Mantendo as luzes acesas: ESD e proteção térmica para sistemas de iluminação LED

A qualidade dos sistemas de iluminação LED tem sido um problema desde que foram inventados, razão pela qual não foram adotados anteriormente como sistema de iluminação doméstica. Nos últimos anos, a instalação de luzes LED cresceu a uma taxa exponencial em todo o mundo, em grande parte devido às promessas da iluminação LED: vida longa, eficiência energética e economia. O site do Departamento de Energia dos EUA afirma que as lâmpadas LED podem durar mais de 25 vezes que as lâmpadas tradicionais. Embora mais de 50 milhões de luzes LED tenham sido instaladas nos EUA em 2012, muitos LEDs falharam em poucos meses, deixando os consumidores muito bravos.

Em 2013, a primeira lâmpada LED recebeu a certificação Energy Star devido aos avanços na tecnologia do sistema de iluminação LED. Uma lâmpada LED certificada pela Energy Star significa que o sistema atendeu a confiabilidade, desempenho e requisitos de economia de energia - uma grande mudança nos requisitos.

Como os engenheiros conseguiram atender aos requisitos de certificação Energy Star e superar muitos dos obstáculos que impediam os sistemas de LED no passado? Com as melhorias na tecnologia, os dispositivos de proteção se tornaram mais capazes de se defender das principais ameaças ao desempenho e à confiabilidade do sistema de iluminação LED. Ao determinar e integrar os dispositivos de proteção mais adequados para os requisitos de aplicação no projeto do LED, os engenheiros foram capazes de neutralizar ameaças - como Descarga Eletrostática (ESD) e problemas térmicos - aos sistemas de LED. Vamos explorar como o uso de dispositivos de proteção de alta qualidade - em particular diodos, varistores e termistores - contribui para aumentar a confiabilidade do LED, desempenho, eficiência energética e economia e, por sua vez, ajuda a iluminação LED a superar e deixar muito pra trás as lâmpadas tradicionais.

Visão geral do sistema LED

Uma lâmpada LED - ou, mais tecnicamente, uma luminária LED - é composta por três subsistemas básicos: uma fonte de alimentação LED, uma conexão de entrada de energia à rede e um mecanismo de LED. O mecanismo de LED pode ser dividido em matrizes de LED, drivers de LED e unidades de controle.

Nos últimos anos, as luminárias inteligentes de LED ganharam popularidade devido a recursos como controle remoto e manutenção. Por esse motivo, um quarto subsistema - fontes de alimentação e interfaces de comunicação - geralmente é integrado às luminárias. O projeto permite que os clientes implantem sistemas de iluminação em rede inteligente que maximizam a eficiência e a qualidade da iluminação, além de rastrear o status de cada luminária para fins de manutenção.

Fatores que afetam a qualidade do LED

Vários fatores podem afetar a iluminação de estado sólido, incluindo estresse, problemas relacionados a embalagens e componentes. As empresas que projetam e fabricam sistemas de iluminação LED devem levar em conta esses fatores. Existem cinco ameaças principais que afetam a confiabilidade dos sistemas de iluminação LED:

  • Eventos de descarga eletrostática (ESD), incluindo raios
  • Transientes de sobrecorrente e surtos
  • Picos de corrente e tensão durante a troca a quente
  • Efeitos de tensão reversa
  • Problemas térmicos, tais como operar em altas temperaturas por longos períodos

Para que os sistemas de iluminação LED sejam confiáveis, todos os componentes e subsistemas devem ser suficientemente protegidos contra esses perigos durante a montagem, manutenção e operação.

Soluções de proteção LED

À medida que a tecnologia do sistema de iluminação LED amadurecia, os engenheiros começaram a integrar dispositivos de proteção de alta qualidade em seus projetos de LEDs, para evitar que picos de alta e baixa energia, eventos de ESD e estresse térmico afetassem negativamente as matrizes de LEDs, suas fontes de alimentação e circuitos de controle. A integração desses dispositivos de proteção resultou em sistemas de iluminação LED com maior confiabilidade, menores custos de manutenção e maior vida útil do produto.

