, ya sea del tipo de corte de fase del borde inicial o posterior. Lo que se necesita es un protocolo de atenuación que sea compatible con el cableado existente pero que funcione de manera adecuada y consistente, y no parece haber una solución a la vista en este momento. En general, no es útil que le digan en un anuncio que "el controlador de Wi-Fi le brinda una vida útil" (sic), cuando sabe que todo el sistema es propietario y, si falla, no tiene a dónde ir para reemplazarlo. La oferta de "Controlador y amplificador de cuatro canales RGBW diferentes" es singularmente inútil, especialmente si no sé con qué se compara (después de todo, es "diferente"). El "controlador táctil completo 2.4G: buena forma y aplicación conveniente" habla por sí mismo: estas son afirmaciones reales que se ven en un correo electrónico que recibí mientras escribía esta sección. Un protocolo simple que tendría sentido es volver al antiguo estándar de 0-10 V (corriente suministrada por el controlador regulable), y hay varias luminarias LED que hacen exactamente eso. Esto permite que las instalaciones individuales usen una resistencia variable para cambiar el voltaje, por lo que el 'atenuador' es solo un potenciómetro de 10k en la placa de pared y poco más. Desafortunadamente, la mayoría no son compatibles con el cableado existente. Para los sistemas de automatización del hogar, C-Bus y DALI ya tienen módulos de interfaz de 0-10V. Al usar un sistema de control analógico simple, el costo es mínimo para cualquier tipo de sistema instalado. Si no se necesita atenuación, los pines del atenuador simplemente se pueden dejar desconectados. Esta disposición incluso permite controlar múltiples accesorios de iluminación desde un solo control, y el costo agregado a cada accesorio es mínimo una vez que están en producción en masa. Desafortunadamente, incluso 0-10V tiene dos 'estándares' diferentes: uno donde el atenuador proporciona corriente (IEC 60929) y el otro (ANSI E1.3) donde la corriente se suministra desde la fuente de alimentación / balasto. Si bien se acepta comúnmente que la línea de 0-10 V debe generar o hundirse alrededor de 1 mA, esto tampoco está estandarizado. Para empeorar las cosas, no hay un estándar fijo para el cableado de control de bajo voltaje. Nadie puede estar completamente seguro si está clasificado como 'SELV' (voltaje extra bajo de seguridad) o si debe considerarse 'vivo' junto con el cableado de la red. Esto determina el tipo de cableado necesario desde la fuente de alimentación al controlador del atenuador y el grado de separación necesaria entre la red y el cableado de control. Casi siempre, se necesita un interruptor activo por separado para las fuentes de alimentación, Sería útil si los proveedores de balastos / fuentes de alimentación que usan atenuación de 0-10 V para incluir un interruptor o puente, de modo que una unidad se pueda configurar para la fuente de corriente (1 mA o 10 mA), y el resto se configure para que simplemente detecten el voltaje nivel. Esto permitiría el uso de un simple potenciómetro de 10k (1k para 10mA) para establecer el voltaje, y todas las unidades conectadas funcionarían al unísono. En la actualidad, la única forma en que la atenuación de 0-10 V se puede realizar con éxito es usar un 'módulo atenuador' alimentado que pueda suministrar o reducir la corriente según sea necesario. El uso de un interruptor de selección permitiría que una sola interfaz 'maestra' de 0-10 V controle hasta (digamos) 10 interfaces 'esclavas'. Cualquier unidad que estuviera desconectada simplemente aumentaría su brillo. Sería un gran error crear nuevos protocolos digitales solo para garantizar que las personas deben comprar accesorios y controles de un proveedor en particular. Hay varias luminarias que hacen exactamente eso, utilizando un control remoto IR (infrarrojo) o RF (radiofrecuencia) similar al que utilizan los equipos de entretenimiento doméstico. Si bien es conveniente, los estándares son necesarios para que los controles remotos sean compatibles. Nadie querría el sistema que tenemos con TV, decodificadores, reproductores de DVD (etc.) donde comúnmente tenemos múltiples controles remotos, uno para cada elemento que necesita ser controlado. Este enfoque causará mucho FUD en el mercado, y (aparte de algunos productos de consumo trucos) se ha evitado en gran medida, hasta ahora. Si bien los sistemas digitales (incluidos los que funcionan con un control remoto) pueden ofrecer una flexibilidad mucho mayor (como el cambio de color y otros efectos), la mayoría de los hogares no querrán poder usar la iluminación de su habitación como una discoteca doméstica. En la actualidad, la mayoría de los propietarios de viviendas ni siquiera usan atenuadores, por lo que tratar de vender accesorios de iluminación que cantan y bailan simplemente alejará a las personas que ya están desconcertadas por la nueva tecnología. ¿Alguien realmente quiere que las luces de su habitación sean rojas entre las 2:00 p.m. y las 2:30 p.m., y luego en verde hasta las 4:30 p.m.? ¿No? No lo creo. La industria en su conjunto se verá perjudicada si los dispositivos LED no ofrecen la simplicidad de operación que es inherente a la iluminación tradicional. Si bien la idea de un sistema de "disco en casa" atraerá inicialmente a algunas personas, la novedad desaparecerá con bastante rapidez. Si los accesorios no permiten una operación simple con un mínimo de alboroto, finalmente fallarán gravemente. Hasta ahora, la gran mayoría de los productos profesionales que he visto y / o evaluado han evitado los trucos, las campanas y los silbatos, y simplemente hacen el trabajo para el que fueron diseñados, la mayoría lo hace extremadamente bien. Incluso con los accesorios LED comerciales de 'estantería superior', el protocolo 0-10V es Parte superior sorprendentemente común, y a menudo se usa para proporcionar "recolección de luz diurna". Utiliza un sensor simple para detectar la luz ambiental y reducir el brillo de los accesorios LED cuando el nivel de luz

