Protezione coordinata dei circuiti per illuminazione Led

COMPONENTI PASSIVI –

L’utilizzo di specifici dispositivi in uno schema di protezione coordinata dei circuiti può aiutare i progettisti a ridurre il numero dei componenti, fornendo un prodotto sicuro e affidabile, in accordo con le normative internazionali richieste e a ridurre i costi di garanzia e riparazione.

La tecnologia Led è avanzata rapidamente, con una migliore progettazione dei chip e materiali che facilitano lo sviluppo di fonti di illuminazione a lunga durata, che possono essere utilizzati in un ampio spettro di applicazioni. L'illuminazione Led richiede sistemi di gestione della potenza e del calore precisi, la maggior parte dell'energia elettrica fornita al Led infatti non si converte in luce ma in calore. Senza la giusta gestione termica, il calore può diminuire la durata del Led e incidere sul colore in uscita. I driver Led sono dispositivi al silicio e possono guastarsi facilmente, perciò potrebbe essere necessaria una sicura protezione da sovracorrente di riserva. I dispositivi ripristinabili Pptc (Polymeric Positive Temperature Coefficient) hanno dimostrato la loro efficienza in diverse applicazioni ad illuminazione Led. I Pptc limitano la corrente dopo il superamento di un valore predeterminato come i fusibili tradizionali, ma a differenza di questi ultimi hanno la capacità di ripristinarsi una volta che riparato il guasto si ridà potenza al circuito. Diversi dispositivi di protezione da sovravoltaggio inclusi: i varistori a ossido metallico, i dispositivi di protezione da scariche elettrostatiche e i nuovi componenti ibridi Zener di precisione accoppiati con Pptc, possono essere utilizzati in uno schema coordinato con i dispositivi Pptc per migliorare le prestazioni e l'affidabilità dei Led.

Confronto fra conduzioni di calore
Un lampione che utilizza una lampadina da 60W produce circa 900 lumen di luce e deve dissipare 3W di calore via conduzione. A confronto, l'utilizzo di una luce DC-Led tipica come fonte per raggiungere gli stessi 900 lumen, richiederebbe circa 12 Led. Ponendo un VF (forward voltage) di 3.2V e una corrente di 350mA, l'input di potenza della lampada Led potrebbe essere calcolato come segue:

Potenza = 12 x 3.2V x 350mA = 13.4W

In questo scenario approssimativamente il 20% della potenza di input viene convertita in luce mentre il restante 80% in calore; la differenza dipende dai vari fattori e dalla generazione del calore, che può essere anche collegata a irregolarità nel substrato, a emissioni fononiche, legature, materiali usati ecc. Del calore totale generato dai Led, il 90% viene trasferito tramite conduzione. Nalla dissipazione del calore attraverso la giunzione di un Led, la conduzione è il principale canale di trasferimento, dato che convezione e radiazione sono coinvolti nel trasferimento solo del 10% circa del calore. Per esempio, un Led può convertire fino a 10.72 W di calore (13.4W x 0.80), di questi 9.468 (10.72 W x 0.90) sono trasferiti o rimossi dall'allacciamento via conduzione.

Effetto della temperatura di giunzione
Il comportamento ottico di un Led varia in modo significativo con la temperatura. La quantità di luce emessa dal Led decresce man mano che aumenta la temperatura di giunzione e, per alcune tecnologie, cambia la lunghezza d'onda della luce emessa. Se la corrente di pilotaggio e la temperatura di giunzione non sono gestiti in modo appropriato, l'efficienza del Led può decadere velocemente, producendo una luminosità ridotta e una minore durata. Un'altra caratteristica dei Led, collegata con la temperatura di giunzione, è la caduta di tensione diretta del Led. Se un semplice resistore polarizzato viene usato per controllare la corrente diretta, VF diminuisce all'aumentare della temperatura e la corrente diretta cresce. Questo può portare a fughe termiche, specialmente per Led ad alta potenza, e causare il guasto del componente. È pratica comune controllare la temperatura di giunzione attraverso il montaggio del Led su Pcb dotato di dissipatore (ampie piazzole) metallizzate per assicurare un rapido trasferimento di calore. L'accoppiamento di transitori e sovratensioni sulla linea di alimentazione può ridurre la durata del Led. Sono molti i driver per Led che vengono danneggiati da un livello di voltaggio Dc e da una polarità impropri. Lo stadio finale dei driver per Led può anche essere danneggiato da un corto circuito. Molti driver Led includono caratteristiche di sicurezza integrate, come controlli sulla temperatura come pure rilevazione di circuito aperto o di corto circuito. In ogni caso i dispositivi aggiuntivi di protezione del circuito possono essere utili per proteggere i circuiti integrati e altri componenti elettronici sensibili.

