In termini di progettazione, gli elementi più importanti sono il driver e il suo convertitore. In un modulo LED, questi componenti hanno il maggiore impatto sul raggiungimento degli obiettivi di prestazione. Allo stesso modo, i dispositivi di protezione per questi circuiti influenzano significativamente l'affidabilità e la durata del modulo, soprattutto in ambienti esterni. Inoltre, per garantire sicurezza e affidabilità, è necessaria un'adeguata protezione da sovratensione e sovracorrente a prova di guasto.
Standard di settore
Nella scelta della topologia del convertitore di potenza e dei dispositivi di protezione per questi circuiti e LED, i progettisti di lampadine e apparecchi di illuminazione a LED retrofit devono considerare diverse opzioni. Un buon punto di partenza è esaminare gli standard di settore e le specifiche di prova pertinenti.
La Tabella 1 mostra gli standard per i paesi con la maggiore domanda di illuminazione a LED. Come indicato nella tabella, due aspetti chiave da considerare sono la resistenza alle sovratensioni e la sicurezza. La scelta tra topologie isolate o non isolate, con i corrispondenti livelli di potenza, determinerà il livello di sicurezza necessario per la protezione contro cortocircuiti, sovraccarichi e sovratensioni transitorie.
Negli Stati Uniti, le agenzie stanno standardizzando le prestazioni, la sicurezza e la resistenza alle sovratensioni applicabili all'illuminazione a LED. Le specifiche Energy Star dell'EPA si applicano alle lampadine a LED di ricambio per uso residenziale e per alcuni usi commerciali. Sia il modello MSSSLC (Municipal Solid State Street Lighting Consortium) per i LED su strade del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) sia le specifiche prestazionali per l'illuminazione a LED per esterni di parcheggi e garage per edifici commerciali dell'Energy Union sono documenti importanti, pubblicati rispettivamente nel 2011 e nel 2012, che affrontano la questione dei livelli di resistenza alle sovratensioni per gli apparecchi di illuminazione a LED per esterni.
Nell'ambito di questo quadro di norme e specifiche di prova, i progettisti sono tenuti a soddisfare una serie di obiettivi prestazionali direttamente correlati alla topologia del controllore e ai dispositivi di protezione richiesti. Questi obiettivi prestazionali includono i seguenti:
- Efficienza operativa dei LED (lumen emessi per watt consumato).
- Efficienza energetica complessiva del modulo di illuminazione.
- Regolazione della temperatura dei LED e dei relativi circuiti di controllo.
- Correzione del fattore di potenza CA (PFC) per i circuiti di pilotaggio.
- Generazione di armoniche CA (distorsione).
- Conformità alle restrizioni EMI.
- Necessità o meno di dimmerazione.
- Affidabilità e durata del driver LED (in modo che corrispondano a quelle dei LED).
- Dispositivi di protezione del circuito necessari.
- Ottimizzazione dello spazio occupato dai componenti elettronici (dimensioni del modulo).
- Competitività dei costi.
Opzioni di alimentazione per i driver: vantaggi e svantaggi da considerare.
I moduli LED più comuni sono costituiti da una striscia di LED collegati in serie e alimentati da un driver a corrente costante con commutazione. Questa combinazione è solitamente l'opzione migliore per ottenere la luminosità desiderata, controllare il colore e aggiungere un interruttore dimmer, se necessario. Se l'alimentazione proviene dalla rete elettrica CA, la sorgente di corrente costante viene spesso chiamata "inverter autonomo". Questo è il caso della maggior parte delle lampadine retrofit e degli apparecchi di illuminazione a LED per esterni.
Nella scelta della topologia dei convertitori, la sicurezza e la certificazione UL rivestono un ruolo fondamentale, influenzando a loro volta la selezione dei componenti, l'isolamento elettrico, le dimensioni dei moduli, le modalità di utilizzo dei dispositivi di protezione del circuito e, naturalmente, i costi.