excede un umbral preestablecido. Las lámparas se pueden controlar individualmente o en grupos, y los sensores de luz de 0-10 V facilitan la instalación. No se requiere un controlador central, protocolos de control digital o cualquier electrónica elegante, solo un dispositivo con atenuación de 0-10 V y un sensor adecuado montado donde pueda "ver" la luz del día. 7 - Atenuadores de onda sinusoidal revisitados Se señaló anteriormente que los primeros atenuadores eran resistencias variables (reóstatos), Variacs o (a veces) amplificadores magnéticos. Ahora estamos en una era donde hay literalmente miles de cargas muy hostiles en la red eléctrica. Fuentes de alimentación de modo de conmutación tal como se utilizan en PC de todo tipo, innumerables fuentes de tipo 'paquete de enchufes' (aka 'wall-wart') innumerables, lámparas fluorescentes compactas, muchas lámparas LED y cientos de otros productos los usan, y la gran mayoría causa distorsión de la forma de onda de la red. Individualmente nunca son un problema, pero cuando hay un gran número, el problema se vuelve serio y causa problemas importantes con la infraestructura de distribución de la red eléctrica. Debido a esto, hay cada vez más regulaciones destinadas a limitar los niveles de distorsión armónica que las fuentes de alimentación pueden crear. Esto asegura que la red esté razonablemente 'limpia' (distorsión mínima) para que los transformadores de distribución y los generadores se puedan usar a sus capacidades máximas. Dado que la mayoría de las empresas de servicios de energía en todo el mundo parecen ser muy reacias a reemplazar equipos obsoletos, quieren obtener el máximo rendimiento y vida de lo que ya tienen. Si bien se ha afirmado en otra parte que una Variac disipa mucho calor (no proporcionaré una referencia porque está mal en todos los aspectos), esto es falso. Lo principal que excluye a la Variac de los sistemas "modernos" es el peso y el volumen del transformador, y las complejidades mecánicas necesarias para conducirlo. Un motorreductor no puede responder instantáneamente, pero la electrónica sí. El Variac (o cualquier autotransformador de voltaje variable) es lo más ideal posible en términos de eficiencia y no afecta la forma de onda de la red. Esto está bastante cerca del atenuador de onda sinusoidal 'perfecto', pero no si necesita una respuesta rápida (aunque la capacidad de 'flash' se puede proporcionar al cambiar). Los atenuadores de onda sinusoidal modernos son completamente electrónicos, pero los detalles son difíciles de encontrar.

