En matière de conception, les éléments les plus importants sont le circuit de commande et son convertisseur. Dans un module LED, ces composants ont l'impact le plus significatif sur l'atteinte des performances cibles. De même, les dispositifs de protection de ces circuits influencent considérablement la fiabilité et la durée de vie du module, notamment en extérieur. Par ailleurs, pour garantir la sécurité et la fiabilité, une protection adéquate contre les surtensions et les surintensités est indispensable.
Normes industrielles :
Lors du choix de la topologie du convertisseur de commande et des dispositifs de protection pour ces circuits et LED, les concepteurs d’ampoules et de luminaires LED de remplacement doivent envisager plusieurs options. Il est judicieux de commencer par consulter les normes industrielles et les spécifications de test pertinentes.
Le tableau 1 présente les normes des pays où la demande en éclairage LED est la plus forte. Comme l'indique ce tableau, la résistance aux surtensions et la sécurité sont deux aspects essentiels à prendre en compte. Le choix entre topologies isolées et non isolées, avec les niveaux de puissance correspondants, détermine le niveau de sécurité nécessaire pour la protection contre les courts-circuits, les surcharges et les surtensions transitoires.
Aux États-Unis, les organismes compétents travaillent actuellement à la normalisation des performances, de la sécurité et de la résistance aux surtensions applicables à l'éclairage LED. Les spécifications Energy Star de l'EPA s'appliquent aux ampoules LED de remplacement pour les usages résidentiels et certains usages commerciaux. Le modèle du Consortium pour l'éclairage public à semi-conducteurs (MSSSLC) relatif aux LED sur les routes, publié par le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE), et les spécifications de performance de l'Energy Union pour l'éclairage extérieur LED des parkings et garages des bâtiments commerciaux, publiés respectivement en 2011 et 2012, sont des documents importants qui traitent de la question de la tenue aux surtensions des luminaires LED extérieurs.
Dans ce cadre de normes et de spécifications de test, les concepteurs sont tenus de respecter une série d'objectifs de performance directement liés à la topologie du contrôleur et aux dispositifs de protection requis. Ces objectifs de performance comprennent les éléments suivants :
- Efficacité lumineuse des LED (lumens émis par watt consommé).
- Efficacité énergétique globale du module d'éclairage.
- Régulation thermique des LED et de leurs circuits de commande.
- Correction du facteur de puissance (PFC) des circuits de commande.
- Génération d'harmoniques (distorsion).
- Conformité aux normes CEM.
- Nécessité ou non d'une fonction de gradation.
- Fiabilité et durée de vie du circuit de commande des LED (adaptées à celles des LED).
- Dispositifs de protection des circuits nécessaires.
- Optimisation de l'encombrement des composants électroniques (taille du module).
- Compétitivité des coûts.
Options d'alimentation pour les drivers : avantages et inconvénients à prendre en compte.
Les modules LED les plus courants sont composés d'une bande de LED connectées en série et alimentées par un driver à courant constant à découpage. Cette configuration est généralement la plus adaptée pour obtenir la luminosité souhaitée, contrôler la couleur et ajouter un variateur si nécessaire. Si l'alimentation provient du réseau électrique, la source de courant constant est souvent appelée « onduleur autonome ». C'est le cas de la plupart des ampoules de remplacement et des luminaires extérieurs LED.
Lors du choix de la topologie des convertisseurs, la sécurité et la certification UL sont des critères essentiels, influençant à leur tour le choix des composants, l'isolation électrique, la taille des modules, ainsi que la manière dont les dispositifs de protection des circuits sont utilisés et, bien sûr, les coûts.
La topologie influe également sur l'efficacité énergétique et d'autres facteurs de performance. Bien que les convertisseurs à découpage soient couramment utilisés pour les pilotes de LED, certaines topologies peuvent être préférables selon l'application. Voici quelques exemples généraux de topologies possibles pour les modules alimentés en courant alternatif :
* Régulateurs linéaires isolés et non isolés à courant constant.
* Convertisseurs abaisseurs ou élévateurs/abaisseurs (avec ou sans FCP).
* Régulateur flyback mono-étage avec FCP.
* FCP + demi-pont isolé à tension et courant constants (élimine l'étage de conversion linéaire ou CC-CC).
Dans nombre de ces topologies, le redressement synchrone peut également être envisagé, ce qui permet d'améliorer le rendement à basse tension de sortie. Faute de place, nous ne pouvons analyser ici en détail toutes les approches possibles pour la conception de circuits de commande de LED ; toutefois, nous présenterons quelques exemples afin de mettre en évidence certains aspects qui pourraient être sacrifiés au profit d'autres.
Avantages et inconvénients des topologies isolées et non isolées.