Anche la topologia influisce sull'efficienza energetica e su altri fattori prestazionali. Sebbene i convertitori switching siano comunemente utilizzati per i driver LED, a seconda dell'applicazione, potrebbero essere preferibili topologie specifiche. Di seguito sono riportati alcuni esempi generali di topologie possibili per moduli alimentati in corrente alternata:
* Regolatori lineari isolati e non isolati con regolazione di corrente costante.
* Convertitori buck o buck/boost (con o senza FCP).
* Regolatore flyback a stadio singolo con FCP.
* FCP + semiponte isolato con V e I costanti (elimina lo stadio di conversione lineare o CC-CC).
In molte di queste topologie, si potrebbe anche considerare la rettifica sincrona, che può migliorare l'efficienza a basse tensioni di uscita. A causa di limitazioni di spazio, non possiamo analizzare in dettaglio qui tutti i possibili approcci alla progettazione dei driver per LED; tuttavia, presenteremo alcuni esempi per evidenziare alcuni aspetti che potrebbero essere sacrificati in cambio di altri.
Vantaggi e svantaggi delle topologie isolate e non isolate
Molte lampade retrofit e applicazioni a bassa potenza non utilizzano trasformatori isolati. In queste soluzioni non isolate, gli induttori vengono utilizzati come elementi di armonizzazione. La Figura 1 mostra due esempi semplificati di circuiti di controllo LED: il primo isolato e il secondo non isolato con correzione del fattore di potenza (PFC) opzionale.
In una certa misura, il termine "non isolato" non è il più appropriato, poiché, per motivi di sicurezza, anche le topologie non isolate richiedono l'uso dell'isolamento elettrico per proteggere (isolare) gli utenti da tensioni pericolose. (Indipendentemente dalla topologia, tutti i moduli devono funzionare in sicurezza in caso di guasto.) Tra gli altri fattori, nella scelta della topologia da utilizzare è necessario considerare il costo e le dimensioni del modulo.
Tuttavia, in base alle caratteristiche prestazionali desiderate, agli standard di settore e alle specifiche di prova, altri fattori possono prevalere nella determinazione della topologia. (Vedere l'elenco degli obiettivi prestazionali presentato sopra.)
Topologie isolate:
Il trasformatore può rappresentare un fattore significativo in termini di dimensioni, costi ed efficienza energetica. È in parte responsabile della perdita di potenza dovuta all'induttanza di dispersione e al ridotto utilizzo dell'area dell'avvolgimento. Per mantenere un flusso di corrente più costante verso i LED, potrebbero essere necessari componenti di dimensioni maggiori per soluzioni con un elevato fattore di potenza.
Sebbene il fattore di potenza (PF) sia correlato al consumo energetico totale, l'efficienza della lampadina o dell'apparecchio a LED (lumen emessi per watt consumato) può essere considerata un fattore primario a causa degli standard di settore come le specifiche Energy Star. Il PF è importante anche per l'illuminazione a LED progettata per l'Europa, che deve essere conforme alla Classe C come definita nella norma IEC 61000-3-2. Per le applicazioni con una potenza in ingresso > 25 W, dove i limiti si estendono fino alla 39a armonica, i requisiti sono più stringenti.
Inoltre, il trasformatore fornisce un certo grado di protezione contro i transitori e le sovratensioni sul lato primario. Ciò può ridurre il numero, le dimensioni e il costo dei dispositivi di protezione del circuito necessari sul lato secondario.
Dal punto di vista del numero di componenti, l'implementazione di una determinata topologia, come quella di un controllore flyback, può essere più importante. Ad esempio, con un flyback a singolo stadio (Fig. 1), rispetto a un flyback a due stadi, il numero di componenti, le dimensioni del modulo e i costi risultano ridotti. Poiché è richiesto un solo stadio di elaborazione della potenza dopo il raddrizzatore e il filtro, anche l'affidabilità è generalmente maggiore.
