MXPA06005602A - Proteccion dinamica para convertidor de iluminacion de led. - Google Patents

Proteccion dinamica para convertidor de iluminacion de led.

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Abstract

La invencion aqui descrita es una carga de prueba dinamica para permitir que un atenuador de control de fase sea utilizado con iluminacion de LED. La invencion incluye el proporcionar una carga de prueba dinamica para proporcionar una carga al atenuador cuando los componentes electronicos del LED no proporcionan carga suficiente para aspectos de arranque o de oscilacion transitoria en el circuito, la carga de prueba dinamica proporciona un flujo de corriente reducido cuando el LED y sus componentes electronicos de convertidor, proporcionan suficiente consumo de corriente desde el atenuador. El sistema en general incluye una fuente de corriente conectado electricamente a un atenuador con control de fase, el atenuador con control de fase esta conectado electricamente a circuitos convertidores para convertir la salida de energia CA del atenuador al salir energia CD para energizar al iluminacion de LED, una carga de prueba dinamica conectada electricamente en paralelo con los circuitos convertidores, la carga de prueba varia su consumo de corriente, en respuesta a operacion de los circuitos convertidores.

Description

PROTECCIÓN DINÁMICA PARA CONVERTIDOR DE ILUMINACIÓN DE LED Campo de la Invención Esta invención se refiere al campo de iluminación de LED, particularmente circuitos para permitir iluminación LED de baja corriente eléctrica, que funcionen con conmutadores atenuadores de luz. Solicitudes Relacionadas Esta solicitud reclama prioridad de la solicitud provisional de patentes de los E.U.A. Número de Serie 60/572,557 presentada en 5/19/04, que aquí se incorpora por referencia. Antecedentes de la Invención Esta invención se refiere a hacer compatible al convertidor CA a CD empleado en iluminación LED, con el atenuador de luz con control de fase, que es ampliamente empleado para aplicaciones de atenuado de luz incandescente de pared. Un circuito típico para uso de un atenuador de luz se ilustra en la Figura 2. Como se muestra en la Figura 1 , el atenuador de luz se conecta eléctricamente en serie entre la carga eléctrica 2, y la fuente de energía 3. En este ejemplo, la fuente de energía es corriente doméstica CA como se encontraría en una aplicación de atenuación de luz doméstica típica. La carga 2 en el ejemplo es una bombilla incandescente, pero una persona con destreza en la técnica reconocerá que pueden emplearse otras cargas. La atenuación se logra ai ajustar el ángulo de conducción del atenuador 1 , de manera tal que el voltaje RMS a través de la carga 2 varía con el ajuste del ángulo de conducción. En el caso del bulbo incandescente que es la carga 2, la intensidad de luz de la bombilla cambiará conforme se varía el voltaje RMS a través de la bombilla. Un voltaje RMS reducido a través de la bombilla resulta en una bombilla atenuada. Como se ilustra en la Figura 2, el atenuador puede crear diferentes formas de onda a través de la carga, dependiendo del ajuste en el ángulo de s conducción del atenuador. El primer ejemplo 20 mostrado en la Figura 2 ilustra la forma de onda de un suministro de energía CA de 60 hertz, 115 volts, sin un atenuador. Los ejemplos segundo 21 y tercero 22 en la Figura 2, muestran las formas de onda de salida generadas cuando la línea de energía CA doméstica de 115 volts, 60 hertz, se ajusta por un atenuador con control de fase. En resumen, el 0 atenuador recorta la forma de onda por un cierto periodo después de cruce a cero, resultando de esta manera en un voltaje RMS reducido a la salida. Una persona con destreza en la técnica reconocerá que el atenuador puede recortar la forma de onda en diferentes tiempos y por diferentes cantidades que las que se ilustran en la Figura 2. 