De nombreuses lampes de remplacement et applications basse consommation n'utilisent pas de transformateurs isolés. Dans ces solutions non isolées, des inductances servent d'éléments d'harmonisation. La figure 1 présente deux exemples simplifiés de circuits de commande de LED : le premier, isolé, et le second, non isolé, avec correction optionnelle du facteur de puissance (PFC).
Dans une certaine mesure, le terme « non isolé » n'est pas le plus approprié, car, pour des raisons de sécurité, les topologies non isolées nécessitent également une isolation électrique afin de protéger les utilisateurs contre les tensions dangereuses. (Quelle que soit leur topologie, tous les modules doivent fonctionner en toute sécurité en cas de défaillance.) Parmi les autres facteurs à prendre en compte pour choisir la topologie à utiliser, il convient de considérer le coût et la taille des modules.
Toutefois, en fonction des caractéristiques de performance souhaitées, des normes industrielles et des spécifications de test, d'autres facteurs peuvent prévaloir dans le choix de la topologie. (Voir la liste des objectifs de performance présentée ci-dessus.)
Topologies isolées :
Le transformateur peut avoir un impact significatif sur la taille, le coût et l’efficacité énergétique. Il est en partie responsable des pertes de puissance dues à l’inductance de fuite et à la réduction de la surface d’enroulement utilisée. Pour maintenir un courant plus constant vers les LED, des composants plus volumineux peuvent être nécessaires pour les solutions à facteur de puissance élevé.
Bien que le facteur de puissance (FP) soit lié à la consommation électrique totale, l'efficacité lumineuse de l'ampoule ou du luminaire LED (lumens émis par watt consommé) est un facteur primordial, notamment en raison des normes industrielles telles que les spécifications Energy Star. Le FP est également important pour l'éclairage LED destiné au marché européen, qui doit être conforme à la classe C définie par la norme IEC 61000-3-2. Pour les applications dont la puissance absorbée dépasse 25 W, les exigences sont plus strictes, les limites s'étendant jusqu'à la 39e harmonique.
De plus, le transformateur offre une protection contre les transitoires et les surtensions côté primaire. Cela permet de réduire le nombre, la taille et le coût des dispositifs de protection de circuit nécessaires côté secondaire.
Du point de vue du nombre de composants, la mise en œuvre d'une topologie donnée, comme celle d'un convertisseur flyback, peut s'avérer plus importante. Par exemple, un convertisseur flyback à un étage (Fig. 1) permet, par rapport à un convertisseur flyback à deux étages, de réduire le nombre de composants, la taille du module et les coûts. De plus, la fiabilité est généralement accrue car un seul étage de traitement de puissance est nécessaire après le redresseur et le filtre.
L'un des points problématiques de la conception des alimentations pour contrôleurs réside dans l'utilisation de condensateurs électrolytiques, souvent parmi les premiers composants à tomber en panne et dont la durée de vie dépend fortement de la température de fonctionnement. Une régulation thermique efficace est essentielle au bon fonctionnement du produit. (Nous reviendrons sur la température de fonctionnement ultérieurement.) Dans les solutions à facteur de puissance (FP) élevé, aucun condensateur de stockage haute tension de grande capacité, généralement électrolytique, n'est présent après le pont redresseur à diodes d'entrée. Outre les problèmes de fiabilité, les condensateurs d'entrée de grande capacité déforment le courant secteur et réduisent le facteur de puissance. Bien qu'un condensateur soit utilisé dans le circuit secondaire aux bornes des LED, un dispositif de plus basse tension et de durée de vie plus longue peut également convenir.
Topologies non isolées
Les topologies non isolées, dépourvues de transformateur, présentent des circuits plus simples et nécessitent moins de composants. Ces topologies (généralement un convertisseur abaisseur ou un convertisseur abaisseur/élévateur) sont parfaitement adaptées au remplacement des éclairages LED dans les habitations et autres applications basse consommation. Grâce à une technologie de contrôle appropriée, ces solutions peuvent atteindre un facteur de puissance (FP) compris entre 0,95 et 0,98.
Néanmoins, l'ajout d'une isolation électrique pour protéger les utilisateurs contre les tensions dangereuses engendre un surcoût d'assemblage, car les LED nécessitent des dissipateurs thermiques pour maintenir leur température en dessous d'un seuil critique. Ces dissipateurs étant exposés, leur intégration dans la configuration des ampoules domestiques (A19) s'avère complexe.
Lorsque les LED atteignent des températures supérieures à 80 °C, leur efficacité diminue considérablement et des changements de couleur peuvent apparaître. Il est donc essentiel de contrôler la température afin de maintenir une luminosité élevée. Par ailleurs, une température excessive présente un risque d'incendie et réduit la durée de vie des LED et de leur circuit de commande.
