Sebbene i Led siano utilizzati da anni per le luci diurne e di arresto, gli indicatori di direzione e l'illuminazione interna, le applicazioni specifiche per i fari sono relativamente poche. Oggi pochi veicoli sono dotati di fari a Led; tra questi la Audi A8 e R8, la LS600h e la RX450h della Lexus, la Toyota Prius e la Escalade della Cadillac. Secondo alcune stime, l'attuale mercato dei fari a Led raggiungeva quota 1 miliardo di dollari nel 2011, ma si prevede che supererà i 2 miliardi di dollari nel 2014. Una delle sfide principali che i progettisti di sistemi di illuminazione per auto devono affrontare è trovare il modo di ottimizzare tutti i vantaggi offerti dall'ultima generazione di Led ad alta luminosità. In genere questi Led hanno bisogno di una fonte di alimentazione precisa efficiente e del dimming, quindi occorre progettare un driver in grado di soddisfare queste esigenze in diverse condizioni operative. Di conseguenza gli alimentatori devono essere molto efficienti, offrire caratteristiche solide e garantire un'affidabilità elevata, ma anche essere molto compatti ed economici. Probabilmente una delle applicazioni più esigenti per la gestione dei Led ad alta luminosità è rappresentata dai fari per auto che sono soggetti alle asprezze dell'ambiente elettrico dell'auto, devono fornire una potenza elevata (normalmente da 50 a 75 W), essere alloggiati in spazi molto ristretti e avere un prezzo interessante.
I vantaggi dei fari a Led nell'auto
Vantaggi quali le dimensioni ridotte, un ciclo di vita molto lungo, bassi consumi e un dimming migliorato fungono da catalizzatore per favorire la massima diffusione dei fari dotati di Led ad alta luminosità. Molti costruttori, tra cui Audi, Mercedes e, recentemente, Lexus, hanno utilizzato i Led per creare luci di profondità molto particolari, o “sopracciglia”, intorno ai fari che consentono di riconoscere il marchio ancora prima del modello della vettura. Sebbene queste applicazioni siano molto particolari dal punto di vista progettuale, non comportano gli stessi problemi associati alle luci abbaglianti e anabbaglianti. Come tutti sanno, la funzione primaria dei fari consiste nel fornire l'illuminazione anteriore di notte e in presenza di condizioni atmosferiche non troppo favorevoli, come pioggia, neve e nebbia. L'evoluzione del faro nasce dalla necessità di avere a disposizione un'illuminazione di livello superiore. Negli anni Ottanta le più diffuse nel settore erano le lampade alogene che, con una potenza di 50W, erano in grado di fornire un flusso luminoso di circa 1.500 lumen, con un miglioramento del 50% rispetto ai loro predecessori; il che si traduce in un rendimento (cioè l'emissione luminosa per watt) o in una luce erogata per watt di 30 lumen/watt (lm/W). A metà degli anni Novanta iniziarono a diffondersi le lampade a scarica ad alta intensità (HID) allo xeno che erano in grado di fornire fino a 80lm/W, consentendo ai costruttori di garantire un'emissione luminosa totale ancora maggiore. Ma anche queste lampade hanno alcuni svantaggi: ad esempio, vanno regolate con la massima precisione per evitare di abbagliare le vetture provenienti dalla direzione opposta, hanno un ciclo di vita relativamente breve (2.000 ore), usano vapore di mercurio tossico e hanno costi di produzione elevati. Con l'aumento della loro efficacia, i Led ad alta luminosità sono diventati più interessanti per le applicazioni di illuminazione. Cinque anni fa i Led di questo tipo offrivano un rendimento di 50 lm/W che per i fari non era sufficiente; oggi invece arrivano a 100 lm/W, ma, secondo alcune stime, nei prossimi anni supereranno i 150 lm/W, andando a sovrastare perfino le lampade Hid migliori. La capacità di offrire praticamente la stessa emissione luminosa per watt ed altri vantaggi, tra cui lunga durata, solidità e design ecologico, rende i Led particolarmente interessanti per l'alimentazione dei fari di nuova generazione. I vantaggi derivanti dall'uso dei Led nei fari per auto comportano una serie di effetti positivi. Innanzi tutto non occorre sostituirli perché hanno una longevità allo stato solido di 100.000 ore (pari a 11,5 anni di servizio) che supera la durata del veicolo. Questo consente ai costruttori di automobili di integrarli nel design dei fari, senza prevedere l'accessibilità per un'eventuale sostituzione. Anche lo styling può essere modificato perché i sistemi a Led non hanno bisogno della profondità o dello spazio necessari alle lampade Hid o alogene. Inoltre i Led ad alta luminosità offrono un'emissione luminosa (in lumen) migliore rispetto alle alogene (e presto supereranno anche le Hid). Questa caratteristica ha due effetti positivi: una riduzione del consumo di energia elettrica dal bus dell'auto, aspetto particolarmente importante nel caso delle auto elettriche e ibride, e, altrettanto importante, una diminuzione della quantità di calore da dissipare nel display, il che rende superfluo l'uso di ingombranti e costosi dissipatori di calore. Infine l'impiego di file di Led ad alta luminosità che vengono controllati e attenuati elettronicamente consente di ottimizzare l'illuminazione per le più svariate condizioni di guida.
