Lo sviluppo e l'implementazione della tecnologia dei diodi a emissione di luce (LED) nell'intera gamma di applicazioni di illuminazione sono stati mozzafiato negli ultimi anni. Nonostante l'elevata efficienza di conversione elettro-ottica intrinseca dei LED, un apparecchio di illuminazione a LED è buono quanto il suo driver. Il potenziale di questa rivoluzionaria tecnologia di illuminazione può essere sbloccato solo quando le metriche delle prestazioni dei driver LED sono costantemente abbinate alle caratteristiche elettriche della sorgente luminosa a LED. Un sistema di illuminazione a LED è una combinazione sinergica di sorgente luminosa, driver LED, sistemi di gestione termica e ottica. Essendo l'unico componente che influenza in modo caratteristico le prestazioni fotometriche e la qualità della luce dei LED in un sistema di illuminazione, i driver svolgono un ruolo critico nelle applicazioni più estese e intensive della tecnologia LED.
Che cos'è un driver LED?
Un LED Driver è un dispositivo elettronico che regola l'alimentazione di un LED o di una o più stringhe di LED. I LED sono dispositivi semiconduttori a stato solido impregnati, o drogati, con strati per creare una giunzione pn. Quando la corrente scorre attraverso gli strati drogati, i buchi della regione p e gli elettroni della regione n vengono iniettati nella giunzione pn. Si ricombinano per generare fotoni che percepiamo come luce visibile. La conversione dall'uscita di corrente a quella di luce è quasi lineare, l'aumento della corrente di ingresso consente a più elettroni e lacune di ricombinarsi nella giunzione pn e quindi vengono generati più fotoni.
Contrariamente alle sorgenti luminose convenzionali che funzionano direttamente da un'alimentazione a corrente alternata (CA), i LED funzionano su ingresso CC o ingresso ad onda quadra modulata perché i diodi hanno polarità. Un ingresso del segnale AC farà sì che un LED si accenda solo per circa la metà del tempo quando il segnale AC ha la polarità corretta e si spenga immediatamente con polarizzazione negativa. Pertanto, una fornitura costante di corrente elettrica CC a un'uscita fissa o un'uscita variabile entro un intervallo consentito deve essere applicata a un array di LED per un'illuminazione stabile e senza sfarfallio.
I driver LED forniscono un'interfaccia tra l'alimentatore (linea) e il LED (carico), convertendo l'alimentazione di linea CA a 50 Hz o 60 Hz in ingresso a tensioni quali 120 Volt, 220 Volt, 240 Volt, 277 Volt o 480 Volt in corrente di uscita CC regolata. Esistono driver progettati per accettare anche altri tipi di fonti di alimentazione, ad esempio alimentazione CC da microgrid CC o Power over Ethernet (PoE). Un circuito di pilotaggio LED dovrebbe avere l'immunità contro i picchi di tensione e altri disturbi sulla linea CA all'interno di un intervallo di progettazione predeterminato, filtrando anche le armoniche nella corrente di uscita per evitare che influiscano sulla qualità di uscita della sorgente luminosa a LED. Il driver non è solo un convertitore di potenza. Alcuni tipi di driver LED hanno un'elettronica aggiuntiva per consentire un controllo preciso dell'emissione di luce o per supportare l'illuminazione intelligente.
Corrente costante o tensione costante?
Un circuito elettrico che regola la potenza in ingresso per fornire un'uscita a tensione costante è stato generalmente definito alimentatore, mentre un driver LED in senso stretto si riferisce a un circuito elettrico che fornisce un'uscita a corrente costante. Oggi, "driver LED" e "alimentatore LED" sono termini molto ambigui che vengono usati in modo intercambiabile. Nonostante l'ambiguità terminologica, non possiamo permetterci di trascurare le differenze intrinseche tra gli schemi circuitali a corrente costante (CC) e a tensione costante (CV) per la regolazione del carico dei LED.
I driver LED a corrente costante forniscono una corrente costante (ad es. 50 mA, 100 mA, 175 mA, 350 mA, 525 mA, 700 mA o 1 A), indipendentemente dal carico di tensione, a un modulo LED entro un intervallo di tensione specifico. Il driver può alimentare un singolo modulo con LED collegati in serie o più moduli LED collegati in parallelo. La connessione in serie è preferita nelle architetture di circuiti CC perché garantisce che tutti i LED abbiano la stessa corrente che fluisce attraverso le loro giunzioni a semiconduttore e che l'emissione di luce sia uniforme attraverso i LED. Il pilotaggio di più moduli LED in parallelo richiede un resistore in ciascun modulo LED, il che porta a una minore efficienza ea una scarsa corrispondenza della corrente. La maggior parte dei driver CC può essere programmata per funzionare su un intervallo di corrente di uscita per un accoppiamento preciso tra il driver e uno specifico modulo LED. I driver LED a corrente costante vengono utilizzati quando l'emissione luminosa dovrebbe essere indipendente dalla fluttuazione della tensione di ingresso. Si trovano in molti tipi di prodotti per l'illuminazione generale, come downlight, troffer, lampade da tavolo/da terra, lampioni e luci ad alta visibilità, per i quali l'elevata qualità della corrente e il controllo preciso dell'uscita sono la priorità. I driver CC supportano sia la modulazione di larghezza di impulso (PWM) che la riduzione della corrente costante (CCR). Il funzionamento di un alimentatore in modalità CC di solito richiede una protezione da sovratensione nel caso in cui si incontri una resistenza di carico eccessiva o quando il carico è scollegato.
I driver LED a tensione costante sono progettati per far funzionare i moduli LED a una tensione fissa, tipicamente 12V o 24V. Ogni modulo LED dispone di un proprio regolatore di corrente lineare o switching per limitare la corrente in modo da mantenere un'uscita costante. In genere si preferisce fornire un'alimentazione a tensione costante a più moduli LED o apparecchi collegati in parallelo. Il numero massimo di LED o moduli LED e le tensioni dirette ai loro capi non devono superare l'alimentazione di energia elettrica CC. Il circuito CV deve tollerare la dissipazione di potenza quando il carico va in cortocircuito. I limitatori di corrente in genere hanno uno spegnimento termico per proteggere il circuito quando una tensione superiore alla tensione massima consentita viene posizionata attraverso il limitatore di corrente. I driver CV sono spesso utilizzati in applicazioni di illuminazione a LED a bassa tensione che richiedono facilità di connessione di gruppo in controllo parallelo, ad esempio, pilotaggio di strisce luminose a LED, moduli di segnaletica a LED per lightbox. I driver a tensione costante possono essere attenuati solo in PWM.
