Led-uri si montaje cu led-uri

1. Ce sunt LED-urile ?
Un LED (din engleză: light-emitting diode, înseamnă diodă emițătoare de lumină) este o diodă semiconductoare ce emite lumină la polarizarea directă a joncțiunii p-n. Efectul este o formă de electroluminescență.
Un LED este o sursă de lumină mică, de cele mai multe ori însoțită de un circuit electric ce permite modularea formei radiației luminoase. De cele mai multe ori acestea sunt utilizate ca indicatori în cadrul dispozitivelor electronice, dar din ce în ce mai mult au început să fie utilizate în aplicații de putere ca surse de iluminare. Culoarea luminii emise depinde de compoziția și de starea materialului semiconductor folosit, și poate fi în spectrul infraroșu, vizibil sau ultraviolet. LED-urile sunt folosite pentru a oferi lumină albă și de culoare în lanterne, becuri și corpuri de iluminat compacte dar și într-o serie mare de dispozitive electronice.

2. Scurt istoric.
Electroluminescența a fost descoperită în anul 1907 de către H. J. Round, folosind un cristal de carbură de siliciu și un detector primitiv dintr-un metal semiconductor. Rusul Oleg Vladimirovich Losev a fost primul care a creat primul LED prin anii 1920. Cercetarea sa a făcut înconjurul lumii, însă nu s-a găsit nici o întrebuințare a acesteia timp de câteva decenii.
În anul 1961, Bob Biar și Gary Pittman, au descoperit că aplicând curent unui aliaj din galiu si arsen, acesta emite o radiație infraroșie. Primul LED cu emisie în spectrul vizibil (roșu) a fost realizat în anul 1962 de către Nick Holonyak, când lucra la General Electric Company . Un fost student al acestuia, M. George Craford, a inventat primul LED de culoare galbenă și a îmbunătățit factorul de iluminare al Led-urilor roșu și roșu -portocaliu de circa zece ori în anul 1972. Până în 1968 LED-urile vizibile și cele infraroșii costau foarte mult, aproape 200 de dolari și nu puteau fi folosite doar la aplicații minore.

Prima corporație care a trecut la fabricarea LED-urilor pe scară largă a fost Monsato Corporation, realizând în 1968 LED-uri pentru indicare. Acestea au fost preluat de către compania Hewlett Packard și integrate în primele calculatoare alfanumerice. Primele LED-uri comercializate pe scară largă au fost folosite pentru înlocuirea indicatoarelor incandescente, întâi la echipamentele scumpe ca cele de laborator și de teste, apoi, mai târziu, la televizoare, radiouri, telefoane, calculatoare, chiar și ceasuri. Aceste LED-uri roșii nu puteau fi folosite decât pentru indicare deoarece emisia de lumină nu era suficientă pentru iluminarea unei suprafețe. În decursul anilor s-au descoperit și alte culori ale LED-urilor, cu capacități mai mari de iluminare.
Primul LED cu capacitate mare de iluminare a fost realizat de cercetătorul Shuji Nakamura în anul 1993 dintr-un aliaj de InGaN. Acesta a fost premiat în anul 2006 cu Milennium Technology Prize pentru invenția sa.
In anul 2008, cel mai puternic LED comercializat aparținea firmei sud-coreene Seoul Semiconductor. Un singur LED din seria Z-Power P7 atinge performanța de 900 Lumen la 10 Watt, deci o eficiența de 90 lm/W, echivalând cu un bec obișnuit de 75W.

La 12 mai 2010, firma Nexxus Lighting a prezentat cea mai puternica lampă LED de uz casnic disponibilă pe piață, cu o eficiență de 50 Lumen/Watt. Luminozitatea lămpii Array LED PAR38 este comparabilă cu cea a unui bec obișnuit/standard de 75 Watt atingând 985 Lumen la un consum de numai 18-20 Watt, fiind în același timp și variabilă.
La 12 aprilie 2010, firma Toshiba a prezentat prototipul celei mai puternice lămpi LED de uz casnic și industrial, cu o eficiență de 120 Lumen/Watt.[4]. Luminozitatea lămpii led este comparabilă cu cea a unui bec obișnuit/standard de 100 Watt, atingând 1690 Lumen.
La 18 decembrie 2012, firma Cree a prezentat Lampa LED XLamp MK-R cu o eficiență de 200 Lumen/Watt si cu o dimensiune de 7 x 7 mm.[5]. Luminozitatea lămpii led este comparabilă cu cea a unui bec incandescent de 120 Watt, atingând 1769 Lumen la 15 W și 85°C.

3.Simbol. Clasificare. Construcție.

3.1 Simbol

3.2 Clasificare. Construcție.
Led-uri se împart în doua mari categorii:
a) Led-uri de mică putere (<1W);
b) Led-uri de mare putere.
În funcție de tipul constructiv LED-urile se împart în:
a) Led-uri THT (cazul a de mai jos);
b) Led-uri SMD (cazul b de mai jos);
c) Led-uri de putere (unul sau mai multe LED-uri SMD de putere mare).

În funcție de numărul de culori redate deosebim: led-uri simple, bicolore și tricolore (cele din urmă mai poartă numele de led-uri RGB).