Parametri di progettazione
Per poter garantire prestazioni ottimali e un lungo ciclo di vita, i Led hanno bisogno di un buon circuito di comando. Questi circuiti devono fornire una fonte di corrente continua precisa ed efficiente e una regolazione della tensione precisa, a prescindere dalle ampie variazioni della tensione in ingresso. In secondo luogo devono offrire il dimming e diverse funzioni di protezione in caso di Led aperti o cortocircuitati. Oltre a garantire un funzionamento affidabile in un ambiente elettrico difficile come quello dell'auto, devono essere economici e poco ingombranti.
Stop/start, avviamento a freddo
e load dump
Per ottimizzare il consumo di carburante e ridurre al minimo le emissioni di anidride carbonica, stanno nascendo tecnologie alternative sempre nuove. Sia che si tratti di motori elettrici ibridi, diesel pulito o un più tradizionale motore a combustione interna, è molto probabile che prevedano anche la funzione stop/start. Questa funzione, già presente in quasi tutti i modelli ibridi del mondo, è stata adottata anche dai costruttori europei e asiatici per i tradizionali veicoli a gas e diesel. Recentemente, negli Usa, la Ford ha annunciato che inserirà i sistemi stop/start in molti dei suoi modelli destinati al mercato interno nel 2012. Il concetto del sistema stop/start è molto semplice: il motore si spegne quando il veicolo si ferma e si riaccende poco prima che il veicolo riparta. In questo modo si diminuisce il consumo di carburante e si riducono le emissioni generate quando la vettura è bloccata nel traffico o ferma al semaforo. Questo sistema può ridurre il consumo di carburante e le emissioni del 5% fino al 10%. Ma il problema principale è fare in modo che il conducente non si accorga della presenza del sistema. Sono due gli ostacoli che impediscono di rendere la funzione stop/start invisibile al conducente; il primo è il tempo di riavvio veloce. Usando un motorino di avviamento avanzato, alcuni costruttori hanno ridotto il tempo di riavvio a meno di 0,5 secondi, rendendo il sistema praticamente invisibile. Il secondo problema è fare in modo che tutta l'elettronica, inclusi il sistema di condizionamento dell'aria e di illuminazione, venga alimentata direttamente dalla batteria quando il motore è spento, mantenendo però una riserva sufficiente a riavviare velocemente il motore quando il conducente preme l'acceleratore. Per poter inserire la funzione stop/start occorre apportare alcune modifiche al propulsore: l'alternatore può sostituire il motorino di avviamento avanzato per garantire il riavvio veloce, inoltre va aggiunta un'unità elettronica che controlla quando e come il motore si spegne e si riaccende. La batteria deve essere in grado di alimentare le luci, il controllo ambientale e altri dispositivi elettronici mentre il motore/l'alternatore è spento. Deve anche essere in grado di alimentare il motorino di avviamento quando il motore si riaccende. Questa carica estrema della batteria introduce, però, un altro problema di progettazione, questa volta di natura elettrica, perché l'assorbimento di corrente necessario per riavviare il motore può diminuire la tensione della batteria ad appena 5 V. La sfida per il driver Led consiste nel fornire continuamente una tensione in uscita e una corrente dei Led ben regolate quando la tensione del bus della batteria scende a 5 V, per poi tornare ai 13,8 V nominali quando il caricatore torna nello stato stazionario. La condizione di “avviamento a freddo” si verifica quando il motore dell'auto viene esposto a temperature basse o bassissime per un certo periodo di tempo. L'olio del motore diventa molto viscoso per cui il motorino di avviamento deve trasmettere più coppia, il che comporta, a sua volta, un maggiore assorbimento di corrente dalla batteria. Questa notevole corrente di carico può portare la tensione della batteria/del bus primario sotto i 5 V al momento dell'accensione, dopo di che torna ai 13,8 V nominali. È indispensabile per