Ao avaliar os requisitos de aplicação do projeto de LED, os engenheiros podem determinar os dispositivos de proteção mais adequados para aprimorar o desempenho e a confiabilidade do LED. A Figura 1 mostra um exemplo de como os engenheiros podem usar diodos, varistores e termistores na arquitetura do sistema de uma luminária LED.

Figura 1: Uma arquitetura básica do sistema de iluminação LED completa com dispositivos ESD e de proteção contra calor. (Fonte: TDK Corporation)

Diodos e varistores

Diodos e resistores dependentes de tensão, também conhecidos como varistores, são desenvolvidos para atender a desafios de projeto únicos de muitas aplicações. Essas soluções geralmente são robustas, têm uma área útil muito menor e protegem contra certos tipos de correntes de pico.

O EPCOS CeraDiode® da TDK Corporation foi projetado para absorver alta energia a uma taxa melhor do que os diodos de supressão de tensão transiente (TVS) e possui uma área útil menor (Figura 2). Oitenta por cento do volume de componentes deste produto é usado para absorver os eventos de ESD de energia, que são superiores aos trinta por cento dos diodos TVS padrão - e tem o mesmo desempenho. Por conta disso, dispositivos não padronizados devem ser considerados principalmente se puderem ajudar a minimizar os requisitos de espaço e fornecer um desempenho idêntico ou aprimorado. Isso é particularmente importante em aplicativos que exigem miniaturização, proteção confiável e alto desempenho.

Figura 2: Um exemplo de um componente especializado ou fora do padrão usado para proteger contra eventos ESD. (Fonte: TDK Corporation)

 

Termistores

Termistores, ou resistores termicamente sensíveis, são sensores de alta precisão que medem a temperatura. Existem dois tipos de termistores:

  • Termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC - Negative Temperature Coefficient Thermistors)
  • Termistores com coeficiente de temperatura positiva (PTC - Positive Temperature Coefficient Thermistors)

A diferença entre os dois tipos de termistores é que a resistência elétrica de um termistor NTC diminui à medida que a temperatura aumenta, enquanto a resistência elétrica de um termistor PTC aumenta à medida que a temperatura aumenta.

Disponível em SMD, os termistores NTC protegem os arranjos de LED contra superaquecimento e ajudam a controlar seu perfil de temperatura com eficiência máxima de lúmen. Os termistores NTC fornecem proteção térmica, ajustando automaticamente a corrente aos LEDs. Juntamente com os circuitos inteligentes, eles permitem um sistema de controle eficaz (Figura 3).

 

Figura 3: Diagrama de um driver de LED com temperatura compensada sem um circuito integrado. (Fonte: TDK Corporation)

Nos projetos de driver de LED com compensação de temperatura sem circuitos integrados, os termistores PTC podem reduzir as altas temperaturas da corrente direta, colocando-os em série no LED. Nesse projeto, a maioria da corrente de LED flui através dos termistores PTC.

Projeto com LED

Os engenheiros podem se proteger contra fatores que afetam de forma não prevista a confiabilidade do LED integrando dispositivos de proteção em seu projeto. A seguir estão alguns exemplos de como a integração de dispositivos de proteção no projeto com LED pode neutralizar as principais ameaças aos sistemas de iluminação por LED.

ESD

Os mecanismos de LED podem consistir em centenas de LEDs que são normalmente tiras conectadas em série, tiras conectadas em paralelo ou uma combinação de ambas. Se um LED falhar em uma sequência conectada em série, a série inteira falhará. Isso ocorre porque os LEDs em uma sequência conectada em série podem causar um efeito de antena, tornando a matriz mais sensível a eventos ESD. Varistores multicamadas podem proteger contra tais eventos.

Proteção bidirecional contra ESD e distúrbios transitórios

Os varistores multicamadas são uma excelente opção para proteção bidirecional contra ESD e distúrbios transitórios. Um diodo TVS típico é inerentemente unidirecional, tornando necessário projetar em dois diodos. No entanto, os varistores fornecem proteção bidirecional como um único componente com a mesma proteção. Nesse caso, os varistores fornecerão uma vantagem de tamanho e custo ao projeto.

