Il pilotaggio dei Led per illuminazione

Il corretto pilotaggio dei Led
Come si è detto, la funzione fondamentale del driver è alimentare i Led convertendo la corrente alternata della rete elettrica in una corrente continua di valore costante. Ciò richiede due operazioni distinte, la conversione Ac-Dc e la regolazione della corrente, che possono essere svolte da due stadi circuitali diversi o riunite in un unico stadio. Occorre poi che i Led siano alimentati in modo corretto. L'alimentazione è corretta se consente di produrre una luce di alta qualità, di ottenere la massima efficienza di conversione luminosa (in termini di lumen per watt) e di prolungare la durata dei Led. La qualità della luce prodotta è determinata in primo luogo dalla stabilità dell'intensità luminosa, che richiede una precisa regolazione della corrente; quest'ultima deve rimanere costante in tutte le condizioni di tensione e di temperatura. Importante, ai fini della qualità della luce, è anche la stabilità delle coordinate cromatiche, che dipende dalla stabilità della corrente e della temperatura; e infine l'assenza di sfarfallio, che richiede l'eliminazione del ripple (l'ondulazione residua sulla corrente continua, dovuta alla frequenza della corrente alternata di rete). La massimizzazione dell'efficienza di conversione luminosa può essere ottenuta portando i Led a funzionare in un punto di lavoro ottimale, poiché in questi dispositivi esiste una particolare relazione tra corrente, flusso luminoso e temperatura della giunzione: aumentando la corrente si aumenta il flusso luminoso prodotto dal Led, ma la maggiore dissipazione di potenza comporta un aumento della temperatura di giunzione, il quale a sua volta provoca una diminuzione del flusso luminoso. Per quanto riguarda il prolungamento della durata dei Led, infine, è essenziale che il driver protegga i diodi luminosi da sovratensioni e surriscaldamento.

Applicazioni diverse
Le applicazioni di illuminazione a Led si differenziano in primo luogo per la loro potenza: generalmente si distingue tra applicazioni di potenza bassa (fino a 20 watt), media (da 20 a 50 watt) e alta (oltre 50 watt). Un esempio delle applicazioni di bassa potenza è la lampadina domestica a Led destinata a sostituire il tradizionale bulbo a incandescenza, mentre all'altro estremo della gamma troviamo l'illuminazione delle grandi aree esterne come i parcheggi. Le tra fasce di potenza pongono ai driver requisiti diversi, per fattori legati sia alle differenze del carico (il numero dei Led da pilotare, che possono essere organizzati in una grande varietà di configurazioni: serie, parallelo, serie/parallelo, “cross connect”), sia ai vincoli complessivi del sistema: ad esempio le dimensioni e il costo, nel caso di un driver installato all'interno di una lampadina, o l'efficienza di conversione, nel caso di un'applicazione di alta potenza.

Requisiti tecnici collaterali
Ogni singolo driver, come si è detto, deve rispondere anche a una serie di requisiti tecnici che, sebbene collaterali rispetto a quelli propri dell'alimentazione del carico, finiscono per avere grande importanza nelle scelte circuitali. Tra essi possono essere compresi i valori limite per il fattore di potenza (cosφ) presentato alla rete elettrica, per la distorsione armonica totale (cioè per la presenza di armoniche sulla corrente assorbita dalla rete), per l'efficienza di conversione energetica (che influisce non solo sui costi dell'illuminazione, ma anche sulla produzione di calore e quindi sull'affidabilità del sistema) e per le emissioni elettromagnetiche. Esistono poi le esigenze di conformità alle norme tecniche applicabili ai driver per Led, che sono davvero numerose e riguardano tutti gli aspetti, dalla sicurezza elettrica all'efficienza energetica (in questo articolo non ce ne occuperemo). Un altro eventuale requisito, importante soprattutto per il mercato americano, è la possibilità di utilizzare le sorgenti luminose Led con i dimmer (variatori di luce) già installati nelle case e negli uffici, nati per lavorare con carichi puramente resistivi. Occorre soddisfare, infine, un requisito fondamentale per tutti i driver: l'elevata affidabilità. Com'è noto, i Led in quanto tali hanno una vita operativa lunghissima, ma la loro longevità è inutile se la lampada cessa di funzionare a causa di un guasto del driver. I requisiti di affidabilità rendono desiderabile ridurre l'impiego dei componenti generalmente ritenuti più soggetti a guasti, cioè i fotoaccoppiatori (utilizzati, nei driver isolati con trasformatore, per riportare sul lato del primario le grandezze elettriche rilevate sul lato del secondario, mantenendo l'isolamento galvanico) e i condensatori elettrolitici (la cui durata dipende anche dalla temperatura di funzionamento e dalla presenza di ripple sulla corrente).

