Tradizionalmente, i sistemi di illuminazione comprendono le lampade a incandescenza, quelle fluorescenti e alogene. Tutto è cambiato con l'aumento della popolarità dei Led, che stanno trovando largo utilizzo sia nelle illuminazioni per interno che per l'esterno. I principali fattori di questa tendenza sono il risparmio energetico, la lunga durata di vita, l'affidabilità dei dispositivi a stato solido e l'incredibile flessibilità che un apparecchio a Led può portare ad una applicazione per la illuminazione. Tuttavia, per ottimizzarli il loro alimentatore deve essere scelto con cura. Un Led emette luce quando viene applicata una tensione ai suoi capi e una corrente fluisce attraverso esso. La tensione deve essere uguale o maggiore della caduta di tensione diretta sul Led (tipicamente dell'ordine di 2-3 V) e la corrente può essere tipicamente 350 mA per un Led da 1 W, che è la più piccola taglia di potenza utilizzata nella illuminazione. Comunque, se la tensione applicata supera la tensione nominale diretta del Led, allora la corrente che scorre in esso aumenta esponenzialmente producendo un significativo aumento della temperatura del chip del Led che può portare al suo guasto. L’alimentazione deve quindi fornire una tensione adeguata alla corretta richiesta. Il modo più semplice per far ciò è usare un alimentatore con una tensione di uscita superiore alla tensione diretta del Led scelto e limitare la corrente al valore massimo specificato dal costruttore del Led, con una resistenza. Lo svantaggio di questo approccio è che uno dei benefici maggiori dell'illuminazione a Led, cioè l'alta efficienza, è compromesso dalla potenza dissipata dal componente resistivo per limitare la corrente. Un ulteriore problema di questo approccio è che la temperatura di giunzione del Led influenza la sua tensione diretta. Siccome la tensione di uscita dell'alimentatore è fissata e la tensione ai capi del dispositivo per limitare la corrente può variare, la corrente del Led può variare anche in modo eccessivo. Questo cambiamento di corrente può influenzare la quantità di luce emessa e diminuire l'affidabilità del Led. L'approccio migliore, quindi, è quello di comandare il Led con una sorgente di corrente costante. Ciò consente di impostare la corrente al valore massimo specificato dal produttore del Led per avere la massima efficienza e affidabilità, o per ottenere l'esatta luminosità necessaria eliminando gli effetti della temperatura dovuti al Led o alla variazione della temperatura ambiente sulla giunzione. Uno dei vantaggi di utilizzare i Led nelle applicazioni per l’illuminazione è la facilità nel variare la luminosità. Ciò può essere ottenuto variando la corrente che attraversa il Led proporzionale alla quantità di luce emessa, tuttavia, facendo lavorare il Led con una corrente inferiore alla sua massima si riduce l'efficienza e si può avere lievi variazioni del colore emesso. Un modo migliore è quindi, avere una corrente a impulsi con valore tra zero e il massimo per far variare la luce media emessa. Con una frequenza sufficientemente alta si evita che gli impulsi possano essere percepiti dall'occhio umano come sfarfallio, questo è il modo migliore per far variare l'intensità di luce emessa dal Led. Gli impulsi di corrente, di solito, sono ad una frequenza fissa variando il rapporto tra la durata di zero corrente e di quella massima. Questo metodo è chiamato Pwm (Pulse width modulation), cioè modulazione della larghezza dell'impulso
Selezionare l'alimentatore
La selezione del tipo di alimentatore per applicazioni di illuminazioni è basata su diversi fattori. In primo luogo, le considerazioni di carattere ambientale. È l'applicazione per un uso interno o esterno? L’alimentazione deve essere water-proof o avere un grado specifico di protezione? L’alimentatore dovrà utilizzare un raffreddamento a conduzione o solo un raffreddamento per convezione?
Qual è la potenza complessiva richiesta? Un'unica illuminazione può richiedere solo una piccola quantità di energia, ma un sistema complesso può avere bisogno di alimentazione che fornisca centinaia di Watt. Inoltre, ci sono altre caratteristiche richieste? Ad esempio, viene richiesto che l'alimentatore lavori semplicemente in modalità con tensione costante o corrente costante? È richiesta una possibile attenuazione della luminosità? Dal punto di vista della regolamentazione, il sistema nel suo complesso deve mantenere entro certi limiti le correnti armoniche? Bisognerà adeguarsi alle norme di sicurezza per l’illuminazione o un alimentatore ITE è adatto? In questi tempi di risparmio energetico, quanto efficiente deve essere l’alimentatore? Bisogna mantenere questo livello di efficienza con qualsiasi alimentazione in ingresso quando le luci sono spente?
Norme di sicurezza
Ci sono varie norme che si applicano ai sistemi di illuminazione. A livello internazionale vi è la Iec61347 Parte 1 che comprende i requisiti generali di sicurezza dei dispositivi di controllo per lampade e la parte 2 sezione 13, che si applica sorgente di alimentazione dei moduli Led, gli Stati Uniti si ha la UL8750 e in Europa la En61347 che corrisponde alla Iec per i paragrafi elencati prima.
