Lighting
CLEAN LIGHT
I driver per LED
forniscono una luce “pulita”
I driver per LED con un cattivo fattore di potenza riflettono in rete armoniche
indesiderate. Poiché l’impiego di LED ad alta potenza per l’illuminazione sta
crescendo in modo improvviso dappertutto si delinea la minaccia di una rete
disturbata. Per affrontare il problema alla radice occorre che i driver per LED ad alta
potenza dispongano di una correzione del fattore di potenza
Marco Peretta
Business development manager South Europe
RECOM Electronic GmbH
Dal punto di vista elettrico le lampadine a incandescenza
sono resistenze ohmiche percorse da correnti di rete di forma sinusoidale. In caso di illuminazione a LED la situazione non è altrettanto facile. I LED sono semiconduttori che
funzionano a corrente continua. Le loro curve caratteristiche
presentano a circa 3 V un cambio di pendenza piuttosto brusco. Se si supera il massimo ciò può persino comportare rapidamente la fine definitiva.
I LED necessitano pertanto di particolari driver che trasformano in corrente continua costante la tensione di rete,
la quale permette che tutti i LED di una catena presentino
esattamente la stessa luminosità – indipendentemente dalla
tensione di soglia. Tali driver non sono però più componenti
resistivi, ma utenze con un fattore di potenza che può essere
molto inferiore all’unità. Di conseguenza le armoniche si riflettono nella rete generando correnti reattive indesiderate.
La corrente continua pulsante crea problemi
Per poter trasformare una tensione alternata in una corrente continua costante questa deve essere raddrizzata e livellata
per mezzo di un condensatore sufficientemente grande che
si carica durante una semionda al valore di picco e rilascia
energia fino a quando la semionda successiva raggiunge il
valore ai suoi capi. Se il valore di tensione sul raddrizzatore è
superiore a quello sul condensatore, durante ogni semionda
si verifica un rapido passaggio di corrente di alta intensità, il
cui picco è molto superiore a quello che ci si aspetterebbe in
base alla potenza. Ne deriva una corrente non più sinusoidale, che oltre alla frequenza fondamentale presenta un’alta percentuale di armoniche. Questa problematica è dovuta
esclusivamente al fatto che la corrente alternata in ingresso
deve essere raddrizzata e livellata prima di poter essere ulteriormente elaborata. Se ora si aggiunge un convertitore che
dall’elevata tensione costante genera la corrente costante necessaria, la situazione peggiora ulteriormente.
La modulazione a larghezza d’impulso corregge
il fattore di potenza
Poiché nel corso di questa decade i sistemi di illuminazione
a LED sostituiranno completamente gli altri mezzi di illumi-
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con quelli per il rendimento. Nella figura
viene confrontato l’assorbimento di corrente di una lampadina a incandescenza
a 100 watt (linea rossa) con quello di un
LED a 25 watt, che hanno entrambi circa
la stessa luminosità. Con il suo fattore di
potenza di 1 la lampadina a incandescenza preleva costantemente da un’alimentazione a 230 V una corrente da 0,45 A.
Se avesse anche un fattore di potenza 1
il driver per LED preleverebbe dalla rete
una corrente di circa 0,11 A – in caso
di un fattore di potenza 0,95 ne preleva
Fig. 1 – In caso di PFC attiva il prelievo di corrente per mezzo della poca di più. In caso di un fattore di potenmodulazione a larghezza d’impulso viene controllato in modo tale da
za di 0,25 verrebbero prelevati dalla rete
avere una forma molto simile a quella sinusoidale
anche 0,45 A come per una lampadina a
incandescenza, pur continuando il LED
a emettere una luce di 25 Watt. La diffenazione, senza relative misure di correzione ciò diventerebbe
renza di 75 watt rifluisce in rete con l’angolo di fase errato.
rapidamente un vero problema per la qualità dell’alimenL’energia non viene quindi perduta e la corrente reattiva non
tazione di rete. Perciò la EN 61000-3-2 prescrive obbligatoviene rilevata dal contatore. La correzione attiva del fattore di
riamente per i driver per LED a partire da 25 Watt una corpotenza per i driver AC/DC è altrettanto importante quanrezione del fattore di potenza (PFC). “EnergyStar” richiede
to un alto rendimento. La PFC non è importante per i costi
esplicitamente per i driver commerciali un fattore di potenza
dell’energia elettrica, ma per tenere sotto controllo i disturbi
di 0,9 o superiore. Senza PFC attiva sono solo raggiungibili
della rete elettrica provocati dalle armoniche. Infatti lo svilupvalori molto inferiori – a seconda della potenza anche intorpo dell’illuminazione a LED modificherà dalle fondamenta
no allo 0,5 o più bassi. Perciò i driver AC/DC devono essere
l’intero settore dell’alimentazione.
dotati di un apposito circuito PFC. Tale circuito adotta il seguente principio di funzionamento: al posto di accoppiare
Sviluppo rapidissimo per i LED di potenza
direttamente il condensatore di carica al raddrizzatore viene
e i driver per LED
inserito fra i due un modulatore della larghezza dell’impulso,
In tempi brevi sono richieste soluzioni che si adattino alle ingrazie al quale il condensatore durante una semionda viene
frastrutture presenti in casa e in ufficio. Per le lampade a LED
caricato da diversi piccoli impulsi di corrente. Il prelievo di
ciò significa fra l’altro che devono essere regolabili per mezzo
corrente avviene così in modo abbastanza sincrono con la
tensione di rete e ha un andamento molto simile a quello di
una forma sinusoidale naturale. Un circuito PFC ben sviluppato come nella serie RACD30 di RECOM aumenta il fattore
di potenza a valori intorno allo 0,95 ed è pertanto migliore di
un fattore 2 rispetto a quanto prescritto da “EnergyStar”. Tecnicamente sarebbero persino realizzabili valori migliori, ma i
costi necessari sarebbero troppo alti commisurati ai benefici.