5 Aunque hay una amplia variedad de técnicas de circuito que pueden lograr la función atenuadora, el elemento de circuito o conmutador se controla el encendido-apagado dentro de un atenuador de control de fase típico, típicamente es un tipo de dispositivos tiristor comúnmente conocido en la técnica como TRIAC. Los TRIACs en general están disponibles de una cantidad de fuentes, y tienen o características bien comprendidas. TRIACs ejemplares son los modelos MAC12V, MAC 12M y MAC 12N, disponibles de On Semiconductor, que pueden encontrarse en la página inicial http://onsemi.com. Los TRIACs aquí discutidos en general son representativos de los TRIACs disponibles, pero de ninguna manera se pretende que limiten el alcance de la invención aquí descrita. Los TRIACs en general tienen 5 una primera terminal principal MT1 una segunda terminal principal MT2 y una terminal de compuerta G. Como se conoce por una persona con destreza en la técnica, los TRIACs en general exhiben las siguientes características básicas: - Conducción bidireccional a través de las terminales principales, permitiendo que CA pase. - El TRIAC se enciende y la conducción está presente entre las terminales principales, cuando hay una corriente de disparo presente entre la compuerta G y la segunda terminal principal 2 MT2. - Una vez disparado, el TR1AC permanece encendido hasta un cruce a cero de la línea de energía CA en cuyo punto el dispositivo se apaga y espera el siguiente pulso de disparo o cruce a cero de la línea de energía CA. Esta característica permite que el control de ángulo de fase sea logrado. El TRIAC tiene un parámetro más importante que se relaciona directamente con la iluminación de LED, esto es, la corriente de retención. Un TRIAC no permanecerá en el estado encendido después de disparo sin una corriente mayor que la corriente de retención que pasa a través de las terminales principales. Debido a la necesidad por retener una corriente, los TRlACs tienen dificultad en permanecer encendidos cuando se toma una baja corriente a través de las terminales principales, tal como en el caso de iluminación de LED. Con referencia a la hoja de datos para TRIAC MAC12D, la corriente de retención típicamente es de 20 miliamps. Hay una cantidad de razones por las que los atenuadores de luz provocan problemas para iluminación de LED, en especial iluminación LED de bajo wattaje (vatiaje). Algunas de estas razones se establecen a continuación. 1. Iluminación LED es más eficiente en energía que la iluminación incandescente, por lo tanto, consume mucho menor corriente. Una bombilla incandescente típica puede consumir fácilmente más de 200 mA durante conducción. Este valor excede sustancialmente la corriente de retención de los atenuadores típicos. Por lo tanto, usualmente no hay problema en atenuar una bombilla. La iluminación LED generalmente, consume menos corriente, típicamente en el intervalo de 10 a 150 mA dependiendo del diseño de circuito. A niveles de corriente más pequeños, una vez que el atenuador conduce, la corriente de carga no satisface el requerimiento de corriente de retención del dispositivo, es decir el TRIAC en el atenuador, y el atenuador entra a un estado de re-disparo, que provoca parpadeo de la lámpara LED. El problema puede ser resuelto al colocar una carga de prueba o simulada en paralelo a través de la iluminación LED para proporcionar una toma de corriente suficiente para exceder la corriente de retención del TRIAC en el atenuador. Sin embargo, esta no es una opción deseada. Ya que la iluminación LED se pretende eficiente en energía, el poner una carga de prueba o simulada a través del dispositivo de iluminación LED, provocara algunos aspectos tales como reducida eficiencia de energía, debido a la toma de energía de ia carga simulada y la generación de calor dentro de la iluminación LED que es indeseable al manejo térmico de los componentes electrónicos de energía en interiores. 2. La iluminación LED atenuable requiere un convertidor CA a CD para operar. El convertidor CA a CD básicamente es un suministro de energía de modo conmutación decreciente que convierte el voltaje de alimentación CA a alta corriente de bajo voltaje que excita los emisores LED. Un circuito representativo se ilustra en la Figura 3. Como con el circuito de la Figura 1 , incluye una fuente de energía 3, un atenuador 1 y una carga, todos conectados en serie. La carga en el circuito representativo son LEDs que iluminan componentes electrónicos 6 para convertir CA a CD y el LED 7. La figura también muestra la pequeña cantidad de inductancia 9 que está presente debido al carácter del alambre. Dentro de los componentes electrónicos del convertidor, hay una pequeña cantidad de capacitancia 