Alimentare led e lampade alogene
fonte: 'Elettricoplus'
10.12.2008
La legge di Lenz (1) è sfruttata da tempo in aeronautica dove - per rendere più leggeri i motori degli azionamenti di flap, carrelli, timone - si utilizza la frequenza di 400 Hz, 8 volte superiore a quella delle applicazioni terrestri. Un risultato sorprendente di questa legge si ha con la diffusione dell’elettronica a basso costo in grado di portare i 50 Hz delle rete di distribuzione a 20-30 kHz che permettono di ridurre peso ed ingombro (figura 1) nei trasformatori di sicurezza destinati ad alimentare lampade alogene e telefoni mobili; il trasformatore, destinato a separare galvanicamente il circuito primario da quello secondario, rimane comunque un componente fondamentale ai fini della sicurezza del manufatto.
vedi FIG. 1 in pdf
Caratteristiche elettriche degli alimentatori per alogene
L’alimentatore di sicurezza o Selv equivalent assicura, anche nel caso di sollecitazioni anormali da rete, l’impossibilità di danneggiamento dell'isolamento tra primario e secondario per salvaguardare la sicurezza dell'utilizzatore.
Il trasformatore elettromagnetico è caratterizzato da grande affidabilità ma anche da ingombro e peso importanti e dalla possibilità di regolazione della tensione di uscita solo declassando la potenza poiché i tradizionali varialuce, parzializzando la tensione di rete, aumentano in modo considerevole le perdite nel ferro e la rumorosità. Si ricorda, infine, che mentre il trasformatore toroidale possiede un rendimento elevato, quello a pacco lamellare ha un rendimento molto basso e quindi perdite elevate.
Oltre che per la riduzione di peso e ingombro, l'alimentazione elettronica si caratterizza per:
- rendimenti elevati;
- fattore di potenza prossimo all’unità;
- protezione contro sovraccarico e corto circuito sul secondario a costi contenuti;
- accensione progressiva capace di raddoppiare la vita della lampada (figura 2).
vedi FIG. 2 in pdf
I principali parametri degli alimentatori elettronici sono:
- tensione nominale primaria, solitamente 230 V;
- tensione nominale secondaria 12 V, raramente 6 o 24 V;
- potenza nominale massima e minima;
- bassissima tensione di sicurezza (Selv);
- doppio isolamento, che consente la protezione contro i contatti indiretti del trasformatore senza collegare le eventuali parti metalliche (masse) al conduttore di protezione (giallo-verde), con semplificazione e risparmio nei cablaggi;
- protezione termica sensibile alla temperatura ambiente e ai sovraccarichi, consigliabile quando il trasformatore viene segregato in luoghi ristretti o dove sono ipotizzabili temperature elevate;
- elevata frequenza al secondario che richiede di contenere in due metri la lunghezza del circuito per limitare cadute di tensione ed i radio disturbi. Per limitare la propagazione in rete di frequenze elevate prodotte dall'oscillatore è necessario prevedere un filtro per la compatibilità elettromagnetica (Emc); questo filtro richiede poi, per regolare la luminosità, l’impiego di moderni varialuce a transistor (Igbt) sul primario.
Per la protezione contro i contatti indiretti del circuito secondario non è necessario il collegamento delle eventuali masse al conduttore giallo-verde.
vedi FIG 3 in allegato
I conduttori del secondario possono essere a vista e toccabili, non essendo richiesto alcun provvedimento per la protezione contro i contatti diretti.