Alimentatore a commutazione (SMPS)
Poiché i LED sono molto sensibili alle fluttuazioni di corrente e tensione, uno dei ruoli più importanti di un driver LED è ridurre le variazioni della tensione diretta attraverso la giunzione a semiconduttore dei LED. Gli alimentatori a commutazione funzionano modulando un segnale elettrico utilizzando uno o più elementi di commutazione come MOSFET di potenza ad alta frequenza generando così l'entità predeterminata di potenza CC sotto tensione di alimentazione o variazioni di carico. I convertitori a commutazione utilizzati nei driver LED richiedono che l'energia sia immagazzinata come corrente utilizzando induttori e/o come tensione utilizzando condensatori in modo da mantenere la corrente o la tensione di uscita sul carico durante il ciclo di accensione/spegnimento. Un driver LED AC-DC SMPS rettifica la corrente alternata in corrente continua che viene quindi convertita in corrente continua in grado di pilotare correttamente i LED.
Per la conversione di potenza in modalità commutata nei driver LED, sono disponibili varie topologie di circuito per supportare i requisiti di carico dei LED. Tra tutte le topologie SMPS, buck, boost, buck-boost e flyback sono i tipi più comunemente usati.
Conosciuto anche come convertitore step-down, un circuito buck regola la tensione CC in ingresso fino a una tensione CC desiderata utilizzando una serie di metodi di controllo della corrente, tra cui commutazione sincrona, controllo isteretico, controllo della corrente di picco e controllo della corrente media. La topologia buck è progettata per driver LED alimentati dalla rete che sono necessari per pilotare una lunga serie di LED, con la tensione di carico mantenuta al di sotto della tensione di alimentazione. I circuiti buck si trovano spesso anche nelle applicazioni a bassa tensione in cui la tensione di alimentazione in ingresso è relativamente bassa (ad es. 12 VDC per l'illuminazione automobilistica) e viene azionato un solo LED. La topologia buck consente la progettazione di circuiti con un numero inferiore di componenti pur mantenendo un'elevata efficienza (90–95 percento). Tuttavia, la tensione di carico di un circuito buck deve essere inferiore all'85% della tensione di alimentazione. Inoltre, i driver LED buck non offrono isolamento tra i circuiti di ingresso e di uscita.
Un convertitore boost è progettato per aumentare la tensione di ingresso a una tensione di uscita superiore di circa il 20 percento o più. I circuiti boost generalmente richiedono un induttore e funzionano in modalità di conduzione continua (CCM) o in modalità di conduzione discontinua (DCM), come determinato dalla forma d'onda della corrente dell'induttore. I convertitori boost a bassa potenza possono utilizzare una pompa di carica, anziché un induttore, che utilizza condensatori e interruttori per aumentare la tensione di uscita al di sopra della tensione di alimentazione. I convertitori basati su induttori offrono il vantaggio di un basso numero di componenti e di un'elevata efficienza operativa (superiore al 90 percento). Lo svantaggio di questa topologia è che non offre isolamento tra i circuiti di ingresso e di uscita. Il convertitore boost emette una forma d'onda pulsata e quindi richiede un grande condensatore di uscita per ridurre l'ondulazione di corrente. L'attenuazione PWM è impegnativa con l'ampio condensatore di uscita e il controllo ad anello chiuso che richiede un'ampia larghezza di banda per stabilizzare il convertitore.
I convertitori buck-boost possono fornire un'uscita superiore o inferiore alla tensione di ingresso, il che li rende ideali per applicazioni in cui la tensione di ingresso aumenta e diminuisce con una grande variazione (non più del 20 percento). Oscillazioni della tensione di ingresso di questo tipo si verificano solitamente in applicazioni di illuminazione alimentate a batteria, ad esempio illuminazione montata su veicoli per macchine edili e agricole (carrelli elevatori, trattori, mietitrici, escavatori, lame da neve, ecc.), nonché camion e autobus. Due tipi di convertitori che si trovano spesso nelle applicazioni buck-boost sono noti come SEPIC (convertitore di induttanza primaria single-ended) e Cuk. Il convertitore SEPIC è caratterizzato dall'uso di due induttori, preferibilmente un induttore a doppio avvolgimento che ha un ingombro ridotto, una bassa induttanza di dispersione e la capacità di aumentare l'accoppiamento degli avvolgimenti per una migliore efficienza del circuito. In un'architettura SEPIC, la sezione boost fornisce la correzione del fattore di potenza (PFC) e la sezione buck produce una tensione uguale, inferiore o superiore alla tensione di ingresso, mentre la polarità di uscita di entrambe le sezioni rimane la stessa. La topologia Cuk combina la corrente di uscita continua di un buck e la corrente di ingresso continua di un boost, che offre al Cuk le migliori prestazioni EMI e consente di ridurre la capacità secondo necessità. Il convertitore buck-boost è un circuito di pilotaggio non isolato. Come i convertitori boost, i convertitori buck-boost richiedono una protezione da sovratensione per evitare danni da tensione eccessiva in caso di condizione di carico aperto.
