In questo articolo si parlerà di LED bianchi, del perché pilotarli a corrente costante e si metteranno a confronto sei diversi LED di due marchi. Quando si utilizzano i LED bianchi solitamente è per realizzare una retroilluminazione o una qualsiasi forma di illuminazione generica.
Perché Pilotare i LED a Corrente Costante?
Le ragioni per cui risulta conveniente pilotarli a corrente costante sono essenzialmente due.
- Per la robustezza del sistema è importante non violare il vincolo sulla corrente massima per LED, solitamente intorno ai 30mA massimi.
- Tuttavia se la temperatura ambiente sale la corrente massima diminuisce come mostrato dalla caratteristica di figura 2. Se si limita la corrente massima a 20mA allora è possibile utilizzare l’applicazione fino ad una temperatura di 50°C senza rischiare che qualche LED si bruci.
Caratteristiche Corrente-Tensione dei LED Bianchi
Sono stati presi tre LED bianchi di un fornitore e tre LED bianchi di un altro e per tutti è stata tracciata la caratteristica corrente-tensione. Pilotando i LED con una tensione di 3.4V si può vedere che la corrente varia da 10mA a 44mA a seconda del LED.
Circuiti per il Pilotaggio di LED Bianchi
In figura 3 sono presentati quattro diversi circuiti che consentono di pilotare tre LED bianchi. Per ognuno dei circuiti di figura 3 andiamo graficamente sulla caratteristica corrente tensione in diretta a vedere come viene eseguita la regolazione, per stabilire il punto di funzionamento.
Circuito A
Il circuito in figura 3 A è molto semplice ed estremamente diffuso, il suo principale pregio infatti è quello di essere realizzabile utilizzando un gran numero di regolatori disponibili in commercio. Lo svantaggio principale è legato alla sua efficienza, infatti parte della potenza viene dissipata sulle resistenze e la corrente nei LED non è controllata in maniera accurata.
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Circuito B
Il circuito B genera una corrente costante ripartita con le resistenze per ogni LED. Il circuito di figura 3B regola la corrente complessiva che circola nei 3 LED, le resistenze servono per distribuirla equamente. Come regolatore si può utilizzare per esempio il MAX1910 della Maxim Integrated Products. Il circuito proposto si basa sul principio che tra LED e LED non ci siano differenze rilevanti, almeno tra lotti ravvicinati. Le resistenze in tal caso possono essere di valore basso, riducendo così la potenza dissipata.
Tutti e 6 i LED sono attraversati da una corrente di 17.5mA/LED. Lo svantaggio di questo circuito è che rimane comunque una percentuale di potenza dissipata sulle resistenze e che le correnti nei vari rami non sono mai perfettamente identiche. In ogni caso il circuito è un buon compromesso tra performance e semplicità.
Circuito C
Il circuito C è un regolatore di corrente multiplo. Il circuito di figura 3 C regola la corrente individualmente per ogni LED e non richiede resistenze. Il valore di corrente su ogni ramo e la ripetibilità dello stesso su tutti i rami è garantito dal regolatore, il MAX1570 sempre della Maxim Integrated Products è un tipico esempio di prodotto di questa categoria. Il MAX1570 ha una accuratezza sul valore di corrente del 2% e un accuratezza sulla ripetibilità del valore del 0.3%. Poiché la regolazione di corrente è a low dropout, l’efficienza raggiunge valori elevati.
Il circuito risulta più compatto poiché non sono necessarie le resistenze, tuttavia tra il regolatore e i LED sono necessari quatto collegamenti, con un conseguente aumento delle dimensioni del regolatore. Questo circuito garantisce alte prestazioni ad un costo però maggiore dei precedenti.
Circuito D
Il circuito D è ancora un regolatore di corrente ma con i LED in serie. Il circuito di figura 3D e il classico circuito boost ad alta efficienza basato su induttore, configurato per regolare la corrente. La bassa tensione di feedback minimizza la potenza dissipata nella resistenza di sense. Il punto di lavoro per il circuito di figura 3 D è lo stesso di figura 6 ottenuto per il circuito di figura 3 C. Poiché i LED sono in serie la corrente tra loro è esattamente identica in tutte le condizioni.