Uno dei problemi principali nella progettazione degli alimentatori per i controller è l'utilizzo di condensatori elettrolitici, che spesso sono tra i primi componenti a guastarsi e la cui durata dipende fortemente dalla temperatura di esercizio. Un'efficace regolazione termica è essenziale per il successo di un prodotto. (Torneremo sulla temperatura di esercizio più avanti.) Nelle soluzioni ad alto fattore di potenza (FP), non è presente un grande condensatore di accumulo ad alta tensione, tipicamente elettrolitico, dopo il raddrizzatore a ponte di diodi di ingresso. Oltre ai problemi di affidabilità, i grandi condensatori di ingresso distorcono la corrente di rete e riducono l'FP. Sebbene un condensatore sia utilizzato nel circuito secondario in parallelo ai LED, è possibile utilizzare anche un dispositivo a tensione inferiore e di maggiore durata.
Topologie non isolate
Poiché le topologie non isolate non utilizzano un trasformatore, i loro circuiti sono più semplici e richiedono un minor numero di componenti. Queste topologie (generalmente un driver buck o buck/boost) sono particolarmente adatte per la conversione a LED in ambito domestico e per altre applicazioni a bassa potenza. Con un'adeguata tecnologia di controllo, queste soluzioni possono raggiungere un fattore di potenza (PF) compreso tra 0,95 e 0,98.
Tuttavia, l'aggiunta di isolamento elettrico per proteggere gli utenti da tensioni pericolose comporta un ulteriore costo di assemblaggio, poiché i LED richiedono dissipatori di calore per mantenere la loro temperatura al di sotto di un valore critico. Dato che i dissipatori di calore sono esposti, questo non è un compito facile nella configurazione delle lampadine domestiche (A19).
Quando i LED raggiungono temperature superiori a 80 °C, si verifica una significativa perdita di efficienza e possono anche verificarsi alterazioni del colore. Pertanto, il progettista deve controllare la temperatura per mantenere un'elevata luminosità. Inoltre, temperature eccessive rappresentano un rischio di incendio e riducono la durata sia dei LED che del driver.
La mancanza di isolamento nel trasformatore implica anche che i circuiti di conversione e i LED saranno più suscettibili a danni causati da sbalzi di tensione alternata. Pertanto, è necessario utilizzare dispositivi di protezione del circuito più robusti sia per il lato CA che per il lato CC del modulo di illuminazione.
Ancora una volta, e proprio come abbiamo fatto nella topologia con ritorno isolato, è necessario considerare i condensatori. Se la topologia non è isolata, sarà necessario un condensatore relativamente grande per mantenere un flusso di corrente costante verso i LED in corrispondenza degli attraversamenti dello zero dell'alimentazione CA.
Sia che si consideri una topologia isolata o non isolata, se l'illuminazione a LED necessita di essere regolata, il processo di progettazione risulterà semplificato grazie all'utilizzo di un elevato fattore di potenza. Come già avvenuto per i prodotti sviluppati per le lampadine a incandescenza, ciò consente di ridurre il numero di componenti nel circuito di regolazione della luminosità, nonché di utilizzare controller a triac esterni con sfasamento.
Requisiti di protezione del circuito:
tutti i driver LED richiedono vari dispositivi posizionati in punti diversi (Fig. 2) per proteggere i circuiti da sovratensione e sovracorrente. Attualmente, esistono diverse specifiche e standard di settore fondamentali che è opportuno esaminare prima di iniziare a progettare una lampadina a LED retrofit o un apparecchio di illuminazione per esterni. Il recente standard UL 8750 è lo standard di sicurezza per l'uso di apparecchiature LED nei prodotti di illuminazione. Richiede l'uso di un dispositivo di protezione per interrompere o limitare il flusso di corrente che potrebbe derivare da un sovraccarico, al fine di ridurre al minimo il rischio di scosse elettriche e incendi. A tale scopo, l'uso di fusibili è la tecnologia più comune e affidabile per la protezione da cortocircuito e sovraccarico. Questi fusibili CA sono collegati in serie con il carico e sono disponibili in un'ampia gamma di fattori di forma, valori nominali di corrente e tensione, capacità di interruzione e opzioni di montaggio per offrire al progettista flessibilità di progettazione.
