Alimentazione dei LED




L’ illuminazione a LED consente, a parità di certe condizioni, un notevole risparmio energetico rispetto all’impiego delle lampade a incadescenza o al neon. A fronte di questa considerazione che fa ormai parte della cultura comune, è opportuno farne altre rispetto a come avviene la conversione da energia elettrica a energia luminosa, un processo il cui rendimento pone appunto la tecnologia LED ben al di sopra di quella su cui si basano le lampade tradizionali.

 

 

In ambito domestico o industriale, le lampade a incascenza o al neon sono generalmente alimentate direttamente dalla tensione di rete (230 Volt, 50 Hertz) a parte alcune situazioni particolari nelle quali si utilizza la tensione di 12 Volt (per esempio i faretti dicroici), per ottenere i quali si utilizza un trasformatore di tipo tradizionale (ad avvolgimenti) o un alimentatore elettronico. In entrambi i casi la lampada è “vista” dal sistema elettrico come un utilizzatore di tensione costante e, cosa molto importante, eventuali fluttuazioni del valore della tensione di rete (nel caso della rete elettrica nazionale è ammessa una variazione di ± 5%), non modificano sostanzialmente l’intensità luminosa o sua tonalità. Per chiarire: una lampada a filamento che a 230 Volt emette una luce di una certa intensità e lunghezza d’onda, continuerà ad emettere circa alla stessa intensità e alla stessa lunghezza d’onda a 215 Volt o a 245 Volt.

Nel caso dei LED la situazione è molto differente: è infatti da escludere l’applicazione diretta di una tensione costante ad un diodo emettitore di luce. Per capire questo aspetto è sufficiente osservare la curva caratteristica corrente – tensione tipica di un LED (in figura 1 quella di un LED verde); si nota come, al di sopra di una certa soglia (circa 1.8 Volt per il LED verde in oggetto), la corrente vari molto bruscamente in funzione della tensione, per cui variazioni anche piccole di tensione comportano ampie variazioni della corrente, nello specifico una variazione di 50 milliVolt della tensione (circa il 2.5% rispetto ai 2 Volt tipici), comporti una variazione di 100 milliAmpère, pari al 100%). Da questa e altre considerazioni nasce la necessità di pilotare i LED in modo tale che ad essere costante sia la corrente.

 

 

Il circuito di pilotaggio deve soddisfare requisiti operativi come l’efficienza, la costanza del valore di corrente, i costi e la sicurezza.

Per agevolare la progettazione d’impianti d’illuminazione a LED che siano efficaci e affidabili, occorrono regolatori di corrente efficienti ed economici. La sorgente di tensione utilizzata nei sistemi di illuminazione a LED è diverso a seconda dell’utilizzo. Per applicazioni architettoniche o per l’illuminazione negli edifici, ci si può aspettare che coincida con la tensione alternata di rete. Per l’illuminazione in ambienti esterni si può invece utilizzare, oltre alla rete elettrica tradizionale, sorgenti non stabilizzate, come ad esempio batterie al piombo da 12 Volt o anche pannelli fotovoltaici. Per un autoveicolo, l’alimentatore è tipicamente costituito da una batteria da 12 V.

Pilotare correttamente un LED

La funzione primaria di un circuito di pilotaggio (driver) per LED è quella di stabilire un prefisssato valore di corrente, indipendentemente dalle condizioni del segnale di ingresso e dalla variabilità della tensione diretta, all’interno di una specifica gamma di valori operativi. Il circuito di pilotaggio stesso e l’intero sistema devono anch’essi soddisfare i requisiti applicativi in termini di efficienza, intensità di corrente, forma, dimensioni, costi e sicurezza. L’approccio scelto deve inoltre essere facile da realizzare e sufficientemente robusto da resistere alle condizioni ambientali estreme previste per l’uso specifico.

Una regolazione effettuata utilizzando un resistore in serie ( figura 2) rappresenta una soluzione a basso costo, ma questo approccio fa sì che la corrente e la luminosità del LED cambino con le fluttuazioni della tensione di alimentazione. Ciò rende questa soluzione non adatta alla maggior parte delle applicazioni che richiedono un’illuminazione uniforme e stabile. Un altro problema importante è che una corrente di LED soggetta a fluttuazioni ha un impatto significativo sulla durata e sull’affidabilità del LED stesso. L’impiego di resistori, inoltre, richiede la lunga e costosa operazione di raggruppamento (binning) dei LED sulla base delle loro caratteristiche operative.

