Vamos a comenzar listando en orden, cada uno de los bloques del diagrama,
de acuerdo a la forma en que se van energizando, para después
explicarlos a detalle. Entonces: Cuando energizas una lampara led, comenzará a funcionar...
Entremos a detalle con cada parte del circuito, mostrando su diagrama
electrónico, su apariencia física, y la identificación de los componentes
que componen cada bloque:
1er Bloque: El rectificador de onda completa de Corriente Alterna
(CA) a corriente directa (CD).
En la imagen siguiente se encuentra el diagrama correspondiente a
este bloque. Esta formado con tan solo un par de componentes. Pues el
conjunto de los 4 diodos viene en solo encapsulado:
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Diagrama electrónico del rectificador de corriente usado en
focos LEDs.
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Es la primera sección por donde circula corriente eléctrica al energizar
el foco o lampara. Los circuitos y Led´s que se iluminan, funcionan
mejor o únicamente, con CD. Así que primero hay que convertir esos 110 o
220 Vca que están en los toma corriente de nuestras casas, a CD. Esa es
la función de esta parte del circuito. Se conforma de un arreglo con 4
diodos llamado: Rectificador de onda completa.i Dicho arreglo casi
siempre vienen integrados en un solo encapsulado muy pequeño de cuatro
patitas, como el que se muestra a continuación:
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Apariencia real del rectificador SMD encontrado en lamparas
LEDs.
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Es importante mencionar, que en algunos modelos de lámparas de potencia,
aparecen estos 4 diodos por separado. Y dependiendo del fabricante, el
rectificador de voltaje se complementa con un condensador electrolítico
para eliminar el rizado de la rectificación de CA. Algunos modelos no lo
llevan, ya sea porque no sea necesario o porque el fabricante del foco o
lampara LED no lo agrega para ahorrar costos. El tamaño de los
componentes de esta parte del circuito, casi siempre es muy pequeño,
pues en general, los Led´s requieren valores bajos de intensidad
eléctrica (amperes). En la imagen siguiente se puede observar este
componente en diferentes modelos de focos y lamparas leds...
En los ejemplos de la imagen, el circuito rectificador dentro de los
diferentes modelos de lamparas LEDs no se agrega el condensador
electrolítico como en el modelo de la derecha. El modelo que está en el
centro y el de la izquierda si lleva dicho condensador. (el condensador
electrolítico del modelo de la izquierda no se ve, porque está montado en
el lado opuesto de la placa).
Una vez que la corriente alterna es convertida a corriente directa y, si
aplica, filtrada con un condensador, esta energiza y activa la siguiente
sección dentro del foco o lampara LED. vamos a conocerla y explicarla...
2o. Bloque: El circuito limitador de corriente que energizará a los
LED´s.
También conocido como: LED driver. es la parte importante y que mas
variantes tiene del circuito, pues en electrónica, existen muchas
maneras de controlar y limitar el flujo de corriente y cada fabricante
escoge alguno de acuerdo su criterio.
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Dentro de los rectángulos rojos el circuito que controla la
corriente en lamparas LED.
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Cada uno de los leds que se iluminan dentro de los focos o lámparas,
requieren un suministro de tensión eléctrica (Voltaje) e intensidad
(Amperes) pequeña. Pero muy precisa y estable. ¡De verdad que son muy
quisquillosos en esto! Fenómenos extraños o daños irreparables les
ocurren, si estos parámetros son inestables o cambian bruscamente. Por
eso, esta parte del circuito es la más importante y crucial.
Otra cosa: ¿Notaron que en todos los circuitos mostrados arriba, los
LEDs están conectados en serie? ¿Saben por qué? Hagamos un pequeño
paréntesis para explicar este importante detalle:
"Aunque generalmente se piensa que el voltaje es el que se
debe controlar para hacer funcionar correctamente un LED. La mayoría
de los fabricantes de focos y lamparas no hacen esto. Optan por
controlar y mantener una corriente constante muy precisa; en el
orden de los Miliamperes. colocando los Leds en serie o
serie-paralelo. Y pasan de largo el control de voltaje. A esto se le
conoce como “controlador de corriente constante”. Y como dije, es el
tipo de control predominante en la gran mayoría de focos y lámparas
con Leds".