Relazione fra PFC e rendimento
Una convinzione errata molto diffusa è che un driver con un
fattore di potenza ridotto abbia un basso rendimento. Tali
driver invece, pur prelevando dalla rete molta più energia di
quella necessaria per l’alimentazione dei LED, ne riflettono
indietro una parte notevole, che non va veramente perduta
come avverrebbe in caso di un cattivo rendimento, ma viene
solo emessa dalla parte sbagliata. Presumibilmente in pratica vengono spesso scambiati i valori per il fattore di potenza
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Fig. 2 – Confronto fra una lampadina a incandescenza e un driver per LED con fattore di potenza <1
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davvero come un’unica sorgente luminosa. Ciò facilita la realizzazione di ottica e riflettori.
Come esempio si prenda la Mega Zenigata da 25
watt di SHARP: 168 LED distribuiti su una piccola
superficie luminosa di 2 cm2 sono già cablati come
array, cosicché devono solo più essere collegati al
RACD30 realizzato da RECOM appositamente
per la Mega Zenigata. Il RACD30 fornisce in uscita una corrente costante di 700 mA da un massimo di 42 V e la Mega Zenigata, con 2600 lumen
a 4000 °K e una qualità luminosa molto naturale,
libera il flusso luminoso di un faretto alogeno da
150 W. Rispetto a un valore CRI (Color Rendering
Factor) di 100 della luce del giorno, la Mega Zenigata di SHARP ottiene un eccezionale valore
di 83, che dimostra quanto sia un’alternativa non
solo efficiente, ma anche molto simile alla luce naFig. 3 – L’immagine termografica mostra una diffusione del- turale riguardo a qualità luminosa e temperatura
la temperatura molto omogenea della Mega Zenigata (foto di di colore. Per ciò che riguarda l’aspettativa di vita
fabbrica Sharp)
il driver RACD30 è perfettamente all’altezza degli
array di LED come il Mega Zenigata. Il driver è redi comuni TRIAC. Ciò presenta dei problemi, in quanto la
alizzato per un’aspettativa di vita superiore a 70.000 ore a +25
parzializzazione della forma d’onda dei varialuce e il circu°C; questa è una specifica testata e non un valore statistico
ito PFC dei driver si influenzano a vicenda. I driver finora
calcolato come il MTBF (Mean Time Between Failure), che
disponibili non si potevano perciò regolare fino a zero. Con
sarebbe molto superiore. In pratica in un funzionamento
la famiglia RACT20 RECOM offre una nuova generazione
di circa 10 ore al giorno ciò corrisponde a un’aspettativa di
di driver AC/DC che si può regolare per mezzo di TRIAC in
vita di 20 anni. Il driver funzionerà quindi per circa lo stesso
modo lineare e senza sfarfallio dal 100% fino a zero. La famitempo che ci si aspetta da array di LED con raffreddamento
glia RACT20 è per questo dotata di un ingresso a TRIAC sviadeguato. RECOM non teme perciò di fornire i suoi driver
luppato appositamente che non viene disturbato dal circuito
in genere con una garanzia di fabbrica di 5 anni. In futuro i
PFC del driver. Una soluzione ideale per molti sistemi a LED
produttori di driver per LED collaboreranno a contatto ancon i quali la regolazione funziona in modo facile.
cora più stretto con quelli di chip per LED per poter sfruttare
Anche lo sviluppo dei LED è molto rapido. Mentre all’inizio
appieno il potenziale della “nuova luce”. Risparmio energetivenivano riuniti su un circuito stampato diversi LED singoli
co ed elevata aspettativa di vita hanno qui la massima imporcon un proprio package e 2 o 3 watt di potenza, adesso la
tanza, ma la qualità della luce è decisiva per ciò che si vede
tendenza è chiaramene come la si precerpisce.
te verso una soluzione
Poiché l’illuminazione
multichip, nella quale un
a LED entro pochi anni
gran numero di piccoli
porterà in rete in tutto il
die di LED sono integrati
mondo miliardi di nuovi
su una piastrina ceramidriver, che genereranno
ca. Tramite il substrato
ovunque armoniche e
ceramico la gestione del
correnti reattive, nella
calore dell’intero array di
scelta dei driver è imLED viene notevolmente
portante fare attenziomigliorata. Inoltre il fabne a un buon fattore di
bisogno di spazio è decipotenza. Valori vicino
samente ridotto e l’intera
al 95% valgono come
superficie luminosa è rive- Fig. 4 – La Mega Zenigata di SHARP (a sinistra nella fi- riferimento per il futustita da uno unico strato gura) contiene 168 singoli LED, collegati in serie e in pa- ro, anche se non ancora
di fosforo, cosicché il LED rallelo in un array, alimentato da circa 38 VDC con una prescritti come obbligamultichip venga percepito corrente costante di 700 mA (foto di fabbrica SHARP)
tori dalle istituzioni.
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