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La precisione della corrente è determinata dal circuito di feedback e risulta indipendente dalle differenze sulle tensioni di forward dei LED. Il MAX1848 e il MAX1561 sono esempi di regolatori di questo tipo e garantiscono un 87% (3 LED) e un 84% (6 LED) di efficienza rispettivamente. I collegamenti tra regolatore e LED prevedono solo due connessioni e questo rappresenta un vantaggio. Lo svantaggio è rappresentato dalle dimensioni dell’induttore per il regolatore boost, dal costo e dalle EMI irradiate.
Tabella comparativa dei circuiti
| Circuito | Vantaggi | Svantaggi | Efficienza | Complessità |
|---|---|---|---|---|
| A | Semplice, facile da realizzare | Bassa efficienza, corrente non controllata accuratamente | Bassa | Bassa |
| B | Regola la corrente complessiva, semplice compromesso | Potenza dissipata sulle resistenze, correnti non perfettamente identiche | Media | Media |
| C | Regola la corrente individualmente, alta accuratezza | Costo maggiore, più collegamenti | Alta | Alta |
| D | Alta efficienza, corrente identica tra i LED | Dimensioni dell'induttore, costo, EMI | Alta | Alta |
Considerazioni sulla Tensione dei LED
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. 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. 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.
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HBLED (High Brightness Light Emitting Diode)
I diodi HBLED (High Brightness Light Emitting Diode - LED ad alta luminosità) sono gli artefici di una vera e propria rivoluzione nel settore dell'illuminazione e il loro utilizzo spazia dalla semplice torcia ai fari anteriori delle automobili. Al momento è ancora necessario valutare alcuni compromessi, in termini di rapporto tra costi e benefici, e la lunga durata è un requisito essenziale per giustificare pienamente la loro adozione. Oltre alla qualità di produzione, la temperatura operativa è il principale fattore che influenza la longevità.
Per questo motivo sono indispensabili un accurato progetto del dissipatore di calore e la scelta di un circuito di pilotaggio (driver) in grado di mantenere la corrente a livelli ottimali in presenza di condizioni anomale (come ad esempio le perdite per raffreddamento che potrebbero causare guasti prematuri e comportare un costosa sostituzione). In termini di benefici, il driver può anche mettere a disposizione numerose funzioni quali regolazione della luminosità (dimming) e protezione contro i guasti, oltre a dare la possibilità di controllare più stringhe di LED.
Tecnologia HBLED
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 (band gap) 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).
Fattori da Considerare nell'Utilizzo di HBLED
Gli HBLED non sono comunque necessariamente la soluzione più ovvia per qualsiasi applicazione di illuminazione. Essi hanno senza dubbio una migliore efficienza rispetto alle luci a incandescenza, convertono in luce una potenza elettrica sei volte superiore e hanno una durata superiore di un fattore pari a 25: di fronte a questi indubbi vantaggi il loro costo è però 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. Una volta stabilito ciò, è utile ricordare che vi sono altri fattori da tenere in considerazione come ad esempio costi di installazione e sostituzione, regolazione della luminosità, robustezza meccanica e inquinamento.
A volte l'efficienza non rappresenta neppure un problema: se ad esempio una lampada a incandescenza è ubicata in una stanza che deve essere riscaldata, la potenza dissipata sotto forma di calore viene comunque utilizzata.
Se la tensione viene ridotta di qualche punto percentuale, la durata aumenta in maniera significativa. 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.
Gestione Termica e Driver per LED
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%. La tensione diretta di un tipico HBLED blu può variare da 3,03 a 4,47 V (tenendo conto anche delle tolleranze di produzione), per cui nel caso la tensione del generatore sia pari a 5 V, la corrente varierà di un fattore compreso all'incirca tra 3,7 e 1: come si può notare non si tratta di una situazione ottimale in quanto dà origine a variazioni di notevole entità in termini di dissipazione del LED e di resa cromatica.
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.
I regolatori a commutazione (switched-mode) rappresentano la soluzione ideale quando è necessario ottenere un'elevata efficienza e sono richieste funzioni di controllo sofisticate. 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.