Motivo del por qué se controla la corriente y no el voltaje en
lamparas LEDS
Resulta muy problemático y complejo en conexiones y diseño, reducir y
mantener un valor de voltaje correcto para cada LED, Pues esto
implicaría conectarlos en paralelo.
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LEDs en paralelo.
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Esta conexión de leds en paralelo, exige una fuente de alimentación que
reduzca el voltaje de CA de nuestras casas (110/220) hasta en un 90% ,
para obtener el poco valor que requiere cada LED. Pero además, debe
proporcionar una gran cantidad de intensidad eléctrica (amperes) para
ser dividida entre cada Leds del circuito. Recuerden: en circuito
paralelos, el voltaje es el mismo en todos los componentes que lo
conforman, pero la corriente se divide.
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Circuito de LEds conectados en paralelo.
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Entre mas LED´s en paralelo, mayor debe ser la intensidad que debe
proporcionar la fuente sin modificar el voltaje. Si se usa ese tipo de
fuentes únicamente para alimentar Leds, resulta muy complejo, con
muchos componentes, costoso y de tamaños muy grandes, además de que
genera mucho calor.
Por ejemplo: si queremos alimentar un conjunto de 20 LEDs a base de
control de voltaje, donde cada uno requiere 4 Vcd y 0.020 amperes (20
miliamperes), se requiere una fuente que reduzca y convierta el voltaje
de 110 o 220 Vca, a 4 Vcd y que proporcione mínimo 0.400 amperes (0.020
x20) El diseño de dicha fuente resultaría muy complejo. Porque reducir
el voltaje y proporcionar un valor de corriente alto, significa
descartar el 80% de energía de esos 110-220 Vca, trasformándola en
calor. Además debe ser muy estable, teniendo que anexar mas componentes
al circuito para lograr dicha estabilidad. Pues como dije antes: Los
Leds son muy sensibles a variaciones de tension. Por este motivo, no
existen lamparas Leds con un único arreglo en paralelo.
Sin embargo, es mucho mas simple para su diseño y requerimientos de
consumo, conectar los LEDs en serie.
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Circuito de LEDs conectados en serie.
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En los circuitos serie de Leds, se puede hacer circular el mismo valor
de intensidad (amperes), sin importar la cantidad de componentes que lo
conformen, dividiendo el voltaje entre cada uno de ellos. Entonces:
Entre mas LEDs formen el circuito, mayor debe ser la cantidad de voltaje
que se necesita, sin aumentar la corriente. Con esto se evita que la
fuente que los energiza sea compleja para reducir mucho la tensión que
alimenta al circuito.
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El valor total de la corriente es el mismo en cada led.
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Una fuente que no tenga que reducir el voltaje de AC o lo tenga
que hacer muy poco para rectificarla a DC y que solo controle y
limite un flujo de corriente muy pequeño (Miliamperes) es mucho
mas simple de diseñar; Incluso se puede lograr con tres
componentes electrónicos pasivos, como un diodo, condensador y una
resistencia (fuente capacitiva), no genera mucho calor y requiere
poco espacio.
Si tomamos el mismo ejemplo de los 20 LEDs que requieren 4 Vcd y
0.020 amperes cada uno. la fuente debe proporcionar 80 Vcd
(4 x 20) y controlar solo 0.020 amperes. Prácticamente, esta
fuente solo necesita rectificar el voltaje de nuestras casa sin
reducirlo y mantener un limite de intensidad muy pequeño, que se
puede lograr hasta con una resistencia bien calculada. No habría
mucha perdida de energía en calor y el tamaño seria muy
reducido... Barata pequeña y ligera. Melodía que encanta a
fabricantes.
Esa es la explicación del por qué los diseñadores de focos,
lamparas y luminarias LEDs, crean sus circuitos en base a control
de corriente y no de voltaje. si quieres saber mas sobre el tema
de comportamiento de los LEDs en serie y paralelo, lee el articulo
que pongo a continuación. explica mas a profundidad y
detalle, sobre este tipo de circuitos:
Una vez explicado el motivo y los detalles sobre el por qué se usa un
circuito de control de corriente en los focos y lamparas LEDs, cerramos
el paréntesis y continuamos la explicación de las variantes que
puedes encontrar en el bloque encargado del control de corriente:
Debes saber que predominan tres circuitos controladores de corriente,
usados en los focos y lamparas LEds. Y de nuevo: siempre, sin importar
la marca y modelo, encontrarás una de estas tres variantes en este
bloque. Vamos a mencionarlas y explicarlas:
1a. Variante: Circuito que controla y limitar la corriente con una
fuente capacitiva.