4. Eficiența și parametrii de funcționare a LED-urilor

LED-urile indicatoare tipice sunt proiectate să funcționeze cel mult cu 30...60 mW de energie electrică. În jurul anului 1999, Philips Lumileds a introdus LED-uri de putere capabile să funcționeze continuu cu un watt. Aceste LED-uri au la baza semiconductoare de dimensiuni mult mai mari pentru a putea absorbi puteri mari. De asemenea, matrițele semiconductoarelor au fost montate pe suporți de metal pentru a permite transferul căldurii din matrița LED-ului.

Unul dintre avantajele cheie ale surselor de iluminat cu LED-uri este eficacitatea luminoasă ridicată. LED-urile albe se potrivesc rapid și au înlocuit cu succes sistemele standard de iluminat cu incandescență. În 2002, Lumileds a făcut LED-uri de cinci wați cu o eficacitate luminoasă de 18-22 lumeni per watt (lm/W). În comparație, un bec cu incandescență convențional de 60 sau 100 W are o eficiență de cca.15 lm/W, iar iluminatul fluorescent standard de până la 100 lm/W.

Încă din anul 2012, catalogul Lumiled prezenta un tabel cu cele mai eficiente surse de lumină în funcție de culoare.

În septembrie 2003 firma Cree a prezentat un nou tip de LED albastru care consuma 24 mW cu un consum de numai 20 miliamperi. Varianta comercială care producea lumină albă cu o eficiență de 65 lm/W la 20 mA, a devenit la momentul respectiv cel mai strălucitor LED alb de pe piață fiind de patru ori mai eficient ca becurile incandescente standard. În 2006, ei au prezentat un prototip de LED alb cu o eficacitate luminoasă de 131 lm/W la 20 mA.

Nichia Corporation a dezvoltat un LED cu o eficacitate luminoasă de 150 lm/W la un curent de 20 mA. Comparativ, LED-urile XLAMP Cree, care au fost disponibile comercial începând cu anul 2011, au o eficiență de 100 lm/W consumând 10W și pot urca la 160 lm/W cu numai 2W consumați. În anul 2012 firma Cree a lansat un LED alb capabil de 254 lm/W.
Iluminatul general are nevoie de LED-uri de mare putere, de un watt sau mai mult. Curenți tipici de operare pentru astfel de dispozitive încep de la 350 mA.
Rețineți că aceste niveluri de eficiență sunt atinse doar de LED-urile monobloc și au putut fi obținute la o temperatură scăzută într-un laborator. Iluminatul funcționează la temperaturi mai mari și cu pierderi pe circuitul de alimentare, astfel încât eficiența rezultată este mult mai mică. Departamentul de Energie din S.U.A., în urma testări lămpilor comerciale cu LED-uri destinate să înlocuiască lămpile cu incandescență sau CFL, a arătat că eficacitatea medie în anul 2009 a fost de aproximativ 46 lm/W (performanța LED-urilor testate variind între 17 lm/W și 79 lm/W).

În 3 februarie 2010 compania Cree a emis un comunicat de presă cu privire la un prototip LED de laborator care are o eficiență de 208 lm/W, la temperatura camerei. Temperatura de culoare corelată a fost raportata la 4579 K. În decembrie 2012 Cree a emis un alt comunicat de presă prin care anunță disponibilitatea comercială a LED-urilor cu eficiență de 200 lm/W la temperatura camerei.

5. Durata de viață și rata de defectare
Dispozitivele solid-state, cum ar fi LED-urile, sunt supuse la o uzura destul de mică dacă acestea funcționează la curenți mici și temperaturi scăzute. Multe dintre LED-urile concepute în anii ‘70 și ‘80 sunt încă în serviciu și la începutul secolului 21. Durata de viață tipică a unui LED este între 25000 și 100000 de ore, dar transferul de căldură cu mediu ambiant și modul în care alegem curentul de funcționare (vezi pct.8 noțiunea de ILED_OPTIM) poate prelungi sau scurta acest timp în mod semnificativ.

6. Culori și materiale
LED-urile convenționale sunt realizate dintr-o varietate de materiale semiconductoare anorganice. Tabelul de mai jos prezintă culorile disponibile cu o gamă de lungimi de undă, cădere de tensiune și materiale:

LED-uri albastre și ultraviolete

LED-urile albastre au la baza un gol din bandă semiconductoare realizată din nitrură de galiu (GaN) și indiu nitrură de galiu (InGaN). Ele pot fi combinate cu LED-uri roșii și verzi pentru a produce impresia de lumină albă. Modulele care combină cele trei culori sunt folosite în ecrane video mari și în programe reglabile de culoare (folosind asazisele led-uri RGB).

Primele LED-uri albastre au fost produse în 1971 folosind nitrură de galiu de către Jacques Pankove de la RCA Laboratories. Aceste dispozitive aveau prea puțină lumină pentru a fi de folos în practică iar cercetarea dispozitivelor de nitrură de galiu (GaN) a încetinit. În august 1989, compania Cree a introdus un gol din bandă semiconductoare indirect din carbura de siliciu rezultând primul LED albastru disponibil comercial. Ledurile din carbura de siliciu (SiC) au avut eficiență foarte scăzută, nu mai mult de cca. 0,03%, dar emiteau în porțiunea albastră a spectrului de lumină vizibil.

