Criteri per la progettazione dei LED driver

Criteri per la selezione del driver led

I diodi a emissione luminosa (LED) sono componenti optoelettronici allo stato solido la cui diffusione è in continua crescita. Pur presentando caratteristiche superiori rispetto ai sistemi di illuminazione tradizionale, i LED richiedono un circuito di pilotaggio in grado di garantire in ogni condizione i corretti parametri di lavoro del componente. Nel corso dell'articolo verranno esaminati i principali circuiti driver per LED e forniti dei criteri in base ai quali scegliere la soluzione più adatta alle proprie esigenze. 

Introduzione

Nel settore dell'illuminazione, i LED stanno guadagnando quote di mercato sempre maggiori in virtù di caratteristiche superiori rispetto ai sistemi di illuminazione tradizionale (lampade a incandescenza o alogene), quali: affidabilità, durata, elevata luminosità e assorbimento ridotto. Anche le applicazioni dei LED si sono evolute con il passare del tempo. Inizialmente utilizzati per la realizzazione di indicatori luminosi da pannello e display alfa-numerici, i LED sono oggi impiegati in numerosi settori dell'elettronica di consumo e industriale: illuminazione esterna ed interna degli autoveicoli, illuminazione stradale, illuminazione domestica, monitor e TV, sistemi di retroilluminazione, semafori, torce e altro ancora. Le tecnologie elettroniche e i materiali utilizzati per la fabbricazione dei LED sono parimenti progrediti, dando vita a soluzioni sempre più miniaturizzate e con prestazioni sempre più elevate. I primi LED, sviluppati negli anni '70, erano disponibili in un package cilindrico di 5 mm di diametro, potevano fornire una luminosità di 2-3 lumen e richiedevano una corrente di esercizio pari a 30 mA. Negli anni successivi sono stati sviluppati LED sempre più compatti, con package SMD e luminosità e correnti sempre maggiori. I più recenti LED ad elevata luminosità, la cui struttura è visibile in Figura 1, sono caratterizzati da una luminosità fino a qualche decina di lumen, correnti fino a 1,5 A e potenze di qualche watt.

Figura 1: struttura di un LED ad elevata luminosità

Il cuore del LED, rappresentato dal chip flessibile di Figura 1, viene realizzato utilizzando particolari tipi di semiconduttore che consentono di ottenere diverse colorazioni del fascio luminoso. Le leghe maggiormente utilizzate oggi sono le seguenti:

  • AlGaAs (arseniuro di gallio e alluminio): si tratta di un semiconduttore di tipo wide bandgap (WBG), quindi dotato di un'ampia banda proibita. Già impiegato con successo nella fabbricazione di dispositivi di potenza, come i transistor ad effetto di campo HEMT (High Electron Mobility Transistor), questo semiconduttore viene utilizzato nei LED per coprire le bande rosse e ambra dello spettro visibile;
  • InGaN (nitruro di gallio e indio): anche in questo caso siamo di fronte a un semiconduttore con una banda di energia proibita diretta e regolabile, utilizzato nei LED per realizzare le colorazioni verde, blu e bianco;
  • AlInGap (alluminio di gallio indio fosforo): già utilizzato nel settore fotovoltaico, questo semiconduttore trova impiego nella fabbricazione dei LED per produrre soprattutto luce di colore arancione e ambra.

L'importanza del driver

I LED sono dei dispositivi emettitori di luce che per loro natura richiedono un controllo accurato della corrente. Tale corrente, il cui valore è stato citato negli esempi precedenti, viene tecnicamente detta "forward current" e indicata con IF. Il termine "forward" deriva dal fatto che i LED sono comunque dei diodi e pertanto la corrente, nello stato di conduzione corrispondente all'accensione del LED, può circolare in una sola direzione. Al parametro IF corrisponde la tensione VF, detta "forward voltage", la quale indica la minima differenza di potenziale da applicare tra anodo e catodo affinché nel LED passi corrente. I valori tipici e massimi della forward voltage VF sono indicati dal produttore nel datasheet del componente. In Figura 2 è mostrata la curva che lega i parametri VF (in volt) e IF (in mA), riferita a LED con differenti caratteristiche e lunghezze d'onda. Si può subito osservare come, al di sotto di una certa tensione, il LED non conduca e pertanto rimanga spento. Superata una certa soglia di tensione, il LED entra in conduzione, ma con una corrente che cresce molto rapidamente rispetto alla tensione applicata. Nel definire le condizioni di lavoro di un LED, occorre pertanto assegnare un opportuno valore sia a VF che a IF, assicurandosi che il componente possa operare in una zona sicura senza subire danneggiamento o surriscaldamento. Tale compito è svolto dal circuito di pilotaggio dei LED, detto anche "LED driver".

