Come scegliere il driver per una lampada a LED: tipi, scopo + caratteristiche di collegamento

Gli apparecchi di illuminazione a LED hanno avuto una diffusione di massa, a seguito della quale è iniziata la produzione attiva di fonti di alimentazione secondarie. Il driver di una lampada a LED è in grado di mantenere stabilmente i valori di corrente impostati all'uscita del dispositivo, stabilizzando la tensione che passa attraverso la catena di diodi.

Vi spiegheremo tutti i tipi e i principi di funzionamento del dispositivo di conversione della corrente per il funzionamento della lampadina a LED. Nell'articolo che vi proponiamo vengono fornite le linee guida per la scelta del driver e utili raccomandazioni. Gli elettricisti domestici autonomi troveranno da noi schemi di collegamento testati nella pratica.

Scopo e ambito di utilizzo

I cristalli diodi sono costituiti da due semiconduttori: anodo (positivo) e catodo (negativo), che sono responsabili della trasformazione dei segnali elettrici. Una regione ha conducibilità di tipo P, l'altra di tipo N. Quando si collega una fonte di alimentazione attraverso questi elementi, la corrente fluirà.

Grazie a questa polarità, gli elettroni dalla zona di tipo P si dirigono verso la zona di tipo N, e viceversa, le cariche dal punto N si dirigono verso P. Tuttavia, ogni sezione della regione ha i propri confini, chiamati giunzioni P-N. In queste aree, le particelle si incontrano e si assorbono reciprocamente o si ricombinano.

Il diodo appartiene agli elementi semiconduttori e possiede una sola giunzione p-n. Per questo motivo, la caratteristica principale che determina il grado di luminosità della loro emissione non è la tensione, ma la corrente.

Durante le giunzioni P-N, la tensione diminuisce di un certo numero di volt, sempre uguale per ogni elemento del circuito. Tenendo conto di questi valori, il driver stabilizza i parametri della corrente in ingresso e produce un valore costante in uscita.

Quale potenza è richiesta e quali valori di perdita durante il passaggio P-N sono indicati nel datasheet del dispositivo LED. Pertanto, quando si sceglie una lampadina a diodi, è necessario considerare i parametri dell'alimentatore, il cui range deve essere sufficiente per compensare l'energia persa.

Per garantire che i LED di potenza funzionino per il tempo indicato nelle specifiche, è necessario un dispositivo stabilizzatore: un driver. Sull'involucro del meccanismo elettronico è sempre indicata la sua tensione di uscita.

Gli alimentatori con tensione da 10 a 36 V vengono utilizzati per equipaggiare apparecchi di illuminazione.

La tecnica può essere di vari tipi:

• fari di auto, biciclette, motocicli, ecc.;
• piccole lanterne portatili o da esterno;
• strisce LED, nastri, lampadine da soffitto e moduli.

Tuttavia, per i LED a bassa potenza, così come in caso di utilizzo di tensione costante, non è obbligatorio utilizzare driver. Al loro posto, nel circuito viene inserito un resistore, anch'esso alimentato dalla rete 220 V.

Principio di funzionamento dell'alimentatore

Vediamo quali sono le differenze tra una sorgente di tensione e un alimentatore. Come esempio, consideriamo lo schema mostrato di seguito.

Collegando un resistore da 40 Ω a una sorgente di alimentazione da 12 V, attraverso di esso passerà una corrente di 300 mA (figura A). Quando si collega in parallelo un secondo resistore, la corrente sarà di 600 mA (B). Tuttavia, la tensione rimarrà invariata.

Nonostante il collegamento di due resistori alla sorgente di alimentazione, il secondo in uscita genererà una tensione costante, poiché in condizioni ideali non è influenzato dal carico.

Ora consideriamo come cambiano i valori se nel circuito vengono collegati resistori all'alimentatore. Allo stesso modo, inseriamo un reostato da 40 Ω con un driver da 300 mA. Il driver crea su di esso una tensione di 12 V (schema C).

Se invece il circuito è composto da due resistori, il valore della corrente rimane invariato e la tensione sarà di 6 V (D).

