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LED Driver: Quale Scegliere?

2020-11-04

Fino a quando i LED disponibili sul mercato erano nient’altro che semplici indicatori o display, alimentarli era estremamente semplice e non erano richiesti accorgimenti particolari, se non quello di utilizzare delle resistenze di limitazione di corrente. Al contrario, da quando si sono affacciati sul mercato i primi componenti a media e alta potenza destinati all’illuminazione negli ambiti più disparati, i requisiti sono notevolmente cambiati. Per garantire l’efficienza e la lunga durata di questi semiconduttori, alimentandoli in modo corretto, è necessario utilizzare driver destinati espressamente allo scopo.

LED Driver: Quale Scegliere?

Perché si definiscono “driver” e non, più semplicemente, “alimentatori”?

Perché un driver destinato ai LED non è un semplice alimentatore, almeno nella concezione tradizionale del termine. Il progetto su cui è basato tiene conto fin dall’inizio delle caratteristiche specifiche dei LED, per garantirne il funzionamento ottimale, una lunga durata, offrire un elevato livello di efficienza energetica e la protezione dai guasti. Un alimentatore classico non potrebbe garantire tutto questo, e per poter svolgere le stesse funzioni dovrebbe essere integrato da ulteriore elettronica di controllo.

I driver disponibili sul mercato presentano tutti caratteristiche più o meno simili?

Assolutamente no. Tra i diversi modelli esistono differenze anche notevoli, non trascurabili, principalmente dovute alle applicazioni di destinazione. Tra queste potremmo distinguere, a titolo di esempio, alcune macro-categorie di utilizzo, cercando di sintetizzare le caratteristiche di prodotto che, di caso in caso, dovremo ricercare nei diversi dispositivi.

Illuminazione domestica

In generale, un driver destinato all’illuminazione di abitazioni dovrebbe disporre rispondere ad alcuni requisiti, quali:

  • Dimensioni ridotte
  • Costo contenuto
  • Potenza medio-bassa
  • Elevato livello di efficienza e affidabilità
  • Semplicità di installazione
  • Controllo della luminosità semplice ed immediato (dimming)
  • Lunga durata

Alcuni esempi di soluzione per questa categoria di utilizzo sono rappresentati dai driver della Serie LDC, con potenze da 35 a 80W, che permettono il controllo CP (a potenza costante) dei LED.

Nel caso di applicazioni che prevedono caratteristiche di domotica, oltre ai precedenti si dovrebbero considerare:

  • Disponibilità di interfacce evolute, come DALI o KNX
  • Possibilità di controllo wireless

La Serie LCM-BLE, ad esempio, integra la funzionalità Bluetooth con Mesh Networking, facilmente programmabile e controllabile tramite apposita app.

Illuminazione stradale

È probabilmente uno degli impieghi più critici, in quanto i LED devono funzionare stabilmente in un condizioni critiche. Per questo i driver impiegati devono possedere le migliori caratteristiche di controllo, affidabilità e durata.

  • Ampio intervallo di temperature di funzionamento
  • Efficienza e stabilità elevate
  • Funzionamento a potenza costante
  • Correzione attiva del fattore di potenza (Active PFC)
  • Alto livello di protezione IP
  • Isolamento Classe 2
  • Possibilità di controllo remoto per funzioni Smart City
  • Ottimo rapporto costo/prestazioni

XLG-100-H-A Figura 1. Il driver a potenza costante XLG-100-H-A

I driver della Serie XLG di Figura 1, dalle dimensioni contenute, oppure la Serie ELG dall’ottimo rapporto costo/prestazioni, o la Serie HLG ,ad alta efficienza, rappresentano una scelta adatta a questo tipo di applicazione.

Per un ulteriore risparmio energetico, le versioni D2 delle Serie ELG (opzionale per il modello HLG) dispongono anche della funzione “Smart Timer Dimming”.

In cosa consiste, esattamente , la funzionalità “Smart Timer Dimming”?

