La scelta di un alimentatore adeguato per l'illuminazione LED può rivelarsi complessa a causa della vasta gamma di soluzioni disponibili sul mercato. Questo articolo approfondisce le caratteristiche tecniche dell'alimentazione LED ad alta luminosità (HBLED), concentrandosi su aspetti cruciali come i driver LED, la gestione termica e le diverse applicazioni.
Driver LED: Corrente Costante vs. Tensione Costante
I driver LED a corrente costante sono progettati per operare in un intervallo specifico di tensioni di uscita, mantenendo una corrente di uscita fissa, solitamente espressa in milliampere (mA) o ampere (A). È fondamentale utilizzare un driver a corrente costante per i LED progettati per questo tipo di alimentazione. Un valore di corrente troppo elevato può aumentare la luminosità del LED, ma se non regolato, il LED assorbirà più corrente di quella per cui è stato progettato, riducendone drasticamente la durata e causando guasti prematuri dovuti all'aumento della temperatura.
Al contrario, un alimentatore a tensione costante, come l'esempio dell'alimentatore 12V, manterrà una tensione costante di 12V CC a condizione che la corrente rimanga al di sotto del massimo di 5 ampere.
Relazione Esponenziale tra Tensione e Corrente
Una caratteristica peculiare dei LED ad alta potenza è la relazione esponenziale tra la tensione diretta applicata e la corrente che li attraversa. Nell'esempio di un LED ad alta potenza alimentato da un alimentatore a tensione costante senza limitazione di corrente, il LED assorbirebbe più corrente del dovuto a causa delle variazioni delle sue caratteristiche elettriche dovute all'aumento della temperatura.
Nei corpi luminosi LED, è comune trovare una combinazione di diodi in serie e/o in parallelo per ottenere le prestazioni desiderate. Le strisce LED, ad esempio, sono spesso progettate con un gruppo di LED in serie con un resistore limitatore di corrente per proteggerli dalle variazioni di tensione.
Leggi anche: Cosa Mangiare con le Emorroidi
HBLED: La Rivoluzione nell'Illuminazione
I diodi HBLED (High Brightness Light Emitting Diode - LED ad alta luminosità) hanno rivoluzionato il settore dell'illuminazione, trovando impiego in svariate applicazioni, dalle torce ai fari delle automobili. Tuttavia, è necessario valutare attentamente il rapporto tra costi e benefici, tenendo conto della lunga durata come requisito essenziale per giustificarne l'adozione.
Gestione Termica: Un Fattore Critico
La temperatura operativa è uno dei principali fattori che influenzano la longevità degli HBLED, oltre alla qualità della produzione. Un accurato progetto del dissipatore di calore è fondamentale, così come la scelta di un driver in grado di mantenere la corrente a livelli ottimali anche in condizioni anomale. Un driver adeguato può anche offrire funzioni aggiuntive come la regolazione della luminosità (dimming) e la protezione contro i guasti, oltre alla possibilità di controllare più stringhe di LED.
Caratteristiche dei LED ad Alta Luminosità
Grazie ai LED ad alta luminosità, è stato possibile sostituire lampade a incandescenza, tubi fluorescenti e lampade ai vapori di sodio o mercurio con prodotti a più elevate prestazioni. I LED sfruttano le caratteristiche di un diodo a giunzione p-n, dove i fotoni vengono emessi per elettroluminescenza quando gli elettroni si ricombinano con le lacune attraversando la banda proibita del semiconduttore nel momento in cui la giunzione è polarizzata direttamente. L'entità del drogaggio del semiconduttore determina le dimensioni della banda proibita che influenza l'energia e quindi la frequenza o il colore percepito dei fotoni emessi.
