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Introduzione
Nel precedente articolo [2] sono stati evidenziati i problemi che nascono quando si vogliono alimentare dei led con una resistenza e la tensione di alimentazione e` variabile e vicina alla tensione richiesta dai led.
La soluzione che probabilmente fornisce le prestazioni migliori in termini di stabilita` ed efficienza e` quella con regolatori a commutazione. L'alimentazione a resistori e` invece quella peggiore, e spesso inaccettabile.
Esistono tuttavia dei casi in cui una soluzione switching non e` possibile (costi diretti e indiretti) e la tensione di alimentazione disponibile e` relativamente elevata, anche se non stabile (ad esempio da 12V a 16V). L'idea e` quindi di utilizzare la tensione disponibile per alimentare a corrente regolata quanti piu` led possibile per ogni stringa, facendo uso di circuiti analogici, dissipativi, realizzati a integrati o a discreti, per stabilizzare la corrente di led.
I parametri importanti per questi circuiti sono la stabilita` della corrente generata, la minima tensione di headroom, cioe` la minima tensione di cui hanno bisogno per funzionare correttamente. Il rendimento dei sistemi con corrente regolata in modo dissipativo e` identico al caso con resistenze 
In questo caso pero`, a differenza dei circuiti con resistenze, e` possibile mettere piu` led in serie perche' la corrente si mantiene stabile, almeno finche' si rispettano le specifiche sulla tensione minima e massima dell'alimentazione.
Regolazione dissipativa
La regolazione analogica (dissipativa) impone la corrente attraverso il led e si fa carico di assorbire la differenza di tensione fra la tensione di alimentazione e quella dei led. Tipicamente questi circuiti sono fatti da un bipolo (circuito con due soli fili) messo in serie ai led.
La potenza dissipata da questo tipo di regolazione e` data dal prodotto fra la corrente Iled che il regolatore fa passare moltiplicata per la caduta di tensione ai suoi capi Vhr: 
Il bipolo generatore di corrente puo` essere realizzato in piu` modi. L'uso di transitori jfet e di circuiti integrati saranno analizzati in questo articolo, mentre nel terzo di questa serie saranno studiati circuiti di alimentazione led che fanno uso di transistori bipolari.
Alimentazione a fet
Un fet a giunzione con 
e` un possibile candidato come generatore di corrente.Infatti, se la tensione 
e` sufficientemente elevata, il jfet si comporta come generatore di corrente.
Lo schema, semplicissimo e` nella figura seguente. I led possono essere messi indifferentemente su drain o source del fet: gli elementi in serie si possono scambiare fra di loro! Al posto di un jfet a canale n si puo` usare anche un jfet a canale p, come mostrato in figura.
La corrente che il fet fa scorrere in queste condizioni e` indicata sui data sheet con la sigla 
. Sfortunatamente questo parametro ha una notevole disperione di valori. Ad esempio per il BF245 il parametro varia fra 
e 
. Il costruttore del dispositivo, dopo aver costruito i fet, provvede a misurare come sono venuti e a suddividerli in tre categorie (BF245A, BF245B, BF245C) con una minore dispersione dei parametri, come mostrato nel data sheet della Philips.
BF245c.jpg
Anche con la preselezione operata dal costruttore rimane comunque un rapporto di oltre 2:1 nell'intervallo delle correnti. C'e` un secondo inconveniente: la tensione necessaria al fet perche' possa erogare la corrente regolata e` dell'ordine di 
per raggiungere la corrente pari al 90% della sua , come si vede dalla curva etichettata con 
nel seguente grafico delle caratteristiche di uscita.
BF245d.jpg
La tensione del jfet e` anche la tensione 
del regolatore, e il minimo valore di necessario per avere il comportamento a generatore di corrente determina la tensione di headroom minima necessaria per il buon funzionamento di questo circuito.
Le curve caratteristiche mostrate in figura sono per il BF245B, e sono curve tipiche. Il valore della curva piu` alta puo` stabilizzarsi, a seconda del fet, fra 
e 
.
La regolazione con un jfet discreto e` raramente una soluzione percorribile a causa della dispersione della .
Esistono sul mercato dei dispositivi chiamati Current Regulator Diodes, ad esempio prodotti da Siliconix e Motorola , formati in realta` da un fet selezionato per una determinata corrente e chiusi in un contenitore a due terminali. Presentano una ragionevole precisione e tensione headroom non troppo elevata, ma sfortunatamente sono disponibili solo fino a 4.7 mA di corrente massima (CR470 e 1N5314) e quindi spesso inadatti per l'applicazione con i led. Anche per questi integrati la tensione di headroom e` dell'ordine di alcuni volt.
Regolazione con integrati
In questa sezione sara` analizzato in dettaglio l'uso del regolatore LM317 per l'alimentazione a corrente costante delle stringhe di led. Questo utilizzo del regolato e` frequente in campo hobbistico, mentre in campo professionale si trovano anche altri integrati, a uno dei quali sara` fatto in breve accenno. L'analisi e` comunque molto simile.