Un circuito di commutazione flyback è un convertitore di modalità di conduzione discontinua che fornisce isolamento dalla rete CA, accumulo di energia e ridimensionamento della tensione. È molto simile a un convertitore buck-boost, ma con l'induttore diviso per formare un trasformatore. Il trasformatore flyback con almeno due avvolgimenti non solo fornisce un isolamento completo tra i suoi circuiti di ingresso e di uscita, ma consente anche più di una tensione di uscita in diverse polarità. L'avvolgimento primario è collegato all'alimentazione in ingresso, l'avvolgimento secondario è collegato al carico. L'energia magnetica viene immagazzinata nel trasformatore mentre l'interruttore è acceso e allo stesso tempo il diodo viene polarizzato inversamente (cioè bloccato). Quando l'interruttore è spento, il diodo è polarizzato in avanti e l'energia magnetica viene rilasciata dalla corrente che esce dall'avvolgimento secondario. Alcuni circuiti di flyback utilizzano un terzo avvolgimento, chiamato bootstrap o avvolgimento ausiliario, per alimentare il circuito integrato di controllo. Un controllo più accurato della tensione media attraverso il condensatore, che viene utilizzato per mantenere il flusso di corrente nel carico del LED quando il convertitore è sul primo gradino, richiede un feedback isolato, solitamente tramite un fotoaccoppiatore. I circuiti di commutazione flyback possono essere progettati per una gamma molto ampia di tensioni di alimentazione e di uscita, con isolamento da tensioni pericolosamente alte. Tuttavia, questi circuiti sono meno efficienti (75 - 85 percent , è possibile una maggiore efficienza utilizzando parti costose).
Alimentazione lineare
Un alimentatore lineare utilizza un elemento di controllo (come un carico resistivo) che opera nella sua regione lineare per regolare l'uscita. In questo tipo di circuiti di pilotaggio LED, la tensione che scorre attraverso un resistore di rilevamento della corrente viene confrontata con il riferimento di tensione in un circuito di retroazione per produrre il segnale di controllo. Un controller che viene fatto funzionare in una regione lineare del sistema di retroazione ad anello chiuso regola la tensione di uscita finché la corrente che scorre attraverso il resistore di rilevamento non corrisponde alla tensione di retroazione. La corrente erogata a una stringa di LED viene quindi mantenuta fintanto che la tensione diretta non supera la tensione di uscita limitata al dropout. I driver lineari forniscono solo una conversione step-down, il che significa che la tensione di carico deve essere mantenuta inferiore alla tensione di alimentazione. Se la tensione di carico è superiore alla tensione di alimentazione o la tensione di alimentazione ha un'ampia variazione, è necessario un regolatore di commutazione.
Le applicazioni alimentate da rete CA, che richiedono requisiti elevati per la regolazione della tensione, utilizzano in genere regolatori lineari commutati per pilotare lampade a LED con una lunga serie di LED cablati in serie. I regolatori lineari commutati sono combinazioni di più regolatori lineari integrati o in cascata in una forma modulare. Tipicamente progettati in contenitori IC a montaggio superficiale, questi regolatori lineari vengono utilizzati per regolare in modo intelligente il numero di LED collegati al carico in una stringa durante un ciclo della linea di alimentazione in modo che la tensione del carico corrisponda alla tensione di rete CA istantanea.
I driver LED lineari forniscono una soluzione estremamente semplificata che elimina la necessità di bobine, condensatori ingombranti e costosi e degli elementi filtranti EMI/EMC di ingresso reattivi (ad esempio, induttivi e/o capacitivi). Un numero di parti significativamente basso e l'uso di componenti allo stato solido consentono di ridimensionare il regolatore lineare commutato a un chip IC compatto. Ciò rende i driver lineari un candidato competitivo per le lampade a LED il cui costo e le cui dimensioni fisiche sono importanti considerazioni di progettazione. Con la capacità di generare un carico dimmer sostanzialmente resistivo simile a una lampada a incandescenza, i driver LED lineari hanno una compatibilità generica con i dimmer a taglio di fase (TRIAC) legacy progettati per l'attenuazione dei carichi resistivi.
Caratterizzata dalla sua competitività in termini di costi, immunità EMI/EMC, ingombro ridotto e semplicità di progettazione, la topologia di guida lineare sta guadagnando un crescente interesse nel settore. Tuttavia, i driver lineari stanno lottando con i loro svantaggi intrinseci che li impediscono di entrare nelle applicazioni tradizionali in alcune categorie di prodotti.
1. Un driver LED lineare può essere di bassa efficienza, quando la tensione di alimentazione è sostanzialmente superiore alla tensione di carico.
2. La potenza in eccesso viene rilasciata come energia termica, con conseguente aumento dello stress termico sul circuito del driver e molto probabilmente anche sui LED se il calore non viene dissipato in modo efficiente.
3. La limitazione di dover mantenere la tensione di carico inferiore alla tensione di alimentazione entro un determinato intervallo comporta un ulteriore svantaggio di consentire solo un intervallo di tensione di alimentazione ristretto.
4. I driver lineari disponibili sul mercato sono circuiti prevalentemente a basso costo che non prestano particolare attenzione all'eliminazione dello sfarfallio.
5. La topologia non isolata non fornisce isolamento elettrico dall'alimentazione di rete CA.
Cambiato vs. Lineare
La progettazione di un driver LED comporta molti compromessi. La scelta tra SMPS e driver lineari deve prendere in considerazione costi, efficienza, controllo, durata, attenuazione, dimensioni, fattore di potenza, sfarfallio, ingresso/uscita, isolamento dalla rete CA e vari altri fattori.
Gli alimentatori a commutazione sono ovviamente più efficienti di quelli lineari a causa della loro modulazione "{0}}/1" (commutazione ON/OFF). Possono essere progettati per offrire un'elevata efficienza energetica e un'illuminazione priva di sfarfallio, pur mantenendo un fattore di potenza elevato e una bassa distorsione armonica totale (THD). Mentre i driver LED lineari sono stati concepiti per essere una potenziale soluzione di guida LED, SMPS è, per il prossimo futuro, ancora la soluzione di guida LED preferita per applicazioni in cui l'efficienza, il controllo dell'illuminazione, la qualità della luce e la sicurezza elettrica sono di fondamentale importanza. In particolare, la controllabilità digitale dei driver SMPS, che sono dotati di tecnologia dei sensori intelligenti e connettività wireless, promette di abilitare una varietà di applicazioni Internet of Things (IoT). La modulazione digitale consente di codificare i dati in binario per la comunicazione wireless ottica ad alta velocità (LiFi), che espande notevolmente il potenziale applicativo dei driver SMPS.