alcune applicazioni (es. controllo motore, sistemi di sicurezza e di navigazione) avere una tensione in uscita ben regolata (normalmente 5 V) in condizioni di avviamento a freddo in modo da poter sempre utilizzare i sistemi di alimentazione in fase di avvio del veicolo. La condizione di “load dump” si verifica quando i cavi della batteria vengono inavvertitamente staccati mentre l'alternatore sta caricando la batteria. Questa situazione si presenta quando un cavo della batteria si stacca o si rompe mentre l'auto è in funzione. Una disconnessione così improvvisa può provocare picchi di tensione transitoria fino a 60 V mentre l'alternatore tenta di caricare completamente una batteria assente. Di solito i transorbs sull'alternatore bloccano la tensione del bus su un valore compreso tra 30 e 34 V e assorbono la maggior parte del picco; tuttavia i convertitori Dc/Dc e i driver Led a valle dell'alternatore sono soggetti a picchi di tensione transitoria di 36 V. Oltre a sopravvivere, questi driver devono continuare a regolare la tensione in uscita e la corrente dei Led per tutto l'evento transitorio.
Driver buck-boost sincrono
per Led automotive
Per fortuna esiste una soluzione a tutti questi problemi, il driver Led LT3791 di Linear Technology. L'LT3791 è un driver Led sincrono e un controller di tensione buck-boost DC/DC in grado di fornire una potenza Led superiore ai 100W. Il range di tensioni in ingresso, compreso tra 4,7V e 60V, rende questo dispositivo la soluzione ideale per una vasta gamma di applicazioni, tra cui fari a Led ad alta luminosità per auto, camion e perfino aerei. Analogamente la tensione in uscita può essere impostata tra 0 e 60 V, consentendo al dispositivo di gestire un'ampia gamma di Led in una sola striscia. Una tipica applicazione per fari da 50 W utilizza un solo induttore per regolare con precisione una serie di Led da 25 V a 2 A e fornire una potenza di 50 W. Questo circuito offre un rapporto dimming Pwm di 50:1, perfetto per esigenze di dimming automatico antiriflesso. La corrente (Led) è controllata sia in ingresso che in uscita ed è garantita un'adeguata protezione in caso di Led aperti o cortocircuitati. Il controller interno buck-boost a 4 switch funziona con tensioni in ingresso superiori, inferiori o uguali alla tensione in uscita ed è perfetto per le applicazioni automotive in cui la tensione in ingresso può variare in modo significativo durante l'accensione e lo spegnimento e in condizioni di avviamento a freddo e load dump. I passaggi tra le modalità operative buck, pass-through e boost avvengono in modo lineare, offrendo un'uscita ben regolata nonostante le ampie variazioni della tensione di alimentazione. Il design esclusivo dell'LT3791 utilizza tre loop di controllo per monitorare la corrente in ingresso, la corrente dei Led e la tensione in uscita per fornire il massimo livello di prestazioni e affidabilità.
L'LT3791 utilizza quattro Mosfet di commutazione esterni e fornisce potenza Led continua da 5W fin oltre 100W, con un rendimento del 98%. Nei veicoli ad alimentazione tradizionale un rendimento elevato è un fattore importante perché rende praticamente superflui i dissipatori di calore, con conseguente riduzione dell'ingombro. Ma nei veicoli elettrici questo risparmio di potenza comporta un aumento del livello di autonomia tra una carica e l'altra. La precisione della corrente dei Led di +6% garantisce un'illuminazione costante nella fila di Led, mentre la precisione della tensione in uscita di + 2% offre diverse funzioni di protezione dei Led e consente al convertitore di funzionare come fonte di tensione costante. L'LT3791 utilizza il dimming analogico o Pwm, in base alle esigenze dell'applicazione. Inoltre è possibile programmare la frequenza di commutazione tra 200kHz e 700kHz o sincronizzarla su un clock esterno. Tra le altre caratteristiche figurano la disconnessione delle uscite, il monitoraggio della corrente in ingresso e in uscita e la protezione integrata contro i guasti.
