LED-uri alimentate direct în c.a.

CIE (Comitetul Internaţional pentru Iluminat ) a publicat recent(martie 2020) un standard ce se ocupă de LED-urile alimentate direct în curent alternativ (c.a.) utilizate în sistemele SSL (Solid State Lighting). Intitulat : CHARACTERIZATION OF AC-DRIVEN LEDS FOR SSL APPLICATIONS, documentul are ca obiect măsurarea şi testarea LED-urilor conectate direct la reţeaua de c.a.  fără surse de alimentare pentru conversia la c.c. Alimentarea clasică la c.c. a unui LED foloseşte o sursă de alimentare cu coborârea tensiunii şi redresarea c.a. ceea ce reduce eficienţa totală a ansamblului sursă de alimentare+LED şi creşte costul ansamblului, sursa fiind o componentă relativ costisitoare.

Ca şi în cazul LED-urilor ce funcţionează în c.c., măsurătorile precise ale LED-urilor de c.a. sunt de asemenea, dificile şi complexe datorită sensibilității ridicate a proprietăților optice și electrice ale LED-urilor la condițiile termice și de funcționare. În plus, tensiunea, curentul și temperatura joncțiunii unui LED de c.a. se schimbă rapid, ceea ce face măsurările și mai dificile.
Acest raport tehnic oferă îndrumări pentru măsurătorile optice ale LED-urilor de c.a. efectuate în laboratoarele de testare, cu accent pe reproductibilitate și incertitudini mici de măsurare, prin setarea și controlul cu precizie a temperaturii joncțiunii. Raportul include metode de măsurare, instrumentare și proceduri. Metodele și procedurile de măsurare utilizate pentru măsurarea optică a LED-urilor de c.a. se bazează pe o temperatură a joncțiunii specificată, utilizând fie operarea pe o singură alternanţă a c.a. fie operarea continuă folosind ambele alternanţe ale c.a.
Publicația este redactată în limba engleză, cu un scurt rezumat în franceză și germană, are 25 de pagini cu 15 figuri și este disponibilă cu ușurință de la Webshop-ul CIE(www.cie.org) sau de la Comitetele Naționale ale CIE(CNRI -Comitetul Naţional Român pentru Iluminat , www.cnri.ro pentru România).

Scurt istoric
LED-ul este un dispozitiv electronic semiconductor, o diodă cu joncţiune semiconductoare p-n, care se deschide şi emite lumină la aplicarea unei tensiuni peste valoarea de prag, într-un anumit sens(de la p spre n). Funcţia originală şi de bază a diodei semiconductoare era redresarea unei tensiuni alternative(permite trecerea într-un singur sens a tensiunii, deci a unei singure alternanțe). Dioda de intercalează într-un circuit electric de c.a. , iar la aplicarea unei tensiuni ușor superioare celei de prag (uzual 1,4-1,8 V, funcţie de materialele joncţiunii) de la p spre n,  dioda permite trecerea curentului în respectivul sens. Aplicarea unei tensiuni mai mic sau de sens contrar blochează dioda. Utilizarea initială a diodelor s-a limitat la redresarea c.a. pentru conversia lui în c.c. Iată că după descoperirea efectului fotoelectric al joncţiunilor semiconductoare, ce constă în emisia fotonică atunci când circulă un curent prin respectiva joncţiune, dioda semiconductoare emițătoare de lumină (LED) a produs o adevărată revoluţie, revoluţia LED.

