di SURESH HARIHARAN, Director and Product Definer, Maxim Integrated Products

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1 Utilizzando un driver LED HB ottimizzato per le lampade MR16 e altre lampade a 12 VAC è possibile rendere i LED MR16 compatibili con i trasformatori elettronici di SURESH HARIHARAN, Director and Product Definer, E I TRAS Maxim Integrated Products

2 FORMATORI Questo articolo descrive le differenze tra il funzionamento dei trasformatori AC a bassa frequenza e i trasformatori elettronici che forniscono corrente alle lampade MR16. Spiega le differenze di consumo di corrente tra le lampade alogene MR16 e le lampade a LED MR16. Queste differenze sono importanti, in quanto il consumo di corrente in genere impedisce il funzionamento della lampada a LED MR16 con la maggior parte dei trasformatori elettronici. L articolo mostra come un driver LED HB ottimizzato per le lampade MR16 rende le lampade LED compatibili con la maggior parte dei trasformatori elettronici, ma non entra nel merito del funzionamento senza sfarfallio della combinazione tra dimmer e trasformatore elettronico per le lampade a LED MR16. IMPORTANZA DEI CARICHI RESISTIVI E DEI TRASFORMATORI ELETTRONICI Le lampade alogene MR16 in genere funzionano con un alimentatore AC a bassa tensione, tipicamente prodotta da un trasformatore AC a bassa frequenza o da un trasformatore elettronico ad alta frequenza. Nella maggior parte delle applicazioni dell MR16 la corrente alternata ad alta tensione fornita dalle aziende elettriche viene convertita in corrente alternata a bassa tensione da un trasformatore elettronico ad alta frequenza oppure da un trasformatore magnetico a bassa frequenza. Un trasformatore elettronico ad alta frequenza è dotato di un avvolgimento principale che si collega direttamente a 120 VAC / 230 VAC, utilizza elevate frequenze di commutazione per fornire la bassa tensione (12 VAC) applicata alla lampada alogena MR16. Un trasformatore AC a bassa frequenza

3 Figura 1: schema del driver LED HB MAX16840 in una configurazione di boost per le lampade a LED MR16. Questa configurazione fornisce una buona compatibilità con i trasformatori elettronici. è pesante e ingombrante, e occupa molto spazio. A confronto, un trasformatore elettronico è piccolo e compatto e progettato per alimentare un carico resistivo con una richiesta di potenza tipica superiore a 20 W. Quando un trasformatore elettronico è alimentato da 120 VAC / 230 VAC, in genere non funzionerà se il carico resistivo sull uscita è impostato per consumare meno di 20 W. Le lampade alogene MR16 convenzionali consumano più di 20 watt di potenza da un alimentazione AC in condizioni operative normali, quindi funzionano bene con i trasformatori elettronici. Le lampade a LED MR16, tuttavia, richiedono solo 7 W di potenza per fornire la stessa resa luminosa di una lampada alogena MR16 da 35 W. CARICHI RESISTIVI E LUMINOSITÀ Una lampada alogena MR16 funge da carico resistivo non lineare. Quando la lampada è fredda, la resistenza è bassa e consumerà correnti elevate che supportano il funzionamento dei trasformatori elettronici. Quando la lampada è accesa, il filamento si riscalda e la resistenza aumenta. Una tipica lampada

4 Figura 2: corrente di ingresso con alimentazione fornita da un LET75 senza dimmer a 120 VAC. Figura 3: corrente di ingresso con alimentazione fornita da un LET75 a 120 VAC senza dimmer. Questa forma d onda viene rilevata con un tempo base di 40 µs e mostra chiaramente il carico supplementare aggiunto dal circuito con Q3 e Q4. Questo carico viene rimosso dopo i primi 80 µs di ogni mezzo ciclo della forma d onda AC. alogena da 35 W consumerà 35 W di potenza a 120 VAC / 230 VAC quando è alimentata da un trasformatore elettronico o magnetico. Poiché la lampada alogena è un carico resistivo, la luminosità diminuirà se la tensione di linea si riduce rispetto al valore nominale; la luminosità aumenterà quando la tensione di linea aumenta rispetto al valore nominale. Luminosità in aumento, luminosità in diminuzione: questo non è il funzionamento coerente richiesto oggi dalla maggior parte delle applicazioni. Tuttavia, è possibile mantenere costante la luminosità di una lampada a LED MR16 quando la linea varia attorno alla tensione di ingresso nominale. Ma le lampade a LED MR16 non sono carichi resistivi, che è ciò che i trasformatori elettronici richiedono. Pertanto, il comportamento del carico della lampada a LED MR16 deve essere regolato in modo che consumi la potenza richiesta per fornire la resa luminosa desiderata e mantenga operativo il trasformatore elettronico. OTTIMIZZAZIONE DI UNA LAMPADA A LED PER UNA CORRENTE COSTANTE Il circuito del driver della lampada a LED MR16 può essere regolato in modo che consumi un carico di corrente costante dall uscita del trasformatore elet-