L'absence d'isolation dans le transformateur signifie également que les circuits de conversion et les LED seront plus vulnérables aux surtensions. Il est donc nécessaire d'utiliser des dispositifs de protection de circuit plus robustes, tant côté alternatif que côté continu, du module d'éclairage.
Là encore, comme pour la topologie à retour isolé, il faut tenir compte des condensateurs. Si la topologie n'est pas isolée, un condensateur de capacité relativement élevée sera nécessaire pour maintenir un courant constant vers les LED aux alentours des passages par zéro de l'alimentation secteur.
Que vous envisagiez une topologie isolée ou non isolée, si l'éclairage LED doit être régulé, l'utilisation d'un facteur de puissance élevé simplifiera la conception. Comme pour les produits précédents conçus pour les ampoules à incandescence, cela permet de réduire le nombre de composants du circuit de gradation et d'utiliser des contrôleurs triac externes avec coupure de phase.
Exigences en matière de protection des circuits :
Tous les drivers LED nécessitent divers dispositifs positionnés à différents endroits (Fig. 2) afin de protéger les circuits contre les surtensions et les surintensités. Plusieurs spécifications et normes industrielles clés doivent être consultées avant de concevoir une ampoule LED de remplacement ou un luminaire extérieur. La norme UL 8750, récemment établie, définit les normes de sécurité pour l’utilisation des équipements LED dans les produits d’éclairage. Elle exige l’utilisation d’un dispositif de protection pour interrompre ou limiter le courant pouvant résulter d’une surcharge, afin de minimiser les risques d’électrocution et d’incendie. À cette fin, l’utilisation de fusibles est la technologie la plus courante et la plus fiable pour la protection contre les courts-circuits et les surcharges. Ces fusibles pour courant alternatif sont connectés en série avec la charge et sont disponibles dans une large gamme de formats, d’intensités et de tensions nominales, de pouvoirs de coupure et d’options de montage, offrant ainsi une grande flexibilité de conception.
Aux États-Unis, pour les lampes de remplacement et l'éclairage LED intérieur, les spécifications Energy Star de l'EPA exigent une résistance aux surtensions oscillatoires jusqu'à 2,5 kV (Fig. 3).
* Niveau de test : 2,5 kV/83 A entre phases (ANSI/IEEE C.62.41-1991, classe A)
* Nombre de surtensions : 7 surtensions en mode commun et 7 surtensions en mode différentiel, espacées d’une minute.
Pour les pays hors États-Unis, la norme IEC 61547 exige l’essai de tenue aux surtensions de la norme IEC 61000-4-5, qui spécifie l’essai de surtension combinée (figure 4) en fonction de la puissance du module d’éclairage LED, comme détaillé ci-dessous. Les exigences essentielles pour les essais de tenue aux surtensions selon la norme IEC 61000-4-5 sont les suivantes :
* Pour les lampes et luminaires avec ballast intégré de puissance inférieure à 25 W, 500 V/250 A : appliquer une tension de 500 V entre phases avec une impédance de source de 2 ohms et une tension de 1 kV entre phase et terre avec une impédance de 12 ohms.
* Pour les luminaires de plus de 25 W, 1000 V/500 A : appliquer une tension de 1 kV entre phases avec une impédance de source de 2 ohms et une tension de 2 kV phase-terre avec une impédance de 12 ohms.
* Nombre de surtensions : 10 chocs, 5 positifs et 5 négatifs respectivement aux déphasages de 90° et 270°, avec 1 minute d’intervalle entre chaque choc.
Dans l'éclairage extérieur à LED, la sensibilité aux surtensions, comme celles provoquées par les orages, est beaucoup plus élevée. Il est crucial que les composants électroniques sensibles des drivers LED, ainsi que les LED elles-mêmes, soient protégés contre ces surtensions. Pour l'éclairage extérieur à LED, comme les lampadaires, les allées, les parkings et les garages, le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) a publié un modèle de spécification qui traite des tests de performance et de résistance aux surtensions. Ces luminaires sont classés en catégorie C (élevée), ce qui indique une forte exposition aux phénomènes naturels.
De nombreuses villes et municipalités utilisent déjà les spécifications du ministère de l'Énergie pour les appels d'offres relatifs aux projets de modernisation de l'éclairage par des LED. L'objectif est de garantir la rentabilité à long terme de l'investissement dans les luminaires LED, dont le coût peut être deux à trois fois supérieur à celui des technologies d'éclairage conventionnelles.
En fonction de l'emplacement physique du luminaire LED (voir fig. 5), la norme IEEE C.62.41-2002 établit le niveau requis de résistance aux surtensions.
