La sfida dell’illuminazione stradale

I flash, la sostituzione di lampadine MR-16, le luci di emergenza ed ogni altra applicazione di illuminazione a luce bianca e a basso consumo, sono già state conquistate dalla tecnologia a Led. Non contenti di questo i designer di sistemi di illuminazione stanno spingendo le soluzioni a stato solido verso sorgenti di luce bianca con potenze sempre maggiori e i lampioni stradali sono, molto probabilmente, i prossimi candidati per una conversione su larga scala. Questa applicazione presenta però una sfida molto più impegnativa che non gli esempi citati dei flash o delle applicazioni a bassa potenza. Da una parte la tecnologia Led è veramente attraente poiché può offrire lunga vita, luce di elevata qualità e non contiene né piombo né mercurio. D'altro canto solamente i Led migliori si avvicinano alla efficienza delle lampade al sodio ad alta pressione o a quelle agli alogenuri metallici. Se a questo si aggiungono le perdite in lumen per watt, legate alla conversione di potenza e alle ottiche, ecco che l'illuminazione allo stato solido improvvisamente non sembra più brillare così vividamente. Ma i Led hanno un altro asso da giocare nascosto nella manica - essi possono essere accesi e spenti rapidamente e facilmente senza soffrire di alcun deterioramento. Questa possibilità di controllo implica che i lampioni stradali possono essere più intelligenti. Lampioni regolabili in intensità o che possono essere spenti quando non sono necessari promettono un risparmio monetario e di energia per soddisfare i nostri budget ed il nostro desiderio di una tecnologia pulita e verde.

Le esigenze di progetto
I lampioni a Led non appariranno dall'oggi al domani poiché restano da risolvere alcune impegnative sfide tecnologiche. Con poche eccezioni (come con le celle solari) l'alimentazione di un lampione è normalmente a 110 o 220 VAC, condizione a cui si fa spesso riferimento con il termine offline. I tubi fluorescenti e le lampade Hid (High Intensity Discharge) hanno una ampia scelta di circuiti di ballast in grado di operare da offline, ma questi circuiti sono semplici poiché il numero di elementi emettitori di luce è limitato. Poche lampade fluorescenti hanno più di quattro tubi e raramente, se non mai, le lampade Hid sono composte da più di un elemento. I Led sono decisamente diversi - la maggioranza dei dispositivi, anche se sono Led di potenza, dissipano da 0,5 a 5 W. Ci sono alcune eccezioni rimarchevoli ma, spesso, sono necessari 100 o più Led da 1 W per ottenere le diverse migliaia di lumen richiesti da un lampione stradale.
I Led sono dispositivi che vanno pilotati in corrente, un Led da 1W percorso da una corrente di 350 mA ha una tensione diretta, VF, da 3 a 4 V. Il Led è un diodo, ovvero una giunzione PN, con una resistenza dinamica molto limitata. Applicando ad un diodo una tensione che sia più di trenta volte superiore a VF genera un flusso di corrente incontrollato e il Led si distruggerebbe istantaneamente ed in modo spettacolare se fosse connesso direttamente alla tensione AC di linea. Il termine "circuito di pilotaggio" viene utilizzato per descrivere il circuito di condizionamento necessario per convertire la tensione offline in una corrente DC controllata. Contrariamente a un flash, che molto probabilmente andrà buttato molto tempo prima del suo esaurimento, la affidabilità nel lungo termine e il tempo di vita sono, per i lampioni stradali, di interesse primario. I Led sono riconosciuti per avere la durata più lunga di ogni altra sorgente luminosa in commercio, ma se la lampada deve durare per decine di migliaia di ore allora anche il pilotaggio deve essere realizzato per resistere altrettanto. Questo vuol dire che si deve porre la massima attenzione a tutti gli aspetti del pilotaggio elettrico, dall'architettura di sistema alla scelta dei singoli componenti del circuito.