La sfârșitul anilor 1980 s-au făcut progrese importante în creșterea epitaxială și în doparea cu purtători de tip p a nitrurei de galiu fapt ce a condus la lansarea în epoca modernă a dispozitivelor optoelectronice bazate pe nitrură de galiu (GaN). Pornind de la această bază, în 1993 au fost demonstrate LED-uri albastre de înaltă luminozitate. LED-urile albastre de înaltă luminozitate au fost inventate de Shuji Nakamura de la Nichia Corporation, folosind nitrură de galiu, fapt ce a revoluționat iluminatul cu LED-uri, făcând realizabile surse de lumina de mare putere cu LED-uri.

La sfârșitul anilor 1990 LED-urile albastre au devenit disponibile pe scară largă. Ele au o regiune activă care constă din unul sau mai multe goluri cuantice din indiu nitrură de galiu (InGaN) care se află între mai multe straturi groase suprapuse din nitrură de galiu (GaN), numite straturi de placare. Prin varierea relativă a raportului In/Ga în goluri cuantice de InGaN, emisia de lumină poate fi teoretic variată de la violet la chihlimbar. Diverse rapoarte Al/Ga ale aluminiului nitrurei de galiu (AlGaN) pot fi folosite pentru fabricarea tecii și a straturilor cuantice pentru LED-urile ultraviolete, dar aceste dispozitive nu au atins încă nivelul de eficiență și maturitate tehnologică a dispozitivelor albastru/verde din InGaN/GaN. Dacă GaN pur este utilizat în acest caz pentru a forma straturile cuantice active, dispozitivul va emite o lumină aproape ultravioletă având un maxim de lungime de undă centrată în jurul valorii de 365 nm. LED-urile verzi fabricate folosind sistemul InGaN/GaN sunt mult mai eficiente si mai luminoasa decat LED-uri verzi produse din materiale care nu conțin nitrură, dar dispozitivele practice încă prezintă randamente prea mici pentru aplicații de înaltă luminozitate.

Lumina albă

Există două moduri principale de a produce diode emițătoare de lumină de culoare albă (WLEDs) sau LED-uri care generează lumină albă de înaltă intensitate. Unul este de a folosi LED-uri individuale care emit cele trei culori primare: roșu, verde și albastru, și apoi se amestecă toate culorile pentru a forma lumina alba. Celălalt mod constă în utilizarea unui material din fosfor pentru a face conversia luminii monocromatice de la un albastru sau UV la LED-uri de lumină albă cu spectru larg, în același fel în care tuburile fluorescente funcționează.

Există trei metode principale de amestecare a culorilor pentru a produce lumină albă cu ajutorul LED-urilor:
- LED albastru + LED verde + LED roșu (culoarea de amestec, pot fi utilizate ca iluminare de fundal pentru ecrane);
- în apropierea UV sau UV LED + fosfor RGB (LED-uri care produc o lumină albă cu o lungime de undă mai mică decât în cazul utilizării culorii albastre pentru a excita un fosfor RGB);
- LED-uri albastre + fosfor galben (două culori complementare se combina pentru a forma lumina alba - mai eficiente decât primele două metode și mai frecvent utilizate).
Din cauza metamerismului (sau schimbării culorii unui obiect privit în lumini diferite sau cu diverse distribuții spectrale de putere), este posibil să rezulte spectre destul de diferite care apar albe.

7. Performanța LED-urilor

Tabelul de mai jos evidențiază parametrii de performanță pentru trei tipuri de lămpi analizate și o previziune de performanța a lămpilor cu LED-uri în 2017. Tot în cadrul tabelului s-a calculat "durata de viață totală a lămpilor". Acest parametru reprezintă fluxul luminos măsurat cumulat pe întreaga durată de viață a lămpii și se măsoară în megalumen-ore. Eficiența luminoasă pentru o lampă LED din anul 2012 este de 65 lm/W. Ultimul rând din tabel este calculat făcând raportul dintre eficiența luminoasă a celorlalte lămpi și cea a lămpi cu LED din 2012.
Impactul scalar al viitoarelor LED-uri este de așteptat să fie mai mic din cauză că în viitor se va îmbunătăți performanța LED-urilor iar proiectanți vor continua să caute și să crească calitatea materialelor și a componentele folosite în construcția lor.

8. Cum controlam LED-urile ?

Diodele emițătoare de lumină (LED-urile) sunt construite din joncțiuni semiconductoare PN. Când LED-ul este polarizat direct electronii sunt capabili să se recombine cu golurile din interiorul dispozitivului și să elibereze energie sub formă de fotoni. Curentul care traversează joncțiunea PN a LED-ului va trebui să fie limitat și influențează luminozitatea LED-ului.

Stabilirea și limitarea curentului se poate face în mai multe moduri:

• folosind un rezistor extern pentru a limita curentul direct prin LED;
• utilizând o sursă de curent constant pentru a stabili un curent definit și stabil prin LED (Constant Current – CV);
• un convertor DC-DC în mod de voltaj constant (Constant Voltage – CV).

Metodele menționate anterior vor fi detaliate la punctul 8 din cadrul acestui articol.

8.1 Alimentarea LED-urilor cu ajutorul unui rezistor
Una din cele mai simple metode prin care putem controla iluminarea unui LED este să atașăm acestuia un rezistor pentru a limita curentul prin LED la o valoare corespunzatoare (valoare care respectă și rezultă indirect din datele de catalog a LED-ului, și care asigură funcționarea corectă a LED-ului). Dacă acestui circuit îi atașăm un comutator simplu pentru a opri și porni funcționarea LED-ului rezultă cel mai simplu circuit de alimentare a unui LED (fig.3a).
 

