Dimmeraggio di un LED senza compromettere la qualità della luce

Considerata l'accelerazione della transizione dall'illuminazione tradizionale a quella a LED e la scelta sempre più ampia di soluzioni che vengono riversate sul mercato, i consumatori si sono fatti più selettivi sui prodotti che scelgono. In particolare, il dimmeraggio lineare con un ampio rapporto di contrasto e nessuna variazione della cromaticità o senza sfarfallio percettibile è considerato indice di un prodotto di qualità.

La difficoltà per il progettista risiede nel fatto che diversamente dall'illuminazione a incandescenza o a fluorescenza tradizionale non è facile variare la luminosità dei LED conservando la qualità della luce. Il dimmeraggio è ottenibile in maniera analogica, ma questa tecnologia può comportare una variazione rilevante della cromaticità e della temperatura della luce emessa.

Una tecnica affermata è quella che riduce la luminosità del LED utilizzando la modulazione della larghezza di impulso (PWM) della corrente diretta che alimenta il LED. La premessa di base è che durante il ciclo "ON" (di attivazione) del treno PWM, il LED opera in condizioni di corrente/tensione dirette ottimali. Di conseguenza, la qualità della luce è alta e la luminosità percepita è linearmente proporzionale al ciclo di lavoro del treno PWM.

La sfida per il progettista risiede nel progettare un circuito PWM che funzioni in armonia con i convertitori della tensione di commutazione modulare che vengono in genere usati come alimentatori o driver LED. Senza questo approccio complementare, è fin troppo facile introdurre problemi come le interferenze elettromagnetiche (EMI), rapporto di contrasto limitato (luminosità massima/luminosità minima) e sfarfallio percettibile (che può produrre effetti nocivi sulla salute).

Questo articolo prende in esame il progetto di circuiti di dimmeraggio PWM dei LED basato su una selezione di driver LED di ultima generazione e illustra i passi progettuali necessari per trovare una soluzione che non comprometta la qualità della luce.

Gli svantaggi del dimmeraggio analogico

I LED richiedono un'alimentazione a corrente costante/tensione costante per mantenere un funzionamento efficiente con una buona qualità della luce. (La qualità della luce è diventata un fattore discriminante fra i vari prodotti, che i principali fornitori fanno fatica a promuovere per i propri prodotti di fascia alta. Vedere l'articolo nella libreria, "Manufacturers Shift Attention to Light Quality to Further LED Market Share Gains".)

Esiste una certa flessibilità in merito alla scelta del punto di lavoro a seconda della specifica del prodotto finale. Ad esempio, il flusso luminoso del LED è proporzionale alla corrente diretta, per cui il progettista potrebbe scegliere di alimentare il LED con una corrente diretta maggiore per aumentare la luminosità, riducendo in tal modo il numero di LED richiesti per una determinata specifica di progetto. (Vedere l'articolo nella libreria, "Lighting Design for Optimum Luminosity".)

La Figura 1 mostra la corrente diretta rispetto alla luminosità caratteristica per un LED bianco Duris S5E di OSRAM Opto Semiconductor. Il dispositivo OSRAM si basa su una tecnologia consolidata ed è una scelta adottata abitualmente per le applicazioni di illuminazione più diffuse. Il LED produce 118 lm a 6,35 V/150 mA e ha un'efficienza dichiarata di 123 lm/W a quel punto di lavoro. Riducendo la corrente diretta a 100 mA, ad esempio, si attenua la luminosità del 30%, rispetto a quella generata a 150 mA.

Figura 1: Il LED bianco Duris S5E di OSRAM mostra un rapporto quasi lineare tra la corrente diretta e la luminosità. (Fonte: OSRAM Opto Semiconductors)

I consumatori, che sono abituati al dimmeraggio nell'illuminazione a incandescenza, richiedono ovviamente capacità simili per i prodotti sostitutivi a LED. Fra queste capacità, la principale è il dimmeraggio con una buona risoluzione su un ampio intervallo. Un modo apparentemente semplice di soddisfare questa richiesta sarebbe quello di progettare un circuito dimmer analogico che (tramite l'alimentazione o il driver LED) riduca la tensione diretta/corrente diretta che alimenta il LED.