Le correnti armoniche
Nelle applicazioni per illuminazione, in genere, si richiedono che le corrente armoniche prodotte soddisfino i requisiti della En61000-3-2, in cui la classificazione dei dispositivi per illuminazione è la classe C. All'interno di questa classe ci sono una serie di limiti con una potenza attiva di ingresso al di sopra di 25 W e altri limiti se è uguale o inferiore ai 25 W. Tuttavia, la norma per 25 W e inferiori si riferisce in particolare solo con l'illuminazione a scarica. Per soddisfare i limiti per le potenze al di sopra dei 25 W si usa generalmente una correzione del fattore di potenza e, siccome i limiti sono calcolati come percentuale della fondamentale e non come valore assoluto in ampere, è quindi preferibile usare un alimentatore progettato specificamente per le applicazioni per illuminazione piuttosto che un alimentatore di tipo ITE. Tuttavia, un alimentatore ITE probabilmente soddisfa i limiti perché il carico di illuminazione è superiore al 40-50% del carico massimo dell'alimentatore.
Un esempio di alimentatore appositamente progettato per l’illuminazione a Led è la serie DLE di XP Power con protezione IP67. La gamma comprende i modelli da 15, 25, 35 e 60 Watt ed è conforme alle specifiche di sicurezza EN61347 e UL8750.
La configurazione dei Led
Alcune applicazioni possono utilizzare un solo singolo Led. La potenza utilizzata da questo sarà in genere all’incirca 1 W con una tensione diretta di 2-3 V e corrente intorno ai 350 mA. Anche se questo produrrà una sorgente di luce, è più probabile che i Led vengono utilizzati in una matrice di qualche tipo all’interno di una o un gruppo di lampade per avere una sorgente più luminosa e con una luce più uniforme possibile. I Led saranno generalmente disposti in una delle quattro possibili configurazioni. Il posizionamento dei Led in una configurazione serie, parallelo o matrice (combinazione di serie e parallelo) consente loro di essere pilotati da una singola alimentazione. La quarta configurazione utilizza più canali che richiedono una alimentazione multipla.
• Configurazione serie - In questa configurazione i singoli Led sono disposti in serie. Questo offre il vantaggio che la stessa corrente passa in ognuno e quindi si ha la stessa luminosità emessa. Un altro vantaggio è che, se un Led si guasta provocando un corto circuito, gli altri Led rimangono accesi. Uno svantaggio, però, è che se un Led guasto crea un circuito aperto, il flusso di corrente viene interrotto e tutti gli altri Led si spengono. Un ulteriore svantaggio è dovuto al fatto che, se sono necessari molti Led per produrre la quantità di luce voluta, si sommano le tensioni dirette ai Led così da richiedere di un alimentatore con una tensione di uscita molto alta.
• Configurazione in parallelo - Se collegati in parallelo, i Led possono ancora essere disposti in due o più stringhe di Led in serie. Il vantaggio è che per lo stesso numero di Led, cioè per avere la stessa luminosità, l’alimentazione potrebbe avere una tensione di uscita inferiore questo perché in ogni stringa si ha un numero inferiore di Led. Un altro vantaggio è che se uno dei Led si guasta provocando un circuito aperto in una delle serie, le altre stringhe continuano a funzionare e l'apparecchio può ancora produrre luce anche se ad una luminosità ridotta. Lo svantaggio è che la corrente di ogni serie non può essere controllata con precisione da una singola alimentazione questo perché possono esserci piccole differenze di tensioni diretta presenti in ogni serie di Led, può quindi essere necessario un dispositivo di bilanciamento della corrente in ciascuna stringa che potrebbe però ridurre l'efficienza complessiva.
• Configurazione a matrice - In un layout a matrice, i Led possono essere disposti in un modo simile a quello della configurazione parallela ma con collegamenti tra ogni modulo Led di una serie e l’altro. Il maggior vantaggio di questa configurazione è che se un singolo Led guastandosi diventa circuito aperto, vi è ancora un percorso per la corrente di fluire attraverso tutti gli altri Led in quella stringa, anche se la luce emessa in quella serie sarà leggermente minore. Lo svantaggio principale è che è più difficile da controllare la corrente in ogni serie non potendo utilizzare un dispositivo per bilanciare la corrente. Ciò significa che i Led utilizzati devono avere tensione diretta estremamente simile e questo può portare a costi aggiuntivi.
• Configurazione dei canali multipli - Usando questo approccio, i Led sono disposti in serie in più stringhe con un sistema analogo alle configurazioni in parallelo e a matrice. Questo ha il vantaggio che la tensione totale di ogni stringa può essere ridotta per avere la luminosità richiesta e, siccome ogni stringa ha un alimentazione individuale, il guasto di una qualsiasi stringa non influenzerà le altre in alcun modo. Uno svantaggio è che l’alimentatore sarà più costoso, in quanto ogni stringa utilizza una singola uscita, tuttavia questo consente maggiore flessibilità nelle applicazioni in cui la luminosità di una serie di Led deve essere diversa dalle altre o dove è richiesta una regolazione individuale dell’intensità della luce emessa di ogni stringa.