Il driver, a differenza della sorgente di tensione, mantiene in uscita i parametri di corrente impostati, ma la potenza della tensione può variare.

Traendo le conclusioni, possiamo dire che un convertitore di qualità fornisce al carico una corrente nominale anche con una caduta di tensione. Di conseguenza, i cristalli dei diodi da 2 V o 3 V con una corrente di 300 mA bruceranno con la stessa intensità anche con una tensione ridotta.

Caratteristiche distintive del convertitore

Uno degli indicatori più importanti è la potenza trasmessa sotto carico. Non si deve sovraccaricare il dispositivo né cercare di ottenere risultati massimi possibili.

Un uso scorretto contribuisce al rapido guasto non solo del meccanismo di controllo, ma anche dei chip LED.

I principali fattori che influenzano il funzionamento includono:

• i componenti utilizzati durante il montaggio;
• il grado di protezione (IP);
• i valori minimi e massimi in ingresso e in uscita;
• il produttore.

I moderni modelli di convertitori sono realizzati su base di microchip e utilizzano la tecnologia a modulazione di larghezza di impulso (PWM).

Durante il funzionamento dell'alimentatore, per regolare il valore della tensione in uscita, viene implementato il metodo della modulazione ad ampiezza di impulsi, mentre all'uscita viene mantenuto lo stesso tipo di corrente dell'ingresso.

Tali dispositivi si distinguono per un elevato grado di protezione contro cortocircuiti e sovraccarichi di rete, e presentano anche un'efficienza maggiore.

Regole per la selezione del convertitore di corrente

Per acquistare un convertitore per lampade LED, è necessario studiare le principali caratteristiche del dispositivo. Ci si deve basare sulla tensione di uscita, la corrente nominale e la potenza erogata.

Potenza dei diodi luminosi

Analizziamo innanzitutto la tensione di uscita, che è determinata da diversi fattori:

• valore delle perdite di tensione sulle giunzioni P-N dei cristalli;
• numero di diodi luminosi nella catena;
• schema di collegamento.

I parametri della corrente nominale possono essere determinati dalle caratteristiche del carico, ossia dalla potenza degli elementi LED e dal loro grado di luminosità.

Questo parametro influenzerà la corrente assorbita dai cristalli, il cui intervallo varia in base alla luminosità desiderata. Il compito del convertitore è garantire a questi elementi l'apporto della quantità di energia necessaria.

Il valore della tensione di uscita deve essere maggiore o uguale alla somma totale dell'energia consumata in ciascun blocco del circuito elettrico

La potenza del dispositivo dipende dall'intensità di ciascun elemento LED, dal loro colore e dal loro numero.

Per calcolare l'energia consumata si utilizza la seguente formula:

P_H = P_LED * N,

Dove

• P_LED – carico elettrico creato da un singolo diodo,
• N – numero di cristalli nel circuito.

I valori ottenuti non devono essere inferiori alla potenza del driver. Ora è necessario determinare il valore nominale richiesto.

Potenza massima del dispositivo

Occorre anche considerare che per garantire un funzionamento stabile del convertitore, i suoi valori nominali devono superare del 20-30% il valore ottenuto P_H.

Pertanto la formula assume la forma:

P_max ≥ (1,2..1,3) * P_H,

dove P_max è la potenza nominale dell'alimentatore.

Oltre alla potenza e al numero di carichi sulla scheda, l'intensità del carico è determinata anche dai fattori cromatici del carico. A parità di corrente, a seconda della tonalità, presentano diversi valori di caduta di tensione.

Il driver per lampade LED deve erogare la quantità di corrente necessaria per garantire la massima luminosità. Nella scelta del dispositivo, l'acquirente deve ricordare che la potenza deve essere maggiore di quella utilizzata da tutti i LED

Prendiamo come esempio i LED dell'azienda americana Cree della serie XP-E di colore rosso.

Le loro caratteristiche sono le seguenti:

• caduta di tensione 1,9-2,4 V;
• corrente 350 mA;
• Potenza media di consumo 750 mW.

Un analogo di colore verde, con la stessa corrente, avrà valori completamente diversi: perdite sulle giunzioni P-N di 3,3-3,9 V e una potenza di 1,25 W.