Purtroppo, il dimmeraggio analogico introduce alcuni gravi svantaggi. I principali di questi sono l'impatto sull'efficacia (potenza in uscita (espressa in lm)/potenza in ingresso (W)), un rapporto di contrasto limitato a causa di una soglia minima di corrente diretta, la maggiore complessità di progettazione per un controllo preciso della corrente di uscita di un tipico driver LED su un ampio intervallo e, cosa più pertinente, variazioni nella temperatura cromatica correlata (CCT) del LED quando cambia la tensione diretta/corrente diretta.

La CCT determina il calore apparente del LED ed è una misura chiave della qualità della luce. L'abbassamento della tensione diretta/corrente diretta ha un lieve effetto sulla lunghezza d'onda della luce emessa dal LED blu al cuore della maggior parte dei prodotti a LED bianco odierni. I moderni LED ad alta luminosità per applicazioni di illuminazione combinano un LED blu reale con un fosforo di granato di ittrio e alluminio (YAG). Alcuni dei fotoni blu del LED escono direttamente dal dispositivo, mentre la maggior parte si combinano con il fosforo, dando origine a emissioni (principalmente) gialle. La combinazione di luce blu e gialla è una buona approssimazione della luce bianca.

Il produttore di LED apporta quindi lievi modifiche al fosforo per alterare la temperatura della luce bianca da tinte fredde (bluastre) a tonalità calde (gialle), che gli permettono di offrire una scelta di colori per rispondere ai singoli gusti. La CCT definisce quantitativamente la temperatura della luce del LED. (Vedere l'articolo nella libreria "Defining the Color Characteristics of White LEDs".)

I produttori specificano una CCT del LED a uno specifico punto di lavoro della tensione diretta/corrente diretta. I progettisti scelgono una serie di LED da una particolare "classe" CCT sapendo che tutti i prodotti di quella classe emetteranno una CCT virtualmente identica. Anche se i principali produttori in genere includono anche informazioni su come la CCT cambia rispetto alla tensione diretta/corrente diretta, non garantiscono le prestazioni di uno specifico prodotto a punti di lavoro oltre i parametri consigliati. In particolare, il produttore di LED non offre alcuna garanzia su dispositivi della stessa classe che producono la stessa CCT a qualsiasi punto oltre il punto di lavoro raccomandato. La Figura 2 illustra come le coordinate di cromaticità del LED OSRAM (che determinano la sua CCT) variano con la corrente diretta.

Figura 2: La cromaticità e la CCT di un LED cambiano con la tensione diretta. Su un ampio intervallo della corrente diretta, questi cambiamenti possono essere rilevati a occhio nudo. (Fonte: OSRAM)

A peggiorare le cose, anche se l'occhio non è molto bravo a rilevare variazioni di colore minime (ad esempio, le differenze nella lunghezza d'onda dei fotoni emessi da un LED rosso puro, verde o blu possono cambiare in modo marcato prima di essere notate), è molto sensibile ai cambiamenti della CCT. Di conseguenza, è molto probabile che un consumatore noti che due dispositivi a LED della stessa classe variano notevolmente in quanto a colore, a un livello identico di dimmeraggio analogico. (Vedere l'articolo nella libreria, "Digital dimmeraggio Solves LED Color Dilemma" per una spiegazione tecnica più dettagliata di questo argomento.)

Risolvere i problemi della CCT con il dimmeraggio PWM

Negli ultimi anni, la PWM è stata adottata quale tecnica di dimmeraggio preferita per l'illuminazione a LED di alta qualità. Durante il ciclo di attivazione del treno PWM, il LED è alimentato al punto di lavoro della tensione diretta/corrente diretta consigliato, e questo assicura che la CCT rientri nei parametri della scheda tecnica. Il ciclo di lavoro (rapporto tra la durata dell'impulso (t_P) e il periodo del segnale (T)) del treno PWM determina poi la corrente media e quindi la luminosità percepita.

La Figura 3 mostra tre diversi treni di impulsi, tutti operanti a una corrente diretta costante. L'esempio in alto mostra un'illuminazione di livello medio, l'esempio al centro è meno luminoso e quello in fondo più luminoso. La Figura 4 mostra la caratteristica lineare tra il ciclo di lavoro e la tensione diretta.

