Pro e contro delle nuove lampadine a LED con driver incorporato

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I LED offrono molti vantaggi in termini di efficienza energetica, durata di vita e fattore di forma, ma richiedono circuiti di comando e regolazione capaci di soddisfare l’ampio e variegato panorama applicativo che li riguarda spesso caratterizzato da soluzioni custom.

Oggi si trovano diffusi sul mercato LED ad alta potenza utilizzati per l’illuminazione stradale, LED di media potenza utilizzati nell’illuminotecnica ambienti e LED più piccoli montati nei display per la retroilluminazione delle matrici LCD. In tutti questi casi la tensione di alimentazione può spaziare dalle centinaia di Volt fino a un solo Volt e di conseguenza occorre calibrare le caratteristiche dei driver di comando in funzione dell’escursione termica sulla giunzione sorgente dell’emissione fotonica.

Oltre alla maggior robustezza dovuta allo stato solido, i LED hanno anche il vantaggio che se ne può calibrare la radiazione luminosa in uscita graduando la polarizzazione di comando sulla giunzione con un circuito di precisione implementato nel driver. Ciò può aumentare la complessità del driver ma consente di ottenere il miglior equilibrio fra la luminosità e il consumo pur continuando a mantenere competitivo il costo dei componenti.

Una parte fondamentale dei driver per lampadine a LED è senza dubbio il convertitore ac/dc necessario per trasformare la tensione alternata di linea in una tensione continua stabilizzata e regolata. Nei primi componenti questo circuito è sempre stato separato dai LED e racchiuso nel package con il dimmer di comando affinché fosse adeguatamente isolato e vi si potessero montare i condensatori elettrolitici indispensabili per la conversione ac/dc.

In questo modo, tuttavia, prima di decidere se montare le lampade a LED occorreva pensare a installare correttamente i dimmer e verificare se ciò potesse incidere sui costi. Per questo motivo negli ultimi due anni i costruttori si sono impegnati nello sviluppo di lampade a LED capaci di integrare nel loro corpo anche l’intero driver in modo tale da potersi installare direttamente sugli stessi attacchi a vite oggi disseminati ovunque per le lampadine a incandescenza e a fluorescenza.

I passi avanti compiuti nelle tecnologie circuitali hanno di fatto consentito la nascita delle lampadine a LED complete di driver del tutto simili a quelle tradizionali e idonee per essere montate esattamente allo stesso modo, senza costi di installazione aggiuntivi. Per contro, l’integrazione del convertitore ac/dc sullo stesso package dei LED comporta una maggior produzione di calore che peggiora le prestazioni della giunzione e ne diminuisce la durata di vita, senza contare che il calore dev’essere anche adeguatamente smaltito attraverso i materiali di supporto della lampadina.

Per isolare i diodi dallo stadio ac/dc nei driver a bordo delle lampade a LED oggi si usano gli isolatori ottici che hanno il doppio vantaggio di separare elettricamente le due parti circuitali in modo netto e di offrire un’elevata durata di vita. Tuttavia, lo svantaggio degli optoisolatori è la funzione di trasferimento in corrente che dipende un po’ dalla temperatura e pertanto costringe a implementare una retroazione circuitale di stabilizzazione in temperatura leggermente critica da progettare perché quasi certamente meno robusta del resto del driver.

In altre parole questa retroazione può far diminuire la durata di vita del driver e perciò i costruttori si sono recentemente impegnati nello sviluppo di soluzioni circuitali alternative come l’impiego di due optoisolatori, uno nel circuito con il diodo e uno nel circuito con il convertitore e ciascuno con il suo circuito di stabilizzazione in temperatura. In alternativa all’isolamento ottico si sta affermando il ritorno all’uso di un trasformatore di piccole dimensioni perché così non c’è più bisogno di una retroazione particolarmente sofisticata e quindi, disponendo di un buon componente, si riesce nuovamente a garantire un’elevata durata di vita al driver nonostante l’incapsulamento nella lampada.

Lampadine intelligenti

Le nuove lampadine allo stato solido SSL (Solid State Lighting) somigliano molto a quelle tradizionali anche se incorporano una tecnologia sofisticata grazie alla quale possono illuminare il triplo, consumare un decimo e vivere cinquanta volte più a lungo rispetto alle lampade a incandescenza. Il costo delle lampade SSL LED è già competitivo e lo sarà sempre di più ed è pertanto auspicabile che tali e tanti vantaggi possano invogliare gli amministratori a continuare a sostituire l’enorme parco di lampade obsolete che tutt’oggi riscalda il pianeta con mediocri vantaggi sull’illuminazione pubblica.

