Per agevolare la progettazione di impianti di 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 V o magari pannelli fotovoltaici. Per un autoveicolo, l’alimentatore è tipicamente costituito da una batteria da 14 V.
Non è una buona idea utilizzare un generatore di tensione per pilotare i LED direttamente, senza l’interposizione di un sistema di conversione della potenza; questo perché le normali fluttuazioni di tensione possono provocare sostanziali variazioni nella corrente e nella luminosità dei LED. Fattori come la ripidità della curva tensione/corrente e l’ampia variabilità della tensione diretta dei LED da un lotto a un altro richiedono l’impiego di uno stadio, isolato o non isolato, per la conversione della potenza.
Pilotare LED correttamente
La funzione primaria di un circuito di pilotaggio (driver) per LED è quella di limitare la 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 rappresenta una soluzione a basso costo, ma questo approccio semplicistico fa sì che la corrente e la luminosità del LED cambino con le fluttuazioni della tensione di alimentazione. Ciò rende questo approccio non adatto 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 e dell’intera stringa. L’impiego di resistori, inoltre, richiede la lunga e costosa operazione di raggruppamento (binning) dei LED sulla base delle loro caratteristiche operative.
Molti progetti attuali utilizzano i tradizionali transistor FET (Field Effect Transistor) e BJT (Bipolar Junction Transistors), ma tali componenti hanno caratteristiche fortemente variabili in funzione di corrente, tensione e temperatura. Ciò si traduce in un diverso grado di luminosità che varia da modulo a modulo e genera fluttuazioni che dipendono dalla temperatura di giunzione del transistor e dall’instabilità della tensione di alimentazione.
I moderni regolatori a commutazione che utilizzano circuiti integrati avanzati e topologie all’avanguardia per la conversione della potenza offrono un elevato rendimento e sono efficaci nel controllare la corrente dei LED. Però sono anche costosi, presentano problemi di compatibilità elettromagnetica dovuta alla non linearità della regolazione ed è possibile che occupino troppo spazio all’interno del circuito stampato.
CCR: una scelta efficace ed economica
I regolatori a corrente costante (CCR) presentati in questo articolo rappresentano una scelta semplice, economica ed efficace per pilotare LED. Sono realizzati con semiconduttori in tecnologia FET, ma forniscono una corrente altamente uniforme, da dispositivo a dispositivo e in un ampio intervallo di tensioni, e riducono in modo significativo il coefficiente termico di corrente. L’efficienza operativa e l’efficacia in termini di costi di questo tipo di regolatori a semiconduttore sono possibili grazie a un basso costo dei wafer, alle piccole dimensioni del die e al piccolo ingombro del contenitore a due pin. 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 superiore a 20 V. È inoltre possibile progettare il dispositivo con un piccolo coefficiente di corrente negativo per offrire una protezione circuitale incorporata. I regolatori a corrente costante possono tipicamente sopportare da 50 V a oltre 100 V, 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 tradizionali generatori di corrente a FET e BJT possono variare di circa il ±50% mentre i driver per LED avanzati possiedono tipicamente variazioni di targa del ±15% o del ±10%. I regolatori a corrente costante offrono un’uniformità migliore utilizzando una semplice architettura dedicata. 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.
- Redazione
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