LED-urile de înaltă luminozitate (HBLED) sunt pe cale să revoluționeze iluminatul – cu aplicații de la umila lanternă până la farurile autovehiculelor. Cu toate acestea, încă, există dezavantaje în ceea ce privește costul și beneficiile, fiind nevoie de o durată lungă de viață pentru a justifica pe deplin utilizarea acestora. În afară de calitatea procesului de fabricație, temperatura de funcționare este principalul factor care afectează longevitatea. Aceasta înseamnă că o proiectare atentă a radiatorului și un driver care să mențină curentul la nivel optim, gestionând în același timp condițiile anormale (precum pierderile de răcire – care, altfel, ar putea produce o defectare timpurie și costuri mari de înlocuire) sunt obligatorii. Pentru a crește beneficiile din această ecuație, driverul ar putea include caracteristici precum reglarea gradată a luminozității, protecție împotriva defectării și posibilitatea de a controla mai multe șiruri de LED-uri. În acest articol, ne uităm la context, la factorii cost/beneficiu și la selectarea driverelor LED pentru diferite aplicații cu titlu exemplificativ.
Dip Don’t Dazzle!
În anii 1970, în Regatul Unit, existau anunțuri regulate de interes public la TV. Acestea erau extrem de variate, de la sfaturi de adăpostire sub masa de bucătărie în cazul unui atac nuclear până la cum să treci strada în siguranță (explicate de David Prowse, care ulterior a jucat rolul lui Darth Vader în filmele Star Wars) și cum să conduci în siguranță. Una dintre campanii a fost „Dip Don’t Dazzle!” („Schimbă faza, nu orbi”) – în care li se reamintea șoferilor că „faza lungă” poate orbi șoferii care se deplasează din sensul opus. Era puțin probabil ca problema să fie foarte mare la momentul respectiv – lumina era gălbuie, sticla farurilor era încețoșată, iar oglinzile erau mătuite… dar în ziua de astăzi, lumina puternică a farurilor cu HBLED ale autovehiculelor (și chiar a unor biciclete) reprezintă un pericol aparte. Tehnologia HBLED a făcut posibilă înlocuirea becurilor cu incandescență, a neoanelor fluorescente și a lămpilor cu vapori de sodiu/mercur cu produse cu performanțe mult mai bune. Piața confirmă, cu venituri globale previzionate de 22 miliarde USD până în 2023, cu un CAGR de 4,9% (conform Global Market Insights).
Principiile de bază ale HBLED
LED-urile exploatează caracteristica unei joncțiuni semiconductoare de tip p-n – unde fotonii sunt emiși prin electroluminescență atunci când electronii se recombină cu golurile care traversează banda interzisă (bandgap) a semiconductorului, atunci când joncțiunea este polarizată în sens direct.
Cantitatea de impurități introduse în semiconductor afectează dimensiunea benzii interzise care, la rândul său, afectează energia și, prin urmare, frecvența sau culoarea percepută a fotonilor emiși. HBLED-urile moderne sunt, de obicei, reprezentate de un emițător albastru de mare putere în spatele unei rășini transparente care a fost impregnată cu fosfor cu cristale din granat de ytriu și aluminiu dopat cu ceriu (Ce3+:YAG), care emite lumină galbenă. Combinația dintre albastru și galben creează lumină albă, cu o bună redare a culorilor. Progresele în materie de semiconductoare și încapsulare pentru o mai bună performanță termică au condus acum la HBLED-uri unice, care pot genera peste 100 lumeni/W. Alte combinații de LED-uri cu fosfor pot genera caracteristici de culoare și mai bune (dar cu o eficiență mai scăzută), în timp ce albul poate fi, de asemenea, derivat din trei LED-uri separate roșu, verde și albastru (deși cu o stabilitate mai slabă a culorii în raport cu temperatura și timpul). Aceste sisteme RGB sunt utile, totuși, acolo unde este necesară schimbarea dinamică a culorii – în aplicații precum iluminat de stare sau iluminat de scenă.
Provocări restante ale HBLED-urilor
Figura 1: Reducerea cantității de lumeni în timp, la diferite temperaturi ale cipului HBLED [adaptare după datele Philips Luxeon K2, cu driver funcționând la curentul nominal maxim].
HBLED-urile pot fi câștigătoare în majoritatea aplicațiilor, dacă se poate atinge durata de viață preconizată – iar aici vorbim de management termic eficient. LED-urile rareori cedează brusc în condiții normale, dar își pierd strălucirea din cauza propagării defectelor de structură sau „dislocărilor”. În figura 1 este prezentat un grafic tipic al duratei de viață în funcție de temperatura cipului HBLED. Valoarea acceptată pentru reducerea luminozității în timp este „L70”, sau stunci când cantitatea de lumeni generată s-a redus până la 70% din valoarea inițială. Graficul arată că acest lucru se întâmplă după 20.000 până la 70.000 de ore de funcționare, cu o diferență a temperaturii joncțiunii de doar 20°C.
