LED bianchi: pilotarli a corrente costante

In questo articolo si parlerà di LED bianchi, del perché pilotarli a corrente costante e si metteranno a confronto sei diversi LED di due marchi. L’obbiettivo è capire pregi e difetti dei circuiti di pilotaggio dei LED.

Quando si utilizzano i LED bianchi solitamente è per realizzare una retroilluminazione o una qualsiasi forma di illuminazione generica. Le ragioni per cui risulta conveniente pilotarli a corrente costante sono essenzialmente due. La prima è evitare di superare la massima corrente consentita per il LED, la seconda è ottenere un risultato di luminosità e colore prevedibile e ripetibile per ogni LED.

LED BIANCHI IN TEST

Sono stati presi tre LED bianchi di un fornitore e tre LED bianchi di un altro e per tutti è stata tracciata la caratteristica corrente-tensione. Il risultato è visibile in figura 1.

Figura 1: corrente diretta in funzione della tensione diretta applicata al LED bianco

Figura 1: corrente diretta in funzione della tensione diretta applicata al LED bianco

Pilotando i LED con una tensione di 3.4V si può vedere che la corrente varia da 10mA a 44mA a seconda del LED. Per la robustezza del sistema è importante non violare il vincolo sulla corrente massima per LED, solitamente intorno ai 30mA massimi. Tuttavia se la temperatura ambiente sale la corrente massima diminuisce come mostrato dalla caratteristica di figura 2. Se si limita la corrente massima a 20mA allora è possibile utilizzare l’applicazione fino ad una temperatura di 50°C senza rischiare che qualche LED si bruci. È immediato desumere da quanto detto sinora che pilotare i LED a tensione costante non risulta essere una buona soluzione anche perché tipicamente il processo produttivo dei LED che prevede una verifica di luminosità e colore è realizzata con corrente costante, come si può intuire da qualsiasi datasheet.

Figura 2: corrente massima consentita per il LED in funzione della temperatura ambiente.

Figura 2: corrente massima consentita per il LED in funzione della temperatura ambiente.

QUATTO CIRCUITI PER TRE LED

In figura 3 sono presentati quattro diversi circuiti che consentono di pilotare tre LED bianchi. Il circuito A genera una tensione costante e la regolazione di corrente è eseguita attraverso le resistenze.

Figura 3: quatto circuiti diversi per pilotare tre LED bianchi.

Figura 3: quatto circuiti diversi per pilotare tre LED bianchi.

Il circuito B genera una corrente costante ripartita con le resistenze per ogni LED. Il circuito C è un regolatore di corrente multiplo mente il circuito D è ancora un regolatore di corrente ma con i LED in serie. Per ognuno dei circuiti di figura 3 andiamo graficamente sulla caratteristica corrente tensione in diretta a vedere come viene eseguita la regolazione, per stabilire il punto di funzionamento. Il circuito in figura 3 A è molto semplice ed estremamente diffuso, il suo principale pregio infatti è quello di essere realizzabile utilizzando un gran numero di regolatori disponibili in commercio. Lo svantaggio principale è legato alla sua efficienza, infatti parte della potenza viene dissipata sulle resistenze e la corrente nei LED non è controllata in maniera accurata. Dalla figura 4, relativa allo schema di figura 3 A si vede che la corrente può variare da 14.2mA a 18.4mA e che i LED di marca A lavorano mediamente con 2mA di corrente in più dei LED di marca B, risultando quindi più luminosi.

Figura 4: punto di lavoro per il circuito di figura 3A con i sei LED bianchi esaminati.

Figura 4: punto di lavoro per il circuito di figura 3A con i sei LED bianchi esaminati.

Il circuito di figura 3B regola la corrente complessiva che circola nei 3 LED, le resistenze servono per distribuirla equamente. Come regolatore si può utilizzare per esempio il MAX1910 della Maxim Integrated Products. Il circuito proposto si basa sul principio che tra LED e LED non ci siano differenze rilevanti, almeno tra lotti ravvicinati. Le resistenze in tal caso possono essere di valore basso, riducendo così la potenza dissipata. Dal grafico di figura 5 si vede che la corrente per i sei esemplari sotto esame varia da 15.4 a 19.6mA con il marchio A che presenta comunque valori ravvicinati rispetto al marchio B.

Figura 5: punto di lavoro per il circuito di figura 3B con i sei LED bianchi esaminati.

Figura 5: punto di lavoro per il circuito di figura 3B con i sei LED bianchi esaminati.

Tutti e 6 i LED sono attraversati da una corrente di 17.5mA/LED. Lo svantaggio di questo circuito è che rimane comunque una percentuale di potenza dissipata sulle resistenze e che le correnti nei vari rami non sono mai perfettamente identiche. In ogni caso il circuito è un buon compromesso tra performance e semplicità. Il circuito di figura 3 C regola la corrente individualmente per ogni LED e non richiede resistenze. Il valore di corrente su ogni ramo e la ripetibilità dello stesso su tutti i rami è garantito dal regolatore, il MAX1570 sempre della Maxim Integrated Products è un tipico esempio di prodotto di questa categoria. Il MAX1570 ha una accuratezza sul valore di corrente del 2% e un accuratezza sulla ripetibilità del valore del 0.3%. Poiché la regolazione di corrente è a low dropout, l’efficienza raggiunge valori elevati. In figura 6 si ha il punto di lavoro per i nostri LED quando sono percorsi da una corrente costante a 17.5mA.

Figura 6: punto di lavoro per il circuito di figura 3C e 3D con i sei LED bianchi esaminati.

Figura 6: punto di lavoro per il circuito di figura 3C e 3D con i sei LED bianchi esaminati.

Il circuito risulta più compatto poiché non sono necessarie le resistenze, tuttavia tra il regolatore e i LED sono necessari quatto collegamenti, con un conseguente aumento delle dimensioni del regolatore. Questo circuito garantisce alte prestazioni ad un costo però maggiore dei precedenti. Il circuito di figura 3D e il classico circuito boost ad alta efficienza basato su induttore, configurato per regolare la corrente. La bassa tensione di feedback minimizza la potenza dissipata nella resistenza di sense. Il punto di lavoro per il circuito di figura 3 D è lo stesso di figura 6 ottenuto per il circuito di figura 3 C. Poiché i LED sono in serie la corrente tra loro è esattamente identica in tutte le condizioni. La precisione della corrente è determinata dal circuito di feedback e risulta indipendente dalle differenze sulle tensioni di forward dei LED. Il MAX1848 e il MAX1561 sono esempi di regolatori di questo tipo e garantiscono un 87% (3 LED) e un 84% (6 LED) di efficienza rispettivamente. I collegamenti tra regolatore e LED prevedono solo due connessioni e questo rappresenta un vantaggio. Lo svantaggio è rappresentato dalle dimensioni dell’induttore per il regolatore boost, dal costo e dalle EMI irradiate. In figura 7 un circuito realizzato con il MAX1561, la corrente nei LED si può determinare dalla formula

ILED = VCTRL/ (10xRSENSE)

Dove VCTRL varia da 0.24V a 1.62V. Attraverso il pin di controllo del MAX1561 è possibile con una forma d’onda PWM regolare la luminosità dei LED, una variazione di duty cycle determina una variazione dell’intensità.

Figura 7: schema funzionale del MAX1561.

Figura 7: schema funzionale del MAX1561.

 

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