Negli Stati Uniti, per le lampade retrofit e l'illuminazione interna a LED, le specifiche Energy Star dell'EPA richiedono una resistenza alle sovratensioni di onde oscillanti fino a 2,5 kV (Fig. 3).
* Livello di prova: 2,5 kV/83 A, tra fasi (ANSI/IEEE C.62.41-1991, funzionamento in classe A)
* Numero di sovratensioni: 7 sovratensioni in modo comune e 7 in modo differenziale, 1 minuto tra ciascuna.
Per i paesi al di fuori degli Stati Uniti, la norma IEC 61547 richiede la prova di resistenza alle sovratensioni della norma IEC 61000-4-5, che specifica la prova di sovratensione a onda combinata (Fig. 4) in base alla potenza del modulo di illuminazione a LED, come dettagliato di seguito. I requisiti principali per la prova di sovratensione secondo la norma IEC 61000-4-5 includono quanto segue:
* Per lampade e apparecchi di illuminazione con ballast proprio < 25 W, 500 V/250 A: applicare 500 V tra fasi con un'impedenza di sorgente di 2 ohm e 1 kV fase-terra con un'impedenza di 12 ohm.
* Per apparecchi di illuminazione > 25 W, 1000 V/500 A: applicare 1 kV tra le fasi con un'impedenza di sorgente di 2 ohm e 2 kV fase-terra con un'impedenza di 12 ohm.
* Numero di sovratensioni: 10 impulsi, 5 positivi e 5 negativi rispettivamente agli sfasamenti di 90°/270°, con 1 minuto tra ogni impulso.
Nell'illuminazione a LED per esterni, la suscettibilità alle sovratensioni, come quelle causate dai temporali, è molto maggiore. È fondamentale che i componenti elettronici sensibili dei driver LED, così come i LED stessi, siano protetti da tali eventi ad alta tensione. Per l'illuminazione a LED per esterni, come lampioni stradali, vialetti, parcheggi e garage, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha pubblicato un modello di specifica che affronta i test di prestazione e resistenza alle sovratensioni. Questi apparecchi di illuminazione rientrano nella Categoria C Alta, che indica un'elevata esposizione a fenomeni naturali.
Molte città e comuni stanno già utilizzando le specifiche del Dipartimento dell'Energia (DOE) per le gare d'appalto relative a progetti di ammodernamento dell'illuminazione a LED. L'obiettivo è garantire la redditività a lungo termine dell'investimento in apparecchi di illuminazione a LED, dato che questi possono costare due o tre volte di più rispetto alle tecnologie di illuminazione convenzionali.
In base alla posizione fisica dell'apparecchio di illuminazione a LED (vedere figura 5), lo standard IEEE C.62.41-2002 stabilisce il livello di resistenza alle sovratensioni richiesto.
Come specificato nella norma IEEE C.62.41-2002, la sovratensione è caratterizzata da una forma d'onda combinata con 1,2/50 µs per la tensione a circuito aperto e 8/20 µs per la corrente di cortocircuito. La Tabella 2 riassume i livelli di sovratensione che devono essere testati per diverse applicazioni di illuminazione interna ed esterna.
Il DOE MSSSLC fa riferimento a questo standard nel suo modello di specifica per l'illuminazione stradale a LED per applicazioni esterne, in particolare per la Categoria C Alta. Questo livello di sovratensione, a 20 kV/10 kA con un totale di 30 scariche in diverse modalità di accoppiamento e sfasamenti, è uno dei più rigorosi. La Tabella 3 fornisce una breve panoramica dei requisiti di prova per la Categoria C Alta e la Categoria C Bassa.
Scelta e posizionamento dei dispositivi di protezione del circuito:
Nella sezione precedente, abbiamo analizzato i requisiti di protezione per le applicazioni di illuminazione a LED per interni ed esterni. Qui descriveremo il modo migliore per conformarsi alle normative vigenti e proteggere gli apparecchi di illuminazione scegliendo i componenti appropriati e il loro posizionamento ottimale all'interno dei circuiti. La Figura 2 mostra un diagramma a blocchi di uno schema di protezione conforme alle norme di sicurezza e di protezione dalle sovratensioni.
