Le lampadine Led si sono affermate sul mercato dell’illuminazione, con opzioni allo stato solido rese disponibili per tutti i principali attacchi e formati. Le prestazioni delle lampadine Led sono sempre state eccellenti sin dalla loro introduzione, e hanno ovviato a tutte le criticità delle comuni lampadine compatte a fluorescenza; dall’accensione lenta alla sensibilità alla temperatura. A parte alcuni prodotti specifici, le lampadine Cfl non sono compatibili con i regolatori luminosi, mentre una buona parte di quelle a Led lo è. La compatibilità con i regolatori luminosi è l’unica grande sfida che il progettista di driver per Led deve affrontare. I requisiti operativi con e senza un dimmer connesso sono difficili da soddisfare con un unico approccio alla progettazione. Una buona compatibilità con i regolatori non porta in sé a un fattore di potenza elevato e a un valore di Thd ridotto. Il progetto ottimale richiede la considerazione di più aspetti riguardo allo stato operativo, e intelligenza in misura sufficiente per riconoscere i diversi stati operativi. I produttori di semiconduttori stanno introducendo nuovi driver per Led che semplificano le sfide della compatibilità con i variatori di luce.
Regolatori a controllo di fase
Il filtro di ingresso di un driver per Led gioca un ruolo importante nella compatibilità con il regolatore luminoso. Esistono due tipi principali di regolatori a controllo di fase: con modulazione sul lato di ingresso e con modulazione sul lato di uscita. Con un regolatore modulato sul lato di ingresso, la corrente di linea è ritardata a partire dall’attraversamento dello zero. In questo caso l’attivazione del regolatore modula il lato di ingresso della corrente per controllare la lampadina. La corrente del regolatore al lato di uscita si spegne parzialmente lungo il ciclo di linea. Entrambe le tecniche sono efficaci nel regolare la luce della lampadina, tuttavia l’implementazione di ciascuna é molto diversa. I regolatori al lato di ingresso sono molto più comuni perché i loro progetti sono più maturi e meno costosi, essendo l’interruttore principale un Triac o un Scr. Questi ultimi possono solo essere spenti quando la corrente che attraversa il dispositivo scende al di sotto della corrente di mantenimento. Ciò avviene all’attraversamento dello zero, dopo che il dispositivo é stato acceso. I regolatori al lato di uscita usano un Mosfet per controllare la corrente. I Mosfet possono essere spenti indipendentemente dalla corrente lungo il dispositivo, il che consente loro di spegnersi parzialmente durante il ciclo di linea. I Mosfet e il controllo ad essi associato sono più costosi e complicati rispetto ai regolatori controllati da Triac/Scr. Non solo i regolatori a Triac/Scr esistono da più tempo dei regolatori a Mosfet, ma hanno anche un costo inferiore e dominano ancora il mercato dei regolatori luminosi. Anche se ciò é di grande vantaggio per il consumatore, i regolatori a Triac presentano una quantità di aspetti complessi per il progettista del driver. Le lampadine a incandescenza sono caratterizzate da alcune non linearità che le rendono adatte per i regolatori a Triac. In particolare, esse consistono nel coefficiente di temperatura positivo e nell’emissione luminosa che si attenua pressoché bruscamente con la tensione applicata. Il coefficiente di temperatura positivo deriva dal filamento di tungsteno. Al raffreddarsi del tungsteno, la sua resistenza diminuisce. Questo rende la corrente pressoché costante lungo l’intervallo di attenuazione, fornendo la corrente di mantenimento per il Triac. L’emissione liminosa di un filamento di tungsteno crolla rapidamente al raffreddarsi del filamento. Le temperature tipiche del filamento sono 2.500K, il che le colloca all’interno dello spettro caldo della luce. Con l’attenuazione dell’emissione del filamento, la potenza all’interno di quest’ultimo si riduce, ma anche la temperatura di colore si sposta ulteriormente all’interno della regione del rosso. Le lampadine a incandescenza sono buoni esempi di corpi neri emettitori pressoché perfetti. L’occhio umano é meno sensibile alla luce rossa, per cui l’emissione luminosa del filamento cala per via della potenza inferiore e dello spostameento della temperatura di colore. L’emissione luminosa è misurata in lumens, che é una scala di misura regolata fotopicamente sulla risposta dell’occhio umano. Quest’ultimo è maggiormente sensibile alla luce verde a 560nm.
Commutazione integrata
Questo aiuta a comprendere perché i regolatori a Triac si prestano così bene a operare con le lampadine a incandescenza. Nessun emettitore di luce si comporta coma una lampadina a incandescenza. L’unica grande sfida per qualsiasi tipo di driver elettronico di una sorgente di luce consiste nell’ottenere una corrente di mantenimento sufficiente, di modo che il Triac non smetta di condurre a causa della mancanza di corrente. Una tipica lampadina a incandescenza da 60 W produrrà 800 lumen. Una sorgente di luce equivalente a Led consuma solo 8 W per produrre la stessa emissione luminosa. La riduzione della corrente di ingresso é la principale causa dei problemi dei regolatori di luce con Triac. Il driver deve prelevare una corrente continua con un’ampiezza sufficientemente elevata lungo il ciclo di linea, per mantenere la conduzione del Triac. La progettazione del filtro Emi è una fase critica di questa operazione e richiede molta attenzione. Alcuni progettisti hanno fatto ricorso a circuiti complessi di smorzamento che contengono componenti attivi per ridurre la dissipazione o il rumore acustico. Questi offrono vantaggi di prestazioni rispetto agli schemi più standard di filtraggio delle Emi, ma aggiungono costi e complessità. I dispositivi NCL30095 e NCL30167 di ON Semiconductor sono esempi di driver sviluppati per far fronte al problema di compatibilità del variatore di luce nelle applicazioni di illuminazione a Led. L’NCL30095 é una soluzione di commutazione completamente integrata, costituita da un driver per Led regolabile a taglio di fase in configurazione boost. Il taglio di fase potrebbe essere sia al lato di ingresso (tipicamente per gran parte dei regolatori basati su Triac), sia al lato di uscita (per i regolatori compatibili con i trasformatori elettronici). Il Mosfet HV interno ha una Rds(on) nominale di 4,5 Ω. L’NCL30167 é dotato delle stesse funzioni dell’NCL30095, ma il Mosfet HV é esterno, il che assicura la compatibilità con le applicazioni ad alta potenza. La disposizione dei Fet in configurazione cascode é una delle caratteristiche uniche di questi driver. La corrente di uscita é regolata per la conformità con lo standard SSL7a e le funzioni incluse nei dispositivi NCL30096/NCL30167 sono: regolazione di corrente ad anello chiuso, foldback termico, rilevamento dell’angolo di conduzione, variazioni di modalità e rilevamento dello Zcd. Lo stadio di uscita opera in Crm.