Como se muestra en este artículo, los atenuadores de corte de fase tienen un factor de potencia terrible en configuraciones medias y bajas, y no es posible corregirlo sin un gasto considerable. También generan grandes corrientes armónicas en la forma de onda de la red eléctrica y algunos (especialmente los atenuadores domésticos basados en TRIAC más antiguos) pueden causar interferencias de radio. Entonces, los atenuadores tal como los conocemos están (o estarán) saliendo, porque no pueden cumplir con ninguno de los nuevos requisitos que entran en vigencia. Volver a usar Variacs es una forma, pero son caros y necesitan un motor y engranajes para poder cambiarlos de forma remota o mediante sistemas de automatización. Sin embargo, una búsqueda en la Web revela que todavía hay personas que usan Variacs como atenuadores porque eliminan todos los problemas creados por los atenuadores de corte de fase. El avance de la electrónica moderna puede ser la solución, porque hoy podemos hacer cosas que eran impensables hace solo unos años. Uno de estos es un atenuador de onda sinusoidal 'sin pérdidas'. Si bien aún no son convencionales, y los diseños pequeños de placas de pared aún no han llegado (o no lo he podido encontrar), se están utilizando para teatro y otras áreas donde se utilizan grandes cantidades de luces y necesitan ser atenuado El concepto básico se muestra a continuación. Mientras el conceptoen realidad es bastante simple, la realidad es algo diferente debido al filtrado necesario y la naturaleza de las cargas de CA de la red en general. Aunque se muestra utilizando un MOSFET, es en gran medida la llegada de los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) lo que ha permitido desarrollar esta tecnología. Los IGBT son muy robustos y tienen menos pérdidas que los MOSFET, requisitos esenciales para esta aplicación. El enfoque MOSFET todavía es viable para atenuadores pequeños (~ 200W o menos).

Figura 18 - Concepto básico de un atenuador de onda sinusoidal

El circuito que se muestra usa el circuito de control para encender y apagar el MOSFET (Switch) muy Parte superior rápidamente. Para reducir el voltaje de la red, el interruptor está abierto por más tiempo, por lo que la

corriente no puede pasar por el circuito. Los atenuadores de onda sinusoidal utilizan modulación de ancho de pulso (PWM), de manera muy similar a los amplificadores de potencia de clase D. Al encender y apagar el interruptor a (por ejemplo) 25 kHz, las pérdidas de conmutación son mínimas, por lo que el sistema puede tener una alta eficiencia. Si bien el concepto es simple, la ejecución es difícil y no es barata. Las altas frecuencias hacen que el filtro sea más fácil de implementar, más pequeño y más barato, pero aumentan las pérdidas de conmutación. Lo contrario también es cierto. La corriente es más o menos una onda sinusoidal, y seguirá la corriente a través de la carga. Si la carga tiene un buen factor de potencia, también lo tiene el atenuador de onda sinusoidal. La carga compuesta de una lámpara de alto factor de potencia y un atenuador de onda sinusoidal es 'amigable con la red' y no molestará a los proveedores de electricidad. Los circuitos de filtro que se usan para eliminar la forma de onda de conmutación de alta frecuencia deben ser muy efectivos, o se creará interferencia de RF que puede causar problemas en otros lugares (por ejemplo, la recepción de radio y TV). Tenga en cuenta que el circuito que se muestra está muy simplificado y no se puede utilizar en la forma que se muestra. Sí, el circuito funcionará, pero no pretende ser algo que cualquiera pueda construir, es simplemente un medio para demostrar el concepto subyacente. Los atenuadores de onda sinusoidal 'reales' son considerablemente más complejos, y encontrar un circuito viable en la red es un desafío (por decirlo suavemente). Como era de esperar, los fabricantes de atenuadores de onda sinusoidal no están ansiosos por publicar sus esquemas. Aunque son relativamente complejos y costosos, los atenuadores de onda sinusoidal tienen la gran ventaja de que pueden usarse con cualquier carga que normalmente esté conectada a la red eléctrica. Se pueden usar motores de todo tipo (pero con mucho cuidado para garantizar que no se sobrecarguen a un voltaje reducido), transformadores (convencionales o electrónicos) e incluso lámparas que normalmente no se consideran regulables (aunque solo en un rango de voltaje limitado para la mayoría cargas 'no regulables'). Algunos fabricantes se han referido a sus atenuadores de onda sinusoidal como equivalentes a un transformador electrónico. Sin filtrado, la forma de onda se verá como la traza roja en el siguiente gráfico. La señal de 50Hz se cambió con un ciclo de trabajo del 50% a 50kHz, y la forma de onda filtrada se muestra con el trazo verde. La entrada de la red eléctrica era de 230V / 50Hz, y el voltaje a través del atenuador y la carga son aproximadamente iguales (~ 115V en cada uno).