Performanța driverului HBLED este esențială
Caracteristicile driverului sunt esențiale pentru menținerea temperaturii cipului în limitele de proiectare, dar și aplicația dictează tipul de driver necesar. Multe aplicații non-critice, cu consum redus de putere, ar putea utiliza un rezistor în serie cu o sursă de tensiune constantă pentru a controla amplitudinea curentului prin LED. Acest lucru este simplu, cu siguranță, dar și ineficient – deoarece se pierde putere în rezistor. Dacă tensiunea sursei este menținută aproape de valoarea tensiunii directe a LED-ului (VF), atunci disiparea în rezistor este mai mică, dar curentul prin LED este mai puțin precis – poate exista cu ușurință o variație inițială a tensiunii directe (VF), de 20%. Tensiunea VF tipică a unui HBLED albastru poate varia de la 3,03V la 4,47V (cu toleranțele de fabricație), prin urmare, cu o tensiune a sursei de, să spunem, 5V, curentul va fluctua cu un factor de aproximativ 3,7 la 1 – în mod clar o situație nefavorabilă, cu schimbări mari în disiparea LED-ului și în redarea culorilor. Tensiunea HBLED în sine se modifică în funcție de temperatura joncțiunii, astfel încât variația efectivă a curentului poate fi chiar mai mare.
Figura 2: Un LED driver liniar pentru aplicații alimentate de la baterii.
O sursă de curent controlată este cea mai bună soluție și, din nou, există diverse opțiuni, cea mai simplă fiind un regulator liniar de curent constant. Acest tip de driver poate menține curentul prin LED la un grad ridicat de precizie fără zgomot generat, dar disiparea este relativ ridicată, cu excepția cazului în care HBLED-urile sunt selectate pentru a se afla într-o bandă mică de VF, iar tensiunea sursei este redusă la minimum. Este posibilă reducerea analogică a luminozității, dar temperatura culorii variază în funcție de intensitate. Figura 2 prezintă un circuit care utilizează circuitul PAM2808 de la Diodes Inc., potrivit pentru un singur emițător. Reglarea luminozității prin PWM (modulare în lățime a impulsurilor) este posibilă dacă se aplică un semnal la pinul de activare, dar în aplicațiile simple este posibil să nu fie disponibil semnal. RS are o valoare scăzută, de obicei 100mΩ pentru un LED de 1A. Curentul de liniște este, de asemenea, scăzut, ceea ce are o importanță mare în aplicațiile cu baterii.
Regulatoarele în comutație sunt soluția preferată pentru eficiență ridicată și atunci când este nevoie de un control sofisticat. Tensiunea sursei poate fi mai mare sau mai mică decât VF totală a LED-ului și pot fi incluse funcții multiple (precum controlul de la distanță, protecție la supraîncălzire sau alte condiții de defectare).
Exemplu de aplicație – Iluminat arhitectural
Figura 3: Driver tipic pentru un canal de culoare utilizat în iluminatul arhitectural.
Iluminatul arhitectural constă în combinarea culorilor pentru a îmbunătăți aspectul și a crea impact. Sursa de alimentare este rețeaua de curent alternativ, prin urmare se poate utiliza un convertor AC/DC. – care livrează o tensiune constantă potrivită pentru driverul LED la o valoare scăzută și sigură pentru distribuție în corpurile de iluminat. HBLED-urile vor fi, de obicei, în serii de șiruri cu canale multiple pentru o intensitate a luminoasă sporită și culori diferite. Un exemplu de circuit driver este prezentat în figura 3, bazat pe circuitul integrat Micrel MIC3201 (n.red.: acum, Microchip). Tensiunea de intrare este de până la 20V și generează 1A pentru un șir de patru LED-uri. Topologia circuitului ia forma unui convertor coborâtor de tensiune cu histerezis, aceasta fiind o topologie cu frecvență variabilă, care menține o eficiență mai mare de 90% și o variație a curentului prin LED de ±5%, cu ajutorul a câtorva componente externe. Circuitul integrat are un regulator de luminozitate, care poate fi controlat cu un semnal PWM de frecvență joasă, pentru a varia semnalul PWM de frecvență înaltă al LED-ului de la 1% la 99%. Atenuarea selectivă a luminozității driverelor cu LED-uri roșii, verzi și albastre poate crea combinații ale luminii proiectate pentru a reda orice culoare. Curentul este detectat cu un rezistor “high-side” potrivit, care scade doar 0,2V la un curent nominal maxim de 1A.