Conformément à la norme IEEE C.62.41-2002, la surtension est caractérisée par une forme d'onde combinée de 1,2/50 µs pour la tension en circuit ouvert et de 8/20 µs pour le courant de court-circuit. Le tableau 2 récapitule les niveaux de surtension à tester pour différentes applications d'éclairage intérieur et extérieur.
Le programme MSSSLC du Département de l'Énergie (DOE) fait référence à cette norme dans son modèle de spécification pour l'éclairage routier à LED en extérieur, et plus particulièrement pour la catégorie C haute. Ce niveau de surtension, à 20 kV/10 kA avec un total de 30 chocs dans différents modes de couplage et déphasages, est parmi les plus exigeants. Le tableau 3 présente un aperçu des exigences d'essai pour les catégories C haute et C basse.
Choix et placement des dispositifs de protection des circuits :
Dans la section précédente, nous avons analysé les exigences de protection des applications d’éclairage LED intérieures et extérieures. Nous allons maintenant décrire la meilleure façon de se conformer aux normes en vigueur et de protéger les luminaires en choisissant les composants appropriés et en optimisant leur placement dans les circuits. La figure 2 présente un schéma fonctionnel d’un système de protection conforme aux normes de sécurité et de surtension.
Sur la figure, les trois varistances à oxyde métallique (MOV) intégrées au bloc de protection contre les surtensions (SPD) garantissent une haute résistance aux surtensions. Pour résister à plusieurs surtensions de 10 kA, les varistances à oxyde métallique de 25 mm avec protection thermique sont la solution optimale. Conçues pour couvrir tous les chemins de courant possibles, notamment phase-neutre, phase-terre et neutre-terre, elles absorbent la majeure partie de la surtension en cas de foudre. Une faible quantité d'énergie peut toutefois subsister, à condition que la varistance de plus faible capacité du pilote de LED puisse la supporter.
Dans le bloc d'alimentation CA, le choix des fusibles et des varistances à oxyde métallique doit être coordonné. L'énergie nécessaire à la fusion du fusible (son courant de court-circuit I²t) doit être suffisamment élevée pour permettre au varistance de fonctionner en cas de surtension, sans toutefois provoquer la fusion du fusible. Ce dernier ne doit fondre qu'en cas de surcharge ou de court-circuit.
Dans certains cas, même avec une varistance dans l'alimentation secteur, le contrôleur peut ne pas supporter une surtension. Dans ce cas, une diode de suppression de tension transitoire (TVS) peut être ajoutée à l'entrée de l'étage convertisseur, comme illustré sur la figure 2. Ceci permet une meilleure rétention de l'énergie qui pourrait autrement traverser la varistance, protégeant ainsi le circuit du contrôleur. Pour protéger les LED, il peut être nécessaire d'utiliser un dispositif à coefficient de température positif (CTP), une seconde diode de suppression de tension transitoire et les dispositifs de protection contre les courts-circuits (PLED) illustrés sur la figure 2. Le dispositif CTP limite le courant continu en cas de surintensité ou de surchauffe afin de protéger les LED. La seconde diode de suppression de tension transitoire protège contre toute énergie résiduelle ayant pu traverser le circuit des LED.
Les dispositifs de protection contre les circuits ouverts des LED sont des composants spécifiques qui permettent de contourner les bandes LED défectueuses et de les protéger contre les décharges électrostatiques et l'inversion de polarité. Un driver à courant constant possède une tension de sortie maximale (circuit ouvert) appelée « tension disponible » ; cette tension est présente lorsqu'une LED tombe en panne (le type de panne le plus fréquent). Elle active alors le dispositif de protection, qui fait passer le courant en contournant la LED défectueuse. (La dissipation de puissance de ces dispositifs est inférieure à celle d'une LED allumée.) Les autres LED restent allumées et, dans de nombreuses applications, la panne d'une seule LED ne constitue pas un problème majeur, voire passe inaperçue.
Les auteurs
– Jim Young est diplômé de l'Université d'Arizona en génie électrique et possède 35 ans d'expérience dans le domaine de l'électronique de puissance. Son expertise couvre la conception d'alimentations pour plateformes militaires aéroportées, les télécommunications haute fiabilité, les applications médicales et l'électronique grand public. Il conçoit actuellement des circuits intégrés de commande et de pilotage de LED pour ON Semiconductor.
– Usha Patel est diplômée de l'Université de Californie du Sud et ingénieure professionnelle agréée. Elle dirige actuellement le département marketing et ventes pour l'Amérique latine chez Littelfuse. Outre ses responsabilités en Amérique latine, elle pilote également les initiatives mondiales de l'entreprise liées au marché de l'éclairage LED.