Figura 19 - Formas de onda del atenuador de onda sinusoidal

Al variar el ciclo de trabajo, el voltaje de salida a través de la carga puede ser de 230V (menos algunas pequeñas pérdidas), hasta llegar a cero. En realidad, no es factible que el ciclo de trabajo sea lo suficientemente bajo para voltajes mucho menores que alrededor de 10 V, porque los circuitos PWM generalmente serán algo inestables con un tiempo de encendido bajo (por ejemplo, menos de ~ 200 ns). Como referencia, la esquina superior derecha muestra un detalle ampliado de la forma de onda cortada (ciclo de trabajo del 50%). En esta etapa, no es posible adivinar cuándo los atenuadores de onda sinusoidal llegarán a una ferretería cerca de usted. Supongo que probablemente no debas contener la respiración, porque es probable que te lleve algo de tiempo. Sin embargo, cuando los atenuadores domésticos que utilizan la tecnología de onda sinusoidal estén disponibles, entonces (y solo entonces) habrá una posibilidad razonable de éxito y consistencia al atenuar las bombillas LED u otros accesorios con atenuadores de placa de pared. Mi suposición es que los fabricantes de circuitos integrados (eventualmente) probablemente fabricarán casi todo lo necesario en un solo chip, y necesitarán solo unas pocas partes pasivas y los interruptores de alimentación principales para hacer un atenuador completo. En la actualidad, no parece haber una forma de construir un atenuador de onda sinusoidal lo suficientemente pequeño como para caber en una placa de Parte superior pared estándar.

Dije que un verdadero atenuador de onda sinusoidal es más complejo que el simple circuito conceptual que se muestra arriba, pero ¿qué tan complejo es 'complejo'? Ver Figura 20 para la respuesta. Incluso el bloque lógico PWM en sí mismo no es trivial, pero también necesitamos usar no uno, sino cuatro MOSFET, más todos los circuitos auxiliares y la unidad de puerta MOSFET 'flotante'. Se podría ser posible utilizar un circuito simple, pero se hace muy difícil prevenir la tensión destructiva o picos de corriente a menos que se utiliza un circuito de fijación activa (Q3 y Q4) como se muestra en el dibujo a continuación.

Figura 20 - Disposición general de un atenuador de onda sinusoidal

Ahora puede ver por sí mismo por qué los atenuadores de onda sinusoidal de placa de pared no son factibles en esta etapa. La Figura 20 muestra un circuito simplificado de un atenuador de onda sinusoidal viable: hay muchos dispositivos de conmutación y se necesitan componentes electrónicos de accionamiento aislados para los MOSFET de salida o IGBT. El dibujo de arriba muestra pequeños transformadores de pulso (T1 y T2), pero también hay equivalentes electrónicos que pueden hacer lo mismo. Lo importante es entender que el circuito es mucho más complejo que un atenuador de corte de fase convencional, y hasta el momento en que todos los sistemas lógicos y de accionamiento se integren en un solo CI, no parece haber una manera de hacer un versión 'pequeña escala'. La forma de onda de salida sin filtrar sigue siendo la misma que se muestra en la Figura 19. Tenga en cuenta que en los dos circuitos mostrados, la sección de la fuente de alimentación no se ha mostrado. Se necesita una fuente de alimentación para alimentar los circuitos lógicos PWM, y los atenuadores de onda sinusoidal deben ser de 3 hilos: activo, neutro y de carga, y tierra / tierra también para unidades más grandes (independientes). Intentar hacer un atenuador de onda sinusoidal de 2 hilos no es posible debido a las demandas de potencia de los circuitos, e incluso si fuera posible, haría que el atenuador de onda sinusoidal fuera tan susceptible a las variaciones de carga (y tan poco confiable) como 'tradicional' 2- Atenuadores de alambre de uso común ya. En muchos aspectos, un atenuador de onda sinusoidal es básicamente una forma de amplificador de potencia de clase D, pero utiliza la línea de CA directamente en lugar de convertirla primero a CC. A menos que ya esté familiarizado con los principios de los amplificadores de Clase D, esto probablemente no lo ayudará mucho, pero si comprende la Clase D, entonces ya tiene información sobre cómo funciona un atenuador de onda sinusoidal. La señal de control que establece el brillo de la lámpara (voltaje de salida) es análoga a la entrada de audio. La principal diferencia es que un atenuador de onda sinusoidal utiliza un suministro de CA en lugar de CC, y el voltaje de suministro es mucho más alto (picos de 325 V en lugar de un ± 70 V CC más tradicional, por ejemplo). Los dos MOSFET utilizados de forma consecutiva forman un circuito de conmutación de CA: pasan (o bloquean) la entrada independientemente de la polaridad (consulte el artículo ESP sobre relés MOSFET para más detalles sobre cómo funcionan estos). La clave para que un atenuador de onda sinusoidal PWM funcione correctamente está en los circuitos de accionamiento MOSFET, los filtros de entrada y salida, y una determinación precisa del tiempo muerto (un período muy corto en el que todos los MOSFET están apagados). Nada de esto es trivial. La inductancia en la salida conmutada provoca grandes picos de voltaje de 'retorno', y estos deben ser absorbidos (lo que aumenta dramáticamente las pérdidas) o devueltos al sistema, lo cual es difícil de lograr. Los condensadores y las resistencias deben ser 'pulso nominal', debido a la corriente pico muy alta. Por mucho que me gustaría poder dar a los lectores un circuito de trabajo conocido, me temo que no es posible en este momento. Tengo una simulación que funciona bien y tiene bajas pérdidas, pero convertir eso en un circuito de trabajo es algo completamente diferente. Conclusión

