Tenere le luci accese riducendo i consumi

I progettisti di illuminazione LED hanno preso rapidamente dimestichezza con gli standard di sicurezza vigenti, come IEC 62560 per lampade LED per uso generale e domestico, IEC 62031 per matrici e moduli LED, e IEC 61347 per driver e alimentatori. Rientrano fra i rischi eccezionali le sovratensioni transitorie di energia elevata sulle linee di alimentazione che possono essere causate da eventi come la caduta di fulmini nelle vicinanze. IEC 61000-4-5 descrive test di sovratensione transitoria utilizzando una forma d'onda standard di 8 x 20 μs e specifica livelli anche di 10 kV/5 kA per applicazioni di illuminazione per esterni in Europa.

Dispositivi come fusibili in linea, varistori in ossido di metallo (MOV) e diodi di soppressione di tensioni transitorie (TVS) connessi in parallelo possono essere usati in tutto il circuito di alimentazione e driver. Fornitori come Littelfuse offrono estese linee guida su come selezionare e posizionare i dispositivi per assorbire e dirottare l'energia derivante da transitori potenzialmente dannosi.

La Figura 1 offre una panoramica dei dispositivi di protezione da sovratensione transitoria usati in una soluzione di illuminazione LED generica. I MOV inseriti dalla linea al neutro, dal neutro alla terra e dalla linea alla terra, come illustrato, assicurano capacità di rigidità dielettrica ad alte sovratensioni, come V300SM7 di Littelfuse. Una tensione eccessiva sul MOV fa sì che il dispositivo crei un percorso conduttivo, dirottando di conseguenza l'energia della sovratensione transitoria. I diodi TVS possono essere dispositivi come P6KE300 di Littelfuse e proteggere i componenti del circuito dissipando l'energia del transitorio. Il dispositivo scelto deve essere in grado di resistere alla corrente impulsiva massima causata dalla tensione transitoria applicata.

Figura 1: Linee guida di Littelfuse per progettare dispositivi di protezione da sovratensione transitoria in un'applicazione di illuminazione LED.

Protezione da fluttuazioni di tensione di linea

I dispositivi illustrati sono efficaci nel proteggere il circuito da impulsi di energia elevata di breve durata. Tuttavia, anche le fluttuazioni con costanti di tempo più lente possono porre una minaccia. È noto che alle aziende delle utenze pubbliche sia chiesto sempre più insistentemente di mantenere la rete stabile. Al contempo la domanda degli utenti finali aumenta, l'infrastruttura invecchia e la capacità tradizionale di generazione basata sui combustibili fossili si sposta verso un modello più verde e che si affida in misura maggiore alla generazione distribuita da fonti rinnovabili. In queste condizioni, possono prodursi fluttuazioni di sottotensione e sovratensione che potrebbero ridurre l'affidabilità e la durata dei componenti, in alcuni tipi di circuiti.

Ad esempio, le sostituzioni di prodotti di illuminazione diffusi come le lampade MR16 o GU10 adottando LED si trovano a dover affrontare limiti rigidi sia in termini di costi che di dimensioni. Per contribuire a far fronte a queste pressioni, il controller per driver LED TPS92210 di Texas Instruments prevede un MOSFET interno da collegare in una configurazione a cascata con un MOSFET esterno ad alta tensione. Questo semplifica l'avvio, consente l'uso senza un resistore esterno di rilevamento della corrente e riduce le perdite di commutazione sul lato primario. Supportando il funzionamento in modalità di conduzione discontinua (DCM), riduce inoltre al minimo le perdite di recupero inverso del diodo raddrizzatore di uscita. Di conseguenza, TPS92210 contribuisce ad aumentare l'efficienza e l'affidabilità, riducendo al contempo i costi del sistema rispetto a un'architettura flyback tradizionale. La Figura 2 mostra lo schema per un'applicazione tipica. Tenere presente che il MOSFET esterno connesso al pin DRN (pin 6) si collega al drain del MOSFET del driver interno TPS92210 per formare il circuito in cascata.

Figura 2: Circuito driver LED progettato per migliorare le prestazioni rispetto al convertitore flyback tradizionale.

Questo circuito driver è progettato per erogare un'alimentazione costante alla stringa di LED. Se l'instabilità della rete causa un abbassamento della tensione della linea, la corrente di ingresso al driver aumenterà per mantenere una potenza di uscita costante. Questa maggiore corrente può porre delle sollecitazioni eccessive sui componenti del driver. Analogamente, un aumento significativo della tensione di linea, abbinato al transitorio oscillante dovuto all'induttanza dell'avvolgimento sul lato primario del trasformatore, può andare oltre i valori nominali di componenti importanti come MOSFET e condensatori. Mentre componenti standard come i MOV e i diodi TVS menzionati in precedenza assicurano una protezione efficace contro brevi sovratensioni transitorie ad elevata energia, per evitare danni dovuti all'instabilità sottostante della linea potrebbe essere richiesta una protezione aggiuntiva.