Atenție!
a) fără un rezistor sau un așazis circuit de balast care să limiteze curentul prin LED la o anumită valoare, LED-ul se va arde;
b) plusul bateriei va trebui sa coincida cu traseul electric care face contact cu anodul LED-ului, respectiv minus baterie cu catodul LED-ului;
c) identificarea terminalelor anod si catod pentru un LED se face ca in figura 4.
 

În figura 3b este prezentat cazul în care avem mai multe LED-uri identice pe care dorim să le alimentăm de la o baterie folosind un singur rezistor.

Formulele matematice pentru calcul valorii rezistorului sunt urmatoarele:
- pentru figura 3a: R₁ = (U_baterie - U_LED1)/ I_LED1 sau ținând cont de faptul că avem un sigur LED se poate aplica formula simplificată: R₁ = U_baterie/ I_LED1;
- pentru figura 3b: R₂ = (U_baterie - U_LED2- U_LED3- U_LED4)/ I_LED, unde I_LED se va alege astfel încât să fie suportat de toate LED-urile și va trebui să asigure funcționarea corespunzătoare a tuturor LED-urilor. Această schemă se aplică atunci când toate LED-urile sunt de același tip, deci au aceleași caracteristici. Spre exemplu, în cazul LED-urilor cu diametru de 3mm dar care au culori diferite – asemenea celor din figura de mai sus – un curent de 5mA poate asigura funcționarea corectă a tuturor LED-urilor.
Atenție, nu se recomandă alimentarea LED-urilor aplicând soluția din fig.3b atunci când avem LED-uri care nu au acelasi I_{LED_OPTIM}.
În cazul LED-urilor obișnuite de mică putere, ca cele din figura 2, curentul optim prin led care se recomandă să se folosească în calcule este redat în tabelul 5.

Notă: I_{LED_MAXIM} poate diferi de la un model de LED la altul, respectiv de la o culoare la alta. Se pot găsi în catalog valori I_{LED_MAXIM} mult mai mari față de cele prezentate. Rețineți, în calcule se va folosi întotdeauna valorile din coloana I_{LED_OPTIM} care vor asigura o cadere de tensiune corespunzatoare pe LED pentru funcționarea corectă a acestuia sau acestora.
În figura 5 este prezentată o metodă de identificare a tensiuni de funcționare a LED-urilor (notată în documentațiile tehnice în limba engleză cu V_F).

8.2 Alimentarea LED-urilor prin intermediul unei surse de curent constant (CC – Constant Current) sau unei surse de tensiune constantă (CV – Constant Voltage)

Am văzut anterior cea mai simplă metodă prin care putem alimenta un LED folosind un banal rezistor. Metoda e simplă dar are un dezavantaj major: datorită variațiilor de temperatură si luând în considerare eventuale variații ale tensiuni de alimentare (asta în cazul în care nu folosim o baterie ci un alimentator cu transformator și punte redresoare cu filtru capacitiv), curentul prin LED poate înregistra variații considerabile care conduc la micșorarea duratei de viață a LED-ului. Pentru a combate acest fenomen s-au conceput mai multe tipuri de circuite care să asigure la bornele LED-ului un curent constant sau o tensiune constantă.

În figura 6 sunt reprezentate grafic funcțiile corespunzătoare celor trei moduri de alimentare a LED-urilor: folosind un circuit de voltaj constant (fig.6a), folosind un generator de curent constant (fig.6b) și versiunea CC-CV care îmbină proprietățile circuitelor de curent constant cu a celor de tensiune constantă.
După analiza celor trei grafice din fig.6 va apare cu certitudine o întrebare destul de întâlnită prin rândul dezvoltatorilor de aplicații de iluminat cu LED-uri și anume: care este cea mai bună metodă de control a LED-urilor: CC sau CV sau CC-CV ?

Pe parcusul acestui articol voi încerca să aduc suficiente argumente care să vă completeze actuala experiență pentru a lua în diverse situații decizia corespunzătoare. Am spus anterior că LED-urile sunt dispozitive semiconductoare care au nevoie de un anume curent ca să funcționeze, atunci sigur o să vă întrebați de ce companiile oferă pentru alimentarea LED-urilor atât surse de alimentare de curent constant (CC) cât și soluții de alimentare de tensiune constantă (CV) ?

Motivul principal este acela că companiile vor să ofere proiectanților suficiente opțiuni prin care aceștia să poată să optimizeze sistemul de iluminat. În cazul în care mai multe LED-uri sunt conectate în serie, cel mai eficient mod de a le alimenta este să le conectăm la o sursă de alimentare de curent constant. În cazul în care LED-urile sunt conectate în paralel, ar putea exista o problemă de distribuție a curentului prin fiecare LED. O posibilă alternativă la acest mod de alimentare constă în amplasarea unei componente externe sau a unei componente electronice active care să controleze curentul prin LED. Deși această strategie asigură același curent prin fiecare LED, metoda conduce la obținerea unei soluții de iluminat mai puțin eficientă, fapt ce a condus la evitarea folosirii acesteia pentru un singur LED dar se poate aplica cu succes la mai multe șiruri de LED-uri conectate serie-paralel.

Care este diferența dintre o sursă de curent constant (CC) și o sursă de tensiune constantă (CV) ?