Le tensioni del bus DC
Un modo per pilotare 100 Led potrebbe essere quello di porli in serie in una sola catena così come rappresentato. Questo assicura una corrente uguale in ognuno dei Led e, poiché l'intensità luminosa è proporzionale alla corrente, è il modo migliore per garantire lo stesso livello di emissione da ogni dispositivo. Il problema nasce con il valore della tensione DC che potrebbe facilmente essere pari a 400V. Questa tensione potrebbe essere letale e, oltre a ciò, richiedere componenti ingombranti e costosi. Un secondo modo di disporre i 100 Led dovrebbe essere con una tensione DC inferiore. Topologie ben conosciute ed economicamente efficaci come i convertitori flyback possono costituire un ottimo stadio AC-DC (spesso definito "convertitore offline") poiché combinano la funzione step-down con l'isolamento galvanico e la correzione del fattore di potenza. Tensioni del bus DC di 60V, o meno, sono comuni per l'uso dei 48V nelle applicazioni telecom e per i regolamenti di sicurezza quali la definizione IEC di "Safety Extra Low Voltage". Poiché questo valore non è basso quanto quello richiesto dai circuiti logici digitali, così come non è elevato quanto la tensione offline rettificata, il bus per la distribuzione della tensione di 48V viene spesso definito un bus DC intermedio.

Topologie DC-DC per il pilotaggio di Led
Un convertitore DC-DC è la scelta naturale per lo stadio finale di un sistema di alimentazione per Led. Il Led richiede una corrente DC e quindi anche la tensione di uscita deve essere in DC. Usando il concetto "bus DC Intermedio" consente ai progettisti di usare convertitori DC-DC non-isolati ed economicamente efficaci poiché lo stadio precedente si è preso cura della rettifica della tensione AC, dell'isolamento e del PFC. Tra i convertitori non-isolati ne esistono tre tipologie principali: step-down, o buck, step-up, o boost e step-up/down, o buck-boost. Di queste tre topologie il regolatore buck, per diversi motivi, è di gran lunga il più adatto al pilotaggio di Led. Primo, l'induttanza del buck è sull'uscita, pertanto la corrente nei Led e nell'induttanza condividono lo stesso valor medio. Inoltre la corrente di uscita è sempre controllata in modo esplicito grazie all'induttanza. Secondo, la riduzione della tensione è la forma più efficiente di conversione di potenza rendendo il buck il convertitore più efficiente di tutti i convertitori switching. Terzo, il buck è il più economico dei convertitori switching poiché il massimo carico di corrente lo si ha sull'uscita mentre il massimo della tensione lo si ha all'ingresso. Questo pone il minore ammontare di stress di tensione e corrente sul Mosfet di potenza e sul diodo che costituiscono il circuito di potenza. Questo implica un'ampia scelta di Mosfet di potenza, di componenti passivi, di integrati per il controllo, il tutto porta alla soluzione più economica.

Organizzazione dei Led e scelta dell'IC di pilotaggio
Per questo esempio di progetto vengono utilizzati 100 Led da 1W. Un bus DC intermedio a 48V è una ottima scelta per la disponibilità dallo scaffale di alimentatori AC-DC con un'ampia scelta di potenze di uscita. Dai 48V±5% si può usare un buck per pilotare 10 Led in serie. Dieci di questi circuiti di pilotaggio realizzano una lampada robusta che può essere progettata per pilotare i 100 Led senza tensioni pericolose. I produttori di Led selezionano i loro Led bianchi per flusso luminoso, temperature di colore e tensione diretta. Le selezioni per temperatura di colore e per flusso luminoso sono importanti per mantenere consistenti il colore e flusso luminoso di uscita, ma più la selezione dei Led è spinta e maggiore è il costo. Quando si usano Led di diverse selezioni il progetto della lampada a Led deve accettare una ampia serie valori di tensione diretta. Quindi ogni circuito di pilotaggio dei Led deve essere una sorgente di corrente da 350 mA progettato per operare da una tensione di ingresso che va da 45 a 51V e con una tensione di uscita che può variare tra 30 e 40V, per riflettere la potenziale variazione di VF di ogni Led da 3 a 4V. L'LM3402HV è un regolatore buck con un Mosfet di potenza a canale N, che funziona con tensioni di ingresso fino a 75V, ed è adatto per una corrente di uscita di 350 mA visto che ha un limite di corrente per sovra-temperatura di 530 mA, sufficiente per pilotare i Led con un ampio margine, se necessario, sul ripple di corrente.

