Illuminazione controllabile

La tecnologia Led (Light emitted didode) si è dimostrata sempre più pervasiva e abilitante negli ultimi anni, progredendo soprattutto sul piano dell’efficienza energetica, della versatilità e della potenza di emissione luminosa, aprendo in tal modo un ampio spettro applicativo. Le modalità applicative dei Led sono tali che richiedono un’elettronica di controllo alquanto complessa e sofisticata che se realizzata con componentistica discreta porta a perdere molti dei vantaggi che la tecnologia dei Led ha conquistato negli ultimi anni. Ecco dunque il notevole sviluppo dell’elettronica di controllo dei Led nota come Led driver. Essendo il Led fondamentalmente un diodo, la corrente fluisce in una sola direzione. Di conseguenza, perché il Led non subisca danni in conseguenza di un non corretto flusso di corrente, il driver deve tenere sotto controllo tale flusso ed evitare anche che sotto certe condizioni la corrente salga troppo (per esempio quando la temperatura aumenta).

Dall’automotive all’agricoltura

I campi applicativi della tecnologia Led (Led e driver) sono nuovi e particolarmente impegnativi, come quello automotive e quello della produzione agro-alimentare (serre intelligenti). L’automotive è un campo applicativo della tecnologia Led particolarmente impegnativo dato che i requisiti in questo settore sono particolarmente stringenti. Magneti Marelli Automotive Lighting ha realizzato nel 2007 il primo proiettore al mondo completamente a Led (full-Led) prodotto in serie, in cui tutte le funzioni di illuminazione (abbaglianti, posizione, segnalazione, ecc.) sono state implementate utilizzando la tecnologia Led di ultima generazione (Led bianchi). Il vantaggio maggiore rispetto alla tecnologia di illuminazione tradizionale offerto dai Led bianchi sta nella natura del colore della luce (temperatura del colore). A 6.000 gradi Kelvin, l’intensità della luce ha una qualità quasi identica a quella della luce diurna migliorando in tal modo la qualità della visione umana in termini di contrasto e discriminabilità. Altri ben noti vantaggi della tecnologia Led particolarmente apprezzati in campo automotive sono il bassissimo consumo di potenza elettrica (fino a 20 volte inferiore rispetto al sistema tradizionale) e la lunga durata. Un altro vantaggio della tecnologia Led sta nella sua natura elettronica, quindi per definizione controllabile e programmabile. In campo automotive ciò significa adattività, cioè adeguamento dinamico rispetto alle condizioni operative (luminosità esterna, velocità di guida, tipo di percorso, ecc.). Non trascurabile, in ambito automotive l’aspetto estetico, in quanto per loro natura dimensionale, i Led consentono di creare forme e design originali che invece la tecnologia di illuminazione elettrotecnica non permette.

Led oltre l’illuminazione

I Led emettono luce ma non servono solo per illuminare o per segnalare lo stato logico (on/off) di un circuito digitale. Un utilizzo recente di grande impatto applicativo è quello della stimolazione luminosa dei tessuti biologici (corpo umano) allo scopo di eseguire misure fisiologiche (frequenza del battito cardiaco, tasso di ossigeno nel sangue, ecc.). La pulsossimetria è un’applicazione di natura medicale che consente la misurazione di parametri fisiologici relativi all’attività del sistema cardio-circolatorio umano. Queste tecniche di misura di parametri fisiologici tramite la cattura con un fotodiodo della luce riflessa attraverso il tessuto irrorato dal sangue, rappresentano una grande innovazione nel campo dell’elettronica medicale consumer rispetto alle tecniche precedenti basati su elettrodi a contatto metallici. Analog Devices è uno dei più avanzati sviluppatori di componenti di natura System-on-Package in quanto ha integrato in un singolo package i Led necessari tarati sulla frequenza di emissione di luce ottimale per eseguire l’optical rate monitoring e reflective SpO2, incluso il fotodiodo e la necessaria elettronica di controllo per ovviare all’interferenza della luce ambientale esterna. Il SoP ADPD174GGI integra un front end fotometrico altamente efficiente, tre Led (due a emissione di luce verde, e uno ad emissione di luce infrarosso) e un fotodiodo. Il SoP di Analog Devices, integra anche la necessaria elettronica di controllo, inclusi i Led driver configurabili separatamente. Il SoP ADPD174GGI di Analog Devices integra un front-end fotometrico, tre Led (due a emissione di luce verde, e uno a emissione di luce infrarosso), un fotodiodo e i Led driver configurabili separatamente.