Tuttavia, le caratteristiche accattivanti dei driver SMPS si ottengono a scapito della loro dipendenza da componenti reattivi ingombranti, costosi e inaffidabili, come trasformatori, induttori e condensatori. L'operazione di commutazione ad alta velocità provoca molto rumore, portando così a un livello relativamente elevato di interferenza elettromagnetica che deve essere filtrata e schermata utilizzando circuiti aggiuntivi. Questi circuiti aggiuntivi possono aumentare enormemente le dimensioni fisiche e raddoppiare il costo complessivo del driver LED.
Il più grande svantaggio dei driver SMPS, che è anche la caratteristica più interessante dei driver lineari, è la loro affidabilità. Un circuito di pilotaggio SMPS utilizza un gran numero di componenti tra cui filtri, raddrizzatori, circuiti di correzione del fattore di potenza (PFC), ecc. Il design complesso può degradare l'affidabilità del circuito. L'uso diffuso di condensatori elettrolitici in alluminio nel PFC come componente di accumulo di energia introduce la più grande preoccupazione sull'affidabilità di un driver SMPS. I condensatori elettrolitici sono noti per il loro valore ad alta capacità e per l'alta tensione. Tuttavia, l'elettrolita nel condensatore evaporerà nel tempo. La velocità di evaporazione è correlata linearmente alla temperatura. L'alta temperatura accelererà l'evaporazione dell'elettrolita, che provoca una diminuzione della capacità e un aumento dell'ESR (resistenza in serie equivalente). L'aumento dell'ESR si traduce in ondulazione e rumore della tensione di uscita elevata. E il condensatore alla fine si guasta quando l'elettrolito si asciuga, portando al guasto prematuro dell'intero sistema di illuminazione. L'operazione di commutazione ad alta velocità può produrre interferenze elettromagnetiche (EMI) che influiscono negativamente sugli elementi del circuito circostanti. Ciò pone un'ulteriore sfida progettuale da superare. L'uso di un filtro antirumore porta ad un aumento di volume e peso oltre che dei costi di produzione.
D'altra parte, i driver lineari hanno un grande potenziale grazie ai vantaggi menzionati in precedenza. Solitamente sopravvivono ai driver SMPS, semplificano la progettazione della lampada, offrono costi e riducono significativamente la distinta base. Tuttavia è difficile progettare un driver lineare con efficienza di conversione e attenuazione dello sfarfallio paragonabili ai circuiti SMPS. Questa tecnologia è attualmente utilizzata abusivamente. La maggior parte dei produttori di illuminazione lo considera solo una soluzione di guida a basso costo. Sebbene sia accettabile utilizzare driver lineari negli apparecchi di illuminazione a LED per applicazioni in cui la luce di alta qualità e l'isolamento dalla rete CA non sono una priorità assoluta (ad es. illuminazione per esterni), alcuni produttori stanno tentando di incorporare questa soluzione di guida LED a basso costo in ambienti di sicurezza visivamente esigenti applicazioni di illuminazione per interni sensibili senza migliorare la qualità dell'uscita del conducente (controllo dello sfarfallio) e aumentare la sicurezza elettrica e la dissipazione del calore del sistema di illuminazione.
Conducente a bordo (DOB)
DOB è un'implementazione tipica della topologia di guida lineare. Chiamato anche motore di luce LED AC, il modulo LED DOB ospita i LED e tutta l'elettronica del driver su una scheda a circuito stampato con anima in metallo (MCPCB). La tecnologia DOB sfrutta la montabilità MCPCB degli IC driver ad alta tensione (regolatori lineari commutati). A differenza del circuito del driver SMPS che deve essere montato su un PCB FR4 instradato, questi circuiti integrati del driver a montaggio superficiale possono essere saldati all'MCPCB montato a LED senza instradamento del circuito. Ciò elimina completamente la necessità di un gruppo driver dedicato e consente quindi un fattore di forma compatto. Un altro vantaggio del design DOB è che l'eccellente conduttività termica dell'MCCPB può facilitare la rapida dissipazione del calore generato a causa della conversione inefficiente di un driver lineare.
Utilizzo di energia
L'elaborazione della potenza che si verifica all'interno di un SMPS di solito fa sì che il suo consumo di energia non sia uniforme a causa della modulazione dell'impulso di corrente. Il modo in cui i regolatori a commutazione assorbono impulsi di corrente dalla rete elettrica dell'utenza può produrre piegature e distorsioni nella forma d'onda della corrente della linea elettrica, nonché fusibili di scatto e interruttori automatici a livelli di potenza inferiori alla capacità della linea elettrica. La presenza di queste distorsioni armoniche e carichi non lineari può portare a vari problemi come il surriscaldamento dei conduttori neutri e dei trasformatori di distribuzione, il guasto o il malfunzionamento delle apparecchiature di generazione e distribuzione di energia e l'interferenza con i circuiti di comunicazione, ecc. Dal punto di vista dell'utilità, questi disturbi dannosi causati dalle apparecchiature elettriche downdream devono essere vietati. Pertanto le società di servizi pubblici hanno requisiti normativi sul fattore di potenza (PF) e sulla distorsione armonica totale (THD) delle apparecchiature elettriche, compresi gli apparecchi di illuminazione a LED alimentati in linea.
Il fattore di potenza è il rapporto tra la potenza utilizzata e la potenza erogata ed è espresso come un numero compreso tra 0 e 1. Un carico puramente resistivo ha un fattore di potenza di 1 perché assorbe corrente esattamente in fase con la tensione di linea. Tuttavia, gli elementi reattivi come i condensatori e gli induttori di un driver LED assorbono una corrente reattiva aggiuntiva che è difficile da misurare e quindi impossibile da cui le società di servizi pubblici possono riscuotere entrate. Soprattutto, questa potenza reattiva farà sì che la potenza erogata (potenza apparente) sia maggiore della potenza effettivamente richiesta dall'apparecchio a LED. Ciò può causare il funzionamento dell'infrastruttura dell'utilità al di sopra della capacità e può causare danni potenziali se non viene adottata alcuna misura per proteggere l'infrastruttura dal sovraccarico della potenza reattiva aggiuntiva. Più il PF è vicino a 1, più le forme d'onda di corrente e di tensione corrispondono esattamente. Quando il PF diminuisce, viene sprecata più potenza sotto forma di potenza reattiva. Nei settori commerciale e industriale, i servizi pubblici spesso sovraccaricano gli utenti finali che operano con apparecchiature elettriche a basso PF per compensare l'aumento dei costi di generazione e trasmissione.