Di conseguenza, si possono trarre conclusioni: un driver progettato per 10 W viene utilizzato per alimentare dodici cristalli rossi o otto cristalli verdi.

Schema di collegamento dei LED

La scelta del driver deve essere effettuata dopo aver determinato lo schema di collegamento dei carichi LED. Se si acquistano prima i diodi luminosi e poi si sceglie un convertitore per essi, questo processo sarà accompagnato da molte difficoltà.

Per trovare un dispositivo che garantisca il funzionamento di esattamente quel numero di carichi con un dato schema di collegamento, si dovrà dedicare molto tempo.

Facciamo un esempio con sei carichi. Le loro perdite di tensione sono di 3 V e la corrente assorbita è di 300 mA. Per collegarli si può utilizzare uno dei metodi, e in ogni singolo caso i parametri richiesti dell'alimentatore saranno diversi.

Lo svantaggio della disposizione sequenziale dei diodi è la necessità di un alimentatore con tensione elevata se nel circuito ci sono molti cristalli.

Nel nostro caso, con collegamento in serie, è necessario un alimentatore da 18 V con corrente di 300 mA. Il principale vantaggio di questo metodo è che attraverso l'intera linea passa la stessa intensità di corrente, quindi tutti i diodi brillano con la stessa luminosità.

Lo svantaggio della disposizione in parallelo dei carichi è la differenza di luminosità di ciascuna catena. Questo fenomeno negativo si verifica a causa della dispersione dei parametri dei diodi a causa delle differenze nella corrente che passa attraverso ciascuna linea.

Se si utilizza una disposizione in parallelo, è sufficiente usare un convertitore da 9 V, tuttavia il valore della corrente assorbita sarà raddoppiato rispetto al metodo precedente.

Il metodo di disposizione in serie a due diodi non può essere applicato con una modifica del numero di cristalli nel gruppo – 3 o più. Tali limitazioni sono legate al fatto che attraverso un singolo elemento può passare una corrente troppo elevata, creando la possibilità di un guasto dell'intero circuito.

Se si utilizza il metodo in serie con la formazione di coppie di due LED, si utilizza un driver con parametri simili al caso precedente. In questo caso, la luminosità dell'illuminazione sarà uniforme.

Tuttavia, anche in questo caso non sono mancati aspetti negativi: quando l'alimentazione viene fornita al gruppo, a causa della dispersione delle caratteristiche, uno dei LED potrebbe accendersi più velocemente dell'altro, e di conseguenza la corrente che lo attraversa sarà doppia rispetto al valore nominale.

Molti tipi di LED per illuminazione domestica sono progettati per tali brevi sovratensioni, ma questo metodo è tra i meno richiesti.

Tipi di driver in base al tipo di dispositivo

I dispositivi che convertono l'alimentazione da 220 V ai valori necessari per i LED si dividono convenzionalmente in tre categorie: elettronici, a base di condensatori, e dimmerabili.

Il mercato degli accessori per illuminazione offre un'ampia varietà di modelli di driver, per lo più di produzione cinese. E nonostante la fascia di prezzo bassa, da questi dispositivi è possibile scegliere un'opzione più che decente. Tuttavia, è bene prestare attenzione al certificato di garanzia, poiché non tutti i prodotti presentati hanno una qualità accettabile.

Tipo elettronico del dispositivo

Nella versione ideale, un convertitore elettronico dovrebbe essere dotato di un transistor. Il suo ruolo è quello di scaricare il circuito integrato di regolazione. Per eliminare o attenuare al massimo l'ondulazione, all'uscita viene montato un condensatore.

Un dispositivo di questo tipo rientra nella categoria costosa, ma è in grado di stabilizzare la corrente fino a 750 mA, cosa che i meccanismi di zavorra non possono fare.

I driver più recenti vengono montati principalmente su lampadine con attacco E27. Un'eccezione alla regola sono i prodotti Gauss GU5,3. Sono dotati di un convertitore senza trasformatore. Tuttavia, il livello di ondulazione in essi raggiunge diverse centinaia di Hz.