Per la protezione contro i contatti diretti del primario sono disponibili due tipologie costruttive:
- trasformatore per uso indipendente, provvisto di coprimorsetti e di pressacavo che ne consentono l'impiego in contro soffitti e luoghi accessibili senza l'utilizzo di ulteriori involucri;
- trasformatore da incorporare, sprovvisto di copri morsetto e di pressacavo, deve essere segregato nell’apparecchio d’illuminazione
Regole di installazione
L'installazione di questi componenti richiede che vengano osservate le regole riassunte nel riquadro:
- posizionamento del trasformatore lontano da fonti di calore (distanza minima dalla lampada 0,2 m);
- come tutti gli utilizzatori, è caratterizzato da una potenza massima che non deve essere superata, pena il danneggiamento per sovra temperature;
- il trasformatore elettronico è anche caratterizzato da una potenza minima al di sotto della quale le lampade “sfarfallano” (flikering);
- quando non sia disponibile un contro soffitto di altezza sufficiente e/o sufficientemente aerato, è opportuno privilegiare il binario che, oltre alla flessibilità di posizionamento della sorgente luminosa, sarà sottoposto a temperature ambiente inferiori;
- contenimento in 2 m della lunghezza dei conduttori del circuito secondario, tenuto conto dell'elevata frequenza ed intensità di corrente;
- rispetto delle sezioni minime, almeno 1 mm - ogni 50 W;
- impiego di limitatori di sovratensione;
- temperatura ambiente compresa tra 0 e 50 °C;
- alimentazione dei circuiti tetrapolari mediante dispositivi che chiudano ed aprano il conduttore di neutro prima di quelli di fase per evitare di fornire la tensione concatena anziché la stellata, 230 V, come esemplificato in figura 4.
Infatti utilizzatori ad impedenza elevata, quali trasformatori elettronici, alimentati da un circuito trifase in cui siano presente, come è normale, anche utilizzatori a bassa impedenza (esempio lampade ad incandescenza) in seguito all’accidentalmente interruzione del neutro sono sottoposti elevate sopraelevazione di tensione come schematizzato in figura 4. L’interruzione del neutro si può avere o per guasto o per errata sequenza di apertura-chiusura dei contatti degli interruttori automatici tetrapolari.
(BOX e FIG.4)
Sviluppo di una sorgente luminosa innovativa
Il led, acronimo di Light Emitting Diode (2), da tempo apprezzato come dispositivo di segnalazione, da alcuni anni ha iniziato a diffondersi come sorgente luminosa grazie al raggiungimento di potenze unitarie adeguate, oggi 5 W, unite ad efficienze sorprendenti. In tabella 1 sono messi a confronto i dati significativi delle principali sorgenti luminose.
(Vedi tabella 1)
I punti di forza del led:
- piccole dimensioni unite ad alta efficienza luminosa tolgono molti vincoli dimensionali;
- flessibilità di costruzione essendo possibile “spalmare” la sorgente su supporti rigidi o flessibili con connessioni in serie/parallelo;
- costi di esercizio contenuti e rispetto dell’ambiente, grazie all’efficienza luminosa dei led, che può raggiungere i 120 lm/W, si riduce di 4/5 il consumo di energia elettrica con risultati significativi sia di risparmio sulla bolletta elettrica (3) sia per le normative ambientali che, nel rispetto del protocollo di Kioto, pongono obbiettivi per la riduzione delle emissioni di CO2;
- praticamente esente da manutenzione, se si confronta la vita media di un led con quella di una delle più longeve sorgenti tradizionali;
- luce immediata, il led contrariamente alle sorgenti luminose di efficienza paragonabile, non ha problemi di innesco o di stabilizzazione ed in pochi millesimi di secondo eroga il loro massimo o possono essere pilotati per ottenere rapide variazioni di flusso e colore per creare scenari in rapido movimento.
La longevità del led è apprezzata nelle lampade d’emergenza di tipo SA, sempre accesa, dove l’illuminazione permanente, corrispondente a 8600 h/anno, richiede la sostituzione programmata della fluorescente ogni 6 mesi mentre per il led è necessaria dopo 12 anni. Ancora una interessante applicazione si ha in campo automobilistico in virtù di grande efficienza unita a dimensioni compatte. In entrambi i casi vengono tolti molti vincoli nella progettazione che, al limite, può essere effettuata senza prevedere la sostituzione della sorgente la cui vita media è confrontabile (emergenza) o molto superiore a quella del manufatto nel caso dell’automobile.
Il led per diffondersi deve adottare strategie opportunistiche o di simbiosi adattandosi, come il paguro Bernardo, a ricettacoli esistenti. Detto in altri termini, il led deve sfruttare dimensioni e attacchi quali E27 ed E14 per sostituire la lampada a incandescenza che, sia detto per inciso, dal 2010 dovrà essere riempita con gas alogeni per migliorarne l’efficienza. La soluzione, come già avvenuto per la fluorescente compatta, consiste nell’alloggiare l’alimentatore nell’attacco. Per poter mantenere l’elettronica a temperature ragionevolmente basse si devono prevedere generosi dissipatori che assicurano lo smaltimento del calore prodotto. Mentre le sorgenti ad incandescenza e quelle a scarica per funzionare devono, nel filamento o nel bruciatore, raggiungere temperature superiori a 1000 °C, nel led la temperatura deve rimanere sotto i 100 °C.