Il fattore di potenza di una lampada o di un apparecchio a LED è diventato un requisito di specifica in molti mercati. La Direttiva UE richiede che un prodotto LED con un consumo energetico superiore a 25 W abbia un PF superiore a 0.9. Negli Stati Uniti, sia Design Light Consortium (DLC) che Energy Star hanno normative PF simili a quelle europee. Lo Stato della California ha una chiara regolamentazione per il valore PF che deve essere maggiore di 0.9 per tutti i livelli di potenza dell'illuminazione a LED residenziale e commerciale. Per soddisfare i valori PF normativi, i driver LED alimentati in linea progettati per applicazioni di rete CA devono utilizzare una qualche forma di correzione del fattore di potenza per mantenere un fattore di potenza elevato su un ampio intervallo di tensione di ingresso. Un circuito di correzione del fattore di potenza (PFC) viene in genere utilizzato per ridurre al minimo la potenza reattiva e massimizzare la potenza disponibile dalla sorgente e dal cablaggio di distribuzione. I circuiti PFC, che includono PFC attivi e passivi, modellano e allineano nel tempo la corrente di ingresso in una forma d'onda sinusoidale che è in fase con la tensione di linea.
La distorsione armonica totale (THD) viene spesso richiamata nello stesso respiro con l'emissione di un basso PF. THD è una misura della distorsione nella forma d'onda della corrente causata da carichi elettrici non lineari come i carichi del raddrizzatore. Le forme d'onda di corrente distorte possono ridurre il PF e creare anche una distorsione armonica. La distorsione armonica si verifica anche quando il carico assorbe una corrente che non assomiglia a una vera sinusoide. THD è rappresentato in percentuale. Più basso è il valore, meglio è. Un THD elevato può causare problemi all'interno dell'apparecchiatura di distribuzione dell'alimentazione. Quindi è importante che i driver LED soddisfino i valori THD normativi (in genere inferiori al 20 percento) sull'intero intervallo di tensione di ingresso. Il THD è soppresso dal circuito di correzione del fattore di potenza che deve modellare efficacemente la corrente di ingresso per garantire che venga generata un'energia minima alle frequenze più elevate.
Sia PF che THD possono essere influenzati dall'oscuramento. Pertanto, è necessario che PF e THD siano misurati alle uscite piene e dimmerate.
Controllo dell'attenuazione
Il passaggio dalla tecnologia di illuminazione tradizionale all'illuminazione a stato solido è guidato dalla necessità di una maggiore efficienza, controllo e interazione. Al centro del controllo dell'illuminazione c'è la tecnologia di regolazione della luminosità, che è una funzionalità integrale dei sistemi di gestione della luce. Uno dei vantaggi dei LED è la capacità di rispondere istantaneamente alle variazioni di alimentazione che è regolata dal driver LED. Le prestazioni di attenuazione di un driver LED sono sempre più importanti man mano che l'illuminazione diventa più connessa e adattabile alle esigenze e alle preferenze dell'utente. I controlli dimmer-driver più comunemente usati includono triac (triodo per corrente alternata), 0-10V e DALI (Digital Addressable Lighting Interface). La modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PWM) e la riduzione della corrente costante (CCR) sono i metodi più comuni utilizzati per attenuare i carichi dei LED dal driver.
I dimmer a controllo di fase funzionano tagliando parti del ciclo di tensione CA per controllare l'emissione di luce. I circuiti di controllo di fase includono 2-controllo della fase in avanti del cavo (fronte di salita), 2-controllo della fase inversa del cavo (bordo di uscita) e 3-controllo della fase in avanti del cavo (fronte di salita). L'attenuazione del controllo di fase viene spesso utilizzata in applicazioni di retrofit in cui il cablaggio di circuiti di derivazione nuovi o aggiuntivi o il cablaggio di controllo back-end può essere complicato e costoso. Tuttavia, il driver LED deve essere progettato per riconoscere e rispondere ai segnali di tensione dal circuito di regolazione della luminosità. La mancata interpretazione di un'uscita dell'angolo di fase variabile dall'attenuazione del controllo di fase può produrre sfarfallio e ridurre l'intervallo di attenuazione.
{{0}}V è un metodo di regolazione della luminosità del cavo 4-(caldo e neutro, più 2 cavi di controllo a bassa tensione) ed è talvolta indicato come 1-10attenuazione V come più tipico { {5}}I driver dimmerabili V possono essere regolati solo dal 100 percento (10 V) fino al 10 percento (1 V) e 0 V spegne la lampada. In questo metodo, il driver è la sorgente di corrente per il segnale CC ed è quindi affidabile con l'attenuazione che si verifica nel driver. Il circuito di controllo invia segnali di controllo a bassa tensione per regolare un ingresso al driver variando la tensione tra 1 V e 10 V CC. Poiché il segnale di controllo è una piccola tensione analogica, cavi lunghi possono causare una caduta di tensione e produrre un calo del livello del segnale. 0-10V è un protocollo di controllo universale nel settore dell'illuminazione e trova la sua popolarità nelle applicazioni di illuminazione commerciale. Tuttavia, gli 0-10standard di attenuazione V per le applicazioni architettoniche negli Stati Uniti non definiscono il valore dell'emissione di luce minima e affrontano la forma della curva di attenuazione. È probabile che ciò causi incompatibilità tra controlli e dispositivi di diversi produttori.
DALI, con la capacità di fornire l'indirizzamento dei singoli dispositivi e il feedback sullo stato dei carichi, offre una grande flessibilità nel controllo dell'illuminazione tramite un cavo {{0}} (caldo e neutro, più 2 topologie di collegamento dati a bassa tensione- fili liberi). DALI viene generalmente utilizzato quando la strategia di controllo richiede che l'apparecchio di illuminazione risponda a più di un controller (ad esempio, un interruttore di controllo manuale e un sensore di presenza). DALI è un protocollo bidirezionale e un sistema di illuminazione DALI può azionare fino a 64 punti di controllo (driver, dimmer, relè) senza utilizzare un'unità di controllo centrale. Il protocollo DALI utilizza l'attenuazione logaritmica che fornisce 256 livelli di luminosità con una curva di attenuazione standardizzata compresa tra lo 0,1% e il 100%.