Questa funzione permette di variare la percentuale del dimming nell’arco di 14 ore, dalle 00:00 alle 14 :00, secondo tre profili di default (illuminazione residenziale, stradale o di gallerie). In alternativa, è possibile utilizzare l’interfaccia di programmazione SDP-001, che consente di programmare i driver con profili definiti dall’utente.

Illuminazione di scena

Anche nel settore delle rappresentazioni artistiche, negli spettacoli teatrali o musicali, sui palcoscenici moderni si fa ampio uso di fonti di illuminazione LED.

Per le soluzioni RGB, è possibile utilizzare i driver a controllo di tensione (CV) MEAN WELL come alimentatori ad alta stabilità per pilotare LED Controller di standard DMX, usufruendo della grandissima scalabilità e flessibilità d’uso dei medesimi. Per le soluzioni monocromatiche ad alta potenza (ad esempio, nel caso dei proiettori spot indirizzabili a fascio concentrato) è anche possibile utilizzare i driver della Serie HBG, la cui forma cilindrica si adatta perfettamente allo scopo.

Illuminazione per coltura intensiva

LED con colori diversi, per ottenere le tonalità di luce più adatte alle diverse specie vegetali o a fasi distinte della loro crescita. Oltre alle caratteristiche di efficienza, affidabilità, isolamento e protezione previste nella categoria precedente, i driver destinati a questi impieghi dovrebbero essere caratterizzati anche da:

  • Elevata potenza d’uscita
  • Ampia regione di controllo, anche a tensioni elevate.

LCM-40KN LED Driver della Serie LCM
di MEAN WELL

I dispositivi della Serie HVGC, (vedi Figura 7) per l’insieme delle caratteristiche che li distingue, sono particolarmente indicati per queste applicazioni nel settore agricolo. In questi casi d’uso, visto l’impiego di potenze elevate, risulta estremamente utile la possibilità di collegamento tra 2 fasi su una linea trifase, (ingresso a 400 V ac) a tutto vantaggio dell’efficienza di alimentazione e con una notevole riduzione della corrente d’ingresso. In questi casi, anche il circuito Active PFC di MEAN WELL gioca il proprio ruolo importante.

In cosa consiste un circuito PFC attivo, quali vantaggi offre?

Il PFC, "Power Factor Control" o controllo attivo del fattore di potenza è una caratteristica assai utile, che pone rimedio a uno dei problemi tipici degli stadi d’ingresso dei driver meno avanzati, che non ne dispongono. Nella Figura 3 sono illustrate le forme d’onda relative a tensione (in verde) e corrente (in rosso) relative all’ingresso AC di un alimentatore di questo genere. Nella parte sinistra dell’immagine viene rappresentata la forma d’onda della corrente assorbita da un dispositivo privo di PFC attivo. Entrando nei dettagli, l’andamento della curva di corrente risulta non solo fuori fase rispetto a quello della tensione, ma anche notevolmente distorto. Questo aspetto non può essere sottovalutato, in quanto riduce notevolmente l’efficienza dell’impianto elettrico (correnti elevate in rapporto alla potenza attiva realmente trasmessa). Inoltre costituisce un illecito, sanzionato dalle stesse Compagnie Energetiche mediante l’applicazione di tariffe maggiorate ai clienti di fascia commerciale e industriale. Il circuito PFC attivo realizzato nei driver MEAN WELL permette, attraverso l’intervento continuo e auto adattivo, di ottenere una notevole riduzione della distorsione della curva di corrente e dell’errore di fase tra i due segnali, come illustrato nella parte destra dell’immagine di Figura 3, riportando il fattore di potenza a valori uguali o superiori a 0,9 in qualsiasi condizione di carico.

Forme d’onda di Tensione Figura 3. Forme d’onda di Tensione (in verde) e Corrente (in rosso) all’ingresso AC di un driver senza controllo del fattore di potenza (sinistra) e con circuito Active PFC (destra).

Quali sono gli standard di alimentazione dell’illuminazione LED?

Gli standard di alimentazione di un LED sono, di norma, a corrente costante (CC) o a tensione costante (CV). Il modo migliore per comprendere quale dei due sia da applicare, di caso in caso, è consultare le specifiche tecniche dei componenti da utilizzare, fornite dai produttori stessi.

