Caracterización y miniaturización del parpadeo del LED en aplicaciones de iluminación

Por Steven Keeping

Colaboración de Electronic Products


El reemplazo de luces incandescentes tradicionales por ledes con vida útil prolongada, fríos y eficientes es una buena idea. No obstante, tal como sucede con toda buena idea, la implementación es un poco más dura que la noción.

Si bien las luces LED pueden contar con circuitos para conectarse directamente a la fuente de alimentación de CA doméstica existente, se corre el riesgo de que el parpadeo se produzca como resultado de la ondulación de voltaje en la salida de la fuente. El parpadeo se produce con la mayoría de las luces y algunos consumidores se quejan de que el efecto los hace sentir incómodos o incluso enfermos.

Los fabricantes de LED y luminaria están satisfechos de haber descubierto la raíz del problema porque si bien la luz de estado sólido tiene reputación de parpadear, reputación inmerecida, convencer a los consumidores de dejar las luces tradicionales será más difícil.

Este artículo investiga la causa del parpadeo, describe por qué es un problema particular de los ledes y explica de qué manera los organismos de estándares y administrativos de ingeniería están intentando cuantificar el fenómeno para las casas de prueba y los fabricantes de luminaria, chip del conductor y ledes. El artículo describirá algunas de las incorporaciones recientes de productos de los principales proveedores de silicio que dicen ofrecer una manera rentable de implementar una iluminación LED libre de parpadeo.

El efecto del parpadeo

Según estudios, alrededor de 1 en 4000 personas es altamente susceptible al parpadeo de las luces en ciclos de rango de 3 a 70 Hz. Dicho parpadeo obvio puede desencadenar trastornos tan serios como ataques de epilepsia. Menos conocido es sin embargo que la exposición prolongada al parpadeo con mayor frecuencia (inintencional) (en el rango de 70 a 160 Hz) también puede provocar malestar, dolores de cabeza y problemas visuales.

Desafortunadamente, a menos que una persona esté bajo la luz natural del día, es probable que esté expuesta a este parpadeo de mayor frecuencia porque todas las fuentes de luz alimentadas por la red, ya sean incandescentes, halógenas, fluorescentes o LED, están sujetas al parpadeo. El origen es el componente de CA de la fuente de alimentación y la frecuencia de parpadeo es generalmente igual a la frecuencia de la red (por lo general de 50 a 60 Hz) o duplica la frecuencia de la red.

Las pruebas han demostrado que es difícil para los humanos detectar directamente el parpadeo de la luz a estas frecuencias mayores, pero parece que no tiene prácticamente importancia. Los científicos han realizado pruebas que indican que la retina del hombre puede resolver el parpadeo de la luz de 100 a 150 Hz incluso si el sujeto no se ha percatado de dicho parpadeo y esto lleva a la conclusión de que el cerebro podría estar reaccionando bien.

Los efectos insidiosos del denominado parpadeo imperceptible en el rango de 100 a 150 Hz no solo es una causa de la función de la frecuencia; los factores físicos y fisiológicos también tienen un papel importante. Por ejemplo, la luz brillante es peor que la atenuación y la diferencia entre piezas "brillantes" y "oscuras" del patrón de luz es importante (una luz que es completamente oscura durante la parte "desactivada" del ciclo es peor que una luz que solo es tenue parcialmente). La luz roja y la luz roja y azul alterna pueden ser especialmente problemáticas y la posición de la fuente de luz en la retina es importante, ya que la luz que se detecta en el centro es peor que si recae en la periferia.

Algunos investigadores incluso afirman que la retina puede soportar un parpadeo de hasta 200 Hz, pero las pruebas han demostrado que por encima de los 160 Hz los efectos para la salud son insignificantes.¹

Definición de parpadeo


Hasta hace poco, los ingenieros en iluminación estaban relativamente preocupados por los efectos del parpadeo imperceptible. Sin embargo, el endurecimiento de las reglas de salud y seguridad, una mejor investigación y mayores quejas por parte del personal que trabaja en oficinas iluminadas por tubos fluorescentes omnipresentes ha impulsado que se pongan manos a la obra.

Pero sin una definición de parpadeo, ¿quién puede decir que una fuente de luz es mejor que otra? La Illuminating Engineering Society of North America (IESNA, Sociedad de Ingeniería de Iluminación de América del Norte) ha abordado este desafío y ha definido "porcentaje de parpadeo" e "índice de parpadeo" en la novena edición del manual de iluminación IESNA Lighting Handbook. La figura 1 muestra de qué manera se definen las métricas.

Esquema del trazo de la salida de luz

Figura 1: Esquema de la línea de la potencia luminosa utilizado para definir el porcentaje de parpadeo y el índice de parpadeo.

El porcentaje de parpadeo es una medición relativa de la variación cíclica en la salida de una fuente de luz (es decir, modulación de porcentaje). Esto se denomina a veces como "índice de modulación".