Fueron los primeros arreglos de control que se usaron en los
focos y lámparas Led´s comerciales.
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Diagrama de fuente capacitiva usada en las primeras lamparas
LEd.
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Básicamente es un condensador no polarizado (CX1) que reducen la
corriente gracias al fenómeno de reactancia capacitiva. Puedes aprender
todo sobre este tipo de circuitos en este articulo:
Estos controladores de corriente resultaron ser el peor método de
limitación de corriente, aplicados en diseños de iluminación con LEDs.
Pues deja pasar todo tipo de variaciones y ruidos eléctricos que
degradan y dañan a los LEds prematuramente, el circuito por si mismo se
degrada muy rápido y no tiene ningún tipo de regulación confiable y
estable. Se usan (O usaban) en focos y lámparas LED´s de líneas muy
económicas o de baja potencia, que consuman máximo 0.060 amperios (60
mili Amperios). Como seguro notaron en el diagrama, este arreglo
tiene la rareza de conectarse antes del rectificador de onda completa,
pues funciona con corriente alterna. Actualmente son pocos los
dispositivos de iluminación con Leds que usan este tipo de circuito
imitador, solo uno que otro aun anda circulando.
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Primeros modelos de lamparas LED, usaban una fuente
capacitiva.
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2da. Variante: Circuito que controla y limitar la corriente con un
único circuito integrado (Chip).
Dentro del Chip esta construido un complejo circuito electrónico con
comparadores, limitadores y mosfets que realizan funciones de
control de tensión, temperatura y corriente para energizar a los Leds y
prevenir daños en ellos y en el mismo. Cuando se usa este chip en un
circuito, se le denomina : Buck LED Driver. en la imagen siguiente
veremos un diagrama del circuito electrónico mas usados para controlar y
limitar la corriente en focos y lamparas LEDs de líneas económicas. Solo
se necesita un único IC y menos de 5 componentes adicionales para
energizar un gran grupo de LEDs.
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Circuito electrónico control de corriente para lamparas LED
con un único IC y menos de 5 componentes.
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Esta variante de circuito de control de corriente, es mucho más
eficiente y duradera en comparación con la antes mencionada fuente
capacitiva. Se encuentra muchas lamparas de marcas chinas de líneas
económicas.
Un solo circuito integrado (Chip) tiene en su interior, todo lo que se
necesita para controlar y ajustar tanto la tensión como la intensidad
que requieren los LEds. Evitando que se dañen prematuramente. Esto
reduce muchísimo los costos de fabricación y pueden ofrecerse en precios
realmente bajos.
El principio de funcionamiento de estos Chips para controlar la
corriente, es la de modulación de ancho de pulso (PWM) son
increíblemente estables. Cuentan con medidas de protección como: apagado
por exceso de temperatura, apagado por voltajes bajos y apagado o ajuste
automático de tensión e intensidad si uno o varios LED se dañan. Y si…
todo en un solo chip.
Este tipo de control "todo en uno", se conectan directamente a los
Led´s y se instala sobre la misma placa que se usa para disipar el
calor generado por ellos. Cuentan con un sensor de temperatura que
apaga el chip si el circuito comienzan a calentarse en exceso. Pueden
controlar voltajes de hasta 500 volts y 0.08 amperios máximos, pues
incluyen un transistor Mosfet de potencia. Estos chips solo necesitan
una resistencia externa que se fija el valor de intensidad (en mili
amperes) que se conecta en una de sus patitas. En la siguiente imagen
se puede ver un circuito con este tipo de arquitectura...
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Lampara LED que usa un solo chip para controlar la corriente
de los LEDs.
