Conferenza AEIT
Catania 4 Maggio 2010
LAMPADE A LED
Parametri, Circuiti di Pilotaggio e Impatto Energetico
Sergio Pioppo e Lillo Ribellino
IMS – APM - I&PC
STMicroelectronics Catania
Agenda
– Dalle lampade tradizionali alle lampade a LED
– Cenni sui LED
– Prestazioni a confronto
– Circuiti elettronici di pilotaggio dei LED
– Il problema termico
- Dimming e domotica
- L’elettronica e l’ambiente
IMS
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Catania 4 Maggio 2010
Perchè i LED
Anche a metà
continua a
funzionare ….
Le possibili
applicazioni sono
innumerevoli …
L’impatto ambientale
in termini di risparmio
energetico e materiali
usati è enorme!
IMS
3
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Catania 4 Maggio 2010
Cenni di Storia del LED
1907 – Henry Joseph Round scopre
l’elettro-luminescenza
1962 – Diodo a luminescenza rosso tipo
GaAsP
1971 – Led di colore verde, arancio,
giallo
1993 – Diodi ad alta efficienza di
emissione (InGaN)
1995 – Primo Led a luce bianca
IMS
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Principi di Luminescenza
I LED sono uno speciale tipo di diodi a
giunzione p-n.
Quando sono sottoposti ad una
tensione diretta, gli elettroni della
banda di conduzione del
semiconduttore si ricombinano con le
lacune della banda di valenza
rilasciando energia sufficiente da
produrre fotoni.
I LED sono formati da arseniuro di gallio (GaAs), fosfuro di gallio (GaP), fosfuro
arseniuro di gallio (GaAsP), carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio e indio (GaInN).
L'esatta scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco
dei fotoni e quindi del colore, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi
l'intensità luminosa in uscita.
IMS
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Solid State Lighting (SSL)
Nel Pluriennale piano strategico e della Ricerca Avanzata, Agenda 2009,
Solid State Lighting (SSL) è specificamente affrontato come una sfida
tecnologica
La prossima rivoluzione nel campo dell'illuminazione è attualmente in corso con
l'emergere di Solid State Lighting (SSL)
SSL offre un modo elegante per la conversione diretta dell’energia elettrica in
luce visibile, con un notevole risparmio nel consumo di energia ed il pieno
controllo di luminosità e colore
La manipolazione dello spettro di luce, l'intensità, la distribuzione spaziale e
temporale diventa sempre più importante in futuro per prodotti di
illuminazione ambiente, la salute e il benessere
IMS
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La sfida delle lampade a LED
Le Lampade a LED rappresentano l’alternativa alle
Lampade a Fluorescenza Compatte (CFL), ma non
risultano ancora competitive in termini di prezzo e
luminosità.
La sfida del Solid State Lighting (SSL) è quella di realizzare
lampade a LED che siano efficienti ed economicamente convenienti.
Per ottenere questo obiettivo bisogna lavorare sull’intera catena
dello sviluppo della lampada partendo dal singolo diodo LED per
arrivare al package finale
IMS
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Il dilemma del fattore economico
Lampada ad incandescenza
Cosa è meglio???
1) Bulbo di vetro
2) Gas inerte
3) Filamento di tungsteno
4) Filo di andata
5) Filo di ritorno
6) Supporto del filamento
7) Supporto della lampada
8) Contatto con la base
9) Base a vite
10) Isolante
11) Contatto sulla base
Lampada a LED
Lampada
Fluorescente
Compatta
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Le previsioni …
Forse ho capito …
IMS
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Le Lampade CFL (Compact Fluorescent Lamp)
La lampada CFL, per il costo e le caratteristiche, rappresenta di fatto
la soluzione antagonista più efficiente delle lampade a LED
L’approccio attuale in termini di tecnologia e LED driver non
permette di essere competitivi nel breve periodo
Una innovazione radicale delle
lampade a LED è necessaria per
raggiungere i costi della lampade a
CFL, mantenendo elevate
prestazioni
IMS
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Cosa occorre fare …
Per ottenere una drastica
riduzione dei costi si sta
lavorando su tutti gli anelli della
catena
L’introduzione della
tecnologia di crescita epi
con utilizzo di substrato
epi GaN con fette da 6
pollici ridurrà il costo del
LED di piu’ del 50%.
