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Pilotare Al Meglio i Led (I)

Pilotare Al Meglio i Led (I)

di Franco Musiari [ DESIGN IN ]

Pilotare LED di potenza, a seconda dell’ambiente applicativo, non è banale come potrebbe apparire

I LED (Light Emitting Diode) sono diodi la cui caratteristica di base è la capacità di emettere luce quando sono percorsi da una corrente che scorre dalla regione P verso quella N. Ad ogni ricombinazione tra portatori di carica (elettroni e lacune) nella regione di giunzione PN si genera l’emissione di un fotone, e la quantità totale di fotoni emessa, e quindi l’intensità luminosa, è proporzionale alla intensità di corrente che li attraversa. La luce emessa ha uno spettro – distribuzione delle lunghezze d’onda – ben definito a seconda dei materiali utilizzati nella realizzazione della giunzione PN del diodo anche se parzialmente dipendente dall’intensità della corrente e dalla temperatura della giunzione. I materiali più comunemente utilizzati nella realizzazione di LED sono quelli del III e V gruppo della tavola periodica degli elementi:
• Arseniuro di Gallio (GaAs) per luce dall’infrarosso al rosso (650 nm);
• Arseniuro e fosfuro di Gallio (GaAsP) per luce dal rosso al giallo (630-590 nm);
• Fosfuro di Gallio (GaP) per lunghezze d’onda dal blu al verde (565 nm);
• Nitruro di Gallio (GaN) per luce blu (430nm);
• Nitruro di Indio e Gallio (InGaN) per il blu profondo fino all’ultravioletto (390 – 360nm);

I LED a luce bianca vengono realizzati sia attraverso la combinazione di LED nei tre colori fondamentali RGB sia utilizzando LED blu ricoperti da uno strato semitrasparente di fosfori ad emissione gialla.

Pilotare Al Meglio i Led: Caratteristica tensione/corrente nei LED

I LED hanno un comportamento molto simile a quello dei diodi normali e presentano una

Curve minime/tipiche/massime

caduta di tensione diretta VF associata alla corrente diretta IF come quella riportata nel grafico di figura 1. La tensione diretta VF dipende in buona misura dalla tecnologia di realizzazione dei LED ed è circa 1,4 – 2V per il GaAs, 2 – 2,5 per il GaAsP, 3 – 3,5 per il GaP e 3,8 – 4,5 per l’InGaN (LED blu o bianchi). Ma la variabilità all’interno di uno stesso dispositivo è estremamente ampia così come è visibile nel grafico di figura 1 che rappresenta le caratteristiche minime, tipiche e massime del diodo NCSW215 della Nichia. Con una corrente diretta di 20 mA la caduta di tensione varia tra 3,2 volt (curva minima) e 4 volt (curva massima) passando per un tipico a 3,6 volt.

Una resistenza può bastare. Come richiamato più sopra, l’intensità luminosa emessa dal LED è proporzionale alla corrente diretta che lo attraversa ed è su questa che quindi si deve dimensionare il circuito di pilotaggio. Quando la sorgente di alimentazione sia sufficientemente superiore alla tensione diretta del diodo e sia abbastanza stabile si può pensare di regolare la corrente
Fig.2 nel LED con una resistenza come viene fatto in figura 1.
Questa soluzione può essere ragionevole quando le correnti in gioco siano relativamente contenute – da 2 a 20 mA – e la tensione di alimentazione non sia troppo distante dalla tensione diretta del LED. Se per esempio si suppone una alimentazione di 5 V ed un LED rosso con VF di 1,8 V a 10 mA la resistenza RL dovrà essere di 320 . La potenza dissipata nel diodo sarà pari all’incirca a 18 mW mentre la resistenza dovrà sostenere una potenza di 32 mW (quasi doppia di quella usata dal LED). Ma se supponiamo di dover operare in un circuito elettrico di un’auto con una tensione nominale di 13,8 V ed un LED rosso che a 45 mA ha una VF di 2,2 V le cose cambiano drasticamente. La resistenza RL dovrà essere pari a (13,8 – 2,2) / 0,045  258  (270 / 1W ). RL deve dissipare 11,6V x 0,045A =0,52 W. Il consumo totale di potenza è pari a 13,8V x 0,045A = 0,62 W per una efficienza pari a (2,2 • 0,045)W/0,62W ≈ 16%.