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Por desgracia: ya que chip solo puede ofrecer un control de corriente
con valores máximos de hasta 0.06 amperes (60 mA) este circuito puede
energizar y controlar un reducido numero de Leds. En algunos modelos
se ponen dos o más de estos chips en paralelo para los diseños de
lamparas de mayos potencia; arriba de los 10 watts. En estos circuitos
se anexan condensadores y diodos para estabilizar aún más su
funcionamiento.
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Circuito electrónico con varios Chips de control de
corriente en paralelo en lamparas LEd.
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Para colmo, en la practica, estos componentes pasivos adicionales
pocas veces se agregan. Los fabricantes de los focos o lámparas no los
incorporan para ahorra costos. Esto degrada mas rápido sus
dispositivos. Sospecho que algunos fabricantes mal intencionados,
evitan poner estos componentes adicionales de forma intencional, para
lograr una obsolescencia programada. Pues los diseñadores del chip (no
los diseñadores de los lamparas) recomiendan en su hoja de datos
(datasheet) dichos componentes extras por buenos motivos.
En la siguiente imagen ponemos un ejemplo de este tipo de
configuración en un foco de 12 Watts.
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Circuito de lampara Led omiten muchos componentes para
ahorrar costos.
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Con esto cerramos la expoliación del segundo tipo de circuitos de
control y limitación de corriente usados en lamparas leds. Vamos con
la ultima.
3a. Variante: Circuito que controla y limitar la corriente: Con un
arreglo anexando un inductor (bobina). Otra versión mucho mejor
del Buck LED Drive. “BLD” para los cuates.
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Circuito electrónico usado en lamparas LEds con un solo Ic
y bobina.
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Es el mas estable, eficiente y duradero circuito de control de
corriente encontrado en los diferentes tipos de focos y lamparas LEDs
hasta ahora. Se usa en marcas mas reconocidas y/o líneas más duraderas
o elitistas. Y claro, más costosas.
También usa un único chip que incorpora todas las funciones
mencionadas en el circuito anterior. Pero su funcionamiento es
diferente y tiene una gran ventaja que mencionaré mas adelante.
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A esta versión, se anexan más componentes externos, donde resalta una
bobina. Dicha bobina actúa como un pequeño reforzador de
tensión, controlado por modulación de ancho de pulso (como los circuitos Step-up) que “alivia” la carga de trabajo al chip y vuelve mas
estable el control de intensidad. Todo esto prolonga mucho más la vida
útil de los Leds y los demás componentes, incluido el mismo chip. Los
fabricantes que diseñan sus productos de iluminación con este control
de intensidad, garantizan fácilmente la duración hasta por 5 años
reales.
A continuación ponemos una imagen de un foco LEds que lleva este tipo
de circuitos controladores de intensidad:
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Lampara LED que usa un circuitos de control de
corriente mas avanzado y mejor.
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Pero la verdadera gran ventaja de este tipo de circuitos, es que puede
manejar corrientes de hasta 0.5 amperes (500mA) esto permite
aumentar la cantidad de Leds que controla, de manera sorprendente. O
puede controlar arreglos de pocos Leds de gran potencia; 2 o 3 watts por
led.
Entonces: Podemos descubrir lamparas con 60 u 80 Leds, energizados con
este tipo de arreglos. Así como encontrar lamparas con unos 12
Leds, pero de 20 o 30 watts. Esto es la mayor diferencia y ventaja de
este circuito, en comparación al antes mencionado, donde se deben
conectar varios chips en paralelo para controlar mas Leds, requiriendo
mas espacio y aumentando el costo del circuito.
Ahora ya conoces los tres tipos de control de intensidad que se pueden
encontrar en la mayoría de focos y lámparas Led´s, hasta el momento.
Conociendo sus ventajas y aplicaciones en cada tipo. Vamos entonces a
continuar con el siguiente tema…
3er. Bloque: El conjunto de LEDs conectados en serie o
serie-paralelo.
Son la parte que genera luz en el circuito. Pequeños cuadritos o
rectángulos que producen un cegador resplandor cuando se
energizan. Estos componentes se conocen en electrónica como: Diodos
emisores de luz; LED por sus siglas en ingles. Dentro de los
focos y lámparas, se pueden encontrar ordenados y conectados de dos
formas:
- En serie: Consiste en conectar un led tras otro.