Miglioramento delle rese di
produzione dei LED,
attualmente molto basse.
Studio di architetture di pilotaggio
per ottimizzare il costo del driver,
riducendo anche il numero di
componenti da utilizzare
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La luce sotto controllo!
Il controllo della luce emessa dai LED può essere facilmente
implementato basandosi sul principio che la luce emessa è
proporzionale alla corrente di polarizzazione del LED stesso
Molte applicazioni risultano facilmente
realizzabili
…
Controllo remoto della luminosità
Colore della luce
Rivelazione di presenza
…
IMS
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Le lampade SSL e l’ambiente
L’uso di SSL per uso domestico contribuirà a ridurre il consumo di
energia di un fattore superiore all’ 80% in confronto alle lampade
tradizionali.
L’uso di elettronica efficiente può ridurre il consumo dell’energia
globale in Europa del 20-30%, incrementando allo stesso tempo
sicurezza, funzionalità e convenienza
L’emissione di CO2 si ridurrà ai valori previsti dal protocollo di Kioto,
contribuendo a ridurre anche il costo dell’energia.
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Addio lampade tradizionali
Per Legge è stata bandita in Europa, da Settembre 2009, la vendita di
lampade ad incandescenza >100W, mentre entro il 2012 saranno
progressivamente bandite tutte le altre lampade inefficienti
Negli USA dal 2012 sarà vietata la vendita di lampade ad incandescenza.
IMS
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Parametri chiave dei LED
IMS
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Principali lampade presenti sul mercato
IMS
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Parametri chiave delle lampade 1/2
Stato dell’arte
Topic
GLS
CFL-I
Target
LED retrofit
Riferimento
60W
60W GLS
40W GLS
60W GLS
Prezzo di vendita
<1 €
5-10 €
10-35 €
<10 €
Intensità Luminosa
600
600
370
800
Potenza d’ingresso (W)
60
12
5.5
<13
Efficacia (lm/W)
10
50
67
>60
Fattore di potenza(cosφ)
1
0.5
0.5-0.9
>0.6
Durata (h)
1000
8000
20000-50000
>15000
Temperatura Colore(K)
2700
2700
2700-3100
2700
Distribuzione Luce (°)
>300
>300
150
>300
A basse correnti
No flicker
Sostenibilità
Qualità Luce
Flicker Noise
IMS
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Parametri chiave delle lampade 2/2
Stato dell’arte
Topic
GLS
CFL-I
Target
LED retrofit
Fattore di Forma
Base
E27
E27
E27
E27
Forma
A60
A60
A60
A60
A Muro
0-100%
Non controllabile
10-100%
1-100%
Controllo remoto
No
No
No
Seconda fase
Rilevamento presenza
No
No
No
Seconda fase
Controllo
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Il modulo LED
L’uso di materiali appropriati e
package opportunamente
strutturati aiuta ad aumentare la
resa della luce estratta da una
piastrina di silicio
Diverse sono le componenti di un
LED, tutte studiate per ottimizzarne
le prestazioni dal punto di vista
elettrico e di generazione della luce
IMS
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Camera flash driver
Controllo della corrente nel LED dall’alto tramite generatore di corrente integrato
Coil
Cin
Camera Flash
Typical application
Flash
LED
• Il LED è controllato in corrente dall’alto
(high side control). I vantaggi sono:
–
–
Il LED solitamente è posto distante dal
driver sulla board finale; un solo filo e’
sufficiente per il pilotaggio!
Risultati migliori dal punto di vista
affidabilistico e della qualità, poiché
quando il LED è spento non rimane
sotto tensione.