LM317
Uno dei circuiti integrati piu` usati, specie in campo hobbistico, per la regolazione della corrente dei led e` l'LM317, usato come generatore di corrente. Lo schema, stranoto, e` nella figura seguente.
L'integrato mantiene fra i piedini Out e Adj una tensione fissa di 1.25V, e quindi nella resistenza R scorre una corrente 
. La corrente che scorre nei led e` data dalla corrente che scorre in R piu` quella che esce dal piedino Adj.
Mentre in svariati regolatori la corrente del piedino di riferimento puo` essere di parecchi milliampere, introducendo quindi un possibile errore sulla corrente di led, nel caso dell'LM317 
e quindi e` trascurabile rispetto alla corrente di uscita.
Il calcolo della resistenza per determinare la corrente e` banale: 
. Volendo continuare l'esempio del precedente articolo con 4 led alimentati a 20mA, si ha 
approssimato al valore commerciale piu` vicino della serie E24 (resistori al 5%) 
.
La precisione della corrente fornita ai led dipende dalle tolleranze della resistenza utilizzata e dalle tolleranze sulla tensione di riferimento, nominalmente di 1.25V. Il data sheet dell'LM317A indica per ampie variazioni di corrente di uscita e tensioni di ingresso, che la tensione di riferimento e` compresa nell'intervallo 
, e la resistenza, con tolleranza del 5% puo` variare da un minimo di 
fino a un massimo di 
.
La corrente risulta pertanto compresa fra un valore minimo di 
e un valore massimo pari a 
. L'errore massimo sulla corrente e` di circa il 7%, buona parte dovuto alla tolleranza della resistenza.
Questa soluzione e` enormemente migliore di quanto era stato ottenuto con la semplice resistenza e permette di mettere in serie piu` led mantenendo una elevata efficienza con minime variazioni di corrente. Anche in caso di cortocircuito di un led la corrente nella stringa rimane costante. Invece in presenza di un guasto con un led che si apre, la stringa si spegne.
Vediamo ora la tensione minima di cui ha bisogno il regolatore per funzionare correttamente. Il data sheet indica come minima tensione fra ingresso e uscita di 3V per avere un funzionamento secondo tutte le specifiche. A queste va ancora aggiunta la caduta di tensione di 1.25V sulla resistenza di uscita, dando un totale di 4.25V.
Se si accetta una riduzione della tensione di riferimento (e quindi della corrente di led) di meno del 10%, se si lavora a correnti abbastanza basse, allora secondo questo grafico tipico la tensione minima fra ingresso uscita puo` scendere anche a 1.8V circa.
LM317a.jpg
Con correnti dell'ordine del centinaio di milliampere, la minima tensione di headroom, inclusa la caduta di tensione sulla resistenza R, diventa di 3V.
Bisogna tenere presente pero` che questo e` basato su un valore tipico, non massimo, e quindi basandoci su questo valore potrebbe capitare che alcuni circuiti eroghino una corrente minore del valore limite calcolato. In campo professionale i valori tipici, solitamente forniti dai grafici, non vengono utilizzati nel progetto.
La massima differenza di potenziale che il circuito puo` sostenere fra ingresso e uscita e` di 40V, e questo permette di avere delle ampie variazioni della tensione di ingresso.
Se esaminiamo il massimo numero n di led che si possono collegare in serie data una determinata tensione minima di alimentazione, si ha 
, dove Vhr e` la tensione di headroom richiesta dal regolatore per funzionare correttamente.
Nell'esempio del precedente articolo, la tensione minima era stata presa pari a 10V, e la massima tensione sui led era stata considerata pari a 2.35V. Con questi valori si ottiene 
.
Non potendo mettere una frazione di led, bisogna scendere al valore intero inferiore, quindi abbiamo al massimo 2 led in serie. La tensione di headroom e` stata presa di 3.5V perche' la corrente di uscita comunque e` piccola, ma non si vuole rischiare troppo usando un dato tipico. Se si vogliono comunque accendere 4 led si potrebbe pensare di dover mettere due regolatori di corrente, come nel circuito A.
La soluzione indicata nel circuito B e` sicuramente sbagliata perche' porta abbastanza male mettere dei led in parallelo. La differenza di caratteristiche potrebbe causare una consistente differenza di luminosita` fra le due stringhe in parallelo. D'altra parte la soluzione A porta ad un aumento non indifferente di costi. Da notare che nel circuito B il regolatore deve erogare 40mA cioe` la corrente totale nei due rami. Il circuito B, se funzionasse, avrebbe comunque un rendimento basso, pari a
Una possibile soluzione (non totalmente soddisfacente) a questo problema e` illustrata nel seguente schema.
I due resistori R1 servono a suddividere in parti uguali la corrente generata dal 317 e controllata dal valore di R. In questo circuito il 317 deve fornire la corrente totale dei due rami, 40mA. La resistenza R che regola questa corrente vale quindi 
, e si prende il valore commerciale di 33 ohm. Anche se il valore commerciale piu` vicino e` di 30 ohm, aumentare il valore di R riduce la corrente totale, in previsione che la ripartizione fra i due rami di led non sia esattamente uguale.