I moderni HBLED sono emettitori a luce blu ad alta potenza "celati" dietro un rivestimento trasparente che è stato impregnata con fosfori YAG:Ce3+ (yttrium aluminium garnet - granato di ittrio e alluminio drogato cerio) che emettono luce gialla. La combinazione tra i due colori, blue e giallo, produce un colore bianco con una buona resa cromatica. I progressi nel campo dei materiali semiconduttori e del packaging hanno permesso di ottenere migliori prestazioni termiche e consentito la realizzazione di HBLED in grado di fornire un'efficienza luminosa superiore a 100 lumen/W.
Altre combinazioni di fosfori dei LED possono fornire caratteristiche di coloro ancora migliori (anche se a scapito dell'efficienza), mentre il colore bianco può essere ottenuto anche utilizzando tre LED separati di colore rosso, verde e blu (anche se la stabilità del colore risulta più scarsa in funzione del tempo e della temperatura).
Leggi anche: Gastrite: Cosa Non Mangiare
Compromessi e Considerazioni
Gli HBLED non sono sempre la soluzione più ovvia per ogni applicazione di illuminazione. Pur offrendo una migliore efficienza rispetto alle luci a incandescenza (convertendo in luce una potenza elettrica sei volte superiore) e una durata superiore di un fattore pari a 25, il loro costo è circa 20 volte superiore. Le luci fluorescenti, ad esempio, possono vantare all'incirca le stesse caratteristiche in termini di efficienza e longevità a un prezzo che è pari a un quarto delle loro equivalenti a stato solido. Tuttavia, è importante considerare altri fattori come i costi di installazione e sostituzione, la regolazione della luminosità, la robustezza meccanica e l'impatto ambientale.
Inoltre, l'efficienza non è sempre un fattore determinante. Ad esempio, se una lampada a incandescenza è utilizzata in un ambiente che necessita di riscaldamento, la potenza dissipata sotto forma di calore viene comunque sfruttata.
Durata e Affidabilità
I LED ad alta luminosità possono essere utilizzati in molteplici applicazioni a patto che la loro durata sia quella prevista, obbiettivo questo raggiungibile con una gestione termica efficace. Raramente i LED in condizioni normali si guastano improvvisamente, ma perdono luminosità a causa della propagazione di difetti nel reticolo o "dislocazioni".
Un valore comunemente accettato per definire la vita utile di un LED in funzione del tempo è "L70", termine questo che indica che l'uscita luminosa è pari al 70% rispetto al valore iniziale.
Il Ruolo del Driver
Un elemento fondamentale per mantenere la temperatura del chip all'interno dei limiti di progetto è il circuito integrato utilizzato per il pilotaggio (driver), anche se non bisogna dimenticare che l'applicazione concorre a determinare il tipo di driver necessario. In molte applicazioni a bassa potenza di tipo non critico, è possibile ricorre a un resistore in serie al generatore di tensione costante per impostare la corrente del LED. Si tratta di una soluzione semplice ma anche inefficiente a causa della potenza dissipata nel resistore. Se la tensione del generatore viene mantenuta a un valore prossimo a quella della tensione diretta del LED la dissipazione nel resistore è inferiore, ma la corrente nel LED è meno accurata - la variazione iniziale della tensione diretta (VF) può essere pari anche al 20%.
Leggi anche: Consigli Alimentari per l'Helicobacter
Un generatore di corrente controllato rappresenta la migliore soluzione e anche in questo caso è possibile scegliere tra numerose opzioni, la più semplice delle quali è rappresentata da un regolatore di corrente costante lineare. Un driver di questo tipo può garantire un elevato grado di precisione per la corrente del LED senza dar luogo a generazione di rumore, ma la dissipazione è relativamente elevata a meno che non vengano selezionati (tramite il processo di binning) HBLED caratterizzati da un intervallo ridotto di variazione di VF e la tensione del generatore sia minimizzata. E' possibile effettuare la regolazione di luminosità di tipo analogico ma la temperatura di colore varia con l'intensità. Sebbene sia possibile regolare la luminosità con una modulazione PWM (Pulse Width Modulation) se viene applicato un segnale al pin di enable, nelle applicazioni più semplici un tale segnale può non essere disponibile. RS è un resistore di valore modesto, pari tipicamente a 100 mΩ per LED da 1 A.