LED-ul , dispozitiv ce funcţionează numai în c.c.
Venind din electronică, LED-ul a păstrat  elementul tradiţional, sursa de alimentare în c.c. la tensiune joasă, cu valoare de aprox.1,4-1,8 V c.c. atunci când tensiunea se aplica direct pe un LED individual. Sursa de c.c. oferea  valori mai mari ale tensiunii de c.c. în cazul înserierii mai multor LED(LED-urile trebuie să aibă valori similare ale rezistenței pentru a avea căderi de tensiune egale pe fiecare LED). De aici rezultă şi unele din dezavantajele lămpilor cu LED clasice, alimentate în c.c. cum ar fi:
– costul mai ridicat al lămpii cu LED comparativ cu lămpile cu incandescenţă de exemplu, datorită includerii costului sursei de alimentare. Pentru a asigura o durată de viaţă extinsă a LED, este necesară folosirea unei surse de alimentare de calitate de curent constant, relativ costisitoare prin electronica folosită pentru un LED/grup de LED-uri.
– eficienţa totală a lămpii ce include LED-uri + sursă de alimentare, scade cu câteva procente, datorită consumului propriu al sursei de alimentare
-pe distanţe mari, eficienţa scade şi datorită pierderilor mari la transportul energiei electrice în c.c. şi la joasă tensiune

Alternativa, LED-urile alimentat direct în c.a. de tensiune joasă sau ridicată
Tehnologia iluminatului cu LED-uri alimentate direct în c.a.  a fost dezvoltată tocmai pentru a rezolva aceste probleme ale LED-ului în c.c. . Tehnologia LED c.a. a atins în ultimii ani faza maturităţii şi reprezintă o alternativă viabilă pentru multe aplicaţii, initial din horticultură şi care s-au extins ulterior şi la iluminatul pentru oameni. Dezvoltările recente au permis  folosirea pentru alimentare atât a unor tensiuni mai ridicate  ca şi rezolvarea problemelor mai vechi legate de fenomenul de flickering(pâlpâire) cât şi de reducerea factorului THD(Total Harmonic Distortion). De asemenea alimentarea în c.a. de tensiune mai ridicată, pe distanţe mai mari, este evident mai economică decât în cazul c.c. de joasă tensiune.

Producătorii dezvoltă în continuare tehnologia LED c.a. prin diverse metode, cum ar fi trecerea de la frecvenţa uzuală de 50/60 Hz la cea de 1 kHz, pentru a elimina flickeringul detectabil şi pentru a creşte eficienţa energetică a sistemului de iluminat până la 98%. Producătorii au dezvoltat de asemenea diverse topologii pentru schemele de conectare a bancurilor de LED-uri  în scopul optimizării. Schemele îmbină conectarea LED-urilor elementare în serie cu conectarea în paralel.

FIG. 1. Seoul Semiconductor utilizează tehnologia Multiple Junction Technology (MJT) ce permite alimentarea direct de la c.a. pentru 2 şiruri de LED-uri înseriate. Un şir funcţionează pe o alternanţă a c.a. iar celălat şir funcţionează pe cealaltă alternanţă. Această tehnologie permite folosirea tensiunilor ridicate care se distribuie uniform pe fiecare din LED-urile înseriate. Proiectarea unui sistem LED c.a. este mult simplificată astfel. Sursa: https://www.researchgate.net

Pentru a elimina sursele de alimentare, un șir de module LED poate fi conectat în serie, astfel încât tensiunea acceptată la intrare poate fi la egală cu tensiunea circuitului de alimentare – de exemplu, 110 V c.a. sau 230 V c.a.. Dacă avem conectate în parallel două astfel de șiruri de module LED conectate în serie, atunci tensiunea c.a. poate fi aplicată direct  modulelor LED conectate în schema parallel+serie . Astfel, un șir funcționează în prima jumătate a ciclului a.c. și celălat șir pe a doua jumătate a ciclului a.c. Companiile din domeniul LED c.a. au conceput, de asemenea, topologii mai complexe care îmbunătățesc utilizarea LED-urilor. Odată cu îmbunătățirile tehnologice, multe noi configurații constructive pentru LED au fost introduse pe piață – de exemplu, tehnologia de joncțiune multiplă (MJT). Folosind MJT, pe acelaşi substrat , printr-un proces de creştere epitaxială, se creează mai multe celule – fiecare cu propria joncțiune p-n (Fig.1). Aceste celule pot fi conectate electric în serie și în paralel, astfel încât pot fi operate la o tensiune ridicată şi pot fi astfel conectate direct la circuitul de alimentare cu curent alternativ.

Share