Molto diffuse sono le soluzioni a led adatte a sostituire le cosiddette dicroiche GY6,35 ed AR111 che, nelle esecuzioni di maggior potenza, sono provviste di vistosi dissipatori di calore di cui un esempio è rappresentati in figura 5.
Vedi FIG. 5 in pdf
I led si dividono in due grandi famiglie di segnalazione e di potenza. I primi hanno potenza unitaria inferiore a 1,5 W e sono alimentati con generatori di tensione, per cui la scelta dell’alimentatore è semplice:
- tensione uguale a quella del led (normalmente 12 e 24 V);
- potenza non inferiore a quella del led o alla somma delle potenze dei led posti in parallelo.
- Per le esecuzioni con potenza superiore a 1,5 W, denominate di potenza, vi è in genere la possibilità di scegliere tra due o più temperature di colore, ad esempio:
- 3200 °K, tonalità di luce calda;
- 6500 °K per la tonalità di luce bianchissima;
- 450 nm (nano metri) per definire la lunghezza d’onda dei led blue.
Queste esecuzioni, alimentate in corrente, richiedono per la determinare l’alimentatore adatto, calcoli un po’ più complessi che, oltre al rispetto degli aspetti dimensionali e di tensione di alimentazione, considerano:
- i led posti in serie, ognuno dei quali opera una caduta di tensione dell’ordine di 4 Vdc, non devono superare la tensione dell’alimentatore (24 o 42 Vdc);
- devono essere compatibili le correnti di pilotaggio (valori usuali sono 350, 500, 750, 1050 mA) di led ed alimentatore;
- la somma delle potenza dei led posti in serie non deve superare quella massima dell’alimentatore;
- l’alimentatore è caratterizzato da una potenza minima per evitare fenomeni di flickering
La scelta è agevolata da strumenti del tipo riportato in tabella 2 in cui, per ogni alimentatore, si riportano numero e tipi di led da porre in serie.
(Vedi tabella 2)
Un ulteriore aiuto è fornito da kit, costituiti da 3 led, alimentatore corredato di spina, connessioni polarizzate, capaci di sostituire le più usuali applicazioni delle specchiere dei bagni. Questa soluzione permette all’installatore di realizzare, in tempi rapidi, l’impianto e al distributore di non perdere tempo in ricerche nel proprio magazzino o in telefonate con fornitore.
Nell’esempio di figura 6 è proposto un kit di 3 led Rgb da 3 W ciascuno.
Vedi FIG. 6 in pdf
L’efficienza unita alle piccole dimensioni, la possibilità di montare questa fonte luminosa su supporti flessibili, la facilità con cui si ottengono differenti colori e la prontezza di risposta con cui questi vengono miscelati, tolgono ogni vincolo alla creatività dei progettisti e sono la ragione del grande interesse che ha accompagnato fin dai primi passi questa sorgente.
Per facilitare la sostituzione di alogene alimentate tramite trasformatori elettromeccanici si sono resi disponibili dispositivi che convertono la tensione di 12 V ca in continua di valore adatto ad alimentare i led, come illustrato in figura 7.
Vedi FIG. 7 in PDF
In conclusione
I trasformatori elettronici si sono ormai da tempo imposti sulle esecuzioni elettromagnetiche, in virtù del maggior rendimento e allungamento della vita della lampada. L'esecuzione per montaggio indipendente è poi l'unica in grado di essere installata in contro soffitti realizzando impianti a regola d'arte.
Da qualche anno si nota il rimpiazzo della dicroica con sorgenti led di pari dimensioni. Nonostante i costi, comprensivi di alimentatore, siano ancora superiori a quelli della dicroica, risulatno vantaggiosi quando la sostituzione della lampada sia complessa o si debba illuminare oggetti sensibili al calore. Questa sorgente è poi unica quando si voglia realizzare apparecchi d’illuminazione “flessibili” o si desideri modulare il colore della luce con la tecnica Rgb.
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