I diodi HBLED (High Brightness Light Emitting Diode - LED ad alta luminosità) sono gli artefici di una vera e propria rivoluzione nel settore dell'illuminazione e il loro utilizzo spazia dalla semplice torcia ai fari anteriori delle automobili. Al momento è ancora necessario valutare alcuni compromessi, in termini di rapporto tra costi e benefici, e la lunga durata è un requisito essenziale per giustificare pienamente la loro adozione. Oltre alla qualità di produzione, la temperatura operativa è il principale fattore che influenza la longevità. Per questo motivo sono indispensabili un accurato progetto del dissipatore di calore e la scelta di un circuito di pilotaggio (driver) in grado di mantenere la corrente a livelli ottimali in presenza di condizioni anomale (come ad esempio le perdite per raffreddamento che potrebbero causare guasti prematuri e comportare un costosa sostituzione). In termini di benefici, il driver può anche mettere a disposizione numerose funzioni quali regolazione della luminosità (dimming) e protezione contro i guasti, oltre a dare la possibilità di controllare più stringhe di LED. Oltre a una sintesi sui principi alla base del funzionamento dei LED, in questo articolo verrà fatta un'analisi dei fattori che concorrono a determinare il rapporto tra costi e benefici e forniti utili suggerimenti circa le modalità di scelta dei driver per LED più adatti in funzione della particolare applicazione presa in considerazione.
"Non abbagliare!"
Negli anni '70 in Gran Bretagna sugli schermi televisivi comparivano regolarmente annunci di servizio pubblico di varia natura: dal consiglio di ripararsi sotto un tavolo in caso di attacco nucleare alle modalità da seguire per attraversare la strada senza pericoli (spiegate da David Prowse che in seguito avrebbe ricoperto il ruolo di Darth Vader nella saga di Star Wars) e per guidare in modo sicuro. Una della campagne si intitolava "Dip Don't Dazzle" in cui si ricordava che la luce degli abbaglianti poteva accecare i guidatori delle vetture che procedevano in senso opposto. A quei tempi si trattava certamente di un problema di notevole entità - con le luci giallastre, le lenti (dei fari) opache e i catarifrangenti appannati - ma al giorno d'oggi la luce penetrante prodotta dagli HBLED delle auto (e anche dalle biciclette) pone problemi di altra natura. Grazie ai LED ad alta luminosità è stato possibile sostituire lampade a incandescenza, tubi fluorescenti e lampade ai vapori di sodio o mercurio con prodotti a più elevate prestazioni. Le prospettive del mercato sono senza dubbio incoraggianti: recenti proiezioni di Global Market Insights stimano per il mercato degli HBLED un fatturato globale pari a 22 miliardi di dollari entro il 2023, con una crescita su base annua del 4,9%.
HBLED: principi di base
I LED sfruttano le caratteristiche di un diodo a giunzione p-n, dove i fotoni vengono emessi per elettroluminescenza quando gli elettroni si ricombinano con le lacune attraversando la banda proibita (band gap) del semiconduttore nel momento in cui la giunzione è polarizzata direttamente. L'entità del drogaggio del semiconduttore determina le dimensioni della banda proibita che influenza l'energia e quindi la frequenza o il colore percepito dei fotoni emessi. I moderni HBLED sono emettitori a luce blu ad alta potenza "celati" dietro un rivestimento trasparente che è stato impregnata con fosfori YAG:Ce3+ (yttrium aluminium garnet - granato di ittrio e alluminio drogato cerio) che emettono luce gialla. La combinazione tra i due colori, blue e giallo, produce un colore bianco con una buona resa cromatica. I progressi nel campo dei materiali semiconduttori e del packaging hanno permesso di ottenere migliori prestazioni termiche e consentito la realizzazione di HBLED in grado di fornire un'efficienza luminosa superiore a 100 lumen/W. Altre combinazioni di fosfori dei LED possono fornire caratteristiche di coloro ancora migliori (anche se a scapito dell'efficienza), mentre il colore bianco può essere ottenuto anche utilizzando tre LED separati di colore rosso, verde e blu (anche se la stabilità del colore risulta più scarsa in funzione del tempo e della temperatura). Questi sistemi RGB (Red, Green, Blu) risultano comunque utili nei casi in cui venga richiesto un cambiamento dinamico dei colori, tipico di applicazioni quali illuminazione dei palcoscenici o laddove sia necessario creare luci d'atmosfera.
