Pilotare Led ad alta tensione

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In questi ultimi anni i produttori di Led hanno sviluippato tantissimi modelli di Led ad alta tensione e bassa corrente che permettono di ottimizzare il processo di conversione dalla rete di alimentazione in corrente alternata al fine di aumentare l’efficienza complessiva di sistema e al contempo semplificare il circuito di pilotaggio. Con gli HV-Led è possibile usare il classico circuito di pilotaggio Ac/Dc insieme ad altre topologie di driver meno convenzionali. Ognuno di questi diversi circuiti di pilotaggio ha delle limitazioni, ma offre anche dei vantaggi che possono favorire l’utilizzo efficiente Led. In generale, affinché un Led sia considerato un HV-Led, la tensione di accensione deve superare di 20 V la tensione tipica di accensione da 2-4 V dei Led tradizionali. Per ottenere questa elevata tensione di accensione esistono due metodi comuni che i fornitori di Led utilizzano. Il primo è il metodo Chip-on-Board, che combina più dispositivi Led tradizionali in uno stesso contenitore, che vengono collegati assieme per formare un array ad alta tensione. L’altro metodo è quello di creare un chip con giunzioni multiple al suo interno. Ciascuna di queste giunzioni emette luce e presenta una caduta tipica di 3 V. Entrambi questi metodi sfruttano la stessa idea di collegare più Led in serie, ma la soluzione adottata dipende dalle capacità di fabbricazione del fornitore. Ora che il Led ha una tensione più elevata, in che modo ciò contribuisce alla sua efficacia? La tensione più elevata richiede che venga utilizzata una corrente più bassa per mantenere la stessa potenza. Questa corrente più bassa è la chiave per una migliore efficacia dell’HV-Led. I Led funzionanti con correnti più basse possiedono una minore densità di corrente, e questa minore densità di corrente riduce di molto le principali perdite interne. Questo miglioramento dell’efficienza interna genera più luce con la stessa potenza e quindi aumenta l’efficacia. Gli HV-Led contribuiscono inoltre a migliorare l’efficienza e semplificano il circuito di pilotaggio riducendo al contempo il costo complessivo di sistema. Per comprendere come gli HV-Led permettono di sfruttare questi vantaggi, verrà analizzato il classico driver Ac/Dc.


Il driver Ac/Dc
I driver Ac/Dc funzionano meglio e sono più efficienti quando la tensione di uscita in continua è la più vicina possibile alla tensione di ingresso in alternata. Ciò significa che la tensione diretta totale della stringa di Led deve essere vicina alla tensione di ingresso. È una condizione che non si riesce a ottenere con i Led classici, dal momento che il costo sarebbe eccessivo e richiederebbe molto spazio. Per reti elettriche da 120 V, il numero di Led tradizionali sarebbe di circa 40 unità. Se invece si utilizzano HV-Led, il numero di Led diventa molto inferiore e si riduce a circa 3-8 dispositivi. Ciò semplifica il layout della scheda e riduce significativamente il costo complessivo. Con la riduzione delle dimensioni del sistema, non diminuisce solo il numero dei dispositivi Led, ma diminuiscono anche i componenti passivi utilizzati nel driver. Questo è il risultato della piccola differenza tra la tensione di ingresso e la tensione della stringa di Led, che riduce la potenza nominale richiesta per questi componenti. I driver Ac/Dc offrono in effetti la migliore efficienza, ma vi sono alcuni inconvenienti che inducono i costruttori di lampade a Led ad esplorare altri tipi di driver. Uno di questi inconvenienti è la necessità di utilizzare un condensatore elettrolitico. La vita di un condensatore elettrolitico è in genere molto più breve di quella dei Led, soprattutto quando il sistema di illuminazione è in un ambiente molto caldo. Questa riduzione della vita e dell’affidabilità del condensatore elettrolitico compromette uno dei principali vantaggi propri dei Led: la lunga durata. Oltre alla scarsa durata di questi condensatori, c’è anche lo svantaggio che sono grandi. Ciò rende difficile usare i driver Ac/Dc in applicazioni in cui c’è poco spazio, come le lampade da soffitto. Il costo del driver Ac/Dc è un altro svantaggio. Poiché il prezzo di una lampada equivalente a Led da 60 W supera i 10 dollari, i costruttori sono alla ricerca di alternative meno costose per alimentare i Led. La maggior parte di queste alternative più economiche possono essere classificate come driver “Direct AC”. Vi sono tre topologie principali di driver “Direct AC”: lineare, a tensione diretta (VF) iterativa e da parallela a serie” (P2S, Parallel to Series). La tipologia lineare è la più semplice e meno costosa, mentre le topologie VF iterativa e P2S utilizzano entrambe qualche tipo di commutazione che aggiunge complessità e costo. Un punto debole comune di tutte queste topologie è la fase negativa della tensione alternata. Durante questa fase, i Led restano spenti. Per risolvere in modo semplice questo problema, si utilizza un raddrizzatore a ponte a onda intera per convertire la tensione negativa in tensione positiva. Tutte e tre le topologie descritte in seguito utilizzano un raddrizzatore a ponte a onda intera.