I regolatori a commutazione (switched-mode) rappresentano la soluzione ideale quando è necessario ottenere un'elevata efficienza e sono richieste funzioni di controllo sofisticate.
Applicazioni Specifiche
Illuminazione Architetturale
Nelle applicazioni di illuminazione architetturale i colori vengono combinati in maniera opportuna per migliorare l'apparenza e creare il maggior impatto possibile. La sorgente di alimentazione sarà la rete elettrica (in AC), ragion per cui si farà ricorso a un convertitore AC/DC che fornisca al driver per LED una tensione costante di valore ridotto che possa quindi essere distribuita in modo sicuro negli apparecchi di illuminazione. Gli HBLED si presenteranno sotto forma di stringhe connesse in serie con più canali per incrementare l'intensità luminosa e fornire differenti colori.
Un esempio di circuito di pilotaggio è basato sul driver MIC3201 di Micrel. La tensione di ingresso può raggiungere un valore di 20 V (max), in modo da consentire l'erogazione di una corrente di 1 A a una stringa formata da 4 LED. Si tratta di un convertitore buck (quindi di topo step-down) con controllo di tipo isteretico, una topologia a frequenza variabile che garantisce un'efficienza superiore al 90% e una regolazione della corrente dei LED entro ±5% ricorrendo a un numero veramente limitato di componenti esterni. Questo integrato prevede il controllo della regolazione della luminosità, che può essere pilotato con un segnale PWM a bassa frequenza per variare il segnale PWM ad alta frequenza del LED dall'1 al 99%. La regolazione selettiva della luminosità operata dai driver con LED rossi, verdi e blu permette di combinare la luce proiettata in modo da dar origine a qualsiasi colore.
Orticoltura
Nel campo dell'orticoltura l'illuminazione artificiale è utilizzata da molto tempo ma i costi rappresentano uno dei principali problemi per un settore in cui i margini di guadagno sono abbastanza risicati. Senza dimenticare che a causa del calore prodotto dalla lampade a incandescenza le sorgenti luminose devono essere poste a una certa distanza dalle piante particolarmente sensibili. Grazie alla loro maggiore efficienza, le luci a LED hanno di fatto aperto un nuovo mercato e i coltivatori hanno acquisito la consapevolezza che i differenti colori dei LED possono essere impiegati per favorire le differenti fasi della crescita di una pianta. Ad esempio le luci "deep blu" e "hyper red" sono ideali per la fotosintesi mentre la luce "far red" controlla la germinazione, la crescita vegetativa e la fioritura. Una miscela di colori, abbinata al bianco per il comfort del personale addetto, può essere facilmente programmata per migliorare la qualità delle piante. I produttori di LED, dal canto loro, hanno ideato colori di LED specifici, ottimizzati per applicazioni nel settore dell'orticoltura.
Automotive
Nelle applicazioni nel settore automotive, sia che si tratti di illuminazione interna oppure di visualizzazione, è possibile utilizzare un circuito analogo a quello impiegato per l'illuminazione architetturale, avendo l'avvertenza di garantire il funzionamento in un intervallo di valori più ampio per soddisfare, almeno in parte, le specifiche in vigore in ambito automotive relative a transitori e cadute di tensione. Solitamente è richiesta la presenza di uno stadio di protezione iniziale per contrastare i transitori dovuti al "load dump" (ovvero al distacco dell'alimentazione primaria), fenomeno che coinvolge alti livelli di energia, anche se un circuito di questo tipo può già essere previsto per la protezione di altri circuiti elettronici.