Alimentazione a corrente costante (CC)

I LED (singoli o collegati in serie di più elementi) ricevono alimentazione da un driver che controlla e regola costantemente l’intensità di corrente che scorre attraverso le giunzioni dei semiconduttori. Un esempio tipico di questo tipo di dispositivo è rappresentato dalla famiglia di driver a corrente costante, a basso ripple, della Serie HVGC di MEAN WELL, disponibile con correnti di uscita da 350 mA a 7 A e in grado di mantenerle in un ampio intervallo di tensione, variabile secondo il numero di LED che compone la serie controllata dal driver.

Alimentazione a tensione costante (CV)

In questo caso il driver controlla e regola con precisione la tensione destinata ai LED che prevedono questa modalità di funzionamento. La corrente erogata dipenderà dal numero di unità collegate, mentre la protezione integrata nel driver impedirà che vengano superati i limiti di potenza previsti dalle specifiche. La Serie APV di MEAN WELL costituisce un esempio di questa applicazione “Constant Voltage”, in una gamma di prodotti con tensioni di uscita da 5 V a 48 V, regolabili o fisse, e correnti che vanno da 0,3 a 40 A.

Un alimentatore per LED da 40 A in uscita? A cosa serve?

Le norme relative alla sicurezza degli impianti di illuminazione in ambienti critici (HazLoc, Hazardous Locations) prevedono, in generale, l’utilizzo di sorgenti a bassa tensione. Anche il rischio di generazione di scintille o archi elettrici dev’essere ridotto al minimo. Di conseguenza, nella progettazione di questi impianti si predilige il collegamento in parallelo dei dispositivi di illuminazione, con correnti più elevate, a discapito dell’efficienza ma a tutto vantaggio del livello di sicurezza di esercizio e manutenzione degli impianti stessi.

Il driver HLG-600H-12, ad esempio, rappresenta un dispositivo adatto a questo tipo di applicazioni CV ad alta corrente.

Perché l’alimentazione di un LED costituisce un aspetto critico?

I LED, come tutti i semiconduttori, presentano caratteristiche di deriva termica. Al variare della temperatura, varia la tensione di giunzione Vf dei componenti: per gestirli correttamente bisogna tenere sempre in considerazione questo aspetto. In un esempio pratico, supponiamo di dover alimentare una serie di 50 LED; controllando la corrente di questa serie a un valore costante di 0,35 A e con una temperatura di giunzione stabilizzata a 85°C, avremo un valore Vf di 3,2 V per ciascun LED (trascurando eventuali tolleranze di componente), per una tensione complessiva di 160 V in uscita dal driver. Tuttavia, se dovessimo accendere la serie di LED in presenza temperature estremamente rigide, la situazione che si presenterebbe all’uscita dell’alimentatore sarebbe ben diversa.

Dando uno sguardo alla Figura 4, che illustra il rapporto tra temperatura di giunzione e Vf (alla corrente specificata in precedenza), si nota che a 0 °C, la tensione di funzionamento del diodo è di 3,6 V, che moltiplicata per 50 porta il valore complessivo a 180 V; valore che l’alimentatore deve essere in grado di erogare, mantenendo costante la corrente (nelle applicazioni a corrente costante), o riducendola proporzionalmente nelle applicazioni a potenza costante. Una delle caratteristiche più importanti di un buon driver è proprio quella di disporre di un’ampia “area di lavoro”, per garantire un funzionamento stabile dei LED in un esteso intervallo di temperature e consentire l’accensione della serie anche con i climi più rigidi (funzionalità Cold Start).

Rapporto tra temperatura e valore Vf Figura 4. Rapporto tra temperatura e valore Vf

Cold start? Di cosa si tratta?