Parte superior

La atenuación es un desafío, y es un desafío que pocos fabricantes de productos de iluminación para el hogar admitirán fácilmente. Casi todos los reguladores funcionan perfectamente con lámparas resistivas (incandescentes), pero el rendimiento es extremadamente variable con cargas electrónicas. Si bien los fabricantes de fuentes de alimentación / balasto LED pueden afirmar que su producto es 'regulable', no espere encontrar información útil, ¡en cualquier lugar! Los problemas se ven agravados por el hecho de que la gran mayoría de los atenuadores son de 2 hilos y dependen de la carga para proporcionar su referencia para el cruce por cero de la red (lo que indica que ha finalizado un medio ciclo). Los atenuadores y las fuentes de alimentación son una colección de componentes electrónicos bastante complejos, y no hay garantía de que el atenuador 'A' funcione con el balasto (fuente de alimentación) 'B' o viceversa. No existen estándares para reguladores o fuentes de alimentación regulables, y todo el problema empeora cuando los clientes insisten en poder utilizar productos 'heredados' que fueron diseñados para su uso con lámparas incandescentes. En algunos casos, el atenuador 'A' podría funcionar perfectamente con una fuente de alimentación, pero la misma fuente falla lamentablemente con un atenuador diferente, incluso uno de tipo comparable. Del mismo modo, los atenuadores son extremadamente variables y pueden funcionar bien con un tipo de fuente de alimentación, pero fallan con otro. El parpadeo, el parpadeo y la inestabilidad general son fallas, porque los clientes no aceptarán una iluminación inestable. Hasta el momento en que se implementen estándares que especifiquen el interfuncionamiento de atenuadores y fuentes de alimentación, es poco probable que el problema mejore. El uso de 0-10 V es un método, pero a los clientes a menudo no les gusta porque significa que se necesitan cables adicionales y que los atenuadores existentes deben reemplazarse por módulos de 0-10 V. Los sistemas de automatización (C-Bus, DALI) no son la respuesta, porque son caros y requieren hardware, cableado y puesta en servicio adicionales que aumentan enormemente el costo de una instalación. También faltan fuentes de alimentación / balastos regulables de 0-10 V; existen, pero no son especialmente comunes. Los que encuentre pueden no ser compatibles con los controladores de atenuación. Actualmente no existe una respuesta simple, y hasta el momento en que haya estándares establecidos para garantizar la interoperabilidad entre los atenuadores y los balastos / fuentes de alimentación, la situación no mejorará. Mientras tanto, cuando se trata de atenuar cualquier lámpara / accesorio electrónico (LED o CFL), la única forma de tener una oportunidad de pelear es si está dispuesto a realizar sus propias pruebas. Algunas combinaciones funcionarán, algunas serán inestables (parpadeando / parpadeando especialmente en configuraciones bajas) y otras pueden ser completamente insatisfactorias. En algunos casos, es posible que no haya combinaciones que funcionen, por lo que deben cambiarse tanto la fuente de alimentación (o el dispositivo completo) como el atenuador. Las afirmaciones del fabricante deben considerarse apócrifas en el mejor de los casos, porque rara vez o nunca sabrá el tipo exacto de atenuador que se usó para sus pruebas de 'compatibilidad'. Si un fabricante puede proporcionar tanto la fuente de alimentación comoel atenuador, es probable que sea mejor que comprar cada uno de diferentes proveedores. Durante las pruebas, descubrí que un Variac suele ser el mejor atenuador de todos (es un verdadero atenuador de onda sinusoidal) y puede proporcionar una atenuación suave desde un 1% hasta el brillo máximo. Las pruebas con atenuadores de borde delantero y trasero han mostrado resultados que varían de inútiles a apenas transitables a aceptables. Ninguno es tan bueno como atenuar una lámpara incandescente, aparte de algunos controles dedicados de 0-10V. Como se señaló anteriormente, los atenuadores TRIAC (de vanguardia) nunca deben usarse con fuentes de alimentación electrónicas debido a la corriente pico repetitiva excesiva que eventualmente causará la falla del atenuador y / o la fuente de alimentación. Curiosamente, he visto controladores LED que solo funcionarán correctamente con un atenuador de vanguardia, Debes estar dispuesto a experimentar. No espere encontrar una combinación que funcione sin problemas en el primer intento, que no sea por pura suerte. Los accesorios / luminarias LED por sí mismos no son un problema: la capacidad de atenuación depende en última instancia de la fuente de alimentación y el atenuador. A veces descubrirá que la única forma de obtener un resultado final satisfactorio es conectar una lámpara incandescente en paralelo con las fuentes de alimentación LED o CFL regulables, lo que no es una situación ideal. Otras combinaciones de dimmer / fuente de alimentación pueden resultar insatisfactorias independientemente de lo que haga. No espere que las lámparas o accesorios LED o CFL se atenúen de la misma manera que una lámpara incandescente. No es realista, porque no se puede esperar que una fuente de alimentación electrónica se comporte de la misma manera que un simple filamento resistivo. Si bien los LED son perfectamente adecuados para la atenuación, no sucederá hasta que los fabricantes decidan sobre estándares que permitan que las fuentes de alimentación se unan y controlen mediante una interfaz analógica simple como 0-10 V o algún protocolo similar (simple) que no requiera hardware adicional costoso. Estos son bastante comunes para aplicaciones comerciales / industriales, pero no para productos domésticos. Este artículo fue escrito en 2008 y, a fines de 2017, muy poco ha cambiado. Fabricantes de iluminación aún hacen luminarias para interiores completamente sellados que son totalmente inadecuados para su uso con lámparas electrónicas, la mayoría de los reguladores de luz siguen siendo de 2 hilos, y poco o nada se ha hecho para resolver los problemas de regulador y la compatibilidad de la lámpara. Las combinaciones que Parte superior funcionan bien juntas son difíciles de encontrar, y ningún fabricante convencional se molesta en realizar pruebas y recomienda un atenuador particular como adecuado para sus lámparas. La mayoría (todavía) no