En la figura: el porcentaje de parpadeo = 100 x (A – B)/(A + B)

El índice de parpadeo es una "medición relativa y confiable de la variación cíclica en la salida de las distintas fuentes a una frecuencia de potencia dada. Tiene en cuenta la forma de onda de la potencia lumínica así como también la amplitud" según el manual. El índice de parpadeo asume valores de 0 a 1.0 con 0 como la potencia lumínica fija. Los valores más altos indican una posibilidad mayor de un parpadeo notable de la lámpara así como efecto estroboscópico.

De la figura: índice de parpadeo = Área 1/Área 1 + Área 2

El problema con los ledes

Las características físicas de los ledes determinan que se deben alimentar en una manera diferente a otras fuentes de luz (consulte el artículo de TechZone “Comprender la causa del desvanecimiento en los ledes de brillo alto”).

Los ledes son una forma de diodo tal como lo indica su nombre. En funcionamiento normal, se aplica un voltaje directo constante de magnitud suficiente (generalmente con el Led en serie con un resistor) para que el dispositivo funcione en la región de conducción. Los voltajes directos para los dispositivos comerciales de alto brillo se encuentran generalmente en el rango de 3 a 4.5 V. La relación entre el voltaje directo (VF) y la corriente directa (IF) es importante porque la corriente determina el flujo luminoso relativo (fundamentalmente el brillo) del LED.

El fabricante de dispositivos recomendará un rango de funcionamiento ajustado para un LED que, por lo general, es un equilibrio entre brillo y eficacia.

Las figuras 2a y b ilustran el voltaje vs. la corriente y la corriente vs. el flujo luminoso relativo para un Cree XLamp ML-B LED. La variación en el voltaje directo afectará la corriente directa y, por lo tanto, el flujo luminoso.

Voltaje directo vs. corriente directa y corriente directa vs. flujo luminoso relativo

Figura 2a y 2b: Voltaje directo vs. corriente directa y corriente directa vs. flujo luminoso relativo para un LED Cree XLamp ML-B.

Para alimentar un chip LED de una fuente de CA, se requiere un regulador para rebajar de 110 a 115 o de 230 a 240 V, de 50 o 60 Hz del suministro de la red utilizado en la mayoría de los países para cumplir con los requisitos más modestos de voltaje y corriente de ledes. Tenga en cuenta que la luminaria utiliza generalmente seis a ocho chips LED por dispositivo para que el requisito de potencia para cada unidad sea mayor que el requisito para un LED solo.

Una forma básica de controlador LED consta de un rectificador de onda completa (Figura 3) conectado a una cadena de ledes con un resistor conectado en serie para limitar la corriente. Este método modula los ledes a una frecuencia de CA doble (p. ej. 100 a 120 Hz). Debido a que la intensidad luminosa es proporcional a la corriente, el LED parpadea a esta velocidad (Figura 4).

Controlador del rectificador de onda completa con LED simple

Figura 3: Controlador del rectificador de onda completa con LED simple.

Salida de los ledes en la figura 3

Figura 4: Salida de los ledes en la figura 3. Las luces parpadean al doble de frecuencia de la red.

Es probable que todas las fuentes de luz que por último derivan su alimentación de la red de CA parpadeen. No obstante, los ledes son particularmente malos porque el índice de parpadeo (o profundidad de modulación) es generalmente peor que las fuentes de luz convencionales.

Esto se debe a que los ledes reaccionan especialmente rápido a las variaciones de corriente. A 120 Hz, el LED y el fósforo emisor de luz blanca tiene suficiente tiempo para detener por completo la producción de fotones durante el periodo "desactivado" de la forma de onda. Por otra parte, las fuentes de luz convencionales, especialmente los tipos halógenos e incandescente, tienen "inercia". Esto significa que incluso durante la parte "desactivada" del ciclo, continúan emitiendo algunos fotones.

La tabla 1 resume el porcentaje de parpadeo y el índice de parpadeo de varias fuentes de luz, entre ellos ledes impulsados por las fuentes de CC y CA.² (Las columnas "Mín.", "Máx." y "Prom." resumen la intensidad relativa de cada fuente.)

Tal como se mencionara anteriormente, además de la frecuencia, el índice de parpadeo tiene un efecto importante en la manera que la luz hace sentir a las personas. Un índice de parpadeo mayor tiende a ser más notorio y, por lo tanto, es potencialmente más perjudicial.

  Máx. Mín. Prom. % de parpadeo Índice de parpadeo
Incandescente 12.180 10.745 11.460 6.2594 0.0194
100 W MH 9.1472 3.2066 6.5147 48.088 0.1398
T12 magnético 9.6281 4.6256 7.1565 35.096 0.0897
T5HO Elec 10.52 9.960 10.20 2.734 0.0036
LED a CC 43.4 41.0 42.2 2.84 0.0037
LED con parpadeo 15.996 0.0555 6.3026 99.309 0.4498

Tabla 1: Resumen del porcentaje de parpadeo y el índice de parpadeo para fuentes de luz. Un índice de parpadeo más alto es más fácil de captar por el ojo humano.

