Illuminazione a LED: topologie, criteri e tutto ciò che conta

I LED rappresentano l'elemento circuitale elettronico più semplice ma anche quello che nel corso dell'evoluzione tecnologica ha svolto i ruoli più disparati. Dal suo primo impiego per le più semplici funzionalità di debug, è oggi protagonista assoluto dell'illuminotecnica. Ma come si configura correttamente un LED per queste applicazioni? Quali sono le topologie circuitali più utili? Come funzionano? Ecco tutto quello che c'è da sapere sul tema.

Gli articoli comparsi su queste pagine hanno avuto molto spesso a tema l'illuminazione basata sui LED. Ci siamo occupati di pilotaggio e controllo di LED ad alta luminosità ma abbiamo anche parlato dei casi in cui i LED compongano una matrice e, quindi, sia indispensabile pilotarli in maniera tale da gestire strip o grandi array bidimensionali.

I LED sono stati inizialmente concepiti come elementi circuitali che mettessero luce quando ai loro capi fosse applicata una opportuna tensione. I diodi fondamentalmente, però, sono nati per un altro scopo ovvero partizionare i circuiti impedendo l'attraversamento da parte della corrente di alcune sezioni e garantendone, invece, il percorso in altre.

Come tutti gli elementi circuitali, anche i diodi hanno un certo consumo energetico perché a valle della tensione applicata naturalmente al loro interno scorre una certa corrente e come in ogni sistema elettronico , il progettista sa che difficilmente i dati nominali corrispondono a quelli effettivi. Questo richiede la progettazione di una soluzione in grado di far funzionare al meglio il circuito (figura 1).

L'equazione ideale del diodo spiega come la corrente che attraversa il LED sia sensibile al più piccolo cambiamento di tensione applicato ai suoi capi, soprattutto per la dipendenza dalla tensione termica (indicata con VT).

Figura 1: caratteristica del diodo, nel caso reale e nel caso ideale

Le oscillazioni sui valori di tensione sono, naturalmente, un problema per qualunque applicazione ma in questo caso, soprattutto se i LED vengono utilizzati per garantire un certo livello di illuminamento all'interno di un museo, oppure se stiamo progettando applicazioni di cromoterapia, l'effetto potrebbe essere particolarmente sgradevole.
Per garantire che non ci siano fluttuazioni sui valori di tensione si opera con grande attenzione sul livello delle batterie o sul controllo del livello di tensione in uscita dall'alimentatore. Così, si garantisce la costanza di quel valore nel tempo.

Il controllo preciso ha, quindi, il duplice vantaggio di mantenimento del livello di tensione pari al valore costante accettabile e controllo fine della potenza ottica in uscita.

Ovviamente, pilotare LED è un'operazione che deve essere compiuta grazie all'utilizzo di driver opportuni. In particolare, le soluzioni DC/DC LED drivers  sono di tre tipi:

  • i regolatori lineari;
  • i cosiddetti charge pumps, ovvero gli amplificatori di carica, caratterizzati dall'utilizzo di condensatori come elementi fondamentali;
  • i switch mode drivers,  ovvero circuiti basati su componenti elettronici reattivi ed in particolare su induttori.

Sebbene siano la categoria più complessa, la terza, ovvero gli switch, essi sono stati fino a questo momento impiegati in una grande moltitudine di applicazioni perché risultano essere molto flessibili ed adattabili. Inoltre, propongono un vantaggio non indifferente: il supporto completo per ampi range di tensione in ingresso. Ciò consente anche una miglior gestione della temperatura.

Il legame tra questi due criteri probabilmente non è immediato da comprendere: la diminuzione del consumo di corrente diminuisce anche il riscaldamento e pertanto una miglior gestione del circuito dal punto di vista del necessario raffreddamento.

Vi sono anche ulteriori vantaggi in termini di prestazioni, dal momento che è possibile ottenere più alte densità di potenza (W/cm2),  senza contare che è anche possibile isolarli elettricamente attraverso trasformatori (Flyback) e ridurre le dimensioni complessive dei circuiti minimizzando footprintgradienti termici.

Questi sono i principali motivi per i quali la categoria dei regolatori switch mode è preferibile in applicazioni di illuminotecnica ed illuminotronica.

Alcune considerazioni progettuali sono topologiche, naturalmente, ed i progettisti sono chiamati a stabilire un bilancio netto tra i vantaggi e le caratteristiche principali di ciascuna delle topologie possibili. Ne vedremo alcune a breve ma prima di analizzarle è importante specificare che i parametri principali di ottimizzazione sono:

  • dimensione;
  • consumo energetico;
  • costo;
  • tensioni di ingresso e ampiezza del range;
  • temperatura di esercizio.

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3 Commenti

  1. Andrea Garrapa Andrea Garrapa 27 dicembre 2018
    • Pietro Boccadoro Piero Boccadoro 3 gennaio 2019
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 3 gennaio 2019

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