Illuminazione LED: potenza e regolazione le due sfide su cui lavorare

Nel momento in cui l'utilizzo dei LED aumenta, grazie a caratteristiche quali bassi consumi, versatilità e compatibilità intrinseca con gli schemi di illuminazione "intelligenti", i progettisti devono essere in grado di garantire migliori prestazioni, soprattutto in termini di diminuzione dei consumi di potenza in stand-by e di aumento dell'ampiezza del range di regolazione della luminosità. ON Semiconductor è un'azienda che sta attivamente lavorando per risolvere alcune delle problematiche correlate all'efficienza della conversione di potenza e a una regolazione della luminosità (dimming) più efficace che l'industria dell'illuminazione deve affrontare, oltre a sviluppare le tecnologie della prossima generazione in grado di garantire livelli di efficienza ancora maggiori e numerosi altri benefici.

Le sfide per i progettisti di sistemi di illuminazione

L'introduzione di normative sempre più severe da parte dei vari Governi e le maggiori aspettative da parte dei consumatori hanno contribuito a rendere più complesso il lavoro dei progettisti dei sistemi di illuminazione. Enti come EPA (che ha promosso il programma Energy Star) e la Commissione europea hanno focalizzato la loro attenzione non solo sull'efficienza dei dispositivi elettronici (illuminazione compresa) ma anche sul loro consumo di potenza in stand-by, che può essere fonte di significativi assorbimenti di energia nel tempo. Con l’avvento delle soluzioni di illuminazione “intelligenti” la sfida diventa ancora più ardua in quanto l’alimentatore deve restare sempre in funzione alla ricerca di un segnale proveniente dal controllore per cui assorbe corrente in maniera continua.

Attualmente, le normative Energy Star fissano in 0,5 W l’assorbimento massimo di potenza consentito in stand-by ma alcuni Enti come CEC (California Energy Commission) stanno pensando di ridurre questo valore a 0,2 W entro il 2019, contribuendo a complicare ulteriormente il lavoro dei progettisti. Il passaggio dalle tradizionali lampadine a incandescenza alla tecnologia LED ha comportato un cambiamento delle tecniche utilizzate per regolare la luminosità. La regolazione di tipo puramente resistivo o basata su TRIAC è stata sostituita da tecniche PWM (Pulse Width Modulation) più sofisticate che richiedono l’adozione di un differente approccio da parte dei progettisti. I LED sono una tecnologia a bassa tensione, quindi non possono essere pilotati direttamente dall'alimentazione di rete come accade per le lampade a incandescenza. Ciò significa che è necessario ricorrere a un alimentatore in grado di fornire un'alimentazione a tensione costante (CV – Constant Voltage) o a corrente costante (CC – Constant Current) ai LED in funzione della particolare applicazione considerata. Poiché questi alimentatori influenzano le prestazioni e l'efficienza complessive della soluzione di illuminazione, le loro caratteristiche vengono analizzate con la stessa attenzione riservata ai LED.

Attualmente sono disponibili diverse soluzioni di illuminazione, con potenze variabili da pochi Watt a molte centinaia di Watt. Di conseguenza è possibile adottare numerosi approcci per il progetto degli alimentatori destinati al loro pilotaggio. Per quanto riguarda le applicazioni a bassa potenza (con valori tipicamente inferiori a 10 W), una topologia di conversione a singolo stadio è la soluzione più comunemente adottata. Nel momento in cui aumentano i settori applicativi delle soluzioni di illuminazione a stato solido, i LED e i relativi alimentatori devono essere integrati in spazio sempre più ristretti: in un contesto di questo tipo l'efficienza assume un'importanza critica in quanto è necessario minimizzare la generazione di calore che deve essere dissipato in modo da permettere l'integrazione di soluzioni di illuminazione che devono quindi garantire affidabilità di funzionamento in spazi ridotti e spesso sigillati. La diminuzione dei prezzi dei LED ha senza dubbio contribuito alla rapida diffusione delle soluzioni di illuminazione basate sui questi componenti. Di conseguenza installatori e consumatori non solo si aspettazione che gli alimentatori per LED garantiscano migliori prestazioni in spazi sempre più ridotti, ma che i loro prezzi seguano le stesse dinamiche di quelle dei LED. Per i progettisti, ciò significa ridurre il numero dei componenti richiesti e di conseguenza il costo della BOM (Bill of Material).