 

I regolatori a commutazione che utilizzano circuiti integrati di recente tecnologia, uniti a circuiterie e topologie all’avanguardia per la conversione della potenza, offrono un elevato rendimento e sono efficaci nel controllare la corrente dei LED. In genere però possono essere costosi e presentano problemi di compatibilità elettromagnetica dovuta alla non linearità della regolazione; inoltre è possibile che occupino troppo spazio all’interno del circuito stampato.

 

Costant Current Regulator: la soluzione allo stato dell’arte. 

I regolatori a corrente costante (CCR)  rappresentano una scelta semplice, economica ed efficace per pilotare LED. Sono realizzati con semiconduttori in tecnologia FET (Field Effect Transistor) e forniscono una corrente uniforme in un ampio intervallo di tensioni, riducendo in modo significativo il coefficiente termico di corrente, vale a dire la variazione del valore di corrente in funzione della temperatura. L’efficienza operativa e l’efficacia in termini di costi di questo tipo di regolatori a semiconduttore sono resi possibili grazie a un basso costo dei wafer di silicio, alle piccole dimensioni del die e al piccolo ingombro del contenitore. I regolatori a corrente costante possono offrire elevate prestazioni e correnti molto precise da die a die senza dover effettuare su di essi operazioni di raggruppamento o selezione; inoltre eliminano la necessità di raggruppare i LED per uniformarne le caratteristiche operative. 

L’architettura interna di un regolatore a corrente costante viene accuratamente adattata al package al fine di ottenere un’uniformità della corrente in regime stazionario su un ampia gamma di tensioni, generalmente superiore a 20 Volt. È inoltre possibile progettare il dispositivo con un piccolo coefficiente di corrente negativo (la corrente tende a diminuire leggermente in funzione della temperatura) per offrire una opportuna protezione circuitale. I regolatori a corrente costante possono tipicamente sopportare tensioni nel range da 50 a 100 Volt, mentre l’intervallo delle tensioni di regolazione è limitato esclusivamente dalla massa termica del circuito di applicazione. I regolatori a corrente costante si presentano in normali package a due contatti, veloci e facili da installare in casi in cui lo spazio su scheda sia limitato.

 I CCR sono progettati per offrire tolleranze inferiori al ±5% senza la necessità di effettuare selezioni particolari, un risultato senza precedenti per i circuiti di pilotaggio a LED discreti. Il progetto interno del chip potrebbe fornire una tolleranza ancora più stretta, ma questa variazione del 5% non dipende solo dal chip e può essere parzialmente attribuita alle connessioni esterne al package.

Le correnti attualmente utilizzate nelle più recenti applicazioni automobilistiche, per retroilluminazione, segnaletica e illuminazione architettonica sono tipicamente nella gamma da 10 milliAmpère a 30 milliAmpère. Questo intervallo è all’interno della gamma d’intensità offerta dai regolatori a corrente costante, che offrono correnti nominali fino a circa 350 milliAmpère con livelli intermedi di 60 e 160 milliAmpère. Oltre a una accuratezza di corrente estremamente stretta, la tecnologia dei regolatori a corrente costante ha consentito di ridurre il coefficiente termico di circa il 60% rispetto ai tradizionali regolatori a transistor. Questa uniformità consente all’impianto di illuminazione finale di avere una luminosità molto uniforme persino su pannelli estesi costituiti da lunghe stringhe di LED. In talune applicazioni speciali in cui si richiede un’uniformità molto precisa o uno specifico grado di luminosità è possibile che occorra selezionare i LED. Se questo è il caso, i driver LED dei regolatori a corrente costante accettano regolazioni in corrente al fine di ottimizzare la luminosità prodotta. La struttura intrinseca dei regolatori a corrente costante consente di impostare con precisione la corrente partendo da un ampia dinamica di tensioni di ingresso (da 3 V a oltre 40 V). Una tensione di accensione inferiore a 2 V può essere un vantaggio in diverse applicazioni: un valido esempio è rappresentato dagli indicatori di batteria scarica negli autoveicoli. 



















Le applicazioni nel settore Lighting

La figura 3 illustra la possibile struttura di come si possa impiegare un regolatore CCR. In questo caso, i LED vengono alimentati direttamente dalla tensione di rete alternata, attraverso un normale ponte di diodi, mentre l’uniformità della corrente viene garantita da un unico regolatore a corrente costante. Nei limiti della semplicità circuitale e della capacità di risparmio di spazio dei regolatori a corrente costante, è possibile produrre pannelli luminosi di dimensioni contenute, con un elevato livello d’efficienza energetica. La costanza della corrente garantisce uniformità dell’intensità luminosa ed elevata affidabilità nel tempo.

 

Luca Comi
NRG30 Network

 

Vai alla barra degli strumenti