Figura 3: Variando il ciclo di lavoro del treno di impulsi PWM si cambia la corrente diretta media del LED e quindi la luminosità (dall'alto: luminosità media, bassa e alta) pur mantenendo la corrente operativa specificata durante la fase ON. (Fonte: OSRAM)

Figura 4: Il ciclo di lavoro è linearmente correlato alla luminosità del LED. (Fonte: OSRAM)

I moderni driver LED dei principali fornitori in genere vengono progettati pensando al dimmeraggio PWM. Molti chip incorporano un pin PWM o DIM che permette un ingresso diretto da un generatore PWM per determinare il ciclo ON e OFF del driver. Tuttavia, è opportuno comunque considerare attentamente la scelta del driver LED perché vi sono alcuni fattori chiave che distinguono un buon progetto di dimmeraggio digitale del LED da uno mediocre.

Fra gli elementi chiave da tenere in considerazione vi è la frequenza del treno PWM (o f_DIM). Il valore minimo di f_DIM è determinato dalla sensibilità dell'occhio allo sfarfallio. Le recenti linee guida sulla progettazione dell'illuminazione suggeriscono che f_DIM dovrebbe essere superiore a 80 - 100 Hz se si vogliono evitare effetti a lungo termine sulla salute. (Vedere l'articolo nella libreria "How New Flicker Recommendations Will Influence LED Lighting Design".)

Il progettista si trova comunque di fronte a un compromesso perché più la frequenza è alta, maggiore sarà l'impatto sul rapporto di contrasto. E questo perché anche il miglior driver LED richiede un tempo finito per rispondere a un ingresso PWM. La Figura 5 illustra dove si verificano questi ritardi di tempo.

Figura 5: Un driver LED mostra i ritardi nella sua risposta a un segnale PWM di dimmeraggio. Questi ritardi determinano il rapporto di contrasto massimo del sistema di dimmeraggio. (Fonte: Texas Instruments)

Nella Figura 5, t_D rappresenta il ritardo della propagazione dal momento in cui il segnale PWM (V_DIM) diventa alto a quello in cui la corrente diretta che comanda il LED risponde. (t_SU e t_SD sono rispettivamente il tempo di salita e di discesa della corrente diretta del LED.) La velocità di variazione limita il ciclo di lavoro minimo e massimo (D_MIN e D_MAX) e, a sua volta, il rapporto di contrasto.

La riduzione di f_DIM in genere facilita un rapporto di contrasto maggiore, dato che un driver LED con una velocità di variazione fissa dispone di tempo sufficiente per raggiungere la corrente diretta/tensione diretta richieste e poi tornare a zero anche per ciclo di lavoro lenti perché T è relativamente lungo.

(Tenere presente che per qualsiasi scelta di frequenza di dimmeraggio PWM, è una buona idea selezionare un driver LED con una velocità di variazione limitata perché il tempo di attivazione di un LED è tale per cui può illuminarsi "prima" sul fronte iniziale del segnale PWM - e quindi a una tensione diretta/corrente diretta al di fuori delle specifiche- esponendo il consumatore alle stesse variazioni CCT che affliggono il dimmeraggio analogico.)

Il rapporto di contrasto (CR) in genere è espresso come l'inverso del tempo di attivazione minimo:

I regolatori della tensione di commutazione standard per uso generico non sono progettati per essere attivati e disattivati ripetutamente, quindi i produttori prestano poca attenzione alla velocità di variazione. In molti casi questi regolatori sono dotati delle cosiddette modalità di avvio e spegnimento graduali (per impedire picchi di tensione), che estende la velocità di variazione. Per contro, i driver LED per applicazioni di dimmeraggio sono progettati con tempi di velocità di variazione brevi.

I driver LED basati su regolatori a commutazione step-down (buck) hanno i tempi di variazione più brevi di tutti per due ragioni specifiche. In primo luogo, il regolatore buck fornisce alimentazione all'uscita mentre il commutatore di controllo è ON, rendendo il loop di controllo più veloce delle topologie step-up (boost) o buck/boost. In secondo luogo, l'induttore del regolatore buck è collegato all'uscita durante l'intero ciclo di commutazione, assicurando una corrente di uscita continua e permettendo di eliminare un condensatore di uscita. L'eliminazione del condensatore permette di variare molto rapidamente la tensione di uscita/corrente di uscita del driver.^[1] Una scelta attenta del regolatore buck può permettere frequenze di dimmeraggio PWM nell'ordine di kHz, cosa che anche se forse non è necessaria per l'illuminazione prevalente può tornare utile per applicazioni come lo strobing ad alta velocità per attività di riconoscimento di immagini industriali.