I resistori R1 servono per compensare almeno parzialmente le differenze di tensione dei led nei due rami. I resistori R1 dovrebbero essere scelti in modo da avere ai loro capi una tensione molto maggiore della possibile massima differenza di tensione fra le due stringhe di led. Bisogna ricordare che la tensione su ogni led, a pari corrente, varia lievemente a seconda di "come e` venuto" il led in fase di costruzione.
L'analisi che segue e` semplificata poiche' si trascura la resistenza differenziale del led. Supponendo il caso peggiore in cui una stringa lavora alla tensione 
mentre l'altra stringa lavora con 
, dove 
e` lo scostamento di tensione della stringa dal suo valore nominale, l'errore di corrente in ciascuno dei due rami vale 
Si vuole mantenere limitato il massimo valore di 
per mantenere la luminosita` uniforme. In pratica si cerca di ottenere 
Moltiplicando i due lati dell'uguaglianza precedente per la corrente nominale si ottiene
. Il termine a destra e` la caduta di tensione sulla resistenza R1, mentre a sinistra c'e` il termine di massimo scostamento di tensione della stringa dal suo valore nominale, moltiplicato per il termine 
che e` molto maggiore di 1.
Con i valori assunti nel precedente articolo abbiamo che ogni led puo` avere uno scostamento di tensione di 0.25V rispetto al valore nominale, e quindi una stringa, nel caso peggiore potrebbe avere uno scostamento di tensione 
Volendo mantenere le variazioni di corrente entro 
su un valore nominale di 20 mA, si ha che la caduta di tensione su R1 deve essere di circa 
.
Da notare che, se non si cambia il numero di led in serie, la caduta di tensione sulla resistenza R1 non riduce l'efficienza del sistema, in quanto la caduta di tensione complessiva fra alimentazione e led e` sempre la stessa, solo diversamente distribuita fra integrato e resistenza R1.
Purtroppo in questo caso (e in molti altri) tutta questa tensione non e` disponibile. Nel nostro esempio la tensione minima di alimentazione e` di 10V, la caduta di tensione sul regolatore e` di 3.5V e restano quindi 6.5V per alimentare R1 e led, che richiedono 4.2V. Restano disponibili per le R1 circa 2.3V, minori dei 5V desiderati.
Si fa comunque cadere su R1 tutta la tensione possibile, 2.3V che con una corrente di 20mA nominali per lato da` una resistenza di 
.
Nei casi peggiori di mismatch di tensione questa soluzione non garantisce una limitata differenza di corrente fra i due rami, e questa e` la ragione per cui questa soluzione (peraltro l'unica a basso costo disponinbile) non funziona molto bene.
Da osservare che in caso di cortocircuito di un led, il ramo con il led guasto assorbe una corrente sostanzialmente piu` elevata di quella di progetto (circa 30mA circa in questo esempio), mentre l'altro ramo lavora a corrente ridotta (10 mA circa).
NUD4001
L'uso di un LM317A per la stabilizzazione della corrente dei led in campo professionale non e` onnipresente a causa dei costi e delle prestazioni. Questo integrato ha, come visto, una caduta di tensione di oltre 4V (worst case) e la capacita` di erogare oltre 1A. In molte applicazioni la corrente richiesta e` molto piu` piccola (centinaia i milliampere al massimo), rendendo poco economico l'uso di questo integrato.
Esistono innumerevoli circuiti integrati progettati espressamente per il controllo dissipativo della corrente nei led. Un esempio, fra i tanti, e` il NUD4001 prodotto da Motorola. La corrente massima erogabile e` di 600 mA, la corrente effettivamente erogata e` regolata con una resistenza in cui scorre una piccola corrente, non quella di carico, e la tensione di headroom puo` scendere al di sotto di 2V.
La riduzione dei costi di questi integrati e` ottenuta facendo uso di un case piccolo, in questo caso SO-8 introducendo pero` delle limitazioni sulla potenza dissipabile dall'integrato, che comunque va montato su un pad termico ricavato lasciando una determinata area di rame sullo stampato, e mettendo tanti ponti termici per portare il calore anche sull'altro lato dello stampato.
La potenza termica dissipata da questi regolatori dissipativi e` sempre calcolata moltiplicando la corrente erogata per la caduta di tensione ai capi del regolatore. Se si aggiunge una resistenza in serie ai led la potenza dissipata complessivamente non cambia, ma si ripartisce diversamente, scaldando la resistenza aggiunta e riducendo lo stress termico sull'integrato.
Riferimenti
Un articolo introduttivo sull'uso del 317 per pilotare i led e` nell'articolo di posta10100
[1] - posta10100 - Pilotare un led a corrente costante
L'articolo precedente a questo e`
[2] - IsidoroKZ - Stringhe di led I - Alimentazione con resistori
I data sheet dei componenti citati si trovano qui
1N5314, CR470, BF245, NUD4001, LM317A