recomiendan que solo se utilicen atenuadores de borde posterior, e implican que los tipos de borde de ataque son adecuados. Esto rara vez es cierto. Finalmente, por supuesto, solo podemos esperar que los atenuadores de onda sinusoidal de placa de pared estén disponibles en un futuro no muy lejano, ya que esta es la única tecnología que proporcionará cierto grado de certeza. Los atenuadores de borde posterior también pueden funcionar muy bien, pero son predecibles solo si están diseñados como tipos de 3 hilos, con una referencia neutra fija que garantiza que el atenuador funcionará de manera confiable. Desafortunadamente, estos son muy difíciles de encontrar en hardware o enchufes de iluminación. Créditos y referencias 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Control de fase inversa de dos etapas con función de atenuación, Atmel Transformador electrónico atenúa la lámpara halógena - EDN Consorcio Zhaga Designlights Consortium LED de atenuación: qué funciona y qué necesita reparación (Lightfair Conference) Strand Lighting : uno de los pocos documentos útiles que encontré sobre la atenuación de ondas sinusoidales

Würth Elektronik PCB Shop

Choose production time 2, 3 or 4 days and bene t from our delivery promise

Lámparas e índice de energía Índice principal

Aviso de copyright. Este material, incluidos, entre otros, todos los textos y diagramas, es propiedad intelectual de Rod Elliott y tiene Copyright © 2008. La reproducción o reedición por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico o electromecánico, está estrictamente prohibido bajo Leyes internacionales de derechos de autor. El autor / editor (Rod Elliott) le otorga al lector el derecho de usar esta información solo para uso personal, y además permite que se haga una (1) copia para referencia. El uso comercial total o parcial está prohibido sin autorización expresa por escrito de Rod Elliott. Página creada y derechos de autor © 15 de septiembre de 2008./ Actualizado en agosto / septiembre de 2013 - agregué un poco más de información sobre atenuadores y uso. / Dic. 2013 - atenuadores de onda sinusoidal. / Noviembre de 2017 - agregó la Fig. 10A y texto, cambios menores en otros lugares.

Parte superior