Nei driver MEAN WELL, questa caratteristica consente di modificare temporaneamente le condizioni di funzionamento del driver durante la fase di accensione a freddo del sistema di illuminazione. Nell’esempio precedente abbiamo constatato come un buon driver reagisca alle variazioni di temperatura dei LED non solo mantenendo la corrente prevista, ma verificando nel contempo che anche la tensione complessiva di serie resti comunque entro i limiti previsti per il funzionamento del sistema. Prendendo come riferimento il modello HLG-480H-C2100, dalla lettura delle specifiche di Figura 5 ricaviamo che può erogare una corrente massima di 2,1 A, una potenza massima di 481 W ed è in grado di controllare efficacemente la tensione, in regime di corrente costante, nell’intervallo tra 114 e 229 V.

Specifiche principali del driver Figura 5. Specifiche principali del driver HLG-480H-C2100

La Figura 6 illustra invece un grafico che descrive quanto abbiamo definito in precedenza, ovvero l’area di lavoro di questo driver (indicata in grigio, con l’intervallo operativo della tensione riportata sull’asse X e quello della corrente sull’asse Y).

Area di lavoro standard per la funzione cold-start Figura 6. Area di lavoro standard (in grigio) ed estesa (in bianco) per la funzione cold-start

Nel funzionamento normale, a sistema stabilizzato termicamente, la combinazione V-I di lavoro ricade sempre in quest’area. In condizioni di accensione con temperature estremamente basse, i driver MEAN WELL “modificano” temporaneamente questi intervalli, aumentando fino al 20% la tensione di lavoro e riducendo, nel contempo, la corrente erogabile.

Questo compromesso temporaneo porta l’alimentatore a lavorare nell’area bianca illustrata sempre in Figura 6, permettendo l’avvio regolare del sistema e, una volta raggiunta la stabilizzazione termica dei LED, ripristinando i parametri standard previsti dalle specifiche del dispositivo.

Che cos’è la funzione ”Flicker Free”?

Nel caso di driver LED di qualità corrente, in condizioni di funzionamento a tensioni prossime ai valori massimi di regolazione, l’elevato livello di ripple a bassa frequenza, in uscita dal primo stadio dell’alimentatore, condiziona il funzionamento del controller PWM e di conseguenza (nonostante la frequenza di switch piuttosto elevata di quest’ultimo) si riescono a percepire visivamente degli “sfarfallii” dalla luce emessa dai LED, dovuti all’elevata componente residua a 100 Hz derivante dallo stadio primario. MEAN WELL, con una progettazione che garantisce un basso ripple sul primo stadio e ampi margini di riserva tra la tensione di cresta e quella massima regolata in uscita, garantisce un funzionamento del sistema di illuminazione privo di questi effetti.

HVGC-1000A-L-AB Figura 7. La Serie HVGC di MEAN WELL, di alta potenza e versatilità di utilizzo

La Serie LDC di MEAN WELL, ad esempio, offre questa caratteristica, molto apprezzata negli impianti per l’illuminazione domestica.

Come posso alimentare il driver?

In generale, i driver sono in grado di accettare in ingresso un ampio intervallo di tensioni AC che, dipendentemente dal modello, variano da 90 V a oltre 300 V. A tutto vantaggio della versatilità, alcune versioni accettano in ingresso anche tensioni continue (DC) da 110 a 430 V, sempre a seconda del modello.

Quali collegamenti si trovano in generale, all’ingresso e all’uscita dei driver?

Nella condizione essenziale vi si trovano, ovviamente, i collegamenti d’ingresso alimentazione, AC o DC e l’uscita destinata al (ai) LED. Nei modelli più evoluti, oltre ai semplici collegamenti di I/O troviamo anche gli ingressi di controllo per la regolazione (dimming) dell’emissione luminosa dei LED. In alcuni casi è presente anche l’ingresso per il collegamento di un eventuale sensore di temperatura ambiente (NTC). Gli standard d’interfaccia presenti nella maggior parte dei casi sono 0-10V e DALI.

In cosa consiste lo standard “0-10V”?