Exemplu de aplicație – Iluminat horticol
În horticultură, lumina artificială este utilizată de multă vreme, dar costul a reprezentat o preocupare majoră într-o industrie în care marjele de profit sunt foarte mici. De asemenea, căldura generată de becurile cu incandescență s-a dovedit a fi problematică, deoarece sursele de lumină trebuie ținute la distanță de plantele sensibile. Becurile LED, având o eficiență mai mare, au deschis piața, iar horticultorii au înțeles că diferitele culori oferite de LED-uri pot fi utilizate pentru a îmbunătăți etapele de creștere ale plantelor. De exemplu, „deep blue” și „hyper red” sunt optime pentru fotosinteză, în timp ce „far red” controlează germinația, creșterea vegetativă și înflorirea. Un amestec de culori, împreună cu albul, pentru confortul uman, este ușor de programat pentru a schimba calitățile unei plante. Producătorii de LED-uri au reacționat, de asemenea, prin furnizarea de culori LED specifice, optimizate pentru horticultură. Schema electrică a driver-ului LED prezentată în figura 3 ar fi potrivită și pentru această aplicație, cu canale multiple pentru culorile selectate.
Exemplu de aplicație – Afișaje pentru automobile
Figura 4: Circuit tipic de aplicație pentru driverul LED Semtech 5012.
O aplicație pentru automobile, fie pentru iluminarea interioară, fie pentru display-uri, poate utiliza un circuit similar celui utilizat în cazul iluminatului arhitectural, cu excepția faptului că este util să poată funcționa la tensiuni mai mari și mai mici, astfel încât să îndeplinească cel puțin parțial specificațiile pentru automobile în ceea ce privește supratensiunea sau tensiunile tranzitorii. De obicei, este necesară o protecție inițială pentru supratensiune la „sarcină” mare, dar aceasta poate fi deja prezentă pentru protejarea altor componente electronice. Un convertor coborâtor de tensiune, ca în circuitul din figura 3, poate doar să reducă tensiunea, prin urmare, la un sistem cu o tensiune nominală de 12V într-un autovehicul, practic, doar unul sau două HBLED-uri albe pot fi comandate în serie, căderea de tensiune în scenariul cel mai defavorabil fiind de aproximativ 4,5V pentru fiecare. Driverele MAX16832A/C de la Maxim sunt excelente pentru această aplicație, având un interval de temperatură de operare de la -40°C la +125°C și o tensiune de intrare de la 6,5V până la 65V. Aceste circuite integrate includ reducerea graduală a luminozității, prin PWM, pentru redare constantă a culorii și reducerea analogică a curentului prin LED în condiții de supraîncălzire.
Pentru aplicații de iluminare de fundal, de precizie, în care este nevoie de flexibilitate, se poate utiliza un convertor ridicător – astfel încât pentru intervalul nominal al bateriei să se poată genera o tensiune înaltă (permițând controlarea mai multor LED-uri în serie). Semtech SC5012 este un exemplu care funcționează cu tensiuni de intrare de la 4,5V până la 45V și poate controla patru șiruri simultan la o tensiune de până la 65 V/150 mA, fiecare potrivit în intervalul de ±1%. Dispozitivul are o interfață I2C – care poate fi utilizată pentru monitorizarea defecțiunilor, supraîncălzirii, precum și pentru a detecta LED-uri deschise sau în scurtcircuit, oferind în același timp și o sincronizare externă a frecvenței. Este disponibilă reducerea gradată a luminozității, analogic sau prin PWM, cu o rezoluție selectabilă de 9/10-biți. O caracteristică specială este „împrăștierea fazei”, prin care fiecare din cele patru șiruri este comandat cu impulsuri separate de 90° în ciclul de comutare. Astfel, se reduce curentul de riplu (ceea ce necesită o capacitanță de intrare/ieșire mai mică) și îmbunătățește liniaritatea reducerii luminozității. SC5012 este disponibil într-o capsulă QFN de 4 mm × 4 mm cu 24-pini, care respectă standardul AEC-Q100 (Clasa 2). Figura 4 prezintă un circuit tipic de aplicație pentru acest dispozitiv.
Rezumat
Tehnologia HBLED primește un sprijin din ce în ce mai mare, gama de drivere disponibile fiind în creștere, iar tipurile de funcții din ce în ce mai sofisticate. Indiferent dacă este vorba de cele mai simple sisteme de iluminat sau de aplicații din cele mai pretențioase, există atât soluții de înaltă performanță, cât și soluții optimizate pentru reducerea costurilor, care vor îndeplini orice tip de criterii.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com