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.
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.
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.
Comprendere le Strisce LED
Per comprendere appieno le strisce LED e il loro funzionamento, è essenziale conoscere i principi di base. Le strisce LED sono costituite da una serie di diodi emettitori di luce (LED) collegati in serie o in parallelo su una striscia flessibile o rigida. Ogni LED emette luce quando attraversato da una corrente elettrica.
Tipi di Strisce LED
| Tipo di Striscia LED | Descrizione | Applicazioni |
|---|---|---|
| Strisce LED Monocromatiche | Emettono luce di un solo colore (es. |
Tensione Nominale e di Alimentazione
La tensione nominale di una striscia LED si riferisce alla tensione di funzionamento ottimale dei suoi LED. Ad esempio, una striscia LED con tensione nominale di 12V funzionerà al meglio quando alimentata a 12V. La tensione di alimentazione ideale dipende dal tipo di striscia LED utilizzata. Le strisce LED a bassa tensione (12V) sono comunemente utilizzate per l’illuminazione domestica. Sono alimentate da un trasformatore che converte la tensione di rete in 12V. Le strisce LED ad alta tensione (24V) sono più adatte per applicazioni commerciali e architetturali.
Calcolo della Tensione Necessaria
Calcolare la tensione necessaria per le tue strisce LED è fondamentale per un’illuminazione efficace.
- Lunghezza della Striscia: Maggiore è la lunghezza della striscia, maggiore è la perdita di tensione.
- Potenza Totale: Determina la potenza totale necessaria per alimentare tutte le strisce LED.
- Sezione Trasversale del Cavo: Utilizzare cavi di sezione trasversale adeguata per evitare perdite di tensione.
Calcolare e utilizzare la tensione corretta è cruciale per garantire un funzionamento ottimale delle strisce LED. Utilizzare una tensione errata può causare perdite di luminosità, surriscaldamento e ridurre la durata dei LED.
Driver LED
I driver LED sono componenti essenziali per alimentare le strisce LED in modo efficiente e sicuro.
- Stabilizzazione della Corrente: I driver LED regolano la corrente elettrica che fluisce attraverso le strisce LED.
- Collegamento Elettrico Sicuro: Collega il driver in modo sicuro e seguendo le istruzioni fornite dal produttore.
- Temperature di Lavoro: Tieni conto delle temperature di lavoro specificate per le strisce LED.
Domande Frequenti sulla Tensione delle Strisce LED
Quanta tensione di solito richiede una striscia LED?Il fabbisogno di tensione della striscia LED varia a seconda del modello e del produttore, solitamente situandosi nell’intervallo tra 12 volt (V) e 24 volt (V). Alcune strisce LED progettate in modo particolare potrebbero richiedere una tensione diversa.
Perché le strisce LED necessitano di una tensione specifica?Le luci a LED sono dispositivi a semiconduttore e il loro funzionamento richiede un livello specifico di tensione. Fornire la tensione corretta aiuta a garantire il normale funzionamento delle luci LED e previene danni da sovratensioni o tensioni troppo basse.
Posso utilizzare un alimentatore LED con tensione diversa?È consigliabile utilizzare un alimentatore LED che rientri nel range di tensione consigliato dal produttore, al fine di garantire le prestazioni ottimali e la durata delle luci LED. Una tensione errata potrebbe causare il malfunzionamento o danneggiare le luci.
Quali sono gli standard comuni di tensione per le strisce LED?Gli standard comuni di tensione per le strisce LED includono solitamente 12V e 24V. Questi due standard sono generalmente i più diffusi, e la scelta dipende dalle tue esigenze specifiche e dal modello della striscia.
Quali possono essere gli effetti di una tensione troppo alta o troppo bassa sulle strisce LED?Una tensione troppo alta potrebbe causare un sovraccarico e danneggiare le luci LED, mentre una tensione troppo bassa potrebbe impedire il loro funzionamento o causare un’illuminazione più debole. Una tensione stabile aiuta a garantire la stabilità delle prestazioni delle luci LED.
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