L'ondulazione non è l'unico inconveniente dei convertitori. Un secondo può essere rappresentato dai disturbi elettromagnetici ad alta frequenza (HF). Ad esempio, se nella presa collegata all'apparecchio di illuminazione vengono collegati altri dispositivi elettrici, come una radio, si possono prevedere interferenze nella ricezione delle frequenze FM digitali, della televisione, del router, ecc.

In un dispositivo opzionale di un apparecchio di qualità dovrebbero essere presenti due condensatori: uno elettrolitico per attenuare l'ondulazione, l'altro ceramico per ridurre le HF. Tuttavia, questa combinazione non si trova spesso, specialmente quando si parla di prodotti cinesi.

Coloro che hanno conoscenze generali di tali circuiti elettrici possono selezionare autonomamente i parametri di uscita del convertitore elettronico modificando il valore nominale dei resistori.

Grazie all'elevato rendimento (fino al 95%), questi meccanismi sono adatti per apparecchi potenti utilizzati in vari settori, ad esempio per il tuning automobilistico, negli apparecchi di illuminazione stradale e nelle fonti LED domestiche.

Alimentatore basato su condensatori

Ora passiamo ai dispositivi meno popolari – quelli basati su condensatori. Quasi tutti i circuiti delle lampade LED economiche, dove vengono utilizzati driver di questo tipo, hanno caratteristiche simili.

Tuttavia, a causa delle modifiche apportate dal produttore, subiscono cambiamenti, ad esempio la rimozione di qualche elemento del circuito. Molto spesso questo componente è uno dei condensatori – quello di livellamento.

A causa del riempimento incontrollato del mercato con prodotti economici e di scarsa qualità, gli utenti possono 'percepire' una pulsazione al cento per cento nelle lampade. Anche senza approfondire il loro funzionamento, si può affermare che l'elemento di livellamento sia stato rimosso dal circuito.

I vantaggi di questi meccanismi sono solo due: sono adatti per l'assemblaggio fai-da-te e il loro rendimento è prossimo al cento per cento, poiché le perdite si verificano solo nelle giunzioni p-n e nelle resistenze.

Lo stesso numero di svantaggi: bassa sicurezza elettrica e alto livello di pulsazione. Il secondo difetto è di circa 100 Hz e deriva dalla rettificazione della tensione alternata. Il GOST stabilisce una norma di pulsazione consentita del 10-20% a seconda della destinazione d'uso dell'ambiente in cui è installato il dispositivo di illuminazione.

L'unico modo per mitigare questo difetto è scegliere un condensatore con il valore nominale corretto. Tuttavia, non bisogna aspettarsi una risoluzione completa del problema – questa soluzione può solo attenuare l'intensità dei picchi.

Convertitori di corrente dimmerabili

I driver dimmerabili per lampadine LED dimmerabili consentono di modificare i parametri di corrente in entrata e in uscita, riducendo o aumentando il livello di luminosità della luce emessa dai diodi.

Esistono due metodi di collegamento:

• il primo prevede un avvio graduale;
• il secondo è impulsivo.

Consideri il principio di funzionamento dei driver dimmerabili basati sul chip CPC9909, utilizzato come dispositivo di regolazione per circuiti LED, anche ad alta luminosità.

Schema di collegamento standard del CPC9909 con alimentazione a 220 V. Secondo le indicazioni schematiche, è possibile controllare uno o più carichi di potenza.

Con l'avvio graduale, il chip con il driver garantisce l'accensione progressiva dei diodi con luminosità crescente. Per questo processo vengono utilizzati due resistori collegati al pin LD, progettato per svolgere la funzione di dimmerazione graduale. In questo modo si realizza un compito importante: prolungare la durata degli elementi LED.

Lo stesso pin fornisce anche la regolazione analogica: il resistore da 2,2 kOhm viene sostituito con un potenziometro più potente da 5,1 kOhm. In questo modo si ottiene una variazione graduale del potenziale in uscita.

L'applicazione del secondo metodo prevede l'invio di impulsi di tipo rettangolare sul terminale a bassa frequenza PWMD. A tale scopo, si utilizza un microcontrollore o un generatore di impulsi, che devono essere separati da un optoisolatore.

Con o senza custodia?