Ma in ambiente automotive, così come in altri settori, non è sufficiente prendere in considerazione i valori tipici o nominali. Un circuito elettrico tipico di un’auto può muoversi almeno tra 9 e 16 V e deve tenere in considerazione la possibilità di sostenere anche il doppio del valore nominale (27,2 V) per almeno cinque minuti. Con la regolazione realizzata con una resistenza da 270  la corrente nel LED, nelle condizioni limite, può variare da 25 a 93 mA. Il LED deve sopravvivere a 93 mA (per almeno 5 minuti) e brillare secondo le specifiche con 25 mA. Ma un generatore di corrente è più sicuro Una soluzione a questo problema è il passaggio al pilotaggio del LED con un generatore di corrente il più possibile indipendente dal valore della alimentazione. E’ possibile realizzare un semplice generatore di corrente con un transistore e pochi altri componenti come in figura 3. La corrente nel LED sarà proporzionale alla tensione del diodo zener D1 e inversamente proporzionale alla resistenza RS (IF ≈ VD1 / RS). Il diodo D2 compensa le variazioni in temperatura della Vbe del transistore.

Fig.3

Ma l’approccio ancora più facile per sistemi DC con tensioni non particolarmente elevate è utilizzare dei regolatori lineari quali l’ LM317 (offerto da diversi produttori) o l’ MC33269 di On Semiconductor o l’ LM340 di National Semiconductor. In figura 4 viene mostrato quest’ultimo ma la configurazione è invariata anche per gli altri regolatori citati che operano con gli stessi criteri. In questo schema il regolatore viene configurato come regolatore di corrente nel senso che opera per mantenere una caduta di tensione su RS pari alla tensione di riferimento VREF propria del regolatore. Di conseguenza la corrente nel LED sarà pari a VREF / RS. Nella maggior parte dei casi (p.e. LM317) questa tensione di riferimento è pari a 1,25 V.
Quindi se si vuole alimentare una stringa di LED a 350 mA il resistore di controllo RS dovrebbe avere il valore di 3,6 ohm.
La tensione di ingresso al circuito VIN deve essere in grado di sostenere la somma della tensione VF, totale della stringa di LED, della caduta sulla resistenza di controllo (pari a VREF) e del minimo valore di caduta che rende il regolatore ancora operativo.

Rimane comunque il problema della dissipazione:
• quella generata dalla resistenza RS di regolazione, attraversata dalla stessa corrente che pilota il/i LED con una caduta pari a VREF (1,25 V) per un totale di circa 1,25 • 0,35 = 0,44W;
• e quella dissipata nel regolatore pari a (VIN – VREF – VF) • IF = (12 – 1,25 – 2 • 3,6*) • 0,35 = 1,24 W. (* nota: il LED Cree XL7090 ha una VF di 3,6 v @ 350 mA).
Per una dissipazione totale di circa 1,68 W ed una efficienza pari a (2 • 3,6 • 0,35) / (12 • 0,35) = 60%. Efficienza totale che si riduce all’aumentare della potenza necessaria al pilotaggio dei LED.

Fig.4

Adattare gli alimentatori switching ai LED

La soluzione con alimentatori switching diventa la soluzione ideale non solo quando le potenze di pilotaggio dei LED diventano consistenti (la soglia del Watt può essere ragionevole) ma anche in considerazione delle diverse situazioni applicative (topologia della alimentazione primaria). Per esempio quando:
• La tensione di alimentazione è inferiore alla VF dei LED, situazione tipica nelle apparecchiature portatili alimentate a batteria;
• La tensione di alimentazione e estremamente più elevata della VF dei LED, caso in cui la alimentazione debba essere derivata direttamente dalla rete elettrica (220 V AC);
• La tensione di alimentazione ha una variabilità estremamente elevata e/o può essere sia superiore che inferiore alla VF.
Questa soluzione può inoltre portare ad efficienze ben superiori all’80% (e superare in alcuni casi anche il 90%), livelli decisamente superiori ai quelli ottenibili con le soluzioni viste nelle pagine precedenti.
Le possibili topologie switching utilizzabili nelle diverse situazioni che verranno analizzate rapidamente nel seguito:
• Buck,
• Boost,
• SEPIC,
• Boost/Buck (Cuk).
La lista non è assolutamente esaustiva, mancano i regolatori a pompa di carica (charge pump) e tutte le topologie con uscita isolata (p.e. flyback)

Figura 1 • Curve minime/tipiche/massime di IF come funzione della tensione di pilotaggio VF per il diodo NSCW215 (cortesia Nichia).
Figura 2 • Con una alimentazione stabile il modo più semplice per regolare la corrente nel LED è una resistenza.
Figura 3 • Una configurazione semplice per un generatore di corrente costante.
Figura 4 • Sorgente di corrente costante ottenuta con un semplice regolatore lineare.

 

 

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ritratto di @Facebook

questo articolo va bene per

questo articolo va bene per gli ingegneri e anche per i fisici.....

Mauro Reticcioli @Facebook

ritratto di testato

Quindi va bene cosi' :-)

Quindi va bene cosi' :-)

ritratto di Marco.Polli

Fisici?

Va benissimo anche per un perito... ammesso non si sia frequentato l'ITIS solo per scaldare le sedie. :-)

 

 

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