Controladores LED mejorados

Los conductores LED más contemporáneos son un poco más sofisticados que el simple ejemplo proporcionado en la Figura 3 con fuentes de alimentación de conmutación de alta frecuencia que se han convertido en una opción popular debido a su eficiencia. El filtro de entrada y salida utilizado por las fuentes de conmutación reduce drásticamente el componentes de CA de la fuente de red en la salida, pero un poco de ondulación es inevitable. Algunas unidades son peores que otras, por lo que se le sugiere a los ingenieros elegir cuidadosamente el controlador LED.

Si bien cambiar las fuentes de alimentación LED reduce el índice de parpadeo al atenuar el componente de CA de la salida, la frecuencia de parpadeo al doble de la frecuencia de la red no se ve afectada y permanece justo en el rango que los investigadores han identificado como un problema para los humanos.

La Agencia influyente de protección medioambiental (EPA) de EE. UU. ha intentado abordar el problema al recomendar que la frecuencia de funcionamiento para los ledes se eleve a 150 Hz. Las especificaciones de ENERGY STAR de la organización a la que los fabricantes deben cumplir si desean calificar para obtener la certificación ENERGY STAR, que es comercialmente importante, incluyen un objetivo con respecto al parpadeo.

En 2009, la especificación sobre el parpadeo se cambió para establecer que la frecuencia de funcionamiento mínima del LED se cambiaba de 120 Hz, tal como se estableció en la versión anterior de las especificaciones, a 150 Hz. Los fabricantes de LED y semiconductores no estuvieron felices con la medida porque el cambio que debían realizar a sus productos para adaptarse a la nueva frecuencia era muy costoso.

En una carta enviada a las partes interesadas con fecha Marzo de 2010,³ la EPA cedió y regresó la especificación al 120 Hz original donde permanece hasta estos días.

No obstante, existen varios controladores LED en el mercado que se conectan directamente a la fuente de la red y dicen producir potencia "sin parpadeo".Cirrus Logic, por ejemplo, ha lanzado recientemente la familia de controladores LED CS161x (CS1610-FSZ, CS1611-FSZ). Los chips son ideales para usar con voltajes de línea de 100 a 120 VCA y 220 a 240 VCA e impulsa la ventaja adicional de mantener el rendimiento libre de parpadeos incluso cuando se utiliza con interruptores de atenuación anteriores (que por lo general presentan complicaciones para los controladores LED que comprometen el índice de parpadeo).

CUI Inc. también ofrecen un controlador de corriente constante que brinda un rendimiento sin parpadeo con un brillo completo y cuando se lo utiliza con interruptores de atenuación tradicionales. Dicho controlador se denomina V-Infinity VLED15 (Figura 5). El módulo está disponible en dos versiones, una para entradas de 115 VCA y otro para entradas de 230 VCA.

VLED15 de CUI Inc

Figura 5: VLED15 de CUI Inc ofrece una alimentación para LED sin parpadeo con interruptores de atenuación antiguos.

Otra opción es el BP5843A de ROHM Semiconductor. Éste es un módulo SIP de 11 pines que se puede utilizar para alimentar varios ledes con brillo alto conectados en paralelo o en serie desde una fuente de 113 a 170 VCA. El módulo incluye una ondulación baja de voltaje de salida de pico a pico que ayuda a garantizar una alimentación LED sin parpadeo.

En pocas palabras

Los ingenieros de iluminación que diseñan luminarias LED pueden destacar varias ventajas de sus fuentes de luz, como eficacia, longevidad y solidez. Sin embargo, deben estar atentos a las posibles reacciones adversas hacia sus productos que pueden surgir si el consumidor se siente incómodo con las luces de estado sólido.

Si bien el parpadeo puede ser imperceptible, aún así puede ser un problema. Por ejemplo, los trabajadores en oficinas iluminadas con tubos fluorescentes parpadeantes rápidamente han informado padecer el "síndrome del edificio enfermo" como motivo de la tasa de inasistencia superior a la del promedio. No hay evidencia directa de que el parpadeo cause dicho malestar, pero una investigación reciente sugiere que existen muchas probabilidades de que sea una de las causas.

De la misma manera, el diseño de luces LED con reducción del parpadeo es una buena idea. Elija controladores LED con conmutación de alta frecuencia y de buena calidad ya que minimizarán el componente de CA en las ondulaciones de voltaje y corriente en la salida, que a su vez limitará la profundidad de la modulación del parpadeo del LED. Y si bien se necesitan realizar más estudios para confirmar esta sugerencia, es una buena idea buscar controladores LED que conviertan el componente de CA en la ondulación de salida a 150 Hz o más porque conforme a información reciente, se indica que a esta frecuencia, cualquier parpadeo es inofensivo para la salud.

Referencias:
  1. A Review of the Literature on Light Flicker: Ergonomics, Biological Attributes, Potential Health Effects, and Methods in Which Some LED Lighting May Introduce Flicker,” IEEE Standard P1789, febrero de 2010.
  2. The Evaluation of Flicker in LED Luminaires,” Michael Grather, Presidente, Luminaire Testing Laboratory, Inc.
  3. Carta abierta de Alex Baker, gerente del programa de iluminación, ENERGY STAR, con fecha 22 de marzo de 2010.

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