I driver sono disponibili con o senza alloggiamento. La prima opzione è la più comune e la più costosa. Questi dispositivi sono protetti dall'ingresso di umidità e polvere.

I dispositivi del secondo tipo vengono utilizzati per l'installazione nascosta e, di conseguenza, sono meno costosi.

L'alimentazione di tutti i dispositivi presentati può essere di 12 V o 220 V. Sebbene i modelli senza alloggiamento siano più convenienti, sono notevolmente inferiori in termini di sicurezza e affidabilità del meccanismo.

Ciascuno di essi ha una temperatura massima consentita durante il funzionamento – anche questo deve essere considerato durante la selezione.

Schema classico del driver

Per l'assemblaggio fai-da-te di un alimentatore LED, esamineremo il dispositivo a impulsi più semplice, senza isolamento galvanico. Il principale vantaggio di questo tipo di circuito è la semplicità di connessione e il funzionamento affidabile.

Lo schema del convertitore a 220 V è presentato come un alimentatore a impulsi. Durante l'assemblaggio, è necessario rispettare tutte le norme di sicurezza elettrica, poiché non ci sono limiti sulla corrente erogata.

Lo schema di tale meccanismo è composto da tre aree a cascata principali:

1. Divisore di tensione su resistenza capacitiva.
2. Raddrizzatore.
3. Stabilizzatori di tensione.

La prima sezione è la reattanza offerta alla corrente alternata dal condensatore C1 con un resistore. Quest'ultimo è necessario esclusivamente per consentire l'autocarica dell'elemento inerte. Non influisce sul funzionamento del circuito.

Il valore nominale del resistore può essere compreso tra 100 kΩ e 1 MΩ, con una potenza di 0,5-1 W. Il condensatore deve essere elettrolitico e il suo valore efficace dell'ampiezza della tensione deve essere – 400-500 V

Quando la semionda di tensione formata passa attraverso il condensatore, la corrente scorre fino a quando le armature non sono completamente cariche. Minore è la capacità del dispositivo, minore sarà il tempo necessario per la sua carica completa.

Ad esempio, un dispositivo con una capacità di 0,3-0,4 μF si carica in 1/10 del periodo della semionda, cioè solo un decimo della tensione passante attraversa questa sezione.

Il processo di raddrizzamento in questa sezione viene eseguito secondo lo schema di Graetz. Il ponte a diodi viene selezionato in base alla corrente nominale e alla tensione inversa. Tale tensione non deve essere inferiore a 600 V.

Il secondo stadio è un dispositivo elettrico che converte (rettifica) la corrente alternata in corrente pulsante. Questo processo è chiamato a doppia semionda. Poiché una parte della semionda è stata livellata da un condensatore, all'uscita di questa sezione la corrente continua sarà di 20-25 V.

Poiché l'alimentazione dei LED non deve superare i 12 V, per il circuito è necessario utilizzare un elemento stabilizzatore. A tale scopo viene introdotto un filtro capacitivo. Ad esempio, si può utilizzare il modello L7812.

Il terzo stadio funziona sulla base di un filtro stabilizzatore livellante – un condensatore elettrolitico. La scelta dei suoi parametri capacitivi dipende dall'intensità del carico.

Poiché il circuito assemblato entra immediatamente in funzione, non si devono toccare i fili scoperti, poiché la corrente condotta raggiunge decine di ampere – si procede preventivamente all'isolamento delle linee.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Tutte le difficoltà che un radioamatore può incontrare nella scelta di un convertitore per potenti lampade a LED sono descritte in dettaglio nel video:

Caratteristiche fondamentali del collegamento autonomo di un dispositivo convertitore nello schema elettrico:

Istruzioni dettagliate che descrivono il processo di assemblaggio fai-da-te di un driver per LED con materiali di fortuna:

Nonostante le decine di migliaia di ore di funzionamento ininterrotto dichiarate dal produttore per le lampade a LED, ci sono molti fattori che riducono significativamente questi valori.

I driver sono progettati per livellare tutti i salti di corrente nel sistema elettrico. Alla loro scelta o al loro assemblaggio autonomo occorre avvicinarsi con responsabilità dopo aver calcolato tutti i parametri necessari.

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