Poiché un convertitore buck può solamente ridurre la tensione, con un sistema da 12 V come quello presente nelle automobili è possibile pilotare in serie solamente uno o due HBLED bianchi: in questo caso la caduta di tensione nel caso peggiore sarà pari a 4,5 V ciascuno. I driver MAX16832A/C di Maxim si propongono come una soluzione adatta allo scopo, grazie a caratteristiche quali intervallo di temperatura di funzionamento compresa tra -40°C e +125 °C e possibilità di funzionare con tensioni di ingresso comprese tra 6,5 e 65 V.
Retroilluminazione
Nel caso di applicazioni di retroilluminazione di precisione che richiedono un'elevata flessibilità è possibile ricorre a un convertitore boost per generare un valore di tensione elevato a partire dal range nominale della batteria (consentendo quindi il pilotaggio di più LED in serie). Un esempio è rappresentato da SC5012 di Semtech, un driver in grado di operare con tensioni di ingresso comprese tra 4,5 e 45 V e pilotare simultaneamente quattro stringhe con tensione di uscita massima di 65 V fornendo una corrente massima di 150 mA per stringa, con un adattamento di corrente di ±1%. Il dispositivo prevede un'interfaccia I2C che può essere utilizzata per il monitoraggio dei guasti, per la rilevazione di LED aperti/in corto circuito o di condizioni di sovra-temperatura, oltre che per fornire la sincronizzazione con una frequenza esterna. La regolazione della luminosità, di tipo analogico o in modalità PWM, è disponibile con risoluzione selezionabile a 9/10 bit. La funzionalità di "phase spreading" permette di pilotare ciascuna delle quattro stringhe con impulsi separati di 90° nel ciclo di commutazione. Ciò permette di ridurre la corrente di ondulazione complessiva (in modo da ridurre il valore delle capacità di ingresso/uscita richieste) e migliorare la linearità della regolazione della luminosità. Il driver SC5012 è conforme alle specifiche AEC-Q100 (Grade 2) e disponibile in package QFN a 24 pin di dimensioni pari a 4 x 4 mm.
Tensione LED: Concetti Fondamentali
Parlando di tensione led, non si può prescindere da alcune premesse, come la distinzione che esiste tra i concetti base di tensione, corrente e resistenza. Facciamo un esempio per chiarezza e immaginiamo un serbatoio di acqua posto ad una certa altezza dal suolo, con un tubo nella parte inferiore del serbatoio. Quindi, quanta più acqua sarà contenuta nel serbatoio, tanto più alte saranno la carica e la tensione (la pressione). La resistenza, infine, può essere considerata come il tubo più stretto di un secondo serbatoio messo davanti al primo.
La tensione è espressa in Volt ed è rappresentata dalla lettera V. Questa è semplicemente la quantità di energia potenziale tra due punti su un circuito. Quindi, se un punto ha più carica di un altro, questa differenza di carica è detta tensione.
Il led, Light Emitting Diode, è un diodo ad emissione luminosa. Un diodo che, grazie ad uno o più semiconduttori, emettere fotoni al passaggio della corrente e quindi emette luce. La curva del rapporto tensione-corrente di un led mostra che fino al raggiungimento di queste Tensione di Soglia (Vd) la corrente non passa. Queste tensioni variano da produttore a produttore e anche con l’uso di nuove tecnologie led.
Acquisto e Installazione
Queste informazioni si possono leggere dalle etichette dei prodotti led, ma per evitare errori nell’acquisto e danni all’illuminazione a causa di installazione di prodotti non adeguati alle necessità, consigliamo di acquistare da rivenditori qualificati. Ma questi non si distinguono solo per il colore, ma anche per il calore della luce, che qualifica la tonalità di luce e si usa per i led bianchi. Ad esempio, il bianco freddo ovvero cold white si ha con una temperatura di 6000 gradi Kelvin e il bianco molto caldo ovvero Flame Warm con una temperatura di 2200K.
La tecnologia HBLED può oggigiorno godere di un ampio supporto, grazie alla disponibilità di una vasta gamma di driver che possono gestire un gran numero di funzionalità sofisticate.
tags: #alimentazione #led #alta #luminosita #caratteristiche #tecniche