Protezione in entrata e in uscita per i driver Led
I Led sono pilotati con una corrente costante ed una tensione diretta che varia da meno di 2V a 4.5V, a seconda del colore e della corrente. I progetti più vecchi facevano affidamento su semplici resistori per limitare la corrente diretta del Led, ma la progettazione di un circuito Led basato sulla caduta di tensione diretta come specificata dal produttore può portare a un surriscaldamento del driver Led. Il surriscaldamento può avvenire quando la caduta di tensione diretta attraverso il Led decresce fino a un valore significativamente inferiore al valore stabilito. Durante tale evento il maggiore voltaggio attraverso il driver Led può risultare in una dissipazione di potenza totale maggiore rispetto al contenitore del driver. Oggi molte applicazioni Led utilizzano dispositivi di conversione di potenza e controllo per interfacciarsi con diverse fonti di alimentazione (ad esempio la linea Ac, un pannello solare o le batterie) per controllare la dissipazione di potenza del driver Led. La protezione di queste interfacce dai danni da sovracorrente e sovratemperatura è spesso realizzata con dispositivi ripristinabili Pptc. Il dispositivo Pptc ha un valore di bassa resistenza in condizione di normale corrente operativa. In caso di sovracorrente come ad esempio un guasto, il dispositivo commuta in uno stato di alta resistenza, che aiuta a proteggere l'apparecchiatura attraverso la riduzione di corrente mantenendola a un livello permanente basso. Il dispositivo resta in posizione “aperta” finché il guasto non viene rimosso. Eliminato il guasto e dando potenza al circuito questo riprenderà a funzionare correttamente essendo il Pptc appunto auto ripristinabile. In uno schema di protezione coordinata per Smps (Switch-mode power supplies), un dispositivo Pptc, come un dispositivo PolySwitch ripristinabile, può essere installato in serie con l'alimentazione in entrata per aiutare a proteggere dai danni provocati da corti elettrici, circuiti sovraccarichi o uso errato del cliente. Inoltre, un Mov messo attorno all'entrata fornisce protezione da sovravoltaggio nel modulo Led. Il dispositivo Pptc può anche essere messo dopo il Mov. Molti produttori di apparecchiature preferiscono circuiti di protezione che combinino dispositivi Pptc ripristinabili con protezione fail-safe a monte. In questo esempio, R1 è la resistenza del ballast usato in combinazione con la protezione Pptc del circuito. I driver Led possono essere suscettibili di danno risultante da un livello di voltaggio Dc o da polarità impropri. Le uscite possono inoltre essere danneggiate o distrutte da un corto circuito improvviso. Le porte alimentate sono anche soggette a transitori di sovravoltaggio dannosi, inclusi impulsi da scariche elettrostatiche. In uno schema di protezione coordinata del circuito progettata per un driver Led, un dispositivo PolyZen messo sull'entrata del driver offre ai progettisti la semplicità di un tradizionale diodo di clamping mentre ovvia alla necessità di un significativo dissipatore non più necessario. Sviluppato da Tyco Electronics questo progetto di dispositivo Zener di precisione protetto da un polimero fornisce la soppressione di transitori, protezione polarizzata contraria e protezione da sovracorrente in un contenitore singolo e compatto. Un dispositivo PolySwitch Pptc sul driver in uscita può aiutare a proteggere contro i danni causati da corto circuiti improvvisi o altre anomalie di carico. Per ottimizzare la protezione il dispositivo PolySwitch può essere accoppiato termicamente al dissipatore o layer metallico sul Pcb del Led. Per prevenire i danni causati da una scarica elettrostatica, un dispositivo di protezione come i Pesd a bassa capacità e piccolo fattore forma di Tyco Electronics possono essere messi in parallelo con i Led.

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