IMS
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• Boost converter in grado di pilotare un LED di
potenza a partire dalla tensione di batteria (2.3V –
4.6V) e con una potenza d’uscita dell’ordine di 5W
• Modalità Flash: alta potenza per poche decine di
milli secondi)
• Modalità Torcia: bassa potenza in DC
• Modalità PWM: accendendo e spegnendo il LED
ad una frequenza alta, si può controllarne la
Cout luminosità conservando le caratteristiche di
tonalità del colore.
Retro illuminazione (back light) driver
Controllo della corrente nei LED dal basso tramite resistenza esterna
• Boost converter in grado di pilotare fino a 4
stringhe di 10 LED bianchi in serie, a partire da una
tensione di ingresso 3V – 21V e con una potenza
d’uscita dell’ordine di qualche Watt
• La resistenza Rset serve a fissare la corrente nei
LEDs. Per questo tipo di applicazioni la corrente
varia da 1mA ad un centinaio di mA. In modalità
PWM, quindi, è possibile regolare la luminosità dei
LED a partire dal valore DC fissato tramite la
resistenza.
• Non è possibile garantire che le varie
stringhe siano attraversate tutte dalla
stessa corrente!
• Tutte le stringhe vengono accese o
spente contemporaneamente. Non si
può fare un’accensione selettiva.
IMS
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Retro illuminazione (back light) driver
Controllo della corrente nei LED dall’alto tramite generatore di corrente integrato
Coil
Vin
D1
D2
Cin
DX
• Boost converter in grado di pilotare “n” stringhe di
2 LED bianchi in serie, a partire dalla tensione di
batteria (2.3V – 4.6V) e con una potenza d’uscita
dell’ordine del Watt
• La resistenza Rset serve a fissare la corrente nei
LEDs. Per questo tipo di applicazioni la corrente
varia da 1mA a qualche decina di mA. In modalità
PWM, quindi, è possibile regolare la luminosità dei
LED a partire dal valore DC fissato tramite la
resistenza.
• Il controllo della corrente dei LED è fatto
dall’alto (high side control) tramite
generatori di corrente integrati, riducendo
il numero di piste sulla board applicativa
• Introducendo diversi segnali di Enable, si
possono pilotare indipendentemente
diverse stringhe (per esempio le stringhe
per illuminare la tastiera e quelle per la
retro-illuminazione del display)
IMS
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DX
Le lampade a LED
Per pilotare correttamente questo tipo di lampade occorre convertire la
tensione di rete da 230V in un’appropriata tensione DC
Il modo piu’ immediato di fare questa conversione è di utilizzare un
convertitore a commutazione con un trasformatore
(configurazione fly-back)
IMS
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Sezione di una lampada commerciale
Corpo della lampada
6 LED
IMS
Board con
componenti
elettronici
•
•
•
•
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Prezzo della lampada: 25 EURO
Costo stimato dell’elettronica: 3 EURO
Costo stimato del package: 5 EURO
Costo stimato dei LED: 7 EURO
L’elettronica di una lampada a LED
•
Il circuito di è costituito da un convertitore a
commutazione ad alto rendimento capace di trasferire
energia da una sorgente ad alta tensione ad una a
bassa tensione.
•
Sono necessari almeno 15 componenti esterni
(escluso i LED). Da un punto di vista delle dimensioni,
il trasformatore risulta la parte più ingombrante.
•
Il trasformatore ed il foto-accoppiatore isolano dalla
rete, garantendo la sicurezza dell’utilizzatore finale.