La tecnologia Led GaN on GaN

Il GaN (Gallium Nitrure) è un semiconduttore che si caratterizza per un energy gap diretto, pari a 3,47 V alla temperatura di 0 K. Il GaN ha un band gap diretto, che lo rende utile per la realizzazione di laser blu e dei Led. Il GaN on GaN è un processo che consente di ottenere l’emissione della luce violetto mentre i Led normalmente emettono luce blu. La luce visibile naturale inizia con il violetto e termina con il rosso. Ciò significa che perché la resa dei colori al fine della visione implica che la luce prodotta dai dispositivi di illuminazione deve essere perfettamente bilanciata nelle componenti alle varie lunghezze d’onda da 400nm to 700nm. Ciò è possibile ottenerlo per i Led con la tecnologia del GaN on GaN come ottenuto da Soraa nella produzione di Led di ultima generazione destinati ai sistemi di illuminazione che emulano l’illuminazione solare naturale. I Led GaN on Gan Soraa emettono il violetto a una frequenza di picco di 410-420 nm. Quindi con l’utilizzo di un mix multi-ortophosfor la luce emessa riesce a coprire l’intera gamma dei 700 nm, ottenendo in tal modo la copertura dell’intero range della luce naturale dai 400 nm del violetto ai 700 nm del rosso.

L’elettronica di controllo del Led

Il Led è un circuito elettronico non lineare che richiede una specifica circuiteria elettronica di controllo perché possa eseguire correttamente la sua funzione. Per illuminarsi ed emettere un dato colore il Led deve ricevere una specifica quantità di corrente, ma la quantità di corrente deve essere limitata per evitare che si danneggi. Essendo fondamentalmente un diodo il Led manifesta una caduta di tensione costante ai suoi capi, su un’ampia gamma di corrente e ciò comporta che una piccola variazione di tensione genera un grande aumento di corrente. L’elettronica di controllo di un Led a bassa potenza che deve semplicemente accendersi per segnalare uno stato logico è abbastanza semplice. Più complessa è invece l’elettronica di controllo per pilotare un Led ad alta potenza per applicazioni di illuminazione. Il circuito elettronico di controllo più semplice consiste in una sorgente di alimentazione e una resistenza per limitare la corrente in serie al Led (terminale positivo - anodo). Il circuito base di controllo dei Led è semplice (una sola resistenza) ma non sufficiente al versatile utilizzo di questo componente. Un caso emblematico si verifica quando in un circuito un segnale in tensione rapidamente variabile (alta frequenza) pilota il Led. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, il Led non appare lampeggiare con il periodo di ripetizione della frequenza della tensione di alimentazione del Led, ma costantemente acceso. Quindi non svolge la funzione di visualizzazione di una frequenza di segnale. Ciò perché quando la frequenza del segnale che alimenta il Led supera la soglia della frequenza di fusione percettiva della visione umana, allora avviene il fenomeno di persistenza dell’immagine indipendentemente dalla sua variabilità. Il controllo a modulazione di ampiezza d’impulso risolve questo problema in maniera efficiente. Considerando che molte delle Mcu che vengono utilizzate nelle applicazioni elettroniche dispongono di periferiche che consentono di trasformare un segnale sinusoidale (singola frequenza) Pcm in segnale corrispondente Pwm per il controllo del Led, con una Mcu è possibile ottenere in maniera pratica ed economica la funzione di Led driver. Nella maggior parte dei casi l’elettronica di controllo dei Led è così complessa a fini di una efficiente ed efficace applicazione basata sui Led che solo una soluzione di elettronica integrata può soddisfare i requisiti applicativi. Gli IC Led Driver, svolgono questo ruolo quando tale elettronica non è già integrata nel package stesso del Led.

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