Come pilotare le stringhe LED

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ilciumbia
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Iscritto il: mar 22 mar 2022, 21:35

Come pilotare le stringhe LED

Messaggio da ilciumbia »

Buongiorno a tutti i nuovi amici e un grazie a Pier per l’ospitalita’, e da subito le mie scuse verso di te per le perplessita’ che sollevo riguardo ad una tua affermazione che mi sento di non condividere!

Facendo seguito al tuo suggerimento in risposta al mio commento al video 687 (riparazione lampada a LED a 230V), apro un post per riportare le mie conoscenze in merito al pilotaggio di stringhe LED. Premetto che da qualche anno collaboro con un’azienda attiva nel campo del lighting con prodotti molto particolari (non so se posso fare il nome, nel dubbio non lo faccio a meno di esplicita autorizzazione!), per cui il pilotaggio dei LED e’ un po’ il mio pane quotidiano (poi c’e’ il primo, il secondo, il contorno, il dolce…); tuttavia c’e’ sempre da imparare in ogni campo e sono desideroso di farlo! 😊
Bando alle ciance e passiamo alle cose serie (!). Pier, quando hai disegnato lo schema elettrico del faretto, lo hai definito “molto furbo”: in realta’ e’ piuttosto il contrario, e adesso andiamo a capire il perche’.

Innanzitutto, partiamo da una considerazione ovvia ai piu’ ma che non guasta ricordare: i LED si pilotano in corrente e non in tensione. Il perche’ lo capiamo guardando il grafico tensione/corrente di uno di essi: nel caso specifico, si tratta del Nichia NCSWE17AT, un LED bianco ad altissima efficienza la cui corrente nominale e’ di 350mA e la caduta di tensione di 3.0V.

Ok, ma se alimento il LED a 3.0V lui assorbe 350 mA, giusto? Quindi, dov’e’ il problema?

Si’ e no. 3.0V e’ la caduta di tensione (Vf) NOMINALE a 350 mA, tuttavia, come si desume dal grafico tensione corrente, la pendenza della curva e’ molto elevata, quindi piccole differenze di tensione portano a grandi differenze nella corrente:

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Anche se si scelgono esemplari con lo stesso binning, cioe’ con caratteristiche molto simili e derivati tipicamente dallo stesso wafer, vi saranno inevitabili differenze, che porteranno LED diversi ad avere Vf diverse a parita’ di corrente.
Anche se si scelgono esemplari con lo stesso binning, cioe’ con caratteristiche molto simili e derivati tipicamente dallo stesso wafer, vi saranno inevitabili differenze, che porteranno LED diversi ad avere Vf diverse a parita’ di corrente.

Ma perche’ questo e’ un problema?

Analizziamo lo schema della lampada ricavato da Pier:

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In pratica e’ stata fatta una serie di due led in parallelo. Semplificando si ha che:

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Ovvero un semplice generatore di corrente (V e R in serie). In pratica nelle lampade in generale si usa un generatore di corrente costante un po’ piu’ sofisticato, per cui il nostro circuito diventa:

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Ora, nel caso ideale in cui D1=D2, la corrente I1 si divide equamente tra i due diodi e tutto funziona bene.
Tuttavia, nel mondo reale le cose funzionano diversamente. Immaginiamoci che I sia 700 mA e che i due diodi Nichia siano “quasi” uguali ma non del tutto, ovvero che D1 per 350 mA abbia una Vf di 3.0V e che D2 invece ce l’abbia di 2.9V. All’interno dello stesso binning probabilmente le cose vanno un po’ meglio, ma ho i miei forti dubbi che i produttori cinesi di lampadine a basso costo si preoccupino di altro che non sia il prezzo piu’ basso che riescono a spuntare sui LED.
Che cosa succede quando li mettiamo brutalmente in parallelo? Succede che forziamo la stessa tensione su tutti e due i diodi. Immaginiamo di partire con 3.0V: il diodo D1 (Vf=3.0V@350mA) sara’ contento, mentre il diodo D2 (Vf=2.9V@350mA) si trovera’ una tensione piu’ elevata di cio’ che si aspettava per assorbire 350mA, e di conseguenza lascera’ passare una corrente maggiore. Dal primo grafico (V/I) ci accorgiamo che stiamo parlando di 50mA di differenza per soli 100mV di variazione sulla Vf, ovvero 50/350 = 14% in corrente rispetto a 0.1/3 = 3.3% in tensione!
Se D2 si succhia piu’ di 350mA, a D1 ne resteranno di meno, per cui la sua Vf calera’ un po’, tendendo ad avvicinarsi a quella di suo “fratello”. Insomma, si puo’ dedurre che si raggiungera’ una sorta di equilibrio a meta’ strada, circa 2.95V per entrambi con 325mA in D1 e 375mA in D2.