8 de provocará que la corriente de carga forme anillo cuando el s atenuador empiecen la conducción. La Figura 4 muestra la forma de onda de la corriente de salida 10 de un atenuador y la forma de onda de salida del atenuador 11 cuando están presentes oscilaciones transitorias al disparo o arranque del atenuador. Si las oscilaciones transitorias son suficientemente grandes para provocar que el flujo de corriente caiga por debajo del umbral de corriente de 0 retención 12 del TRIAC, cesará la conducción del atenuador, provocando parpadeo de la lámpara LED. 3. El circuito de control dentro del atenuador requiere una pequeña corriente de polarización como su suministro de energía para encender el atenuador. Esto implica que la carga de iluminación del LED presentada al atenuador tiene que proporcionar esta corriente mínima. Sin embargo, el convertidor electrónico dentro del convertidor LED usualmente tiene muy bajo consumo de corriente. Esto evita que el circuito atenuador se dispare adecuadamente, de nuevo provocando oscilación transitoria. 4. El convertidor LED tarda tiempo en encender, por lo tanto su consumo de corriente requiere un tiempo finito para alcanzar un nivel que excede la corriente de retención del atenuador. Este retardo en proporcionar suficiente corriente requiere tomarse en cuenta en cualesquiera circuitos. En vista de estas desventajas, es conveniente el incluir una carga dinámica para utilizar con un atenuador con control de fase e iluminación LED, la carga dinámica proporciona carga suficiente al atenuador en tiempos apropiados para proporcionar suficiente corriente de retención y evitar oscilación transitoria en el circuito. Compendio de la Invención La invención aquí descrita es un circuito de carga dinámica o de protección para uso con un atenuador con control de fase e iluminación LED. La carga dinámica proporciona suficiente toma de corriente para el circuito atenuador y proporciona una toma de corriente que variará dependiendo de las necesidades de toma de corriente del atenuador. Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 , es un circuito eléctrico básico que muestra un atenuador con control de fase conectado eléctricamente en serie entre una fuente de energía y una carga. La Figura 2, es una gráfica que muestra una forma de onda CA doméstica y formas de onda que resultan de aplicar un atenuador de control de fase al suministro de energía CA doméstica. La Figura 3 es un circuito representativo que muestra un atenuador empleado con iluminación LED y componentes electrónicos convertidores. La Figura 4, es una gráfica que muestra la salida de corriente de un atenuador, y una forma de onda para una salida que exhibe oscilación transitoria. La Figura 5 es una representación de bloques de un circuito de iluminación LED atenuable, que incluye un elemento de protección dinámica. La Figura 6 es una gráfica que muestra la relación entre la salida de voltaje de atenuador, la corriente de carga de prueba o simulada y la señal de control con respecto al tiempo.
La Figura 7 es un esquemático que muestra una implementación preferida de la invención. La Figura 8 es un esquemático que muestra una modalidad alterna de la invención, incluyendo un circuito limitante de sobre corriente o sobre tensión. Descripción Detallada de la Modalidad Preferida Como se ¡lustra en la Figura 5, el circuito de carga de prueba dinámico 30 de la presente invención se conecta a una fuente de energía CA 32, conectada eléctricamente a un atenuador 33 que se conecta eléctricamente a un rectificador puente BR1. El convertidor de iluminación LED 35 que tiene un LED 36, se conecta en paralelo a través del rectificador puente BR1. La carga simulada dinámica 40 se coloca en paralelo con el convertidor de luz LED 35. Un canal de realimentación 45 se proporciona entre el convertidor de luz LED 35 y la carga simulada 40, de manera tal que la carga simulada pueda ajustarse para proporcionar una carga apropiada cuando se requiera y una carga reducida cuando no se requiera, de esta manera conservando la energía. El convertidor de iluminación 35 incluye componentes electrónicos para regular la energía recibida del rectificador puente BR1 e incluye componentes electrónicos para proporcionar un control o señal de realimentación a la carga simulada