La topologia lineare
La topologia lineare offre la soluzione più semplice e meno costosa, ma a scapito delle prestazioni. Si chiama così perché utilizza un driver lineare in serie ai Led. Non vi sono altri percorsi per la corrente, solo un percorso diretto che collega il driver lineare e i Led. Un esempio di questo tipo di driver lineare è la serie NSI di regolatori a corrente costante di ON Semiconductor. Questi driver sono dei semplici dispositivi a 2 morsetti (3 morsetti per le versioni regolabili) che forniscono ai Led una corrente costante. Nella topologia lineare, la conoscenza della tensione totale della stringa di Led è molto importante per determinare le prestazioni. Per ottenere la massima efficienza, è desiderabile che la tensione di stringa sia più vicina possibile alla tensione di ingresso massima, al fine di ridurre la caduta di tensione attraverso il driver lineare. Ciò contribuisce a ridurre la quantità di potenza persa. Ciò malgrado, vi sono degli inconvenienti legati a una tensione di stringa di Led molto alta. Innanzitutto, il tempo di conduzione dei Led si riduce man mano che aumenta la tensione della stringa di Led. Ciò inizia a ridurre l’efficacia del sistema dal momento che diminuisce la luminosità dei Led. In secondo luogo, la distorsione armonica totale o Thd (Total Harmonic Distortion) inizierà a crescere a livelli indesiderati. Infine, il fattore di potenza (cosφ) diminuisce se la tensione di stringa dei Led aumenta. Comprendere questi meccanismi è di fondamentale importanza per i costruttori affinché possano scegliere la corretta tensione di stringa dei Led. Per applicazioni in cui il costo è la principale preoccupazione, è accettabile avere un’elevata Thd e un minore cosφ. Nei casi in cui occorrono un miglior cosφ e una minore Thd, vengono adottate le topologie VF iterativa e P2S.

La topologia VF iterativa
La topologia VF iterativa offre una soluzione che migliora la distorsione armonica e il fattore di potenza rispetto alla topologia lineare, garantendo una maggiore efficienza. Questa soluzione essenzialmente inserisce più Led nella stringa man mano che la tensione di ingresso aumenta. L’idea alla base di questa soluzione è di accendere i Led a una tensione di ingresso bassa, riducendo al contempo la caduta di tensione attraverso il driver via via che si aumenta la tensione di ingresso. I maggiori tempi di conduzione e una migliore efficienza forniranno un’efficacia molto maggiore rispetto alla topologia lineare. Oltre al semplice inserimento, a ogni fase, di Led aggiuntivi nella stringa, la maggior parte delle realizzazioni in topologia VF iterativa prevedono anche l'inserimento di un generatore di corrente. Ciò permette di ottenere un’onda di corrente che segue la forma d’onda della tensione, con il conseguente miglioramento della Thd e del cosφ. L'aspetto negativo della soluzione VF iterativa è il modo in cui vengono utilizzati i Led. Quando le tensioni di ingresso sono basse, i gruppi di Led successivi restano inattivi e vengono attivati solo in corrispondenza del relativo stadio di accensione. È energia luminosa potenzialmente sprecata considerato che i Led utilizzano spazio prezioso sulla scheda.

La topologia da parallela a serie
La topologia “da parallela a serie” sembra risolvere questo problema di sottoutilizzazione dei Led. Anziché aggiungere altri Led alla stringa, la soluzione P2S cambia la configurazione dei Led per aumentare la tensione di stringa. Il primo stadio ha i 4 Led tutti in parallelo tra di loro, il secondo stadio ha 2 stringhe da 2 Led, e lo stadio finale ha i 4 Led tutti in serie tra di loro. Se viene utilizzato un HV-Led da 36 V, i gradini di tensione sono 36, 72 e 144 V. Ciò consente di realizzare il medesimo concetto della tensione di stringa che segue la forma d'onda della tensione di ingresso, creando una soluzione ad alta efficienza con buoni valori di Thd e di cosφ. Per aumentare ulteriormente le prestazioni in termini di Thd e cosφ, i nuovi sistemi inseriscono un generatore di corrente supplementare nell'ultimo stadio. Ciò crea una forma d'onda della corrente d'ingresso che si adatta molto bene alla forma d'onda della tensione d'ingresso.

Sfarfallio e compatibilità con i dimmer
Uno dei principali svantaggi delle soluzioni “Direct Ac” è lo sfarfallio (flicker). Poiché la maggior parte dei nuovi sistemi utilizzano il raddrizzatore a ponte a onda intera, ci sarà un punto a zero volt ogni 100 o 120 Hz, a seconda della zona geografica. Ciò si traduce in un'interruzione dell'emissione luminosa e in un possibile sfarfallio visivo. Per contrastare questo sfarfallio, i costruttori di lampade stanno cominciando ad inserire dei condensatori di rifasamento. Tuttavia, ciò elimina l'importante vantaggio che la soluzione Direct Ac ha sulla soluzione Ac/Dc, ovvero l'utilizzo di condensatori elettrolitici. Oltre allo sfarfallio a 100/120 Hz, un altro problema comune è la compatibilità con i varialuce (dimmer). I consumatori si aspettano che le nuove lampade a Led si possano regolare come le lampade tradizionali. Questa è un'operazione difficile per tutte le lampade a Led, a prescindere dalla topologia di alimentazione utilizzata. I dimmer hanno un circuito complesso, che in genere richiede una corrente di mantenimento. Ciò significa che il carico collegato al dimmer richiede sempre un assorbimento di corrente. Poiché i Led conducono solo per tensioni superiori alla tensione di soglia, non vi è corrente di mantenimento alle tensioni più basse e quindi il dimmer non funziona bene. Per risolvere questo problema della corrente di mantenimento, i costruttori utilizzano dei circuiti di drenaggio (bleeder). Questi circuiti di drenaggio assorbono una corrente durante i periodi di spegnimento dei Led. Ciò peggiora l'efficienza generale del sistema, ma permette di ottenere una buona regolazione della luminosità. Le topologie che utilizzano qualche tipo di commutazione produrranno a volte aumenti improvvisi della luminosità nei punti di commutazione. I costruttori stanno cercando di risolvere questo problema con sistemi a isteresi e scegliendo attentamente i punti di commutazione.

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