-
En serie-paralelo: También llamado circuitos Mixtos. Consiste en
conectar un grupo de Leds en paralelo y después conectar ese
conjunto, a otro grupo idéntico, pero en serie.
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Diagramas que muestran arreglos serie y mixtos que usan los
Leds dentro de una lampara Led.
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Cada fabricante, ordena de diferentes formas y cantidades los LEDs que
monta en sus focos. Así que se debe tomar solo como una referencia, el
hecho de que en el diagrama de conexión serie-paralelo, que se muestra
arriba, tenga conectados 3 LEDs en paralelo y después este conjunto de
tres, se conecte en serie con otro grupo igual. Pues el
fabricante puede diseñar sus focos y lamparas con grupos en paralelo
de dos, cuatro, y en algunos casos mas de 6 LEDs.
A continuación mostramos una imagen con ejemplo del arreglo
serie-paralelo con Leds, dentro de un foco. El circuito tiene
conectados tres LEDs en paralelo, que después se conectan en
serie con otros grupo igual, repitiéndose nueve veces:
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Ejemplo real de un circuito serie-paralelo (o mixto) en una
lampara LED.
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En el ejemplo de la imagen de arriba: Un circuito serie-paralelo (o
mixto) en una lampara LED de 15 watts. El conjunto de 3 LEDs en
paralelo consume 8.5 Vca y 190 mA (Los 190 mA de dividen entre los 3
LEds, y así cada uno consume 63 mA). Como se repite y conecta
en serie este arreglo, nueve veces. La tensión que entrega el
driver para energizar este caso es de: 76 Volts y 190 mA
Aproximadamente.
La forma preferida y mas usada, (pero no única) que usan los
fabricantes para ordenar los LEDs, es la serie-paralelo o Mixta. Estos
arreglos se hacen para distribuir mejor la tensión (voltios) y la
intensidad (amperes) acorde a la potencia de iluminación que requiera
el fabricante. Entre más Leds se usen, mayor es el requerimiento de
voltaje e intensidad del arreglo. Y por supuesto, mayor será el
consumo (watts) e iluminación (lumens). Esta técnica es
una herencia de antaño, ya usada para las conexiones usadas en
las antiguas series navideñas.
Identificar de manera visual, la forma en que están conectados los
LEDs en la mayoría de modelos de focos y Lamparas, resulta un tanto
laboriosa. Pues a simple vista, es difícil ver las conexiones
entre cada LED. Esto se debe a que la superficie donde se monta,
viene recubierta con un esmalte blanco, que refleja la luz.
Ahora pondremos una imagen con un ejemplo de una lampara con un
circuito serie muy simple, compuesto con 12 LEDs.
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Lampara con circuito serie simple en los Leds.
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En la imagen se puede apreciar claramente la pista de cobre que
conecta los 12 LEDs, uno tras otro, formando un circuito serie
simple. Esta configuración se usa típicamente en lamparas de baja
potencia.
Con esto concluimos la explicación del modulo que compone el
conjunto de LEDs que generan la luz y sus dos formas de conexión
típicas que encontrarás dentro de un foco o lampara. Ahora explicaré
el ultimo bloque...
4o. Bloque: El disipador de calor para los Leds y resto del
circuito.
En la mayoría de focos y lamparas, se pueden encontrar conectados
desde 5 hasta 75 LED; incluso mas. Y en la mayoría de casos,
son LEDs de montaje superficial (SMD), pues su reducido tamaño,
ayuda en la forma de los diseños de cada tipo de luminaria. Pero
cantidades grandes de estos componentes, funcionando todos juntos,
generan una importante cantidad de calor. Si este calor no se
reduce, puede degradar o dañara uno o varios LEDs y/o
componentes electrónicos.
Así es....El calor que generan estos Leds, degrada rápidamente todo
el circuito. Aquí entra el función el ultimo bloque: El disipador de
calor.
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Una lampara LED 15W puede llegar a calentarse hasta los
100°C.
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Es prioridad disipar la mayoría de ese calor para evitar daños
prematuros. Entonces, los fabricantes de focos y lamparas, optan por
montan todos los LEDs y componentes que consideren necesarios,
en una superficie que disipe o canalice el calor. típicamente una
superficie plana que consta de tres partes: una lamina principal hecha
de un material aislante eléctricamente, pero con buena conducción
térmica, en la parte superior de esa lamina aislante, se adhieren las
pistas de cobre que conectarán todos los componentes (y claro, también
se adhieren los componentes). Y en la parte inferior se adhiere algún
material que disipe el calor al medio habiente, típicamente otra
lamina o disipador de metal.
