Seconda puntata della serie "Aumentare la performance LED strip" per la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source.
TIPOLOGIE DI ALIMENTATORI LINEARI A CORRENTE COSTANTE
La scelta architetturale del tipo di alimentatore risente essenzialmente di questi tre fattori:
- potenza complessiva e numero dei LED presenti sulla strip
- sorgente di alimentazione della strip
- isolamento galvanico della sorgente di alimentazione dalla strip LED (e da questi ultimi)
Qualunque siano le prerogative, per potenze superiori a 1 W sarà necessario l’uso di convertitori switching ad alta efficienza (di solito 88%). L’uso di alimentatori lineari non consente infatti di raggiungere gli alti rendimenti previsti nelle vigenti normative. Per potenze inferiori a 1 W (la potenza di un LED è data dal prodotto della sua Vf per If) è possibile usare come elemento regolatore di corrente una semplice resistenza ma, anche in questo caso apparentemente semplice, occorrerà fare qualche riflessione. Per la nostra discussione prendiamo un LED destinato all’illuminazione di arredo (quindi a bassa intensità) o di pannelli, si tratta del noto modello LA T676 prodotto dalla OSRAM. Esso emette luce color ambra con un’intensità pari a circa 0,7 lumen per una If pari a 30 mA. Vediamone le caratteristiche salienti nella Figura 1.
Figura 1: Caratteristiche del LED tipo LA T676 prodotto da OSRAM
Osservando la Figura 1 si noterà come la Vf può variare da un minimo di 1,83 a un massimo di 2,33 V. Questa variazione dipende, con buona approssimazione, esclusivamente dalla dispersione dei parametri costruttivi. In altri termini, OSRAM potrebbe fornirci partite di LED la cui Vf rientra in questo range e ciò sarebbe del tutto regolare. A noi non è dato di sapere a priori il valore della Vf, per cui, a meno di procedere a una selezione dei componenti, dovremmo tener conto della variazione di questo parametro in fase di progetto. Per mantenere la dissipazione dell’elemento resistivo più bassa possibile dovremmo cercare di mantenere la Vf totale della strip LED il più vicino possibile alla VDC di alimentazione che, in questo caso, dovrà essere mantenuta costante e molto prossima al valore nominale. Supponiamo, per il nostro esempio, di disporre di una tensione stabilizzata pari a 24 VDC. A questo punto, occorre sapere quanti LED possiamo inserire nella nostra strip e, per farlo, potremmo usare, tanto per non far torto a nessuno, la Vf tipica. In Figura 1 possiamo verificare che questo parametro è posto a 2,0 V. Quindi: 24 / 2,0 = 12 che porteremo a 11 per mantenere un certo margine. Questo numero sarà la quantità di LED posti in derivazione (vedi Figura 2-A). Il calcolo di Rs sarà semplice: Rs = [24– (11 x 2,0)] / 0,03 (quest’ultimo valore è la corrente nel LED), ovvero 67 ohm. La potenza dissipata in questo resistore è irrisoria: soltanto 0,06 W. Vediamo adesso cosa accade se, per un motivo qualsiasi, siamo costretti a sostituire i LED presenti che stavolta ci verranno forniti con una Vf pari a 1,9, perfettamente rientrante nei parametri previsti per questo componente. Facendo un semplice calcolo scopriremo che la corrente è salita a 46 mA (sovraccarico del 50%), valore molto al di sopra della corrente massima prevista per il LED tipo LA T676. Per ridurre questo effetto possiamo intervenire sul numero dei LED costituenti la serie, ad esempio portandoli a 5 unità e diminuendo la tensione di alimentazione a 12 VDC (Figura 2-B). In questo caso, la sovracorrente si attesterebbe a 37 mA (sovraccarico del 20%), valore decisamente ridotto rispetto al primo esempio. Ne possiamo dedurre che, in caso di limitazione di corrente a resistore, valgono le seguenti considerazioni:
- la tensione di alimentazione deve essere stabilizzata (o molto costante) e poco al di sopra del valore di Vf (massima) x numero LED
- è necessario prendere come riferimento progettuale, per il calcolo della resistenza limitatrice, la Vf minima (worst case)
- si dovrà accettare la possibilità di ottenere una corrente di funzionamento leggermente inferiore a quella massima. Questo ci consentirà un margine di sicurezza nel caso la Vf reale sia vicina ai valori limite inferiori
- la limitazione precedente sarà tanto più vera quanto è più alto il numero dei LED posti in serie
Per ovviare all’inconveniente di disporre pochi LED per ogni strip è possibile utilizzare più serie alimentate dalla stessa sorgente (Figura 4-C). Quest’ultima soluzione penalizza ovviamente la semplicità del cablaggio. Per superare alcune limitazioni poste dal controllo di corrente a resistore è possibile usare componenti attivi. Il circuito risulta più complesso ma la strip potrà contenere più LED in serie e la sorgente di alimentazione potrà non essere necessariamente stabilizzata in tensione.
Figura 2: Strip LED con 11 elementi (A), con 5 elementi (B) e multipla (C)
In Figura 3 vi sono esempi di impiego di dispositivi attivi, anche integrati, in veste di regolatori di corrente. Premetto che questo metodo, per ovvi motivi di rendimento, non potrà essere usato per LED con corrente superiore a 50 mA. Nel caso di LED da 1 W, che di solito funzionano con una If pari a 350 mA, sarà possibile disporre di un solo elemento per ogni ramo poiché l’eventuale variazione della corrente, dovuta a dispersione della Vf, causerebbe esagerate variazioni di luminosità.
Figura 3: Limitatori di corrente attivi (per medio basse correnti)
Queste ultime sarebbero decisamente avvertibili dall’occhio umano, in special modo se la sorgente d’illuminazione è posta vicino ad altre simili. Nella progettazione delle strip LED occorre tenere conto delle variazioni di tensione rispetto al valore nominale. Facciamo un esempio, la rete AC viene fornita all’utenza con un valore nominale pari a 230 VAC (prima erano 220 VAC, poi vi è stato un adeguamento a livello europeo). Tuttavia, le società distributrici si “prendono” la licenza di poter variare questo valore di un 10% in più o in meno. Potremmo quindi avere un valore massimo pari a 253 VCA e uno minimo pari a 207 VCA. La Tabella 1 riporta le variazioni standard rispetto al valore nominale per le tensioni più comunemente usate. Nella Tabella 1 è stato introdotto il concetto relativo alla cosiddetta “tensione di riferimento”.
Tabella 1: Esempi di tensioni nominali e loro variazioni standard
Dobbiamo concepire quest’ultima come la tensione a cui la nostra LED strip, in via puramente statistica, sarà sottoposta per più tempo. Dai dati esposti risulta evidente che i circuiti con limitazione di corrente di tipo resistivo possono essere utilizzati solo quando l’alimentazione è fornita da batterie al Ni-Cd. I circuiti mostrati in Figura 3 possono invece essere utilizzati in campo automobilistico ove non sono richiesti isolamenti troppo spinti. Tuttavia, date le basse tensioni in gioco, sarà necessario utilizzare il sistema della LED strip multipla, sempreché la potenza dei LED sia contenuta. Per tutte le altre applicazioni sarà necessario ricorrere ad alimentatori isolati con trasformatore, a meno di non prevedere sistemi d’isolamento particolarmente efficaci (che però, ricordiamolo, devono consentire il transito del flusso luminoso e l’eliminazione del calore prodotto dai LED stessi). Al trasformatore ed eventuali fotoaccoppiatori quindi sarà affidato il compito di isolare la LED strip dalle sorgenti di alimentazione (rete luce, ecc.).