Progettazione di alimentatori LED con dimmeraggio PWM

Esistono tre approcci alla progettazione di un alimentatore LED con dimmeraggio PWM: sviluppare un circuito da zero usando componenti discreti; abbinare un driver LED buck con un ingresso PWM a un circuito PWM, oppure sostituire il circuito PWM con un generatore PWM dedicato.

Il primo approccio è per i coraggiosi, ma se il budget e lo spazio sono importanti può essere la scelta giusta. Tuttavia, qui prenderemo in esame gli altri due approcci basati su alcuni dei dispositivi di gestione di potenza modulari, integrati, più consolidati e offerti da un ampio ventaglio di fornitori importanti.

Una soluzione dimmerabile PWM semplice e relativamente poco costosa che integra le funzioni di controllo di un driver LED ma offre al progettista la flessibilità di scelta per il MOSFET esterno usato per pilotare il LED viene da Texas Instruments. LM3421 è un controller MOSFET a canale N ad alta tensione per l'alimentazione del LED. Il chip può essere configurato in topologie di convertitore induttore primario buck, boost, buck/boost e a terminazione singola (SEPIC).

Di particolare interesse in questo contesto, LM3421 incorpora un pin nDIM che può essere usato per il dimmeraggio. TI suggerisce due approcci per il dimmeraggio: il primo prevede l'uso di un treno di impulsi PWM invertito tramite un diodo Schottky (D_DIM), mentre il secondo prevede l'uso di un segnale PWM standard applicato tramite un MOSFET di dimmeraggio (Q_DIM). Il secondo approccio è utile se l'applicazione richiede una frequenza PWM alta con un buon rapporto di contrasto, perché accelera la velocità di variazione del controller del driver LED. La Figura 6 mostra le opzioni di dimmeraggio PWM per LM3421.

Figura 6: TI suggerisce due tecniche di dimmeraggio PWM da usare con il controller del driver LED LM3421: usare un diodo Schottky o un MOSFET per applicazioni che richiedono frequenze PWM superiori.

Maxim Integrated di recente ha introdotto un driver LED con capacità di dimmeraggio integrata che non richiede componenti esterni, salvo il generatore di segnale PWM. MAX16819 è un driver LED buck che opera in un intervallo di ingresso da 4,5 V a 28 V ed è dotato di un regolatore su scheda a 5 V/10 mA. Come nel caso del dispositivo TI descritto sopra, l'uscita DRV del chip è studiata per alimentare un MOSFET esterno, che è connesso ai LED e aiuta a ridurre la velocità di variazione.

Fra le caratteristiche importanti del chip vi è il suo algoritmo di controllo dell'isteresi, che la società ritiene assicuri una risposta rapida durante l'operazione di dimmeraggio PWM e permetta una frequenza PWM fino a 20 kHz per applicazioni che richiedono questa velocità. I dispositivi hanno una frequenza di commutazione fino a 2 MHz, che permette al progettista di selezionare componenti esterni compatti. La Figura 7 mostra con che rapidità la corrente diretta che pilota il LED risponde ai cambiamenti di tensione di dimmeraggio.

Figura 7: MAX16819 di Maxim Integrated si avvale di un algoritmo di controllo dell'isteresi che accelera la risposta agli ingressi di dimmeraggio PWM. La figura illustra la risposta del sistema a un ciclo di lavoro del 50%, con una corrente del LED di 400 mA.

Per una soluzione di fascia alta (ovviamente più costosa), Linear Technology offre il generatore PWM LED a 48 canali LT8500. Il chip può essere accoppiato con tre dei driver LED di Linear Technology in modalità buck a 16 canali LT3595 per una soluzione di illuminazione PWM-dimmerabile in grado di alimentare un massimo di 480 LED a correnti fino a 50 mA.