Le ragioni per promuovere l'adozione dei Led ad alta luminosità sono senza dubbio numerose. Ad esempio, permettono di risparmiare energia, oltre a garantire una maggiore compatibilità ambientale grazie all'assenza di mercurio, elemento questo presente nelle lampade a fluorescenza. La maggiore durata si traduce in una riduzione dei costi di manutenzione, mentre il livello di sicurezza è sicuramente superiore: essi infatti non smettono di funzionare improvvisamente, bensì la loro luminosità diminuisce gradualmente. I Led ad alta potenza sono pilotati da correnti di elevata intensità, dell'ordine di 350 - 1.000 mA. I più recenti progressi tecnologici hanno permesso di realizzare Led capaci di garantire un'efficienza luminosa compresa tra 40 e 80 lumens/watt disponibili in package da 1-3 watt. I produttori di riferimento in questo settore sono Cree, Philips e Osram. La tecnologia Led ha fatto registrare progressi costanti a partire dall'inizio ci questo millennio. La loro intensità luminosa in uscita (espressa in lumen/watt) ha superato quella di tutte le altre sorgenti luminose all'incirca due anni fa. Questo fattore, abbinato al notevole risparmio energetico, ha promosso una vera e propria rivoluzione nell'illuminazione in ambito domestico.
Sorgenti luminose: un confronto
Dall'esame dei parametri appare chiaro che la soluzione in grado di garantire la maggiore luminosità è rappresentata dagli HBLed (High Brightness Led). L'efficacia di una sorgente luminosa è simile all'efficienza. In pratica si fa riferimento alla quantità di energia che entra nel bulbo che viene trasformata in luce invece che in calore. Gli HBLed sono senza dubbio i dispositivi che garantiscono i numeri migliori. In presenza di fluttuazioni della corrente di pilotaggio, le lampade a incandescenza sono quelle che hanno la maggiore probabilità di manifestare una variazione della tonalità del colore. Il maggior vantaggio delle sorgenti fluorescenti e HBLed rispetto a quelle a incandescenza è senza dubbio la durata. Questa è una delle principali ragioni della graduale eliminazione delle lampade a incandescenza in molti Paesi. Gli HBLed, dal canto loro, si propongono come una soluzione alternativa valida alle lampade fluorescenti in quanto garantiscono una maggior robustezza (si tratta di dispositivi a stato solido realizzati in silicio e non in materiale fragile), compattezza dimensionale e assenza di prodotti chimici pericolosi (per cui non sono richieste procedure particolari per il loro smaltimento).
Sistemi di illuminazione a Led: obiettivi di progetto
Per passare a soluzioni basate su HBLed gli utenti vogliono la garanzia di poter contare su un elevato livello qualitativo. I progetti devono assicurare un fattore di potenza (power factor) di almeno il 90% e un'efficienza uguale o superiore all'80%. Nelle applicazioni in continua, la massima tensione di ingresso si attesta intorno ai 40 V, mentre in quelle in alternata vi potrebbero essere ingressi a 120 o 240 V (277 V max.). Gli HBLed devono essere pilotati da circuiti modulatori Pwm (Pulse Width Modulator) che operano a frequenze superiori a 120 Hz al fine di minimizzare possibile problema. Alcune volte questo valore di frequenza deve essere variabile. Oltre a questi vincoli di progetto, è possibile avere topologie di tipo isolato e non isolato, a secondo delle scelte del progettista e dell'applicazione. Un'ulteriore complicazione è imputabile alla presenza, in alcuni casi, di un circuito per la variazione dell'intensità luminosa (dimmer). Da quanto appena asserito si evince che non esiste una soluzione di tipo universale. Vi sono altri elementi di progetto che devono essere presi in considerazione. Ogni soluzione è infatti caratterizzata dal numero dei Led utilizzati e dallo corrente che fluisce attraverso di essi. Inoltre potrebbe risultare necessario apportare modifiche in presenza di variazioni nei componenti magnetici, nonché dei componenti di potenza e dei condensatori di uscita.
Circuiti applicativi: un esempio pratico
Il prezzo degli HBLed varia all'incirca tra 1 e 2 dollari. Poiché essi vengono usati per formare stringhe di varia lunghezza, il convertitore non rappresenta un elemento critico di progetto per quel che concerne i costi. Il primo controllore che si vuole prendere in esame è ISL6721 di Intersil. Si tratta di un controllore Pwm di tipo single-ended operante in modalità “current mode”. La modalità “peak current mode” (in pratica la rilevazione della corrente di picco) permette di gestire in maniera efficace i transitori di corrente e garantisce una protezione intrinseca contro le sovracorrenti. Esso è stato impiegato in tubi di tipo T8 (al posto del tradizionale ballast di un impianto di illuminazione fluorescente) presso un importante produttore di contatti. ISL6721 può anche essere anche utilizzato come circuito sostitutivo nei sistemi che prevedono sorgenti a incandescenza. Una soluzione realizzata mediante una configurazione di tipo flyback non isolata è attualmente utilizzata per l'illuminazione di un viale in Asia. La soluzione in questione utilizza 10 HBLed ed è caratterizzata da un'uscita a 10 W con un'efficienza dell'82%. Per essere competitivi in applicazioni di tipo domestico, le soluzioni di illuminazione che utilizzano HBLed devono prevedere una funzione di regolazione dell'intensità luminosa. Si deve tener presente che i Led sono pilotati da controllori di tipo Pwm. Ciò vuol dire che non sono costantemente in funzione: la frazione di tempo in cui sono attivi può essere variabile e la gestione avviene per mezzo del controllore. Nel progetto di una soluzione di illuminazione da incasso formata da un adattatore a sei Led con funzione di dimming, il componente principale (oltre naturalmente agli HBLed) è il controllore ISL6745A. I componenti all'estremità superiore destra formano un controllore Sepic che pilota la stringa dei sei HBLed. Gli amplificatori circostanti si occupano di regolazione della corrente, protezione contro corto circuiti e contro sovratensioni. Nell'estremità inferiore sinistra vi è il circuito di regolazione dell'intensità luminosa in c.a.. L'uscita dell'amplificatore del dimmer è filtrata prima di essere utilizzata come nodo di riferimento per il regolatore di corrente che gestisce la retroazione nell'anello. La tensione di polarizzazione, VD, di ISL6745A può variare da 6,5 a 20 V. Le uscite sono driver FET low side a 1 A, 12 V per il pilotaggio di FET low side (come Q1 nel circuito applicativo proposto), driver di un gate ad alta tensione o trasformatori per il pilotaggio di un gate. L'ISL6745A è senza dubbio uno dei driver per HBLed di riferimento all'interno della vasta gamma sviluppata da Intersil. Oltre all'utilizzo in un circuito come quello descritto, esso può vantare una notevole versatilità grazie a caratteristiche quali frequenza di commutazione regolabile, soft start regolabile, protezione contro le sovratemperature e “deadtime” regolabile con precisione. È disponibile in un package MSOP-10 di dimensioni estremamente ridotte. A riprova della sua estrema flessibilità, l'ISL6745A può essere impiegato in configurazione isolata o non isolato con o senza regolazione dell'intensità luminosa. Gli HBLed rappresentano quindi l'alternativa più ecologica per applicazioni di illuminazione in ambito consumer e negli ultimi anni i progressi tecnologici hanno permesso la realizzazione di soluzioni in grado di proporsi come una valida alternativa per progetti basati su sorgenti sia a incandescenza sia a fluorescenza.