HBLED: le altre problematiche
Gli HBLED non sono comunque necessariamente la soluzione più ovvia per qualsiasi applicazione di illuminazione. Essi hanno senza dubbio una migliore efficienza rispetto alle luci a incandescenza, convertono in luce una potenza elettrica sei volte superiore e hanno una durata superiore di un fattore pari a 25: di fronte a questi indubbi vantaggi il loro costo è però 20 volte superiore. Le luci fluorescenti, ad esempio, possono vantare all'incirca le stesse caratteristiche in termini di efficienza e longevità a un prezzo che è pari a un quarto delle loro equivalenti a stato solido. Una volta stabilito ciò, è utile ricordare che vi sono altri fattori da tenere in considerazione come ad esempio costi di installazione e sostituzione, regolazione della luminosità, robustezza meccanica e inquinamento. A volte l'efficienza non rappresenta neppure un problema: se ad esempio una lampada a incandescenza è ubicata in una stanza che deve essere riscaldata, la potenza dissipata sotto forma di calore viene comunque utilizzata. Se la tensione viene ridotta di qualche punto percentuale, la durata aumenta in maniera significativa. Una riduzione del 10%, ad esempio, comporterà una diminuzione dell'intensità luminosa in misura pari a circa il 30% - che rappresenta la soglia rispetto alla quale tale diminuzione viene percepita - ma la durata aumenterà di un fattore pari a 4,5 (anche la temperatura di colore, ovvero la tonalità della luce emessa, non subisce variazioni di sorta).
I LED ad alta luminosità possono essere utilizzati in molteplici applicazioni a patto che la loro durata sia quella prevista, obbiettivo questo raggiungibile con una gestione termica efficace. Raramente i LED in condizioni normali si guastano improvvisamente, ma perdono luminosità a causa della propagazione di difetti nel reticolo o "dislocazioni". Un tipico grafico che rappresenta la durata in funzione della temperatura del chip HBLED è riportato in figura 1. Un valore comunemente accettato per definire la vita utile di un LED in funzione del tempo è "L70", termine questo che indica che l'uscita luminosa è pari al 70% rispetto al valore iniziale. Dal grafico si evince che questo punto può essere raggiunto in un periodo compreso tra le 20.000 e le 70.000 ore con una differenza della temperatura di giunzione di soli 20 °C.
Driver per HBLED: un elemento chiave
Un elemento fondamentale per mantenere la temperatura del chip all'interno dei limiti di progetto è il circuito integrato utilizzato per il pilotaggio (driver), anche se non bisogna dimenticare che l'applicazione concorre a determinare il tipo di driver necessario. In molte applicazioni a bassa potenza di tipo non critico, è possibile ricorre a un resistore in serie al generatore di tensione costante per impostare la corrente del LED. Si tratta di una soluzione semplice ma anche inefficiente a causa della potenza dissipata nel resistore. Se la tensione del generatore viene mantenuta a un valore prossimo a quella della tensione diretta del LED la dissipazione nel resistore è inferiore, ma la corrente nel LED è meno accurata - la variazione iniziale della tensione diretta (VF) può essere pari anche al 20%. La tensione diretta di un tipico HBLED blu può variare da 3,03 a 4,47 V (tenendo conto anche delle tolleranze di produzione), per cui nel caso la tensione del generatore sia pari a 5 V, la corrente varierà di un fattore compreso all'incirca tra 3,7 e 1: come si può notare non si tratta di una situazione ottimale in quanto dà origine a variazioni di notevole entità in termini di dissipazione del LED e di resa cromatica. Poiché la stessa tensione dell'HBLED varia con la temperatura di giunzione, la variazione effettiva della corrente può risultare anche superiore.