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Un disipador de calor dentro de un foco LED. Todos los
componentes van montados sobre el.
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Dependiendo de la temperatura, cantidad de componentes que deban
ir montados y criterio de los fabricantes, la lamina que disipará el
calor, puede estar formada por aluminio, acero o en el caso de las
líneas económicas: baquelita. Esto ultimo, claro, no es la mejor
opción y degrada los LED, acorta ndo mucho su tiempo de vida útil.
En la imagen que sigue, podemos ver un par de tiras que forman parte
de unas luminarias larga con 75 LEDs. Se puede apreciar como en la
primera tira, Foto A y B, el fabricante montó sus LEDs en un disipador
de calor de buena calidad, hecho de aluminio. por el contrario, el
fabricante de la segunda tira, foto C y D, el fabricante no agrego
ningún tipo de metal o material adicional para disipar el exceso de
calor y montó los LEds en baquelita (PCB comun). Provocando un
agotamiento y desgaste prematuro en los componentes a causa de la mala
disipación de calor. Se puede apreciar claramente el daño en los LEds,
así como en la tira donde están montados.
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Fotos A y B: y no tiene disipador. Fotos C y D: Disipador
de calor de aluminio.
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En muchos casos, los modelos de buena calidad expanden el disipador de
calor a toda la estructura del foco o lampara, garantizando una mejor
y mas rápida transferencia y disipación de calor. También evitan
montar los componentes electrónico junto a los LEDs. Esto prolonga aun
mas la vida útil de todo el equipo. Un ejemplo de esto, es la imagen
de un foco de fabricación china , pero de buena calidad.
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Lampara LED que usa toda la estructura para disipar calor y
separa los componentes.
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Abajo: Otra imagen donde se puede observar como entre mas grande y
mejor es el disipador de calor, la vida de los Leds y circuitos
adicionales dentro de focos y lamparas, es mas larga. El
fabricante de la lampara de 30 Watts, con 150 LEDs, uso toda la
estructura de metal de su diseño, para trasferir y dispar el calor que
genera esa cantidad de componentes. La luminaria tiene varios años de
uso y se puede apreciar incluso la oxidación por el tiempo y el clima.
Pero los LEDs, no muestran ningún tipo de agotamiento y realizan su
función con eficiencia y sin desgastes prematuros o daños.
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Lampara LED que usa la estructura de su diseño, como
disipador de calor.
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Con esta ultima explicación del cuarto bloque, terminamos el articulo.
Apuesto a que toda esta información y explicación a detalle del diseño
de los circuitos electrónicos dentro de las actuales luminarias LEDs
es bastante útil si piensas reparar, diseñar o modificar alguno de
estos amiguitos. ¿verdad?
En la próxima entrada, hablaré sobre los pros y contras que tienen este
tipo de dispositivos. Y en un tercer articulo, expondré una serie de modificaciones y mejoras, para alargar la vida útil de una buena mayoría de focos LEDs. Toda esta información ya puede
leerse dando clic en los link que encontraras al final de esta entrada.
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Feliz día amigo. Una consulta... Como saber si el ic está dañado. Se ve en perfecto estado... los led apenas alumbran. El ic es el de 7 papitas. Gracias... Puedes indicarme cómo hacerle el teatro al ic. Y si este está dañado se podrá sustituir??
ResponderBorrar¡HOla! La manera mas efectiva es probando los LEds con otro circuito similar o identico. ES difícil diagnosticar estos componentes porque tienen todo en su interior. no hay simple manera se probar si estan oscilando.
BorrarHola ,sería bueno y más completo enumerar los ic pwm
ResponderBorrar¡Hola Unknown! seria una enorme lista poco confiable pues a cada momento están descontinuando y creando nuevos Ic´s. Lo mejor es entender el principio de funcionamiento y asi, con los conocimientos básicos de electrónica y el fundamento del IC, es facil interpretar el circuito en cada caso.
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