În figura 6 sunt reprezentate cele trei caracteristici a celor trei moduri distincte de funcționare a sursei de alimentare a LED-urilor. Axa X arată creșterea sarcinii, iar axa Y prezintă tensiunea de ieșire a modulului de alimentare a LED-ului. Linia albastră reprezintă tensiunea iar linia verde este curentul de ieșire.

Pentru început vom analiza performanța sursei de alimentare de tensiune constantă (fig.6a). Așa cum sugerează și denumirea, circuitul redă la ieșire o tensiune constantă pe măsură ce crește curentul de sarcină (simbolizat în figură prin termenul englezesc ”load”). Curentul de sarcină va putea crește până într-un moment când circuitul va intra în modul de limitare de curent, în scopul de a preveni deteriorarea circuitului.
În figura 6b este reprezentată caracteristica unei surse de curent constant. În acest caz dacă sarcina înregistrează variații (crește sau scade), curentul va rămâne constant.

În figura 6c se prezintă caracteristica unui circuit care combină două moduri de funcționare. Inițial circuitul se comportă ca o sursă de tensiune constantă. O dată ce curentul maxim admis de sarcină este atins, bucla de control a circuitului va regla curentul de sarcină la o valoare constantă reducând concomitent și tensiunea de ieșire. Acest tip de abordare are multe beneficii și permite proiectantului să atingă o eficiență sporită folosind soluții moderne care au la bază surse CV-CC. În ultima perioadă s-au dezvoltat o sumedenie de tipuri de circuite integrate care folosesc caracteristica din fig.6c, o partea din acestea fiind prezentate în cadrul acestui articol.

8.3 Led-uri serie și/sau paralel ?

--- Conectarea serie ---

Alimentarea mai multor LED-uri în serie evită o luminozitate inegală din cauza variaţiei de curent. Deci, toate LED-urile vor vedea acelaşi curent pentru a obţine acelaşi nivel de luminozitate. Tensiunea de ieșire a driverului va fi egală cu:

V_OUT = V_F X n

unde V_Feste tensiunea nominală de funcţionare a LED-ului și n este numărul de LED-uri conectate în serie. Spre exemplu, dacă V_F = 2V şi avem 5 LED-uri conectate în serie atunci tensiunea de ieşire a driver-ului de LED-uri va fi 10V. Majoritatea driver-elor de LED-uri sunt convertoare coborâtoare de tensiune de tip DC/DC. Trebuie avut grijă să se păstreze în limite nominale tensiunea de intrare pentru a nu depăşi nivelul de ieşire peste limita corespunzătoare.
În cazul conectării în serie a LED-urilor, curentul de ieşire a driver-ului va fi egal cu:

I_OUT = I_F;

unde I_F este curentul nominal al LED-ului, o dată foarte importantă de catalog. Deci, toate LED-urile conectate în serie vor vedea acelaşi curent, în exemplu nostru voi considera: I_F = 30mA.
Avantajele conectării în serie a LED-urilor:

• complexitate scăzută a circuitului;
• fiecare LED vede acelaşi curent;
• eficienţă ridicată (nu este necesar rezistor de balast).

Dezavantajele conectării în serie a LED-urilor:

• tensiunea de ieşire a driver-ului poate deveni destul de mare pentru LED-urile conectate în serie;
• pe parcursul duratei de viaţă, LED-urilor îşi pot modifica în mod inegal parametrii de funcţionare, fapt ce conduce la o supraîncărcare a unora şi subîncărcare a altora, fapt ce va cauza defectarea mult mai rapidă a şirului de LED-uri sau la o luminozitate neuniformă;
• dacă un LED se defectează se întrerupe luminozitatea întregii conexiuni serie. Un LED scurtcircuitat are un efect redus asupra luminozităţi per ansamblu a circuitului dar poate provoacă supravoltarea celorlalte LED-uri aflate în serie, dacă driverul de LED-uri nu este prevăzut cu o reacţie de curent prin care să regleze automat tensiunea de ieşire la valoarea corespunzătoare - menţionez acest lucru deoarece majoritatea driver-elor de LED-uri realizate cu circuite integrate stabilizatoare liniare de tensiune, dau la ieşire o tensiune fixă, care nu se reglează automat în funcţie de curentul nominal consumat de LED-uri. În această situaţie, se poate întâmpla ca la un moment dat tensiunea fixă de ieşire să fie prea mare pentru cele n-1 LED-uri rămase în funcţiune.

--- Conectarea paralel ---

Să presupunem că avem trei rânduri de LED-uri conectate în paralel. Prin fiecare rând sau şir de LED-uri circulă un curent pe care îi voi nota cu: I_F1, I_F2 şi I_F3. Driverul de LED-uri va trebui să asigure o tensiune de ieşire constantă egală cu n_s x V_F, unde n_s reprezintă numărul de LED-uri dintr-un şir. Atunci curentul de ieşire a driver-ului de LED-uri va trebui să fie suma curenţilor care circulă prin cele trei şiruri de LED-uri conectate în paralel, mai exact:

I_OUT =I_F1 +I_F2 +I_F3

Dacă: I_F1=I_F2=I_F3=I_F, atunci: I_OUT = 3 x I_F.