Il controllo 0-10V esiste da oltre vent’anni, è uno tra i più semplici, diffusi e collaudati protocolli analogici di gestione della luminosità di driver LED e alimentatori per illuminazione. L’ingresso di controllo accetta una tensione DC che può variare da 0V (generando un livello di uscita = 0%, luci spente) e 10V (uscita = 100%, piena luminosità). Ha molti vantaggi, tra cui:

  • Linearità della scala di regolazione tra 0 e 100%
  • Sicurezza (in caso di interruzione del segnale di controllo, l’uscita del driver si porta al 100%)
  • Estrema semplicità, non richiede elettronica complessa per il controllo

…e il DALI?

Il DALI (Digital Addressable Lighting Interface) rappresenta l’evoluzione digitale dello standard 0-10V. È un protocollo non legato ai produttori, definito nello standard IEC62386, che garantisce l’interoperabilità dei dispositivi di controllo utilizzati negli impianti di illuminazione. Il controllo digitale è molto più versatile dello standard analogico 0-10V, permette di controllare e indirizzare singolarmente fino a 64 dispositivi, ulteriormente suddivisibili fino a 16 gruppi e 16 scene separate. Inoltre, consentendo sia la topologia in linea (BUS), sia quella a stella, permette di ridurre considerevolmente la complessità dei cablaggi.

Ho un impianto domotico in standard KNX: esistono driver LED interfacciabili ?

Sì, ad esempio i modelli della Serie LCM-KN di MEAN WELL. Il KNX rappresenta il primo standard aperto per impieghi domotici (building automation) a riconoscimento Europeo (EN50090 – EN13321-1) e Mondiale (ISO/IEC 14543). Per gestire potenze superiori a quelle offerte dalla Serie LCM, è possibile utilizzare il gateway KNX-DALI KDA-64, pilotando così altri driver DALI-compatibili, oppure gli attuatori/Dimmer della Serie KAA.

È possibile utilizzare un segnale di controllo PWM in ingresso?

Certamente. Sui modelli che lo prevedono, è possibile effettuare il controllo di luminosità anche in questo modo. Il segnale di controllo PWM o Pulse Width Modulation di solito utilizza una fonte di alimentazione a tensione costante (10V) che viene poi interrotta ciclicamente per un periodo, definito “duty cycle”, che va da 0 al 100% dell’intervallo temporale utilizzato, come si vede nella Figura 8 (che mostra tre esempi con valori del 50, 75 e 25%).

Duty cycle Figura 8. Esempi di Duty-Cycle del 50, 75 e 25%

Quest’ultimi produrranno, in uscita dal driver, valori proporzionali a quella del duty cycle del segnale d’ingresso. Anche questo controllo, di tipo analogico, presenta gli stessi vantaggi dovuti alla semplicità di cablaggio e di utilizzo dello standard 0-10 V ma, al tempo stesso, anche gli stessi limiti. Per ottenere una maggiore versatilità di utilizzo con il controllo PWM, è possibile utilizzare specifici convertitori digitali d’interfaccia.

Quali interfacce posso usare per ottenere questo tipo di controllo?

Il convertitore DALI-PWM DAP-04 di MEAN WELL permette di superare i limiti di utilizzo del controllo PWM, accettando in ingresso un segnale secondo lo standard DALI e generando in uscita quattro segnali PWM indirizzabili singolarmente, in grado di pilotare altrettanti driver con ingressi PWM in logica Ative-High o Active-Low. Una caratteristica che risulta particolarmente utile per l’interfacciamento di driver LED sprovvisti di controllo digitale.

I driver LED possono funzionare all’aperto?

Certamente, anche se non in tutti i casi. Il modo migliore per verificare se il prodotto che ci interessa sia compatibile o meno con l’utilizzo in spazi aperti, o semi-coperti, è quello di cercare il suo livello di protezione IP sulle specifiche tecniche fornite dal produttore. Questi codici IP sono stabiliti dallo Standard Internazionale IEC 60529 e indicano, nei dettagli, il livello di impermeabilità dei dispositivi elettrici. In linea di massima, è comunque sempre consigliabile ridurre al minimo i casi in cui i driver vengono esposti agli agenti atmosferici e alla luce solare. In caso di dubbi, il consiglio è quello di consultare il servizio di supporto clienti di MEAN WELL, che sarà in grado di indicare il prodotto più consono alle necessità dell’utente.

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