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Il mercato mondiale delle lampadine è assommato nel 2010 a poco più di 20 miliardi di unità, delle quali 96 milioni, pari a circa lo 0,5%, hanno riguardato le lampade a LED (Fig. 1). [1]
Figura 1 – Mercato mondiale delle lampadine. [1]
Il totale delle lampade a LED comprende ogni tipologia di unità, da quelle per applicazioni automobilistiche alla semaforica, dalla segnaletica ai flash per fotocamere e alle applicazioni specialistiche. I LED ad alta luminosità per applicazioni residenziali, comprendenti i modelli di lampade MR16, PAR, A19, E14/17 ed E26/27, hanno assommato nel 2010 a 800.000 unità (Fig. 2). [1]
Figura 2 – Suddivisione delle lampade a LED per tipo di applicazione. [1]
Il numero delle lampade a LED è destinato a raddoppiare entro il 2013 e a crescere approssimativamente di dieci volte entro il 2016 (Fig. 3). [1]
Figura 3 – Crescita prevista del numero delle lampade a LED. [1]
Tuttavia, affinché tali previsioni di crescita si possano realmente realizzare, il costo dei sistemi a LED per impiego residenziale dovrà necessariamente diminuire. È infatti il costo complessivo che l’utente finale è chiamato a sostenere l’ostacolo più frequente all’adozione delle soluzioni d’illuminazione basate su LED, indipendentemente dal miglioramento di prestazioni che questa tecnologia è in grado di fornire. Il Dipartimento statunitense dell’Energia stima che i driver per sistemi a LED assommano a oltre il 10% del costo complessivo (Fig. 4).
Figura 4 – Ripartizione approssimativa dei costi. [2]
Perché le previsioni di crescita stimate si possano concretizzare, il costo dei driver per lampade a LED dovrà ridursi di quattro volte (Fig. 5).
Figura 5 – Obiettivi della riduzione dei costi. [3]
Il costo non è l’unica sfida con la quale i progettisti di driver per lampade a LED sono chiamati a confrontarsi. I progettisti, infatti, devono utilizzare schede PCB (Printed Circuit Board) di dimensioni contenute per implementare caratteristiche quali la correzione del fattore di potenza (PFC, Power Factor Correction), la funzione dimmer e il rispetto degli standard di sicurezza. L’utenza residenziale richiede anche una vita operativa, ovvero un periodo di garanzia, del prodotto, superiore a 3 anni se non addirittura di oltre 5 anni. La funzione PFC è necessaria per ottenere la classificazione Energy Star, che parte dai sistemi d’illuminazione a LED da 5 watt di potenza in ingresso a salire. [4]
Quale esempio delle sfide associate alle ridotte dimensioni delle schede PCB, per i sistemi d’illuminazione tipo MR16 sono disponibili due tipologie di circuiti stampati. Il primo tipo, illustrato in Fig. 6, ha forma arrotondata per adattarsi alla parte posteriore del modulo LED. Il diametro massimo deve essere inferiore a 30 mm e l’altezza massima delle componenti deve rimanere entro i 5 mm dal connettore centrale.
Figura 6 – PCB di tipo arrotondato per lampada MR.
L’altra tipologia di PCB, illustrata in Fig. 7, ha una disposizione verticale e deve rispettare limiti dimensionali di 30×20 mm.
Figura 7 – PCB di tipo verticale per lampada MR.
La risposta a tali sfide risiede nell’uso di una topologia di driver PFC di tipo Buck a singolo stadio. La topologia Buck non richiede né un trasformatore né un circuito snubber. Il controller del driver deve supportare la funzione PFC e il circuito di controllo può essere alimentato dall’ingresso off-line raddrizzato mediante un condensatore ceramico compatto per l’hold-up. Ciò è sufficiente per eliminare la necessità di un condensatore elettrolitico in ingresso nonché del condensatore elettrolitico utilizzato per l’avvolgimento self-bias del circuito. Poiché il carico del LED non impone requisiti di ripple della corrente, è possibile eliminare tutti i condensatori elettrolitici accrescendo il periodo di garanzia del driver. Un esempio di questo tipo di configurazione è offerto dal dispositivo FL7701, illustrato in Fig. 8.
Figura 8 – Driver PFC Smart Buck non isolato per lampade a LED FL7701.
Questo controller PFC Smart Buck fornisce una soluzione più semplice rispetto alla diffusa tipologia flyback, che richiede la presenza di un trasformatore, condensatori elettrolitici e un circuito snubber. La topologia flyback può richiedere inoltre un circuito PFC passivo. Il controller PFC Smart Buck risulta più semplice anche rispetto a un approccio a due stadi, il quale richiede un primo stadio PFC seguito da uno stadio DC-DC, che rappresenta la topologia Buck.
Il dispositivo FL7701 fornisce il controllo analogico della funzione dimmer. Il dimmer analogico rappresenta un progresso rispetto al dimmer basato su TRIAC, in quanto viene eliminata la perdita di energia associata alle correnti di mantenimento che caratterizzano il design TRIAC. La funzione dimmer analogica risulta più semplice da implementare nei sistemi d’illuminazione residenziali qualora il meccanismo dimmer possa essere collocato in prossimità della fonte d’illuminazione, come nel caso delle lampade da tavolo o dei prodotti commerciali in cui dimmer e interruttore sono alloggiati insieme all’interno del basamento o del supporto. In alternativa è necessario utilizzare un altro paio di fili per controllare l’ingresso del dimmer analogico nel driver del LED, un’operazione di non facile attuazione come retrofit.
La soluzione PFC Smart Buck integra funzionalità che permettono al driver del LED di soddisfare le normative internazionali riducendo al contempo il numero delle componenti richieste, in particolare per ciò che riguarda i condensatori elettrolitici, consentendo di estendere il periodo di garanzia del prodotto. La riduzione del numero di componenti ottenuta attraverso l’integrazione di più funzioni all’interno di un controller Buck è una tendenza che consente, oltre a beneficiare di tale vantaggio, di estendere il periodo di garanzia e anche di ridurre le dimensioni delle lampade a LED. Questo tipo di topologia rappresenta dunque una soluzione efficace per contenere le proiezioni dei costi, rendendo praticabile la crescita del mercato delle lampade a LED per uso abitativo di 10 volte entro il 2016.
Riferimenti
[1] Studio condotto da Selantek Inc.
[2] Dipartimento statunitense dell’Energia, SSL Research and Development Manufacturing Roadmap, luglio 2011, http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_manuf-roadmap_july2011.pdf
[3] Fred Welsh, Cost Trends for Solid State Lighting, DOE 2011 Solid-State Lighting Market Introduction Workshop, http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/welsh_cost_sslmiw2011.pdf
[4] Specifiche dei prodotti relative ai requisiti del programma Energy Star per sistemi d’illuminazione, Versione 1.0
Note sull’autore
Brian Johnson ricopre la carica di Lighting Specialist per le Americhe e l’Europa per il LED Lighting Product Segment di Fairchild. Johnson lavora in Fairchild da oltre un decennio dopo oltre vent’anni trascorsi ricoprendo importanti incarichi nello sviluppo e nel marketing presso aziende del settore dell’elettronica di alimentazione. Johnson ha conseguito una laurea e un master in ingegneria elettronica presso la Purdue University.