PWM controlla la luminosità di un LED variando il ciclo di lavoro di una corrente costante a una frequenza del polso sufficientemente alta da essere impercettibile all'occhio umano. Il rapporto tra tempo di accensione e tempo di spegnimento determina l'intensità della luce percepita. La modulazione dell'ampiezza dell'impulso mantiene costante la corrente diretta, eliminando la preoccupazione dello spostamento del colore ed è quindi vantaggiosa per le applicazioni che richiedono un CCT coerente su un'ampia gamma di attenuazione. L'attenuazione PWM è comunemente utilizzata per la regolazione dell'intensità sia statica che dinamica con sorgenti di luce bianca e LED RGB. Nelle applicazioni di miscelazione dei colori RGB, l'attenuazione PWM consente di regolare con precisione la luminosità delle singole sorgenti per fornire il colore desiderato. Tuttavia, la commutazione ad alta velocità può generare interferenze elettromagnetiche. I driver PWM non possono essere montati in remoto dalla sorgente luminosa perché la maggiore distanza di trasmissione dal driver alla sorgente luminosa può interferire con i cicli di lavoro ad alta frequenza e sensibili al tempo.
L'attenuazione CCR o analogica regola l'intensità della luce modificando la corrente dell'unità CC che scorre attraverso un LED. Poiché la corrente viene modificata in modo lineare, il CCR è essenzialmente privo di sfarfallio. L'attenuazione a corrente costante può funzionare anche su una gamma più ampia di emissione luminosa rispetto al tipico dimming a taglio di fase. Gli svantaggi del CCR includono prestazioni scadenti a basse correnti (inferiori al 10 percento), cambiamento di colore dei LED quando si abbassano i LED al 20 percento dell'uscita nominale e risposta asincrona a correnti più elevate a causa dell'effetto droop. I circuiti di dimming CCR possono essere controllati tramite una varietà di protocolli, come 0-10V, DALI e ZigBee. CCR e PWM possono essere combinati per fornire l'attenuazione ibrida in modo da poter sfruttare i vantaggi di entrambe le tecniche.
Mitigazione dello sfarfallio
Lo sfarfallio è una modulazione di ampiezza dell'emissione luminosa che può essere indotta da fluttuazioni di tensione nella rete CA, increspature residue nella corrente di uscita fornita al carico del LED o interazione incompatibile tra i circuiti di regolazione e gli alimentatori del LED. Lo sfarfallio può causare altri artefatti di luce temporale (TLA) che includono l'effetto stroboscopico (l'errata percezione del movimento) e l'array fantasma (il motivo appare quando gli occhi si muovono). I TLA sono disponibili sia in forme visibili che invisibili. Lo sfarfallio che si verifica a frequenze di 80 Hz e inferiori è direttamente visibile all'occhio e lo sfarfallio invisibile è la variazione temporale che si verifica a frequenze di 100 Hz o superiori. L'effetto stroboscopico e l'array fantasma si verificano tipicamente all'interno di un intervallo di frequenza compreso tra 80 Hz e 2 kHz, la loro visibilità varia nelle popolazioni. Sebbene i TLA invisibili non siano percepibili dall'occhio umano, possono comunque avere una serie di conseguenze negative.
Lo sfarfallio e altri TLA sono modelli temporali indesiderati di emissione di luce che possono causare affaticamento degli occhi, visione offuscata, disagio visivo, prestazioni visive ridotte e, in alcuni casi, anche emicrania e crisi epilettiche fotosensibili. Pertanto sono una delle considerazioni chiave nella valutazione della qualità della luce. L'uso previsto dell'illuminazione artificiale gioca un ruolo. Diversi scenari di illuminazione possono tollerare diversi livelli di artefatti di luce temporale. I TLA possono essere meno preoccupanti per strade, parcheggi e illuminazione architettonica per esterni o altre applicazioni in cui la durata dell'esposizione alla luce artificiale è limitata. La luce artificiale con un'elevata percentuale di sfarfallio non dovrebbe essere utilizzata sia per l'illuminazione ambientale che per l'illuminazione di attività in case, uffici, aule, hotel, laboratori e spazi industriali. L'illuminazione senza sfarfallio non è solo fondamentale per le attività visive che richiedono un posizionamento preciso degli occhi e degli ambienti in cui le popolazioni suscettibili trascorrono molto tempo, ma è anche molto richiesta per le trasmissioni HDTV, la fotografia digitale e la registrazione al rallentatore in studi, stadi e palestre. Le videocamere possono rilevare i TLA nello stesso modo in cui l'occhio umano rileva questi effetti.
La chiave per mitigare lo sfarfallio risiede nel driver LED, progettato per rettificare l'alimentazione CA commerciale in alimentazione CC e filtrare qualsiasi ondulazione di corrente indesiderata. Increspature sufficientemente grandi, che in genere si verificano al doppio della frequenza della tensione di rete CA, nella corrente CC fornita al carico del LED provocano sfarfallio e altre anomalie visive a una frequenza di 100/120 Hz. Pertanto, il livello consentito di corrente di ripple nei LED, come ±15 percento di ripple (per un totale del 30 percento), deve essere definito nei driver LED per varie applicazioni in cui lo sfarfallio è importante. Le increspature possono essere attenuate utilizzando un condensatore di filtro. Una delle principali sfide nella progettazione del driver è quella di filtrare le increspature e le armoniche senza utilizzare condensatori elettrolitici ad alta tensione ingombranti e di breve durata sul lato primario. I motori a LED CA sono intrinsecamente suscettibili al fenomeno dello sfarfallio perché i LED infatti funzionano da quella che è essenzialmente la tensione CC intermedia che sarebbe in un sistema di illuminazione a LED basato su SMPS. La rapida alterazione della polarità provoca uno sfarfallio dell'intensità a una frequenza doppia rispetto alla frequenza sinusoidale CA. Nonostante la semplicità nella progettazione del circuito, è necessario un circuito aggiuntivo per ridurre efficacemente la variazione temporale dell'alimentazione.