5 Figura 4: forma d onda della tensione di ingresso alla scheda MR16 con alimentazione fornita da un LET75 a 120 VAC. Figura 5: forma d onda della tensione di ingresso alla scheda MR16 con alimentazione fornita da un LET75 a 120 VAC. tronico. Non è possibile aggiungere capacità all uscita del trasformatore elettronico, poiché questo potrebbe impedire alla lampada a LED MR16 di funzionare come carico di corrente costante. Inoltre, la corrente consumata dalla lampada a LED MR16 deve raggiungere il livello programmato in pochissimo tempo. Nello specifico, deve arrivare al valore programmato entro 3-4 µs. Se l accelerazione è inferiore, significa che il trasformatore elettronico può interrompere la commutazione. Un nuovo design per un driver LED HB consentirà alla maggior parte dei trasformatori elettronici di funzionare correttamente con le lampade a LED MR16. La corrente consumata dalla lampada MR16 viene regolata con la tensione RMS applicata alla lampada. Quando la tensione è bassa, la lampada MR16 consuma una certa quantità di corrente. Per mantenere costante la corrente di ingresso, questa corrente diminuirà quando aumenterà la tensione di ingresso RMS. Questo driver LED HB integra un MO- SFET da 0,2 Ω, 48 V adatto alla maggior parte delle applicazioni. Può essere configurato per le tensioni delle stringhe di LED comprese tra 6 V e 40 V. Se il numero di LED in una stringa è superiore a 6, il driver può essere utilizzato nella configurazione di boost. Se il numero di LED è inferiore a 6, dovrebbe essere utilizzato in una configurazione SEPIC.

6 Questo articolo prende in considerazione solo la configurazione di boost. La figura 1 riporta lo schema della configurazione di boost. RENDERE LA LAMPADA A LED MR16 COMPATIBILE CON IL TRASFORMATORE ELETTRONICO MAX16840 utilizza il controllo medio in current mode per controllare la corrente di ingresso. La tensione sul resistore di rilevamento corrente, R3, è controllata dalla tensione sul pin REFI; la tensione media sul resistore R3 è regolata per ciascun ciclo di commutazione dalla tensione sul pin REFI. La frequenza di commutazione è impostata internamente a 300 khz. La tensione massima sull R3 è bloccata a 200 mv, quindi la corrente non può superare 0,2/R3. Il raddrizzatore a ponte fornisce la tensione di ingresso rettificata sul pin 3 del ponte di diodi D2. R7 e C7 impostano la tensione rettificata sul valore medio. La tensione DC su C7 viene convertita in corrente dal resistore R8. Il circuito della corrente di mirroring composto da Q2, R10 e R19 preleverà corrente dal pin REFI, dove la corrente consumata da Q2B = V C7 /R8. La tensione sul pin REFI sarà quindi (50 µa-lv C7 /R8) R4, dove 50 µa è la fonte di corrente interna presente sul pin Figura 6: forma d onda della corrente LED con alimentazione fornita da un LET75 a 120 VAC. Figura 7: forma d onda della corrente LED con alimentazione fornita da un LET75 con un dimmer trailingedge a 120 VAC. Il dimmer è impostato sulla resa luminosa massima.

7 REFI. I valori R8 e R4 sono adattati in modo che la potenza di ingresso vari entro ±5% per la tensione di uscita che, a sua volta, varia entro ±10% del valore nominale. Il design mantiene la potenza di ingresso pressoché costante per variazioni della tensione di linea di ±10%. L induttore di boost è impostato a 100 µh per fornire un basso ripple della corrente di ingresso per una migliore compatibilità con i trasformatori elettronici. Durante ogni mezzo ciclo della tensione rettificata che appare sul pin 3 del ponte di diodi, la corrente di ingresso Trasformatore Prestazioni a 208 VAC/254 VAC Corrente LED media (ma) Philips Primaline Philips Primaline 105 Sfarfallio Osram Halotronic HTM Osram Halotronic HTM150 Funzionamento a metà della potenza 181 Osram ET-P Philips ET-E 60 Sfarfallio oltre i 240 V 303 Philips Certaline 105W 269 Philips ET-S Philips Certaline 150W Sfarfallio; funzionamento a metà della potenza Varilight YT Nobile EN-110D 300 CDN CS OPPLE DB / TCL ET60H 311 GE SET60LS 274 TF TF W 296 Tabella 1: dati di test per i trasformatori elettronici a 230 VAC/50 Hz.