dinámica 40. La carga presentada a la fuente de energía o rectificador puente BR1 por la carga simulada dinámica 40 se varía con base en la señal de control, cambiando de esta manera la cantidad de corriente que fluye o se toma de la carga simulada dinámica 40. La Figura 6 muestra tres trazos que representa la salida de voltaje 50 del atenuador 40, la corriente 51 a través de la carga simulada y la realimentación o señal de control 52, de los componentes electrónicos de iluminación LED 35 a la carga simulada 40, todo con respecto al tiempo. Una persona con destreza en la técnica reconocerá que la señal de control 52 puede ser una señal de voltaje o de corriente. Por ejemplo, con referencia a los trazos mostrados en la Figura 6, la carga simulada proporciona adecuada corriente de polarización 55 para el circuito atenuador antes de operación, como se discute en la sección de antecedentes de esta solicitud. De esta manera, la carga simulada no tendrá un alto consumo de energía antes de conducción atenuadora, ya que el consumo de energía se limita por el bajo flujo de corriente a través del circuito atenuador, cuando el atenuador está apagado. Sin embargo, si la carga simulada 40 no estuviera presente, no habría conducción, ya que el LED no conducirá al nivel de corriente de polarización. Cuando el atenuador dispara 57, la carga simulada o de prueba dinámica 40 proporciona consumo de corriente adicional 59 que cuando se combina con el consumo corriente del convertidor LED 35, proporciona suficiente corriente tomada a través del atenuador 33, para exceder la corriente de retención del atenuador 33. La corriente que se proporciona a través de la carga simulada o de prueba dinámica 40, permanecerá en un valor suficientemente elevado hasta que el convertidor LED 35 empieza y su consumo de corriente excede la corriente de retención del atenuador. En este punto en el tiempo 60, una señal de realimentación 52 se envía mediante un canal de realimentación 45 a la carga de prueba dinámica 40, reduciendo de esta manera la toma de corriente o la corriente extraída 60 de la carga de prueba dinámica. Un perfil típico se ilustra en la Figura 8.
Siempre que la señal de realimentación 52 se mantenga 62 a un nivel suficiente, la toma de corriente de la carga de prueba 40 se mantiene a un bajo nivel 63. De preferencia por debajo del nivel de corriente de polarización 55. Cuando la salida del atenuador 33 alcanza el cruce de cero 65, la señal de control 52 se reduce en 70, permitiendo que la carga de prueba 40 pase a la corriente del nivel de derivación 55. Cuando el atenuador 40 dispara de nuevo 72, se repite el proceso. En una modalidad opcional, un circuito limitador de sobre corriente 50, mostrado en la Figura 5, puede incluirse en serie entre el rectificador de puente BR1 y ei convertidor de iluminación LED 35. El circuito limitador de sobre corriente 50 limita el pico de corriente cuando dispara el atenuador, y lleva a reducción de la magnitud de corriente de oscilación transitoria. Esto reduce la necesidad por una superior corriente de carga de prueba. Un ejemplo de un circuito limitador de sobre corriente puede ser una fuente de corriente constante. También se muestra en la Figura 5, el diodo D1 conectado entre la salida CD del rectificador del circuito rectificador de alimentación y el capacitor de derivación. Este diodo impide que la corriente se invierta por el capacitor de derivación C1 del convertidor de iluminación LED 35. El diodo D1 impide que la corriente se invierta desde el capacitor de derivación C1 del convertidor de iluminación LED 35 al rectificador puente de alimentación y de esta manera reduce significativamente la magnitud de oscilación transitoria. De preferencia, el diodo D1 pertenece al tipo que exhibe bajas capacitancias de unión cuando se deriva inverso, de esta manera reduciendo enormemente los capacitantes equivalentes vistos en el convertidor de iluminación de LED 35, cuando hay tendencia para que la corriente se invierta. Un esquemático que presenta una modalidad de un circuito que utiliza la carga de prueba dinámica de la invención, se ¡lustra en la Figura 7. El atenuador no se muestra en la figura, pero la persona con destreza en la técnica reconocerá que el atenuador se proporciona entre las terminales CN1 y CN4.