Gli standard per limitare lo sfarfallio per diverse applicazioni devono ancora essere stabiliti. Due parametri sono stati stabiliti da IES per quantificare lo sfarfallio. Lo sfarfallio percentuale misura la variazione relativa nella modulazione della luce (la profondità della modulazione). L'indice di sfarfallio è una metrica che caratterizza la variazione di intensità sull'intera forma d'onda periodica (o duty cycle, per le forme d'onda quadra). Lo sfarfallio percentuale è meglio conosciuto dai consumatori generici. In generale, uno sfarfallio del 10 percento o inferiore a 120 Hz o dell'8 percento o inferiore a 100 Hz è tollerabile per la maggior parte delle persone ad eccezione delle popolazioni a rischio, sfarfallio del 4 percento o inferiore a 120 Hz o sfarfallio del 3 percento o inferiore a 100 Hz è considerato sicuro per tutte le popolazioni e altamente desiderato nelle applicazioni ad alta intensità visiva. Sfortunatamente, un gran numero di lampade e apparecchi di illuminazione a LED attualmente forniti sul mercato ha un'elevata percentuale di sfarfallio. Le luci a LED CA, in particolare, presentano uno sfarfallio generalmente superiore al 30 percento a 120 Hz.
Protezione del circuito
A seconda della topologia del driver, della progettazione del circuito e degli ambienti applicativi, i driver LED possono incontrare anomalie di carico e condizioni operative anomale come sovracorrente, sovratensione, sottotensione, cortocircuito, circuito aperto, polarità errata, perdita del neutro e surriscaldamento, ecc. Pertanto, i driver LED dovrebbero incorporare meccanismi di protezione per affrontare queste sfide.
La tensione di uscita di alcuni driver a corrente costante, in particolare i convertitori boost a commutazione, può aumentare troppo al di sopra della tensione nominale del convertitore a causa della disconnessione del carico o dell'eccessiva resistenza del carico. La protezione da circuito aperto o protezione da sovratensione in uscita (OOVP) fornisce un meccanismo di spegnimento che utilizza un diodo Zener per fornire feedback e condurre la corrente di uscita a terra quando la tensione di uscita supera un determinato limite. Un metodo più preferito per la protezione del circuito aperto consiste nell'utilizzare uno schema di feedback di tensione attivo per interrompere l'alimentazione quando viene raggiunto il punto di scatto per sovratensione.
La protezione da sovratensione in ingresso (IOVP) è progettata per alleviare lo stress da sovratensione del circuito di pilotaggio a seguito di operazioni di commutazione/variazione del carico sulla rete elettrica, fulmini nelle vicinanze, fulmini diretti sull'impianto di illuminazione o scariche elettrostatiche. Nelle applicazioni di linea CA, una leggera ma prolungata sovratensione può causare correnti elevate (impulsi di energia) nel driver LED e nei LED, che possono portare al guasto del driver LED e delle interfacce di controllo e all'invecchiamento prematuro dei LED. Un varistore a ossido di metallo (MOV) o un soppressore di tensione transitoria (TVS) può essere posizionato attraverso l'ingresso per assorbire l'energia bloccando la tensione. Un condensatore a film plastico, che è in genere collegato attraverso la linea CA per ridurre le emissioni EMI, aiuta anche ad assorbire parte dell'energia negli impulsi di sovratensione.
I driver LED di solito sono dotati di un livello limitato di protezione contro le sovratensioni dai circuiti di protezione da sovratensione integrati. In alcune applicazioni come l'illuminazione stradale, è necessario aggiungere al driver ulteriori dispositivi di protezione contro le sovratensioni in grado di sopravvivere a più sovratensioni o scioperi per proteggere i componenti a valle da sovratensioni elevate. L'SPD dovrebbe essere classificato per ridurre o scaricare un'energia di impulso elevata di un minimo di 10 kV e 10 kA, secondo ANSI C136.2.
Un cortocircuito al carico di un alimentatore lineare può portare al surriscaldamento ma non fa alcuna differenza per la corrente fornita a ciascun LED perché i circuiti di limitazione della corrente forniscono una protezione automatica da cortocircuito. Tuttavia, in un regolatore buck a commutazione, un cortocircuito comporterà il guasto di un LED o dell'intero modulo a seconda del progetto del circuito. Il guasto di un singolo LED di solito ha un impatto minimo sull'emissione luminosa totale. La variazione di tensione può essere bilanciata utilizzando un circuito di condivisione della corrente autoregolante che distribuisce comunque la corrente in modo uniforme. D'altra parte, un cortocircuito al carico di una stringa di LED può influire in modo significativo sull'emissione luminosa totale. Il meccanismo di rilevamento dei guasti della protezione da cortocircuito può essere implementato monitorando il ciclo di lavoro. Un cortocircuito si traduce in genere in un ciclo di lavoro molto breve.
La protezione da sovratemperatura per i sistemi LED include la protezione della temperatura del modulo (MTP) e il limite di temperatura del driver (DTL). DTC utilizza un resistore NTC (coefficiente di temperatura negativo) per ridurre la corrente di uscita quando la temperatura massima del punto di caso del driver nell'applicazione supera un limite predefinito. MTC monitora la temperatura del modulo LED e si interfaccia con il driver che riduce automaticamente la corrente ai LED quando viene rilevata una temperatura di soglia da parte dell'MTC. DTL può essere utilizzato anche in alternativa all'MTP se è possibile correlare il punto TC del driver e la temperatura del modulo LED.
EMI ed EMC
L'interferenza elettromagnetica (EMI), denominata anche interferenza a radiofrequenza (RFI), colpisce altri circuiti elettrici come conseguenza della conduzione elettromagnetica o delle radiazioni elettromagnetiche emesse dall'elettronica come quelle dei driver LED, delle radio CB e dei telefoni cellulari. Qualsiasi driver LED collegato all'alimentazione di rete CA deve soddisfare gli standard sulle emissioni irradiate come definito in IEC 61000-6-3. In un circuito di pilotaggio LED, la commutazione MOSFET è solitamente la principale fonte di EMI. Un layout PCB con percorsi per le correnti di commutazione mantenuti brevi e compatti è anche importante per limitare le interferenze elettromagnetiche. In alcune applicazioni è necessario un filtro di ingresso per ridurre le armoniche ad alta frequenza e la progettazione di questo circuito è fondamentale per mantenere una bassa EMI. Il piano di massa sul circuito stampato deve rimanere continuo in modo da evitare la creazione di un anello di corrente che provoca l'emissione di alti livelli di EMI. Uno schermo metallico può essere montato sull'area di commutazione per fornire un involucro che interrompa le radiazioni EMI.