8 sarà azzerata quando la tensione del trasformatore elettronico è vicina allo zero. Per il funzionamento corretto è importante che la corrente consumata dalla lampada MR16 raggiunga il valore di corrente programmato sul pin REFI in uno dei cicli di commutazione del trasformatore elettronico. Se il consumo di corrente della lampada è molto inferiore alla corrente desiderata per mantenere in funzione il trasformatore elettronico, la lampada inizierà a emettere uno sfarfallio. Con un induttore da 100 µh come quello utilizzato qui, la corrente richiederà un po di tempo per ripartire da zero. Alcuni trasformatori elettronici possono interrompere la commutazione e quindi il riavvio, producendo un sfarfallio. Per risolvere questo problema, il design del circuito è provvisto di un carico aggiuntivo costituito da R18, D7, C14, Q4, D8, R17, R11, R13 e Q3. Il circuito aggiunge 5 Ω al trasformatore elettronico, ma solo per circa µs per mezzo ciclo della corrente dell onda sinusoidale AC rettificata, che in genere ha Trasformatore Prestazioni a 109 VAC/133 VAC Corrente LED media (ma) Wang WH-601E2N 307 Trasformatore elettronico SET02B 301 Allight AL-80A 307 WAC Lighting EN-1260-R2 Funzionamento a metà della potenza Hera UE-E60FT 308 Hatch RS12-80M Sfarfallio oltre i 115 V Lightech LET Lightech LET Hatch RS Pony PET Nora Lighting T50C2 309 B e L CV Tabella 2: dati di test per i trasformatori a 120 VAC/60 Hz.

9 Figura 9: forma d onda della corrente d ingresso quando il dimmer è impostato vicino alla metà del dimmer. Figura 10: forma d onda della corrente LED quando il dimmer è impostato sulla resa luminosa minima. una frequenza di Hz. Il carico viene rimosso non appena la corrente nell induttore ha raggiunto un valore sufficientemente alto per mantenere operativo il trasformatore. La potenza dissipata da questo carico supplementare è ridotta. Esiste anche un altro modo di risolvere il problema: riduzione dell induttore di boost a 10 µh, funzionamento a frequenze di commutazione elevate e rimozione del carico aggiuntivo. Le elevate frequenze produrranno maggiori perdite di commutazione, ma non sarà necessario il carico supplementare. Entrambi i metodi citati sono proprietà di Maxim Integrated Products. MAX16840 è provvisto di un pin EXT per il comando di un transistore esterno quando la tensione sul pin IN è inferiore a 5 V. Il MOSFET interno sarà disattivato. Il pin EXT accende Q5 e il carico 5 Ω viene aggiunto all uscita del raddrizzatore a ponte. Quando la tensione sul pin IN supera 5 V, il carico viene disattivato. Questo approccio è utile quando il trasformatore elettronico funziona con dimmer trailing-edge. Con alcune combinazioni di trasformatori elettronici e dimmer il trasformatore non esegue la commutazione in modo corretto quando il dimmer è impostato sulla resa luminosa minima. Ciò si verifica quando la potenza AC

10 viene applicata al trasformatore con il dimmer impostato al minimo. Il circuito di Q5, R20 e il pin EXT di MAX16840 risolvono questo problema aggiungendo il carico 5Ω al trasformatore elettronico. Il carico viene rimosso non appena i LED si accendono e forniscono luce, in quanto il pin IN è direttamente collegato alla tensione di uscita di boost. DIMOSTRAZIONE DELLA COMPATIBILITÀ CON I TRASFORMATORI ELETTRONICI I dati prestazionali vengono mostrati qui per un boost di 6 W, lampada a LED MR16 alimentata da trasformatori elettronici diversi. L MR16 di boost è stato Figura 11: forma d onda della corrente di ingresso quando il dimmer è impostato sulla resa luminosa minima. testato con 7 LED sull uscita. Le tabelle 1 e 2 riepilogano le prestazioni con trasformatori diversi. Le prestazioni di dimming (figure 2-11) sono state testate con un LET75 e un dimmer Lutron SELV-303P. CONCLUSIONI Utilizzando un driver LED HB ottimizzato per l MR16 e altre lampade a 12 VAC, è possibile rendere i LED MR16 compatibili con i trasformatori elettronici. Il driver LED trattato qui è MAX Si noti, tuttavia, che è necessario testare le prestazioni di ciascuna singola combinazione di trasformatore elettronico e dimmer. I test dimostrano che alcune combinazioni di dimmer trailing-edge e trasformatori elettronici funzionano in modo soddisfacente. I dimmer triac non funzionano correttamente con i trasformatori elettronici perché non sono progettati per gestire carichi capacitivi. Il filtro EMI del trasformatore elettronico, combinato con altre resistenze all ingresso del trasformatore elettronico, crea risonanza quando abbinato a un dimmer. La risonanza, a sua volta, produce sfarfallio quando l uscita del trasformatore elettronico è collegata a una lampada a LED utilizzando MAX16840 nella configurazione corrente. Codice MIP