Tensiunea de ieşire a driver-ului va rămâne ca cea calculată iniţial, adica acei 10V, dacă avem cinci LED-uri conectate în serie pe fiecare şir cu VF = 2V. Dacă considerăm IF = 30mA atunci curentul de ieşire a driver-ului va fi 90mA. Deci, prin conectarea în paralel a LED-urilor tensiunea de ieşire poate fi aceeaşi ca în cazul conexiuni serie dacă avem aceleaşi tipuri de LED-uri dar curentul necesar pentru alimentarea lor va creşte în funcţie de câte şiruri de LED-uri conectăm în paralel.

Avantajul major al utilizării conexiuni paralel a LED-urilor este acelă că putem folosi un număr mai mare de LED-uri care dacă s-ar conecta în serie ar avea nevoie de o tensiune de alimentare mai mare decât cea nominală de ieşire a driver-ului de LED-uri. Spre exemplu, dacă limita superioară de tensiune a unui driver de LED-uri este 28V iar V_F = 2V, pe un singur sir putem conecta cel mult 14 LED-uri. Dacă driver-ul are o capabilitate în curent mai mare decât IF, să presupunem 0,3, iar I_F = 0,03A, asta înseamnă că putem conecta cel mult 0,3/0,03 = 10 şiruri de LED-uri în paralel. Astfel numărul total de LED-uri conectate la ieşirea unui driver, atât serie cât şi paralel, va ajunge la 14 x 10 = 140 LED-uri.

Cea mai mare problemă a conexiuni paralel este aceea că diferenţele mici de toleranţe sau de dispersie de fabricaţie a componentelor unui circuit pot duce la diferenţe semnificative în ceea ce priveşte curentul absorbit de fiecare şir de LED-uri. Acest lucru va avea repercursiuni asupra percepţiei intensităţii culori sau luminozităţi unui LED, ajungând până în cazuri extreme când defectarea unuia sau mai multor LED-uri să producă scoaterea din funcţiune a întregului circuit.

Pentru a elimina sau mai bine zis pentru a reduce la minimum consecinţa expusă anterior, în serie cu fiecare şir de LED-uri se va conecta obligatoriu un rezistor de balast (de echilibrare): R_B1, R_B2 & R_B3, care vor ajuta la compensarea variaţiilor de curent cauzate de diferenţele tipice V_F a LED-urilor. Dezechilibre mici a V_F din cadrul unui şir de LED-uri conectate în serie ar putea provoca o variaţie semnificativă a curentului I_F prin şir. Valoarea tipică a rezistenţei de balast este mai mică de 20 Ohmi. În alte situaţii, pentru a echilibra mai bine curenţii prin şirurile conectate în paralel în loc de un banal rezistor se foloseşte un generator de curent constant cu tranzistor sau o oglindă de curent cu tranzistoare. Rezistorii de balast sau de echilibrare din structura generatoarelor de curent constant sau a oglinzilor de curent vor fi folosiţi în continuoare pentru a compensa micile variaţi Vbe. Pentru a menţine curentul constant indiferent de variaţiile de temperatură, tranzistori folosiţi într-un asemenea mod vor trebui sa fie „compensaţi/conectaţi termic”. Montarea lor pe acelaşi radiator este o metodă comună pentru a face acest lucru.

Avantajele conectări în paralel a LED-urilor:

• posibilitatea alimentări unui număr mare de LED-uri.

Dezavantajele conectări paralel a LED-urilor:

• Eficienţă scăzută;
• Creşterea complexităţi circuitului;
• Fiabilitate scăzută.

Fiabilitatea scăzută este cauzată de un risc considerabil a apariţiei variaţiilor de curent. Un LED scurtcircuitat va conduce la creşterea curentului I_F prin LED-urile în serie funcţionabile rămase. Un curent crescut va provoca defectarea celorlalte LED-uri din şir. Dacă joncţiunea unui LED se întrerupe, acest lucru va provoca întreruperea funcţionări tuturor LED-urilor dintr-un şir. Deci, ambele posibile defecte sunt cauza principala care determină o fiabilitate scăzută pentru o asemenea conexiune a LED-urilor.

8.4 Conexiunea matrice

Pentru a ajuta la îmbunătățirea fiabilității conexiuni paralel se poate folosi conexiunea matrice unde LED-urile sunt conectate pe laturi de alimentare orizontale şi verticale. Acest mod de conectare, denumit în literatura de specialitate şi conexiunea în cruce, nu este altceva decât conectarea unor LED-uri în serie şi paralel. În cazul acestei conexiuni, tensiunea şi curentul de ieşire necesar este asemenea ca la conectarea în paralel a LED-urilor, unde numărul de LED-uri care pot fi alimentate fără a depăşi tensiunea maximă admisă de driver este mult mai mare ca în cazul conectări în serie a LED-urilor.

Cu toate acestea, conexiunea matrice este ceva mai tolerantă la erori, nu se folosesc rezistențe de echilibrare pentru funcționarea în paralel iar eficiența conexiuni este mult îmbunătățită. Totuşi, distribuţia curentului pe laturile matricii rămâne o problemă. O distribuţie inegală a curentului (cauzată de toleranţele componentelor) poate conduce la diferenţe vizibile de luminozitate. Spre exemplu, diferenţe ale caracteristicilor termice pot cauza o variaţie de curent care va duce inevitabil la problema semnalată anterior pe parcursul trecerii timpului.