Un generatore di corrente controllato rappresenta la migliore soluzione e anche in questo caso è possibile scegliere tra numerose opzioni, la più semplice delle quali è rappresentata da un regolatore di corrente costante lineare. Un driver di questo tipo può garantire un elevato grado di precisione per la corrente del LED senza dar luogo a generazione di rumore, ma la dissipazione è relativamente elevata a meno che non vengano selezionati (tramite il processo di binning) HBLED caratterizzati da un intervallo ridotto di variazione di VF e la tensione del generatore sia minimizzata. E' possibile effettuare la regolazione di luminosità di tipo analogico ma la temperatura di colore varia con l'intensità. Nella figura 2 è riportato lo schema di un circuito che utilizza il circuito di pilotaggio PAM2808 di Diodes Inc., adatto per un singolo emettitore. Sebbene sia possibile regolare la luminosità con una modulazione PWM (Pulse Width Modulation) se viene applicato un segnale al pin di enable, nelle applicazioni più semplici un tale segnale può non essere disponibile. RS è un resistore di valore modesto, pari tipicamente a 100 mΩ per LED da 1 A. Il ridotto valore della corrente di riposo, infine, assume un'importanza rilevante nelle applicazioni alimentate a batteria.
I regolatori a commutazione (switched-mode) rappresentano la soluzione ideale quando è necessario ottenere un'elevata efficienza e sono richieste funzioni di controllo sofisticate. La tensione del generatore può essere di valore superiore o inferiore rispetto alla tensione totale diretta dei LED ed è possibile integrare una molteplicità di caratteristiche (come ad esempio controllo remoto e protezione contro sovra-temperature o altre condizioni di guasto).
Esempio di applicazione - illuminazione architetturale
Nelle applicazioni di illuminazione architetturale i colori vengono combinati in maniera opportuna per migliorare l'apparenza e creare il maggior impatto possibile. La sorgente di alimentazione sarà la rete elettrica (in AC), ragion per cui si farà ricorso a un convertitore AC/DC che fornisca al driver per LED una tensione costante di valore ridotto che possa quindi essere distribuita in modo sicuro negli apparecchi di illuminazione. Gli HBLED si presenteranno sotto forma di stringhe connesse in serie con più canali per incrementare l'intensità luminosa e fornire differenti colori. Un esempio di circuito di pilotaggio è riportato in figura 3 ed è basato sul driver MIC3201 di Micrel. La tensione di ingresso può raggiungere un valore di 20 V (max), in modo da consentire l'erogazione di una corrente di 1 A a una stringa formata da 4 LED. Si tratta di un convertitore buck (quindi di topo step-down) con controllo di tipo isteretico, una topologia a frequenza variabile che garantisce un'efficienza superiore al 90% e una regolazione della corrente dei LED entro ±5% ricorrendo a un numero veramente limitato di componenti esterni. Questo integrato prevede il controllo della regolazione della luminosità, che può essere pilotato con un segnale PWM a bassa frequenza per variare il segnale PWM ad alta frequenza del LED dall'1 al 99%. La regolazione selettiva della luminosità operata dai driver con LED rossi, verdi e blu permette di combinare la luce proiettata in modo da dar origine a qualsiasi colore. La corrente è rilevata tramite un resistore high-side, caratterizzato da una caduta di tensione di soli 0,2 V con una corrente di 1 A, che rappresenta il massimo valore nominale.
Esempio di applicazione - illuminazione per orticoltura
Nel campo dell'orticoltura l'illuminazione artificiale è utilizzata da molto tempo ma i costi rappresentano uno dei principali problemi per un settore in cui i margini di guadagno sono abbastanza risicati. Senza dimenticare che a causa del calore prodotto dalla lampade a incandescenza le sorgenti luminose devono essere poste a una certa distanza dalle piante particolarmente sensibili. Grazie alla loro maggiore efficienza, le luci a LED hanno di fatto aperto un nuovo mercato e i coltivatori hanno acquisito la consapevolezza che i differenti colori dei LED possono essere impiegati per favorire le differenti fasi della crescita di una pianta. Ad esempio le luci "deep blu" e "hyper red" sono ideali per la fotosintesi mentre la luce "far red" controlla la germinazione, la crescita vegetativa e la fioritura. Una miscela di colori, abbinata al bianco per il comfort del personale addetto, può essere facilmente programmata per migliorare la qualità delle piante. I produttori di LED, dal canto loro, hanno ideato colori di LED specifici, ottimizzati per applicazioni nel settore dell'orticoltura. La configurazione del driver riportata in figura 3 è adatta anche per applicazioni di questo tipo, che prevede la presenza di più canali per i colori selezionati.