Similarmente, no se muestra el LED, pero se proporcionaría entre las terminales CN2 y CN3. Con referencia a la Figura 7, la carga de prueba dinámica es una fuente de corriente que incluye MOSFET Q6 y el transistor Q5. Se introduce modulación de corriente de carga de prueba dinámica desde la fuente de energía auxiliar del convertidor LED desde la unión de los diodos D12 y D9. Se genera un breve retardo de tiempo por la constante de tiempo del resistor R13 y capacitor C12. Antes que el convertidor LED inicie, no fluye corriente al resistor R13, y la fuente de corriente de carga de prueba incluyendo el MOSFET Q6 y el transistor Q5 carga su máxima corriente. Cuando se dispara el atenuador, no mostrado, el convertidor LED empieza a operar y un voltaje igual a una derivada de voltaje LED, como se define por la proporción de corrientes del transformador T1 , se genera en la unión de cátodos de los diodos D9 y D12. Este voltaje suministra la ICU1 de control así como inyectar una corriente determinada por el voltaje auxiliar derivado y los valores de los resistores R12 y R13. Ya que la acción de la fuente de corriente de carga de pruebas es para mantener una caída de voltaje predeterminada a través de un resistor R14, inyectar la corriente de otra fuente diferente al MOSFET Q6 reducirá la corriente que fluye al MOSFET Q6 y esta manera la corriente se reduce cuando empieza un convertidor. Un breve retardo introducido por el resistor R13 y capacitor C12, asegura que la corriente no caiga inmediatamente conforme se inicia el convertidor LED, reduciendo de esta manera cualquier magnitud de corriente de oscilación transitoria.
El diodo D13 impide que se invierta la corriente de los componentes del convertidor LED en el rectificador fuente BR1 , reduciendo de esta manera cualquier magnitud de corriente de oscilación transitoria. La Figura 8 muestra una modalidad alterna de la invención, aquí descrita. El atenuador no se muestra en la figura, pero estaría conectado en serie con una fuente de potencia a las terminales CN1 y CN4. El circuito incluye un rectificador puente 80, conectado a la salida del atenuador, para convertir corriente CA a corriente CD. El rectificador puente 80 luego proporciona la corriente a la carga de prueba 81 y los componentes electrónicos del convertidor LED 82. La carga de prueba 81 se conecta eléctricamente a un circuito limitante de sobre corriente 82, que funciona para limitar la corriente máxima a través del circuito. El esquemático no muestra el LED, que de estar presente estría conectado entre las terminales CN5 y CN6 de los componentes electrónicos del convertidor LED 82. Un canal de realimentación 90 se proporciona entre los componentes electrónicos del convertidor LED y la carga de prueba dinámica 81. Aunque una persona con destreza en la técnica comprenderá las funciones de los diversos dispositivos empleados para formar los elementos de circuito descritos anteriormente, se incluye una breve descripción de los elementos principales para ayudar en comprender los elementos de circuito. Los componentes electrónicos convertidores de iluminación de LED 82 incluyen un regulador de voltaje ajustable U2 junto con sus diodos asociados D7 y D8 y resistores R22 y R23, para proporcionar una corriente CD regulada al convertidor ICU1. A su vez, ICU1 funciona como un regulador de corriente que se proporciona a las terminales de LED CN5 y C6. La ICU1 del convertidor también incluye una salida conectada al MOSFET Q1 , que actúa como un conmutador principal, controlado por la ICU1 del convertidor. El transformador T1 de preferencia es un transformador de alta frecuencia que se proporciona para reducir la alimentación de voltaje al transformador a un voltaje menor, para energizar el LED conectado entre las terminales CN5 y CN6. El transformador C1 también proporciona una señal de realimentación a la carga de prueba dinámica 81 mediante el canal de realimentación 90 que en la presente implementación incluye los diodos D9 y resistor R27. La salida del transformador T1 se conecta eléctricamente a los rectificadores de energía D6 y D3 que rectifican la salida CA de alta frecuencia a corriente directa, para proporcionarse al LED en las terminales CN5 y CN6. Ya que la salida CD rectificada que se proporciona por los rectificadores D6 y D3 será pulsante, el capacitor C3 se conecta eléctricamente entre la salida al rectificador y pone a tierra para filtrar y alisar la salida de los rectificadores D6 y D3. Los elementos del circuito diodo D5 y capacitor C5 se conectan a otra salida del transformador T1 y proporcionan un suministro de energía auxiliar al convertidor ICU1 , de esta manera reduciendo la disipación de energía del regulador lineal U2. El capacitor C4 y los resistores R2 y el diodo D2, actúan para suprimir picos de alto voltaje a través del conmutador principal MOSFET Q1. La carga de prueba 82 incluye una fuente de corriente de 2 transistores, en donde la corriente a través del MOSFET Q2 se regula por una cantidad determinada por el resistor R28 y la base a la caída de voltaje del emisor del transistor Q3.