Atmel ha appena introdotto tre nuovi driver per lampade allo stato solido caratterizzati dall’accuratezza nel controllo del colore oltre che dalla flessibilità di installazione. I nuovi driver MSL2021, MSL2023 e MSL2024 hanno due canali di regolazione con cui possono comandare altrettanti due LED con due diversi colori in modo tale da poter generare effetti luminosi sofisticati ma stabilizzati dal perfetto controllo elettrico e termico dell’emissione prodotta dalle giunzioni.

Fig. 1 – I driver per SSL LED Atmel MSL202x hanno due canali di regolazione termicamente compensati per offrire la massima precisione nell’emissione del colore

A bordo hanno un preciso circuito di compensazione termica che corregge la Correlated Color Temperature (CCT) in modo da bloccare l’indice di colore Color-Rendering Index (CRI) e generare un colore con caratteristiche ben precise che possono anche essere memorizzate nella Eeprom di bordo per essere sempre riproducibili oppure lette dalla I2C per potersi replicare anche in altri driver. Per la potenza non ci sono limiti perché è sufficiente scegliere accortamente il Mosfet esterno. Oltre a tutto ciò nel modello 2023 c’è anche un PWM interno mentre nel 2024 ci sono due ingressi PWM indipendenti e, inoltre, in entrambi c’è la possibilità di interfacciarsi con un microcontrollore Atmel della serie AVR.

Fig. 2 – L’elevata linearità caratterizza il driver iWatt iW3630 che può regolare le lampade a LED con tensione da 0 a 10 V e potenza da 3 a 45 W

iWatt ha utilizzato le tecnologie proprietarie PrimAccurate e Flickerless per realizzare una nutrita serie di nuovi driver per SSL LED caratterizzati dal controllo digitale della conversione ac/dc e dalla precisa regolazione capace di appiattire gli eventuali sfarfallamenti (flickers) della corrente introdotti dall’azionamento del dimmer di comando. Nuovo è il driver iW3630 che integra uno stadio di conversione digitale con modulazione PWM ed è in grado di regolare i LED con voltaggio da 0 a 10 V, potenza da 3 a 45 W ed efficienza dell’85%. A bordo c’è un circuito di Over-Temperature Protection (OTP) che garantisce un fattore di potenza PF maggiore di 0,95 su tutta l’escursione con controllo dei flickers fino al ±5% e distorsione armonica totale THD inferiore al 15%.

Altrettanto recente è il modello iW3626 che può comandare i LED con potenza fino a 10 W ma senza dimmer e si caratterizza per la possibilità di settare in fase di installazione sia il fattore di potenza (fra 0,7 e 0,9) sia il punto di lavoro del circuito OTP in modo tale da poterne aumentare ulteriormente la robustezza nell’impiego per l’illuminazione delle strade o degli ambienti pubblici.

Fig. 3 – Le lampadine a LED Osram Sylvania con driver incorporato irradiano fino a 810 lumens e garantiscono ben 50000 ore di funzionamento

Osram produce un’ampia varietà di sorgenti luminose a LED fra cui anche le lampadine allo stato solido con driver incorporato che possono essere direttamente sostituite negli alloggiamenti tradizionali per le lampade incandescenti e persino sfruttare gli stessi dimmer già installati per esse. Le serie Star e Superstar si rivolgono all’illuminazione domestica e alla decorazione di interni, mentre le serie DuLED e Parathom sono più adatte per l’illuminazione a effetto e per impieghi speciali.

La serie degli Ultra LED A-line Sylvania garantisce 50000 ore di vita in tutte le condizioni di impiego nell’illuminazione degli ambienti interni o esterni con forti escursioni climatiche. Non hanno materiali costruttivi inquinanti, non emettono né UV né IR e, inoltre, offrono un’ampia scelta di temperatura di colore per la luce bianca emessa che va da 2700 a 3000 K per la CCT. Queste lampadine sono proposte in vari modelli da 8 a 12 W con luminosità che va da 390 fino a 810 lumens e fattore di potenza da 0,95 a 0,97.

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