Nella figura, i tre varistori a ossido di metallo (MOV) inclusi nel blocco del dispositivo di protezione dalle sovratensioni (SPD) sono utilizzati per garantire al prodotto un elevato livello di resistenza alle sovratensioni. L'opzione migliore per rispondere a sovratensioni multiple da 10 kA è rappresentata dai varistori a ossido di metallo da 25 mm con protezione termica. Questi varistori sono progettati per coprire tutti i possibili percorsi di corrente, inclusi fase-neutro, fase-terra e neutro-terra. Pertanto, ad esempio, in caso di fulmine, questi varistori assorbiranno la maggior parte della sovratensione. Tuttavia, una parte dell'energia potrà comunque passare, a condizione che il varistore di dimensioni inferiori presente nel driver LED sia in grado di gestirla.
Nel blocco di alimentazione CA, la scelta dei fusibili e dei varistori a ossido di metallo per l'alimentazione CA deve essere coordinata. Ciò significa che l'energia necessaria per fondere il fusibile (il suo valore I²t) deve essere sufficientemente elevata da consentire al varistore di funzionare in caso di sovratensione, ma senza provocare la bruciatura del fusibile. Il fusibile dovrebbe bruciare solo in caso di sovraccarico o cortocircuito.
In alcuni casi, anche con un varistore nell'alimentatore CA, il controller potrebbe non essere in grado di resistere a un picco di tensione. In tali casi, è possibile aggiungere un diodo soppressore di sovratensione transitoria (TVS) all'ingresso dello stadio del convertitore, come mostrato in Figura 2. Ciò consentirà una migliore ritenzione dell'energia che altrimenti potrebbe attraversare il varistore, proteggendo così il circuito del controller. Per proteggere i LED, potrebbe essere necessario utilizzare un dispositivo a coefficiente di temperatura positivo (PTC), un secondo diodo soppressore di sovratensione transitoria e i dispositivi di protezione da circuito aperto per LED (PLED) mostrati in Figura 2. Il dispositivo PTC limita la corrente continua in condizioni di sovracorrente o sovratemperatura per proteggere i LED. Il secondo diodo soppressore di sovratensione transitoria protegge da qualsiasi energia residua che potrebbe essere passata attraverso il circuito dei LED.
I dispositivi di protezione da circuito aperto per LED sono componenti specifici che consentono di bypassare le strisce LED interrotte e di proteggerle dalle scariche elettrostatiche e dall'inversione di polarità. Un driver a corrente costante ha una tensione di uscita massima (a circuito aperto) chiamata "tensione disponibile"; questa tensione è presente quando un LED si guasta (il tipo di guasto più comune). Ciò attiva il dispositivo di protezione del LED, che fa passare la corrente attorno al LED interrotto. (La dissipazione di potenza di questi dispositivi è inferiore a quella di un LED acceso.) I LED rimanenti rimarranno accesi e, in molte applicazioni, il guasto di un singolo LED non rappresenta un problema grave, o potrebbe addirittura non essere percepibile.
Gli autori
– Jim Young si è laureato in ingegneria elettrica presso l'Università dell'Arizona e vanta 35 anni di esperienza nell'elettronica di potenza. La sua competenza comprende la progettazione di alimentatori per piattaforme militari aeree, applicazioni di telecomunicazione e mediche ad alta affidabilità e dispositivi elettronici di consumo. Attualmente progetta driver LED e circuiti integrati di controllo per ON Semiconductor.
– Usha Patel si è laureata presso l'Università della California del Sud ed è un'ingegnere professionista iscritta all'albo. Attualmente dirige il dipartimento marketing e vendite per l'America Latina presso Littelfuse. Oltre alle sue responsabilità in America Latina, guida anche le iniziative globali dell'azienda relative al mercato dell'illuminazione a LED.