Un LED scurtcircuitat va determina ca o latură de alimentare verticală să fie scoasă din funcţiune iar led-urile rămase vor continua să funcţioneze în mod normal. Dacă un LED nu este deschis, doar LED-urile rămase de pe acel rând vor putea funcţiona. Deci, conexiunea matrice permite un control individual al unui număr mare de led-uri folosind un driver cu o tensiune de ieşire mai mică decât în cazul folosirii conectări serie sau paralel.

8.5 Conexiunea multicanal

De obicei, se recomandă utilizarea conectării în serie a LED-urilor ori de căte ori este posibil deoarece acest mod de conectare evită problemele termice de distribuţie întâlnite în cazul conexiunilor matrice şi paralel. Conexiunea cea mai robustă constă în utilizarea unui driver separat pentru fiecare şir de LED-uri sau un aşazis driver multicanal. Acest mod de conectare combina avantajele de fiabilitate a conexiuni serie cu o capabilitate mare în curent caracteristică conexiunilor matrice şi paralel. Dezavantajul evident în cazul unei asemenea abordări este creşterea costurilor şi a complexităţii.

9. Circuite de protecție

LED-urile sunt dispozitive extrem de fiabile, cu durate medii de viata care se apropie de 50000 ore. De departe cel mai frecvent eșec este degradarea treptată a intensităţii luminoase la 50% din valoarea nominală.
Cu toate acestea, apar eșecuri şi din cauza stresului mecanic sau a temperaturi, utilizare greșită, defecte de ambalare etc. Cel mai comun şi "catastrofal" eșec pentru LED-uri este să se întrerupă. Când se întâmplă acest lucru, după cum am văzut, în cazul conexiunii serie se provoacă întreruperea funcţionări tuturor led-urilor din şir. O cauza frecventa care conduce la apariţia acestui tip de defect („led întrerupt”) este aplicarea unei tensiuni mari excesive.

Utilizarea unei surse de curent constant va proteja led-urile de apariţia defectului descris anterior. Cu toate acestea, componentele pot fi supuse unor sub/supratensiunii care pot fi induse de circuite sau evenimente externe. Astfel, pentru a preveni şi a elimina fenomenul anterior, în paralel cu fiecare led se conectează un dispozitiv de protecţie (PDX). Aceste dispozitive nu sunt altceva decât nişte comutatoare, care în cazul în care unul din led-uri nu reuşeşte să se deschidă, PDX-ul îşi închide contactul pentru a asigura continuitate în funcţionare pentru celelalte LED-uri din şir. Odată înlocuit LED-ul, PDX-ul se va reseta automat. De obicei, pentru a menţine costurile la minim, un PDX se conectează în paralel pe două LED-uri serie.

10. Montaje cu LED-uri

Indiferent de tip, culoare, dimensiune sau de putere, toate LED-urile funcționează cel mai bine atunci când sunt alimentate printr-o sursă de curent constant. Producătorii menționează caracteristicile LED-urilor, cum ar fi: eficiența luminoasa, culoarea etc., la un anumit curent (notat cu IF) și la o anumită tensiune de funcționare (notată cu VF). Cele mai multe circuite integrate concepute pentru a pilota LED-uri sunt în așa fel realizate încât să ofere rezultate bune în ceea ce privește stabilitatea tensiunii de ieșire la o gamă variantă de curenți. Prin urmare, poate fi destul de greu de stabilit care este cea mai bună metodă de alimentare a LED-urilor pentru o anume aplicație. Din start se încearcă evitarea acelei soluții prin care fiecare LED să fie alimentat de o sursa de curent constant, deoarece metoda, în aplicații care necesită un număr mare de LED-uri, devine ineficientă economic. Ca drept urmare, în decursul perfecționării aplicațiilor cu LED-uri s-a încercat să se adopte acea soluție de alimentare care să ducă: la un număr minim de surse de curent constant și un număr maxim de LED-uri, coroborat cu un aranjament prin care să se obțină cea mai bună eficiență luminoasă. Astfel au apărut diverse soluții de conectare serie/paralel a LED-urilor, cu dezavantajele și avantajele de rigoare, soluții pe care le voi enumera mai jos.

10.1 Alimentarea LED-urilor prin generator de curent constant cu tranzistoare
Una dintre cele mai vechi metode de alimentare a unuia sau mai multe LED-uri este redată în fig.8 de mai jos.
 

10.2 Alimentarea LED-urilor prin generator de curent constant cu LM317

LM317HV reglează ~1,23V între terminalele ADJ și V_OUT. Curentul prin LED-uri este dat de relația: I_LED = 1,23 / R. Avantajul acestui circuit este acela că prin menținerea unui curent constant cu ajutorul controlului voltajului pe rezistorul R, tensiunea la bornele LED-urilor este menținută și ea constantă.
În cazul circuitului din fig.15, curentul prin fiecare din cele trei ramuri de LED-uri conectate în serie este dat de relația: ILED = 0,6 / Rsense.

10.3 LED driver cu LM2941
Un alt driver similar cu LM317 este LM2941. LM2941 este un regulator de tensiune care permite pe intrare o tensiune de cel mult 26V. LM2941 reglează 1,275 V între terminalele ADJ și GND. Figura 16 reprezintă un driver LED cu LM2941 capabil să furnizeze 354 mA.

10.4 Led driver cu LT3021
LT3021 este un alt regulator liniar de tensiune cu un voltaj maxim admis pe intrare de 10V la un curent de 0,5A (fig.17). LT3021 menține constant 0,2V între terminalele ADJ si GND. Curentul prin LED este dat de relația 0,2/R. Daca tensiunea nominală a LED-ului este 3,6 V, numărul de LED-uri conectate în serie este egal cu doi.