Quando si usa un controller come TPS92210, il circuito esterno può essere progettato per sfruttare la capacità di rilevamento TZE (energia zero del trasformatore) del CI per disabilitare temporaneamente il driver quando l'ingresso della linea c.a. sale o scende sotto il suo intervallo normale.

Funzionamento del circuito di protezione da sovratensione/sottotensione

Quando il driver funziona in DCM, ogni successivo ciclo di commutazione inizia solo quando il trasformatore è stato completamente resettato o quando la sua energia è zero. Il resistore-divisore connesso al pin TZE permette di rilevare il punto di energia zero del trasformatore monitorando la corrente in uscita dal pin TZE quando l'avvolgimento di polarizzazione primario diventa negativo rispetto alla massa.

La Figura 3 illustra un circuito di protezione che arresta il funzionamento del driver impedendo l'avvio del ciclo di commutazione successivo in caso di sottotensione/sovratensione in ingresso. Questo si ottiene forzando una tensione c.c. sul pin TZE per impedire il rilevamento del passaggio per lo zero. Quando la tensione d'ingresso rientra in un intervallo operativo sicuro, il circuito non invia tensione c.c. al pin TZE, permettendo così il rilevamento del passaggio per lo zero che consente al controller di coordinare la commutazione valley-fill per un'efficienza ottimale.

Figura 3: Schema per la protezione da sovratensione e sottotensione di ingresso.

Il circuito funziona ricevendo la tensione della linea raddrizzata, non livellata, dall'uscita del raddrizzatore a ponte. Questa tensione è bloccata a 12 V con Zener D2, e ridotta ulteriormente per mezzo di resistori-divisori. I resistori R3 e R4 sono associati alla protezione da sottotensione, mentre R5 e R6 gestiscono la protezione da sovratensione. I valori dei resistori R3, R4, R5 e R6 sono determinati per impostare soglie di attivazione rispettivamente di 1 V e 2,5 V.

Viene usata anche la polarizzazione a 12 V per alimentare l'amplificatore operazionale quad di precisione in micropotenza ad alimentazione singola, U1 (TLC27L4). Un amplificatore operazionale a micropotenza viene scelto per U1 per consentire il funzionamento direttamente dal diodo Zener senza essere colpiti da cicli erratici di attivazione e disattivazione a basse tensioni di ingresso, come potrebbe accadere se si utilizzasse un dispositivo che richiede una corrente di alimentazione superiore. U1-A funge da rilevatore di picco generando una tensione c.c. proporzionale a Vin(rms) sul condensatore C4. U1-B smorza questa tensione c.c. e U1-C emette un segnale di errore se la tensione del rilevatore di picco è inferiore al riferimento di sottotensione VR1. Analogamente, U1-D confronta l'uscita del rilevatore di picco con il riferimento di sovratensione VR2 per generare un segnale di errore quando la tensione di ingresso RMS supera la soglia del trigger di sovratensione. Le uscite di U1-C e U1-D sono bloccate a 3,3 V con uno Zener D5, e quindi smorzate con il transistor Q1 prima di essere alimentate al pin TZE. R10 e R12 introducono circa 5 V di isteresi per impedire false attivazioni ai limiti estremi.

Dato che l'ingresso TZE di TPS92210 viene sottoposto a scansione continua per le transizioni nel punto di minimo, si impediscono cicli di commutazione quando il circuito di protezione forza la tensione c.c. sul pin. La commutazione può riprendere quando la tensione di ingresso rientra nel normale intervallo di funzionamento. La tabella mostra il comportamento del dispositivo e lo stato di uscita del driver in risposta a condizioni normali e di sovratensione transitoria in ingresso.

Tabella 1: Riepilogo degli stati del driver TPS92210.

Conclusione

Dispositivi tradizionali di soppressione di tensioni transitorie come fusibili, MOV e diodi TVS sono essenziali per assicurare che le soluzioni di illuminazione a LED siano conformi agli standard di sicurezza internazionali. Un circuito supplementare può fornire una protezione intelligente dal deterioramento della qualità della linea di alimentazione c.a., impedendo che correnti o sovratensione potenzialmente dannose raggiungano i componenti dei driver o i LED.