Va be’, uno dei due sara’ leggermente meno luminoso dell’altro, ma con i led “ammucchiati” in una lampadina non dovrebbe essere un grosso problema, giusto?

Purtroppo non e’ cosi’ semplice. A parte che, anche se di poco, D2 e’ gia’ fuori specifica, c’e’ un altro inconveniente. Se in D1 scorrono 325mA, dissipera’ una potenza di (0.325A*2.95V) = 0.959W, mentre D2 dissipera’ (0.375A*2.95V) = 1.11W. E qui sorge il problema. Ovviamente il LED che dissipa piu’ potenza scaldera’ di piu’, nonostante il dissipatore comune, per via del fatto che c’e’ sempre una resistenza termica tra die e case/heatsink.
Guardiamo il grafico seguente, sempre preso dal datasheet Nichia:

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Ops… questo diagramma ci dice che all’aumentare della temperatura la Vf del LED tende a calare! Questo vuol dire che, se D2 scalda piu’ di D1, con il passare dei secondi (non minuti, non ore, secondi) la sua Vf calera’ ulteriormente, e quindi succhiera’ ancora piu’ corrente, che invece diminuira’ ulteriormente in D1. Ad un certo punto si raggiungera’ l’equilibrio termico grazie al dissipatore comune, ma non e’ difficile intuire che siamo partiti con 350mA “a testa” nei due diodi, e dopo pochi minuti ci ritroviamo con un sistema in equilibrio termico in cui pero’ D2 assorbe troppa corrente, oltre le sue specifiche, con l’ovvia conseguenza di una vita notevolmente accorciata. D2 gradualmente perdera’ di luminosita’, fino a bruciarsi completamente, diventando un circuito aperto.
E qui arriva la prima ragione di scarsa “furbizia” dello schema della lampadina: Vero, finora si e’ spento un solo led sui 18 totali, ma il fratello “sopravvissuto” ora si becca tutti i 700 mA pensati per due LED. Quanto pensate che gli ci voglia per morire anche lui? Non anni, non mesi, probabilmente nemmeno settimane…
Ecco perche’ la maggior parte delle lampadine concepite secondo questo schema si guasta troppo in fretta, molto prima di quanto dovrebbe.

Ma allora, non esiste un metodo per “salvare capra e cavoli” e utilizzare LED in parallelo a corrente costante senza dover ricorrere a stringhe troppo lunghe che hanno bisogno di tensioni di pilotaggio troppo elevate?

Posto che per lampadine funzionanti a 230V il problema delle stringhe lunghe non si pone (e quindi non capisco il perche’ dei paralleli), ci sono casi in cui il parallelo puo’ risultare un’opzione da valutare. Per stringhe alimentate a 12V o 24V o laddove i led debbano essere davvero tanti (decine o centinaia) e non si voglia proprio usare un driver per stringa (che sarebbe la soluzione migliore), si puo’ ricorrere ad un piccolo accorgimento:

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Un momento: ma le resistenze in serie non si usavano per il pilotaggio in tensione? Possono tornare utili anche qui? Come?

Per capire bene la ragione, dobbiamo considerare il modello per piccolo segnale del LED. In generale un diodo NON puo’ essere assimilato ad una resistenza, tuttavia, in regioni selezionate del suo funzionamento (come per esempio tra i 325mA e i 375mA presi in esame), la sua curva puo’ ragionevolmente essere assimilata ad una retta. Per cui, nella regione summenzionata, possiamo dire che la resistenza differenziale del LED in questione e’ di circa:

Rdiff = 0.1V/(0.375A-0.325A) = 2ohm

Mentre la sua Vf puo’ essere assimilata ad un generatore di tensione, percio’:

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Si noti bene che, mentre il valore di Vf1 e’ diverso da quello di Vf2, invece Rd1=Rd2 in quanto conta l’inclinazione della curva nel punto considerato (la sua tangente), non la sua posizione assoluta sul piano cartesiano.