Esempio di applicazione - Display per automotive
Nelle applicazioni nel settore automotive, sia che si tratti di illuminazione interna oppure di visualizzazione, è possibile utilizzare un circuito analogo a quello impiegato per l'illuminazione architetturale, avendo l'avvertenza di garantire il funzionamento in un intervallo di valori più ampio per soddisfare, almeno in parte, le specifiche in vigore in ambito automotive relative a transitori e cadute di tensione. Solitamente è richiesta la presenza di uno stadio di protezione iniziale per contrastare i transitori dovuti al "load dump" (ovvero al distacco dell'alimentazione primaria), fenomeno che coinvolge alti livelli di energia, anche se un circuito di questo tipo può già essere previsto per la protezione di altri circuiti elettronici. Poiché un convertitore buck come quello riportato in figura 3 può solamente ridurre la tensione, con un sistema da 12 V come quello presente nelle automobili è possibile pilotare in serie solamente uno o due HBLED bianchi: in questo caso la caduta di tensione nel caso peggiore sarà pari a 4,5 V ciascuno. I driver MAX16832A/C di Maxim si propongono come una soluzione adatta allo scopo, grazie a caratteristiche quali intervallo di temperatura di funzionamento compresa tra -40°C e +125 °C e possibilità di funzionare con tensioni di ingresso comprese tra 6,5 e 65 V. Tra le altre specifiche di rilievo di questi circuiti di pilotaggio da segnalare la regolazione della luminosità in modalità PWM per garantire una resa cromatica costante e la riduzione mediante segnale analogico della corrente dei LED in condizioni di sovra-temperatura.
Nel caso di applicazioni di retroilluminazione di precisione che richiedono un'elevata flessibilità è possibile ricorre a un convertitore boost per generare un valore di tensione elevato a partire dal range nominale della batteria (consentendo quindi il pilotaggio di più LED in serie). Un esempio è rappresentato da SC5012 di Semtech, un driver in grado di operare con tensioni di ingresso comprese tra 4,5 e 45 V e pilotare simultaneamente quattro stringhe con tensione di uscita massima di 65 V fornendo una corrente massima di 150 mA per stringa, con un adattamento di corrente di ±1%. Il dispositivo prevede un'interfaccia I2C che può essere utilizzata per il monitoraggio dei guasti, per la rilevazione di LED aperti/in corto circuito o di condizioni di sovra-temperatura, oltre che per fornire la sincronizzazione con una frequenza esterna. La regolazione della luminosità, di tipo analogico o in modalità PWM, è disponibile con risoluzione selezionabile a 9/10 bit. La funzionalità di "phase spreading" permette di pilotare ciascuna delle quattro stringhe con impulsi separati di 90° nel ciclo di commutazione. Ciò permette di ridurre la corrente di ondulazione complessiva (in modo da ridurre il valore delle capacità di ingresso/uscita richieste) e migliorare la linearità della regolazione della luminosità. Il driver SC5012 è conforme alle specifiche AEC-Q100 (Grade 2) e disponibile in package QFN a 24 pin di dimensioni pari a 4 x 4 mm. Un tipico circuito applicativo è riportato in figura 4.
Considerazioni conclusive
La tecnologia HBLED può oggigiorno godere di un ampio supporto, grazie alla disponibilità di una vasta gamma di driver che possono gestire un gran numero di funzionalità sofisticate. Sia che si tratti di un sistema molto semplice oppure di applicazioni particolarmente sofisticate, esistono soluzioni ad alte prestazioni e ottimizzate in termini di costi in grado di soddisfare qualsiasi esigenza applicativa.
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