Led alta luminosità: i LED (anche economici) ad alta luminosità sono emersi come sostituzioni dignitose per le lampadine a causa della loro elevata efficienza di conversione energetica.

I LED sono andati molto lontani dal loro primo debutto e oggi sono usati in ogni sorta e applicazioni, ponendo nuove sfide di progettazione e di fabbricazione. I LED ad alta luminosità sono emersi come sostituzioni dignitose per le lampadine a causa della loro elevata efficienza di conversione energetica. Tuttavia, essi non sono così semplici da usare come i vecchi e comuni tipi LED di 3 millimetri e 5 millimetri, che hanno bisogno anche meno di un semplice microcontroller per essere controllati. I LED ad alta luminosità richiedono dispositivi speciali, in grado di fornire elevate correnti costanti in una vasta gamma di tensioni di ingresso e a temperatura ambiente. Il concetto di un LED ad alta luminosità è relativamente semplice:

Figure 1

È fondamentale che venga usato come fonte un dispositivo a corrente costante al posto di uno a voltaggio costante. Se fosse possibile utilizzare una fonte costante di tensione, poi è opportuno utilizzare un qualsiasi regolatore di tensione in una simile applicazione.

Purtroppo, i LED ad altà luminosità hanno una caratteristica tensione-corrente che è altamente dipendente dalla temperatura. Se, oltre a questa, si aggiunge il fatto che un LED di potenza 1W o 3W dissipa una notevole quantità di calore, ci si rende conto che in questo caso una tensione costante non sarà sufficiente. La prima volta che si accende il LED alta luminosità, essendo "freddo", la tensione costante fa scorrere una specifica corrente attraverso il LED. In un secondo momento, il LED alta luminosità diventa più caldo e per la stessa tensione applicata impiegherà una diversa quantità di corrente. Di conseguenza la sua luminosità cambia. E questo è solo sotto l'effetto della sua variazione di calore interna, senza neppure prendere in considerazione la variazione della temperatura ambiente!

Questi ben noti problemi hanno innescato la necessità di fonti ad alta corrente costante, e ci sono molti produttori di semiconduttori sul mercato che ora fabbricazione integrati specifici per il controllo dei LED alta luminosità. National Semiconductors e Linear Technologies sono solo due di questi, e fanno un buon lavoro con questi dispositivi.

Lo svantaggio principale di questi prodotti tuttavia è il loro costo (in particolare con LT). Naturalmente, non importa quando la quantità di produzione di un prodotto finale è ridotta, o quando si affronta un progetto per hobby. Ma i LED hanno fatto il loro ingresso in una vasta gamma di prodotti industriali e anche automotivi. Come risultato, il costo di tale dispositivo a corrente costante è venuto a dettare i criteri di progettazione di tali applicazioni.

Nella battaglia per il costo, uno dei vincitori è il commutatore di alimentazione NCP3063 fornito da OnSemi che è stato inizialmente concepito per essere usato come un regolatore di tensione. Per fortuna, ha anche una modalità a corrente costante, che le permette di essere utilizzato come un dispositivo per un LED alta luminosità. Il suo migliore parametro "elettrico" è, di sicuro, il suo prezzo: si può andare anche da un minimo di 0,70 $ (sui 0,55 €) per piccole quantità (0,30 $, 0,25 € per grandi quantità), rispetto ad almeno 1 $ (0,70 €), il prezzo dei suoi concorrenti. Essa ha anche un piccolo pacchetto, che le consente di essere incorporata in applicazioni miniaturizzate ed è valutato automotivamente, il che porta tutti i vantaggi noti: funzionamento da -40 a +85 gradi Celsius, alta tensione di ingresso, basso tasso di fallimento.

Leggi il datasheet dell'NCP3063. Il datasheet è ben documentato (come ci si aspetta da una società seria come OnSemi) e fornisce i motivi per utilizzare l'integrato come fonte di corrente costante, adeguata per la guida di un LED ad alta luminosità.
Lo schema che uso è piuttosto semplice, con la corrente che attraversa il LED facilmente regolabile tramite un semplice resistenza R1.

Figure 2 – Schematico per Led Alta Luminosità Luxteon LED

Una breve descrizione:

     * D1 - diodo di protezione contro l'inversione di tensione di alimentazione ("fool's diode")
     * C1, C2 - condensatori di energia e di filtraggio
     * R1 - resistenza di regolazione della corrente
     * L1, D2, C4 - componenti necessari per il funzionamento come convertitore DC - DC
     * C3 - condensatore di tempo
     * C5 - condensatore di filtraggio
     * D3 - LED
     * U1 - dispositivo di corrente costante

Lo schema ha molto più senso quando lo si guarda dopo aver conosciuto il diagramma a blocchi dell'NCP3063.

Teoria di funzionamento drive led alta luminosità
L'integrato integra molte funzioni ma non tutte sono usate qui. La più importante, che noi sfrutteremo, è il comparatore di limitazione della corrente all'interno dell' NCP3063. Come si può vedere dal diagramma a blocchi, il comparatore ha l' ingresso invertente collegato al piedino 7, e l'ingresso non invertente collegato a VCC-0.2V (questa tensione di 0.2V è generata internamente). Lo scopo del comparatore è quello di disattivare l'interruttore di alta alimentazione all'interno dell' integrato nel caso in cui la differenza di tensione tra i due piedini interni diventa superiore a questi 0.2V. Nel modo in cui lo schema è costruito, questa differenza è a carico di due parametri:

    1. La corrente che fluisce attraverso l'interruttore interno
    2. La resistenza R1 connessa tra i piedini 6 e 7 dell'integrato

Come tale, questo comparatore ci da la possibilità di stabilire la corrente massima che deve fluire attraverso il LED semplicemente scegliendo il valore appropriato per la R1. La corrente che fluisce attraverso R1, in aggiunta fluisce nell' NCP3063 attraverso il piedino 1 e fluisce poi fuori attraverso il piedino 2, per poi finire attraverso il LED. Quando questa corrente aumenta, anche la caduta di tensione su R1 aumenta, e quando questa caduta di tensione raggiunge i 0.2 V, il comparazione della corrente interna è attivato e spegne l'interruttore tra i piedini 1 e 2, quindi taglia la corrente attraverso il LED. L'interruttore è riacceso dall'oscillatore interno dell' NCP3063, alla fine di ogni periodo di oscillazione. La frequenza di oscillazione interna è data dal valore del condensatore C3, che si chiama condensatore di tempo. Il valore che ho scelto, di 2,2nF, offre una frequenza di oscillazione di circa 150kHz.

Lo schema dato lavorerà su una considerevole gamma di LED ad alta luminosità. Esso fornirà circa 200 mA attraverso il LED, che garantisce la luminosità dipendente dal LED da voi scelto. Io ho scelto un LUXEON Rebel LED con le seguenti caratteristiche corrente-tensione:

La corrente che ho scelto sembra piuttosto piccola per questo tipo di LED, tuttavia, attenzione: maggiore è la corrente attraverso il LED, maggiore è la dissipazione di calore! Al momento, sulla base di 200 mA con 3.1V, si ottiene appena 0.6W. Anche così la luminosità è impressionante. Se, tuttavia, è necessario di più, è possibile passare oltre 1W di potenza dissipata, e impiegherai metodi più intelligenti per dissipare il calore.

Naturalmente sono disponibili diverse opzioni: dissipatore di calore o base PCB in metallo, ma entrambi questi metodi sono costosi e in un progetto dove il prezzo finale è importante, si potrebbe trovare più utile perdere un po' di luce per qualche dollaro.

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