La compatibilità elettromagnetica (EMC) è la capacità di un dispositivo o sistema di funzionare nel suo ambiente elettromagnetico senza produrre EMI che disturba le apparecchiature vicine o essere disturbato dalle EMI irradiate dalle apparecchiature vicine. Le prestazioni EMC del driver LED sono spesso assicurate automaticamente da un buon design EMI. Tuttavia, le scariche elettrostatiche (ESD) e l'immunità alle sovratensioni che non vengono prese in considerazione nelle pratiche EMI influiscono anche sulle prestazioni EMC.
Considerazioni sulla sicurezza
La sicurezza dovrebbe sempre rimanere la priorità numero uno quando si valuta un conducente e il sistema di illuminazione che opera. Un driver LED alimentato in linea con isolamento dielettrico, ad es. 1500 V RMS (50 o 60 Hz), dall'ingresso all'uscita è altamente auspicabile. L'isolamento del circuito di ingresso/uscita può essere ottenuto solo con un trasformatore dotato di avvolgimenti primari e secondari con un buon isolamento galvanico. La tensione di uscita deve essere mantenuta al di sotto del limite di bassa tensione di sicurezza (SELV) di 60 VDC secondo IEC 61140. Tuttavia, c'è un numero crescente di prodotti di illuminazione a LED che implementano una topologia non isolata allo scopo di ridurre i costi. Il rischio di scosse elettriche è una seria preoccupazione nei prodotti LED guidati da regolatori lineari a basso costo. Questi circuiti non offrono isolamento tra i circuiti di ingresso e di uscita e l'isolamento elettrico dei sistemi di illuminazione potrebbe non essere stato adeguatamente testato.
I problemi della dispersione e delle distanze di sicurezza devono essere considerati per i prodotti alimentati a corrente alternata. La distanza di dispersione tra i circuiti primari e secondari deve soddisfare i requisiti di spaziatura, altrimenti possono verificarsi folgorazioni o incendi. Il gioco, che è definito come la distanza più breve tra due parti conduttive, deve essere tenuto in considerazione per evitare la formazione di archi tra gli elettrodi causati dalla ionizzazione dell'aria. Poiché le dimensioni dei circuiti elettronici continuano a ridursi, un buon design PCB è essenziale per un circuito di pilotaggio non solo per ridurre le emissioni di EMI, ma anche per ridurre i problemi di dispersione e gioco.
Tutte le parti elettricamente conduttive e toccabili di un driver LED di Classe di protezione I alimentato in linea devono essere collegate a terra. I driver LED progettati per far funzionare i sistemi di illuminazione a LED per applicazioni residenziali e commerciali sono generalmente elencati come Classe II. Non è presente la messa a terra dell'involucro per i driver LED di classe II, ma tutti i conduttori all'interno di un driver di classe II devono essere doppi o isolati rinforzati per garantire un buon isolamento tra il circuito di alimentazione di rete e il lato di uscita o l'involucro metallico del driver.
Considerazioni termiche
Un driver LED è configurato per convertire la tensione di linea CA in uscita CC nel modo più efficiente possibile e l'eventuale energia persa nel processo di conversione verrà convertita in calore. Ciò significa che un driver LED con un'efficienza del 90 percento richiede una potenza di ingresso di 100 W/0.9=111 W per pilotare un carico di 100 W. Tra la potenza in ingresso 11W c'è la perdita di potenza che sfugge sotto forma di calore. Ciò pone un elevato stress termico sul circuito del driver LED. Quando il driver si trova all'interno dell'alloggiamento dell'apparecchio, il carico termico dei LED finirà per aumentare ulteriormente la temperatura del driver. Oltre a utilizzare componenti classificati per alte temperature, il driver deve essere progettato per allontanare il calore dai componenti termosensibili. L'accumulo di calore in eccesso causerà problemi di affidabilità con i componenti, compresi i condensatori elettrolitici che si seccano se esposti al calore. Pertanto la temperatura alla quale sta funzionando un driver LED è di fondamentale importanza per definirne la durata. Per facilitare la dissipazione del calore, i driver LED per apparecchi di illuminazione LED ad alta potenza utilizzano involucri in alluminio che possono essere forniti con alette ad alta densità e incapsulamento termicamente conduttivo.
Protezione dell'ingresso
I driver LED per applicazioni di illuminazione stradale, stradale, esterna e paesaggistica devono essere sigillati per proteggerli dall'ingresso di polvere, umidità, acqua e altri oggetti che possono passare all'interno dei prodotti. Un elevato grado di protezione dell'ingresso (IP) per i driver LED è fondamentale per applicazioni interne come autolavaggi, camere bianche, impianti di imbottigliamento e conserviera, impianti di lavorazione degli alimenti, stabilimenti farmaceutici o qualsiasi applicazione industriale che richieda l'esposizione a lavaggi quotidiani ad alta pressione. I driver LED autonomi per ambienti umidi sono generalmente sigillati in silicone per migliorare l'integrità dell'involucro facilitando al contempo l'isolamento elettrico e la gestione termica. Questi driver in genere sono dotati di protezione di ingresso di livello IP65, IP66 o IP67.
Impatto sulla posizione
I driver LED possono essere montati in remoto o collocati all'interno di alloggiamenti di lampade o apparecchi di illuminazione. Nei sistemi co-locati, non DOB, il driver deve essere isolato termicamente dai LED che generano un'enorme quantità di calore. La manutenzione del driver dovrebbe essere presa in considerazione quando si progetta un alloggiamento per apparecchi di illuminazione. Nei sistemi montati in remoto, i driver PWM possono subire perdite di prestazioni su lunghe distanze. In quanto tale, CCR è la tecnica di attenuazione preferita per i sistemi montati in remoto.