Surtos de alta energia

Os engenheiros perceberam que precisavam de uma maneira de impedir que eventos de ESD e picos de alta energia afetassem a luminária. Essas oscilações podem causar falhas imediatas - geralmente em uma junção - e um aumento na taxa de degradação causada por danos latentes. Cada um dos quatro subsistemas pode ser exposto a eventos que causam esse tipo de dano.

Os varistores têm sido uma boa escolha para solução relativa a proteção contra sobretensão. Isso ocorre porque a resistência elétrica varia com a tensão aplicada. Os engenheiros devem selecionar varistores projetados para suportar as condições da aplicação final.

Tomemos, por exemplo, a proteção de fontes de alimentação. Os varistores de óxido de metal são especialmente adequados para proteger as fontes de alimentação dos sistemas de iluminação LED contra surtos maiores de energia. O projeto pode ter em sua especificação varistores que apresentam um design compacto ou que fornecem proteção contra grandes eventos de ESD, como relâmpagos. Devido à natureza severa dos elementos e ao custo de manutenção, os sistemas de iluminação LED projetados para iluminação pública devem atender às normas ANSI / IEEE C62.41.2 e DOE MSSLC Model Specification para luminárias rodoviárias com tecnologia LED. Nesses casos, os pára-raios combinados com varistores oferecem uma solução integrada com economia de espaço e desempenho excepcional.

No conector de entrada de energia, um único dispositivo eletrônico, que consiste em um varistor de disco conectado em série com um fusível acoplado termicamente, é mais adequado para fornecer a proteção necessária. Nesse caso, se o varistor superaquecer, o fusível térmico - que é encapsulado em uma caixa de plástico - desconecta o varistor do circuito de potência, impedindo o incêndio, desligando o sistema com segurança.

Descargas de baixa energia e ESD

Os diodos TVS são utilizados há muitos anos para proteger os circuitos de eventos ESD de baixa tensão abaixo de 25J (Joules). No entanto, os varistores multicamadas oferecem vantagens significativas sobre os diodos TVS tradicionais. Isso inclui diversos tamanhos e alturas de inserção para montagem, desempenho mais confiável, tempos de resposta mais rápidos e melhor operação geral em amplas faixas de temperatura. Os engenheiros podem usar diodos TVS para atender aos requisitos de absorção, de acordo com o tamanho do componente.

Picos de corrente e tensão

As redes geralmente são reconfiguradas, movidas, substituídas e colocadas offline para manutenção. Conseqüentemente, a troca a quente é uma prática comum, e a troca a quente pode causar eventos ESD e picos de baixa tensão. Varistores multicamadas ou diodos TVS que possuem capacitância parasita extremamente baixa são preferidos para a proteção ESD de linhas de dados para o controle de luminárias. Esses diodos garantirão que os dispositivos permaneçam totalmente funcionais durante toda sua vida útil, conforme especificado.

Estresse térmico

Na maioria dos casos, falhas repentinas nos sistemas de iluminação LED são causadas por stress térmico. A temperatura dos LEDs deve ser controlada dentro de limites adequados para fornecer uma luminância ininterrupta. Os termistores proporcionam uma maneira precisa e econômica de medir a temperatura.

Mantendo as luzes acesas

À medida que a tecnologia LED continua amadurecendo, os engenheiros de projeto podem impedir cada vez mais os surtos de alta e baixa energia e os eventos ESD que afetam a confiabilidade do LED, simplesmente determinando os dispositivos de proteção mais adequados exigidos pela aplicação. Além disso, eles também podem planejar a proteção adequada da temperatura necessária em suas aplicações, mantendo assim as luzes acesas de maneira literal.

Como resultado, eles ajudarão a cumprir os anseios do Departamento de Energia dos EUA de que os LEDs devem durar 25 vezes mais que os sistemas de iluminação tradicionais.

Artigo escrito originalmente pela Equipe de iluminação da TDK para Mouser Electronics: Keeping the Lights On: ESD and Thermal Protection for LED Lighting Systems. Traduzido por Equipe Embarcados.

link Original: 

https://br.mouser.com/blog/BlogPage/4/PostId/0/blog/keeping-the-lights-on-esd-and-thermal-protection-for-led-lighting-systems
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