•
SVANTAGGI
– Dimensioni (trasformatore troppo grosso)
– Numero di componenti
– Costo
– EMI (Interferenze elettromagnetiche generate)
IMS
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Schema elettrico di una lampada
INPUT CAPACITOR
11x9x4mm
RECTIFIER BRIDGE
8x5x2.5mm
FLY-BACK
CONTROLLER
DIODE 2.5x2.5x5mm
TRANSFORMER
14x13x11mm
OUTPUT CAPACITOR
5x5x8mm
CAPACITOR
3x2.5x2.5mm
OPTOCOUPLER
8.5x4x4mm
9x8.5x3.5mm
IMS
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Obbiettivi da raggiungere
–
Ridurre il numero di componenti esterni
–
Ridurre le dimensioni totali dell’applicazione
–
Ridurre il costo totale dell’applicazione
–
Potenza d’uscita nei LED circa 8W, con 30V di tensione e circa 260mA di
corrente
–
Fattore di potenza molto prossimo ad 1
–
Basso valore di interferenze elettromagnetiche (EMI)
–
La fattibilità al momento e’ incentrata sulla soluzione non isolata dalla rete
IMS
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Esempio di nuova architettura
Questa soluzione è in grado di operare con fattore di potenza molto prossimo ad 1
– La corrente prelevata dalla rete AC presenta pochissime distorsioni armoniche
– Pochi componenti esterni, solo un induttore
– I driver risultano piu’ complessi della soluzione precedente.
–
DRIVER
SYNCHRONIZATION
VRMS
VMAX
VREG
REFERENCE
IMS
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Il diagramma
a blocchi non
contiene
bleeder
Semplice esempio di controllo del convertitore switching
Un modo semplice di controllo del duty cycle del convertitore switching è quello
di comparare la tensione di rete (opportunamente scalata) con una forma d’onda
a dente di sega. Il risultato e’ quello di ottenere un duty cycle proporzionale alla
tensione.
IMS
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Soluzione isolata o non isolata?
IMS
Heat sink
LED
Driver
Driver fixation & isolation
• La soluzione isolata ha il grosso vantaggio di
essere più sicura dal punto di vista del cliente
finale, ma richiede un piu’ alto numero di
componenti e quindi un piu’ alto costo della
parte “elettronica”.
• La soluzione non isolata è più semplice da
implementare ma richiede un isolamento
dedicato nel corpo della lampada, aumentando i
costi del “package”.
• La decisione finale sarà presa tenendo in
considerazione il costo globale dell’applicazione
Reflective cover
Outer Bulb
Base
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Problema termico
• La durata dei LED è fortemente influenzata dalla temperatura di esercizio
• La durata dei LED può essere stimata solo in relazione alle prestazioni termiche
dell’apparecchio in cui sono integrati
• I LED sovraccaricati termicamente hanno maggiori probabilità di
malfunzionamento e una minore durata.
IMS
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Catania 4 Maggio 2010
Riduzione delle dimensioni
Le dimensioni dell’applicazione rappresentano un altro importante parametro da tenere
sotto controllo
Le soluzioni tipo Chip On Board (COB) o System In Package (SiP) rappresentano il
giusto obbiettivo da ricercare per ridurre le dimensioni dell’applicazione finale,
mantenendo elevati standard di efficienza e dissipazione termica
IMS
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Regolazione dell’intensità luminosa (Dimming)
Principio di base
Il dimmer è un dispositivo elettronico che
serve ad abbassare la potenza assorbita
da un determinato carico. Possono
essere comandati a distanza.
Uno dei principali problemi del sistema
descritto è costituito dalla distorsione
introdotta sulla forma d’onda della
corrente assorbita dal carico.
Le rapide commutazioni del triac
producono componenti a radio frequenza
dagli effetti indesiderabili.
IMS
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Le lampade a LED e la domotica
La domotica è la scienza interdisciplinare che si
occupa dello studio delle tecnologie atte a migliorare
la qualità della vita nella casa (dal greco domos che
significa "casa“)
Tra i diversi obbiettivi della domotica, ricordiamo:
• Migliorare la qualità della vita
• Migliorare la sicurezza
• Risparmiare energia
• Salvaguardia dell’ambiente
Le nuove lampade a LED rivestono un ruolo
fondamentale nell’ambito della domotica
• Alto risparmio energetico
• Materiali poco inquinanti
• Controllabilità tramite dimming digitale
• Garanzia di sicurezza
• Elevato rapporto qualità prezzo
IMS
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Le lampade a LED e l’ambiente
L’elettronica
che mira al
risparmio
energetico …
IMS
… ci aiuta a
salvaguardare
il nostro
pianeta!
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IMS
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Catania 4 Maggio 2010