Figura 2: curva caratteristica del LED

Anche se a questo parametro non viene spesso assegnata la stessa importanza del punto di lavoro (definito dalla coppia di valori IF e VF), la temperatura svolge un ruolo primario nel garantire il corretto funzionamento del LED. Infatti, al crescere della temperatura insorgono nel LED fenomeni dannosi quali (si osservi la Figura 3):

  • diminuzione della luminosità emessa;
  • aumento della lunghezza d'onda e conseguente alterazione cromatica del fascio luminoso emesso;
  • diminuzione della forward voltage, con rischio di uscita dalla zona di conduzione.

Figura 3: effetti della temperatura su luminosità e lunghezza d'onda del LED

Durante il processo di fabbricazione, i LED vengono suddivisi in base a: luminosità (potenza), lunghezza d'onda (colore) e corrente o tensione forward. Poiché è estremamente difficile e costoso, per il produttore, controllare entro stretti limiti tutti e tre i parametri, ci si accontenta in genere dei primi due. Ciò significa che due LED dello stesso tipo, teoricamente identici, presenteranno all'atto pratico delle forward voltage e caratteristiche elettriche leggermente differenti. Non deve quindi stupire se, applicando a due LED identici la stessa forward voltage, si ottengono dei valori differenti (entro certi limiti) di corrente, luminosità e lunghezza d'onda.

Circuiti driver

Il circuito di controllo di un LED varia in base alle caratteristiche tecniche del componente e in base alla specifica applicazione. I LED driver possono anzitutto essere suddivisi in due categorie, a seconda del tipo di corrente utilizzata per il loro pilotaggio: driver a corrente continua (driver statici) e driver a corrente pulsante (driver dinamici), in cui il LED viene fatto lampeggiare in modo ripetitivo. Nonostante le due tecniche siano caratterizzate da una profonda differenza, gli effetti esterni possono risultare identici, a condizione che l'intervallo di lampeggio del LED sia sufficientemente rapido da non essere percepito dall'occhio umano. Il primo metodo, ottenuto tramite l'applicazione di una corrente continua, viene utilizzato prevalentemente negli indicatori luminosi (quadri elettrici, sinottici e applicazioni simili), dove elevata luminosità e assenza di sfarfallio sono requisiti imprescindibili. La tecnica basata sulla corrente pulsante si utilizza invece per pilotare i display composti tipicamente da un array o matrice di LED e per le sorgenti di luce a luminosità variabile. La corrente pulsante, prodotta tipicamente con la tecnica di commutazione (switching) come ad esempio la modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PWM), presenta il vantaggio di essere più efficiente dal punto di vista energetico e meno costosa (richiede un minor numero di transistor di potenza). I driver statici, a loro volta, possono essere ulteriormente suddivisi in driver statici a corrente costante e in driver statici a tensione costante. Nei prossimi paragrafi verranno esaminate e confrontate le principali caratteristiche di queste tipologie di circuito.

Driver a tensione costante

Il circuito utilizza una normale resistenza di limitazione del carico (R), collegata in serie al diodo LED, come indicato in Figura 4. Una volta fissate la tensione di alimentazione Vcc e la forward current If e acquisito il valore della forward voltage Vf dal datasheet, è possibile calcolare la resistenza di limitazione applicando la seguente equazione:

Vcc = Vf + (R x If)

Lo stesso risultato può essere ottenuto per via grafica dalla curva caratteristica If-Vf visibile nella parte destra di Figura 4.

Figura 4: circuito driver a tensione costante

Il punto sulla curva caratteristica corrispondente alla coppia di valori (If, Vf) definisce il punto di lavoro del LED, mentre la linea tracciata a partire da Vcc e che incrocia tale punto è la retta di carico. La pendenza di tale linea è pari a 1/R. Applicando la stessa procedura, è possibile ricavare If a partire da un valore noto di R. La curva caratteristica mostrata è quella ideale: nella realtà i valori di forward voltage e forward current non sono sempre gli stessi ma cambiano da un LED all'altro a causa di piccole differenze nel processo di fabbricazione. Diventa pertanto importante studiare gli effetti prodotti da tali oscillazioni. Indicato con If il valore di corrente corrispondente sulla curva caratteristica al valore tipico di Vf (ottenuto dal datasheet), il valore reale della forward current oscillerà tra un minimo e un massimo come indicato in Figura 5.

Figura 5: curve caratteristiche ideali e reali

Dall'analisi di tali curve si può osservare come, scegliendo di utilizzare una tensione maggiore (Vcc2 invece di Vcc1) si ottenga come effetto una riduzione dell'ampiezza di oscillazione della forward current (If2 ha un range minore di If1) e quindi una maggiore stabilità cromatica e luminosità del LED. Lo stesso risultato si ottiene scegliendo valori di R maggiori. Un circuito driver con tensione costante (e corrente variabile) può essere realizzato a partire da un regolatore di tensione, di tipo lineare o switching, applicando la configurazione di Figura 6. La tensione di uscita VO può essere ricavata dalla seguente equazione:

VO = VFB x (RFB1 + RFB2)/RFB1

dove VFB è la tensione corrispondente al pin di retroazione del regolatore. [...]

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