El circuito limitante de sobre corriente se conecta eléctricamente a la carga de prueba dinámica 81 y el rectificador puente 80. El limitador de sobre corriente incluye una fuente de corriente de 2 transistores formada por el MOSFET Q4 y transistor Q5. El limitador de sobre corriente limita la corriente máxima permitida a través de los componentes electrónicos del convertidor LED. El circuito limitante de sobre corriente incluye el diodo zener D12 que funciona para limitar el voltaje a través de una compuerta y fuente de MOSFET Q4 se mantiene a un nivel seguro. Las modalidades aquí descritas son simplemente ejemplos de implementaciones de la invención reivindicada y no se pretende que limiten el alcance de la invención. Una persona con destreza en la técnica reconocerá que otras implementaciones lograrán la invención reivindicada.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES 1. Un circuito eléctrico que incluye un atenuador conectado eléctricamente en serie entre una fuente de energía y un convertidor de iluminación de LED, además incluye una carga de prueba dinámica colocada en paralelo con el convertidor de iluminación LED, la carga dinámica recibe una señal de control del convertidor de iluminación LED, la carga de prueba dinámica ajusta la carga en respuesta a la señal.
  2. 2. El circuito eléctrico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque incluye un elemento limitador de sobre corriente en serie con la fuente de energía y el convertidor de iluminación LED.
  3. 3. El circuito eléctrico de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el elemento de limitación de sobre corriente es una fuente de corriente constante.
  4. 4. El circuito eléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la señal de control es una señal de corriente.
  5. 5. El circuito eléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el convertidor de iluminación LED incluye un convertidor CA a CD.
  6. 6. El circuito eléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el atenuador exhibe una corriente de derivación, la carga de prueba dinámica proporciona una carga para la corriente de polarización antes de disparo del atenuador.
  7. 7. El circuito eléctrico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la carga de prueba dinámica exhibe flujo de corriente incrementado al disparar el atenuador.
  8. 8. Un método para utilizar un atenuador de control de fase con un LED para atenuar el LED, caracterizado porque incluye las etapas de: proporcionar un atenuador de control de fase conectado a una fuente de energía; proporcionar un LED conectado eléctricamente en serie con el atenuador; proporcionar una carga de prueba dinámica en paralelo con el LED, variar la carga de prueba dinámica para extraer corriente del atenuador en exceso de una corriente de retención del atenuador al disparar el atenuador, y posteriormente variar la carga para extraer menos corriente conforme la corriente extraída por el LED excede la corriente de retención.
  9. 9. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque incluye las etapas de proporcionar una señal de control a la carga de prueba dinámica.
  10. 10. Un sistema de iluminación de LED atenuable, caracterizado porque incluye: una fuente de energía conectada eléctricamente a un atenuador de control de fase, el atenuador de control fase está conectado eléctricamente a los circuitos convertidores, para convertir la salida de energía CA del atenuador a la salida de energía CD para energizar la iluminación LED, una carga de prueba dinámica conectada eléctricamente en paralelo con los circuitos convertidores, la carga de prueba varía su corriente extraída en respuesta a operación de los circuitos convertidores.
  11. 11. El sistema de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque incluye un canal de control de los circuitos convertidores a la carga de prueba dinámica, el canal de control transporta una señal de control generada por los circuitos convertidores, en respuesta a la corriente que se proporciona al LED.
  12. 12. El sistema de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque además incluye un rectificador puente conectado eléctricamente entre el atenuador y los circuitos convertidores.
  13. 13. El sistema de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque los circuitos convertidores incluyen un transformador para reducir el voltaje que se proporciona desde el atenuador.
  14. 14. El sistema de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el transformador también genera la señal de control.
  15. 15. El sistema de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque además incluye un circuito limitador de sobre corriente conectado eléctricamente a la carga de prueba dinámica.
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