A questo punto, rifacendo il ragionamento precedente alla luce di queste considerazioni, capiamo il perche’ delle nostre deduzioni qualitative:

I=I1+I2, ovvero I1 = I-I2
Rd*I1+Vf1 = Rd*I2+Vf2

Ricordando che:

Rd = 2ohm
Vf1= 3.0V
Vf2=2.9V
I=0.7A

Sostituendo abbiamo:

2*(0.7-I2)+3 = 2*I2+2.9
1.4-2*I2+3=2*I2+2.9
4*I2 = 1.4+3-2.9
E quindi
I2= (1.5/4)A = 0.375A
I1= (0.7-0.375)A = 0.325A

Quindi il calcolo, fatto sostituendo il modello per piccolo segnale del diodo, coincide con il calcolo effettuato in maniera intuitiva.
Ora aggiungiamo la nostra famosa resistenza serie:

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Supponiamo Rs=1 ohm. Abbiamo gia’ fatto il discorso delle Vf, dello sbilanciamento delle correnti, ecc. Pero’ ora, quando D2 cerca di assorbire 375mA, su R2 cadono 375mV mentre su R1 sono 325. Di conseguenza, visto che la tensione ai capi della serie di R1 e D1 e quella ai capi della serie di R2 e D2 deve essere la stessa, possiamo scrivere che:
(Rs+Rd)*I1 + Vf1 = (Rs+Rd)*I2 + Vf2
3*(0.7-I2)+3=3*I2+2.9
2.1-3*I2+3=3*I2+2.9
6*I2=2.2
I2=2.2/6=0.367
I1=0.7-0.367=0.333
Quindi, se con un intervento esterno, aumentiamo “artificialmente” la resistenza differenziale dei LED (o, detto meglio, introduciamo una controreazione), otteniamo di diminuire la sensibilita’ del sistema alle differenze di processo tra i vari diodi. Abbiamo aumentato la resistenza serie del 50% (da 2 a 3 ohm) ottenendo di diminuire il delta tra le correnti nei due diodi del 33% (da 50 mA a 33mA). A che prezzo? Potenza dissipata nella resistenza aggiuntiva, ovviamente: 700mA in 0.5ohm, ovvero circa 250mW sprecati in calore. Ricordiamo che ogni LED dissipa circa 1W.
Qual e’ il valore ottimale della resistenza serie, dunque?
Non c’e’ una risposta definitiva: tutto sta a vedere quanto siamo disposti ad abbassare il rendimento per preservare i nostri LED. E’ ovvio che mettere Rs=2ohm invece che 1ohm avrebbe raddoppiato la potenza sprecata fino a 1/2W, ma ci avrebbe dato margine ulteriore sullo sbilanciamento. Ovviamente, se non avessimo scelto la corrente massima accettata dal LED ma ci fossimo fermati, per esempio, un 20% sotto, ovvero 280mA, saremmo stati molto piu’ al sicuro. Ma e’ difficile convincere un produttore di lampadine a fermarsi sotto il massimo, a parita’ di numero di LED.
Ultima nota: ulteriore ragione per cui questi collegamenti sono particolarmente poco furbi (non me ne volere, Pier!!! 😊). Ovvero, perche’ collegare in parallelo tutte le coppie xA-xB e’ una pessima idea?

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Perche’ se metto 9 led in serie, statisticamente non ci dovrebbe essere un grosso sbilanciamento: tra i LED qualcuno avra’ Vf maggiore del nominale, qualcuno minore, ma alla fine dovrebbero piu’ o meno compensarsi, e l’eventuale sbilanciamento si suddivide tra tutti e nove i LED della stringa; se invece li metto in parallelo a due a due, all’interno della coppia ce ne sara’ sempre uno piu’ stressato dell’altro, per cui ogni coppia diventera’ un anello debole di una catena fragilissima.

Ringrazio tutti coloro che sono arrivati fin qui, credo non sia stato facile! 😊

A presto,

Paolo.
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scossa
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Iscritto il: lun 28 dic 2020, 23:06
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Re: Come pilotare le stringhe LED

Messaggio da scossa »

Molto interessante, grazie!
Bye!
Marco
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pgv
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Località: Ginevra

Re: Come pilotare le stringhe LED

Messaggio da pgv »

Magnifica spiegazione. Edificante. Bravo!
ilciumbia
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Iscritto il: mar 22 mar 2022, 21:35

Re: Come pilotare le stringhe LED

Messaggio da ilciumbia »

Grazie mille, amici!
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