10.5 LED driver cu TLE4242G
Un circuit integrat care se poate folosi la alimentarea LED-urilor este TLE4242 (fig.18), unde VREF este 177 mV între pinii ADJ și GND. Tensiunea maximă admisă pe intrare este 42 V. Folosind un rezistor de 5,1 Ohmi curentul prin LED va fi de 34,7mA.

Drivere de LED-uri în comutație

Un driver de LED-uri în comutație este legat de modul cum funcționează și sunt construite sursele în comutație. Regulatorul de tensiune de comutație menține o tensiune constantă la diferite sarcini actuale. Deci, sursele în comutație destinate să alimenteze LED-uri pot menține un curent constant prin LED-uri la orice cădere de tensiune pe LED, cu condiția ca protecția la supratensiune și ambalare termică a sursei să fie funcționabilă sau, cu alte cuvinte, să existe în construcția sursei.
Câteva exemple de topologii de surse de alimentare în comutație sunt:

• BUCK – unde tensiunea de ieșire este în general mai mică decât tensiunea de intrare;
• BOOST – unde tensiunea de ieșire este în general mai mare decât tensiunea de intrare;
• BUCK – BOOST, este o structură ridicătoare/coborâtoare de tensiune, cu ieșire inversată;
• SEPIC (single-ended primary inductor converter). Acest convertor imprumuta funcțiile convertoarelor buck si boost, crescând sau micșorând tensiunea de ieșire, chiar dacă la un moment dat tensiunea de intrare poate fi mai mică decât cea de ieșire. Strategia de comandă permite obținerea unei surse cu zgomot mult mai redus, coroborat cu un număr minim de componente externe.
• FLYBACK. O topologie care are la baza funcțiile convertoarelor buck și boost, dar în loc de inductoare conține un transformator care izolează galvanic intrare de ieșire.

Înainte de a alege o topologie anume pentru a construi sau alimenta un driver cu LED-uri, vă recomand să studiați specificațiile tehnice ale fiecărui circuit integrat. În aplicații care folosesc surse în comutație pe post de sursă de tensiune, în vederea alimentări unuia sau mai multor LED-uri în serie, se recomandă ca LED-urile să fie conectate la ieșirea sursei înainte de alimentarea montajului deoarece sursa va avea la funcționarea în gol un voltaj de ieșire mai mare decât tensiunea nominală a funcționare a LED-urilor.

10.6 LED driver cu L6902 (fig.14)
L4902 este un driver de LED-uri, în comutație, de tip “buck”. În tabelul 6 de mai jos sunt redate valorile diverselor componente necesare pentru obținerea unui anume curent prin LED.

Rezistorii R1 și R3 au rolul de a asigura o protecție la supratensiune (tipic 23.3V) în cazul în care se întrerupe, spre exemplu, din cauza defectări unui LED, alimentarea tuturor LED-urilor. Dacă tensiunea de operare a unui LED este de 3,6V atunci se pot conecta in serie 6 LED-uri.

10.7 LED driver cu L4973
O altă topologie de driver în comutație buck este prezentată în fig.15, unde tensiunea de intrare este de 48Vcc. În acest caz se pot conecta în serie cel mult 12 LED-uri cu Vf = 3,6V. Resistori R1, R2 și referința internă de tensiune de 5,1 V, reduc reacția de tensiune Vfb la 0,5 V.

10.8 LED driver cu LTC3783 (fig.16)
Acest LED driver de tip flyback poate oferi 150 mA la mai multe LED-uri conectate în serie. Protecția la supratensiune declanșează la 130 V și se dezactivează la 120 V. Numărul de LED-uri în serie care pot fi conectate este de: 120/3,6 = 33 LED-uri. Terminalul PWM se poate folosi pentru controlul luminozității LED-urilor conectate în serie.

10.9 LED driver cu MAX5035 (fig.17)
Această topologie buck acceptă tensiuni de intrare între 7,5 și 30V. Curentul prin LED-uri este tipic de 350mA iar tensiunea de ieșire pentru alimentarea LED-urilor este 12V. Se pot conecta în serie 3 LED-uri de 3,6V.

V_CONTROL este o tensiune liniară pentru controlul luminozității LED-ului, prin care se modifică curentul prin LED conform ecuației următoare:

I_LED = [V_REF x (R₁ + R₅) – V_CONTROL x R₁]/ (R₅ x R_P)

Observații:

• R_P este rezistența echivalentă paralel a rezistoarelor R2, R3 și R4.
• V_REF este tipic 1,22 V.
• V_CONTROL este o tensiune pentru controlul luminozității, implicit a curentului prin LED, care pornește de la 0 V pentru curentul maxim prin LED și poate ajunge la tensiunea maximă de ieșire.

BIBLIOGRAFIE:
- http://www.energystar.gov
- http://ro.wikipedia.org/wiki/LED
- http://www.cree.com/
- http://www.talkingel...plifier-P2.html
- Datasheets: LM317HV, LM2941, LT3021, TLE4242G, L6902D, L4973, LTC4930, LTC3783, MAX5035.
- Maxim AN3668 High-Efficiency Current Drive for High-Brightness LEDs.
- Maxim AN3639 Design of a Nonisolated, Flyback LED Driver Circuit.