Un approccio moderno alla conversione di potenza

Fig. 1 – Una conversione a due stadi è l'approccio più comunemente utilizzato per le soluzioni di alimentazione di media potenza

Uno dei settori di mercato contraddistinto dai più elevati tassi di crescita è quello degli alimentatori che erogano potenze nel range compreso tra 25 e 100 W, adatte per l'illuminazione di uffici, stabilimenti e abitazioni: in questo caso l'approccio più comunemente adottato prevede l'utilizzo di una conversione a due stadi. In molte applicazioni, l'alimentatore prevede uno stadio flyback con correzione del fattore di potenza (PFC – Power Factor Correction) seguito da un convertitore DC-DC di tipo buck (Fig. 1). Un approccio di questo tipo risulta particolarmente utile in tutte quelle applicazioni che richiedono la regolazione della luminosità. Esso inoltre semplifica sia lo shutdown (arresto graduale) dei LED in modalità stand-by sia il controllo di più stringhe di LED utilizzate per soluzioni di illuminazioni complesse. ON Semiconductor ha di recente introdotto una soluzione integrata per applicazioni di questo tipo grazie alla quale è possibile sviluppare alimentatori per sistemi di illuminazione ad alte prestazioni ricorrendo a due circuiti integrati e a un numero molto limitato di componenti esterni.

Fig. 2 – FL7740 è un controllore PSR (Primary Side Regulation) a stadio singolo per applicazioni di illuminazione

FL7740 (Fig. 2) è un controllore PSR (Primary Side Regulation) a tensione costante a stadio singolo che garantisce una regolazione CV (± 3%) con funzionalità dinamiche integrate (tra cui un tempo di risposta molto breve) utili per minimizzare fenomeni di sotto e sovra-elongazione (inferiori al 10% della tensione di uscita) in presenza di transitori di linea e del carico. Il controllore, in grado di operare con un ingresso AC compreso tra 80 e 382 VAC, è adatto per applicazioni alimentate da rete su scala mondiale. In grado di fornire una potenza fino a 100 W e caratterizzato da consumi di soli 0,15 W in modalità stand-by, questo integrato supera i requisiti imposti dalle norme in vigore e consente l'operatività in modalità "always on" (sempre acceso), essenziale per implementare soluzioni di illuminazione "intelligenti". Lo stadio PFC integrato è in grado di assicurare un fattore di potenza superiore a 0,9 a pieno carico con una distorsione armonica totale (THD) inferiore al 10%. A mezzo carico il fattore di potenza rimane uguale a 0.9 a patto di abilitate l'ottimizzatore del fattore di potenza selezionabile. In questo modo è possibile minimizzare i disturbi in ingresso per un'ampia gamma di condizioni di carico, consentendo quindi l'uso di FL7740 in una pluralità di applicazioni. Questo controllore avanzato integra numerose funzionalità di protezione essenziale per garantire un funzionamento sicuro dei sistemi di illuminazione: tra le principali si possono annoverare protezione contro i sovraccarichi, il corto circuito del diodo in uscita, il corto circuito/circuito aperto del resistore di rilevamento, oltre alla protezione contro la sovratensione dei pin VDD e VS.

Fig. 3 – FL7760 è un controllore buck ad ampio intervallo di tensioni di ingresso in grado di regolare la luminosità in un range molto esteso

Il controllore step-down (buck) FL7760 (fig. 3) che opera in modalità CCM (Continuous Current Mode) fornisce il secondo stadio di conversione. Questo dispositivo può operare in un range esteso di tensione di ingresso – da 8 a 60 V – e supporta sia la regolazione analogica sia quella PWM in un intervallo molto ampio a fronte di un consumo di soli 150 µA. Questo integrato è in grado di supportare la regolazione in modalità PWM sull'intero intervallo di uscita (da 1 al 100%) anche se bisogna tener presente che determinate situazioni di funzionamento possono far sorgere fenomeni di flicker (sfarfallio) e di rumore udibile a causa delle frequenze di funzionamento della modalità PWM. Il range della regolazione della luminosità analogica è molto ampio, da 5 al 100%, e rappresenta un notevole miglioramento rispetto al range consentito dalle tecnologie esistenti, solitamente compreso tra il 15 e il 100%. Di solito si preferisce la regolazione della luminosità di tipo analogico in quanto non presenta gli svantaggi tipici della regolazione PWM e la disponibilità di un componente come FL7760 permette per la prima volta ai progettisti di sistemi di illuminazione di optare per la regolazione analogica. Per la regolazione della luminosità al di sotto della soglia analogica del 5%, FL7760 consente di abbinare la regolazione analogica e quella in modalità PWM, dando la possibilità di utilizzare una regolazione mista che, sfruttando entrambi gli approcci, copre l'intero range di regolazione (da 0 a 100%) senza dar luogo a problemi di flicker o rumore udibile. Analogamente a FL7740, anche il controllore FL7760 integra numerose funzionalità di protezione tra cui shutdown termico e protezione contro sovracorrenti.

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