Le sfide di progetto con i regolatori buck
Quando si impiegano i regolatori buck per pilotare dei Led la sfida di progetto principale si ha nel caso in cui la tensione di ingresso è al suo minimo mentre la tensione di uscita è al suo valore massimo. Come molti regolatori switching l'LM3402HV non può tenere acceso il suo Mosfet-N di potenza interno indefinitamente. Durante ogni periodo di commutazione il regolatore deve spegnersi per un tempo minimo di 300 ns al fine di rinfrescare il condensatore di "bootstrap", che è parte del circuito che pilota il Fet di potenza interno. Poiché l'off-time minimo è fissato, il duty cycle Massimo che è possibile ottenere diminuisce al crescere della frequenza di commutazione poiché quei 300 ns prendono una porzione sempre maggiore del ciclo di commutazione.
Le frequenze di commutazione tipiche dell'LM3402HV variano tra 50 kHz ed 1 MHz, e 500 kHz è spesso un buon compromesso tra le dimensioni fisiche dei componenti di potenza come l'induttanza (più piccola quando la frequenza di commutazione è più elevata) e l'efficienza di conversione (più alta quando la frequenza di commutazione si riduce). In questo caso non è possibile applicare i 500 kHz e quindi verrà adottata la frequenza di 370 kHz. Questo assicura che il circuito di pilotaggio abbia i componenti più piccoli mentre continua ad essere in grado di pilotare tutti i dieci Led in condizioni di caso pessimo sulle tensioni di ingresso ed uscita.

Evitate il tranello serie-parallelo
Molti progettisti prendono in considerazione la configurazione serie-parallelo pilotata da una sorgente di corrente. Per questo esempio il circuito sarebbe un singolo generatore di corrente con una capacità di 3,5 A allo stesso valore di tensione di uscita da 30 a 40 V. A prima vista questa architettura sembra offrire diversi vantaggi tra cui il costo poiché un alimentatore più potente è quasi sempre più economico che non dieci alimentatori più piccoli. Ma la configurazione serie-parallelo soffre di molti più inconvenienti che la rendono poco praticabile. Primo, anche quando sono interconnessi, la variazione naturale di VF da Led a Led fa sì che i 3,5 A del circuito di pilotaggio non si distribuiscano mai uniformemente tra i diversi Led. I Led potrebbero essere selezionati molto strettamente sul valore di VF, questo porterebbe ad un miglioramento sulle differenze di corrente ma questo sarebbe vero solamente mentre i die dei Led rimangono alla temperatura di 25 °C, la temperatura a cui avviene la selezione. Una volta che la temperatura del die aumenta, VF inizia a ridursi e, poiché lo spostamento della tensione con la temperature varia da Led a Led si ripresenta lo stesso caso precedente. Una configurazione che pareggia perfettamente le correnti a 25 °C diventerà ancora una volta sbilanciato quando raggiunge la stabilità termica. A rendere le cose anche peggiori c'è anche il feedback positivo tra la corrente nel Led, la riduzione della tensione diretta e l'aumento di temperatura. Quei Led che soffrono della maggiore riduzione di VF richiameranno più corrente che causerà un ulteriore riscaldamento del die, riscaldamento che farà ridurre ancor più il valore di VF. Un secondo aspetto che dovrebbe fermare ogni progettista di lampade stradali dal prendere in considerazione l'approccio serie-parallelo dovrebbe essere la scarsa affidabilità di sistema nel caso in cui un Led si rompa. La sorgente di corrente continuerà, anche nel caso in cui un Led si guasti a circuito aperto, a pompare la sua quantità di corrente forzando una corrente aggiuntiva nei percorsi rimanenti. I Led possono anche guastarsi in corto, in questo caso si avrebbe una significativa riduzione della tensione diretta della stringa che, ancora una volta, forza uno sbilanciamento delle correnti. Ogni sbilanciamento nelle correnti porta ad un eccessivo riscaldamento di alcuni Led della configurazione che causano in breve tempo una riduzione dell'uscita luminosa e nel lungo termine riducono il mantenimento dei lumen. Il risultato è una lampada che si affievolisce a che raggiunge il fine vita prima del tempo. Quindi per realizzare una sorgente di luce a Led che sia affidabile, ogni stringa dovrebbe avere la sua propria sorgente di corrente dedicata.

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