Una varietà di topologie circuitali
Per far fronte a tutte le diverse applicazioni di illuminazione e soddisfare tutti i requisiti tecnici, l'industria elettronica offre driver basati su una grande varietà di topologie circuitali. Qui ci limiteremo a fornire un elenco sommario, senza descrivere le caratteristiche di ogni singola topologia. I driver si dividono innanzitutto in due principali famiglie: isolati e non isolati. Nel primo caso la catena circuitale che va dalla rete elettrica al Led comprende anche un trasformatore, che consente di isolare galvanicamente la superficie della lampada rispetto all'impianto elettrico; nel secondo caso, invece, questo isolamento non è presente. Per i driver isolati di bassa potenza è generalmente indicata la topologia flyback, mentre per quelli di alta potenza viene consigliata la topologia Llc a mezzo ponte risonante. Per i driver non isolati le tipologie circuitali più diffuse sono invece buck-boost, buck e Sepic (Single-ended primary-inductor converter). Esiste poi un gran numero di varianti: la topologia flyback, ad esempio, può essere realizzata anche in una versione a due stadi comprendente uno stadio di boost. A complicare ulteriormente il panorama delle topologie circuitali contribuiscono anche i requisiti tecnici collaterali, in particolare la correzione del fattore di potenza: in molti circuiti integrati rivolti alla realizzazione di driver per Led, questa funzione (indicata con la sigla PFC, Power Factor Correction) è implementata tramite uno stadio a sé stante.

L'offerta di circuiti integrati per driver
Tutti i principali produttori di semiconduttori, oltre a un certo numero di produttori specializzati, offrono circuiti integrati rivolti alla realizzazione di driver per Led. Nel complesso il mercato offre una varietà impressionante di dispositivi, che rispondono ai requisiti posti da tutte le diverse tipologie di lampade in tutte le fasce di potenza, con riferimento a tutti i principali parametri prestazionali (fattore di potenza, distorsione armonica totale ecc.) e normativi (presenza o assenza di un trasformatore di isolamento ecc.). La competizione si gioca su fattori diversi a seconda della fascia applicativa: nei caso dei driver per le lampadine domestiche, ad esempio, è fondamentale la possibilità di ridurre il costo e le dimensioni della soluzione completa. In termini generali, comunque, un fattore competitivo importante per questi chip è la possibilità di realizzare il driver completo minimizzando il numero dei componenti esterni, in particolare utilizzando pochi condensatori elettrolitici.
I circuiti integrati consentono non solo di semplificare la realizzazione del driver (riunendo le funzioni di molti componenti discreti), ma anche di immettere nel sistema una dose di “intelligenza” che permette di realizzare funzionalità innovative. Ad esempio, numerosi chip offrono oggi soluzioni di regolazione sul lato del primario (PSR, Primary Side Regulation), che consentono di fare a meno del fotoaccoppiatore nei driver isolati e quindi di semplificare il circuito, eliminando un componente poco affidabile. Di grande attualità, soprattutto negli Usa, sono inoltre i chip che consentono ai driver di operare con i normali dimmer a Triac. Spesso i circuiti integrati rivolti ai driver per Led sono piuttosto sofisticati: oggi nelle funzioni di controllo della corrente sono utilizzate tecniche di digital power (l'anello di regolazione è realizzato in modo digitale), inoltre vari produttori (in particolare iWatt, Marvell e Cirrus Logic) hanno sviluppato soluzioni che consentono al driver di riconoscere automaticamente il tipo di dimmer installato nell'impianto elettrico e di adottare conseguentemente la modalità di funzionamento più appropriata. Va infine ricordato che il mercato offre anche vari microcontrollori dotati di periferiche specificamente rivolte al pilotaggio dei Led; dispositivi di questo tipo sono prodotti, ad esempio, da STMicroelectronics e da Infineon.