Idées lumineuses pour piloter des LED

26th November 2019
Posted By : Victoria Chercasova
Idées lumineuses pour piloter des LED

La technologie LED est à l’origine d’une véritable révolution dans l'éclairage. La combinaison d'une taille minime, d'une faible consommation, d'une fiabilité élevée et d'un coût réduit, permet d'installer l'éclairage à LED dans des endroits où cela n’était tout simplement pas possible avec les technologies incandescentes ou fluorescentes. Par voie de conséquence, l'éclairage à LED prolifère dans nos bureaux, nos maisons, et même dans nos véhicules.

Le principal inconvénient des éclairages à semiconducteurs actuels n'est pas les LED elles-mêmes, mais l'alimentation électrique dont elles ont besoin. Ces alimentations à découpage (SMPS pour Switched Mode Power Supplies en anglais) ont une durée de vie beaucoup plus courte que les LED elles-mêmes, notamment à cause de la longévité des composants magnétiques et des condensateurs électrolytiques auxquels elles font appel. En outre, les alimentations à découpage qui contiennent des dispositifs de refroidissement actifs, comme des ventilateurs, sont particulièrement sujettes aux pannes précoces. Un autre inconvénient est que les alimentations à découpage sont souvent encombrantes et constituent des sources importantes de parasites électromagnétiques (IEM). Compte tenu de leur taille et de la place souvent limitée disponible pour les systèmes d'éclairage, il est peu probable que les alimentations à découpage puissent être montées sur le même circuit imprimé que les LED elles-mêmes, ce qui implique des interconnexions et des câbles, qui sont autant de sources potentielles de panne.

Cependant, les récents progrès réalisés dans les technologies et les topologies de puissance ont permis l'avènement d'alimentations DACD (Direct AC Drive, ou commande CA directe). Cette nouvelle approche élimine complètement l’alimentation à découpage traditionnelle, en offrant de multiples avantages au niveau coût, encombrement, longévité et fiabilité. Pour autant, les solutions DACD ne sont pas toutes égales.

Topologies DACD

Un élément que partage toutes les solutions DACD est le pont redresseur d'entrée, qui fait appel à un arrangement classique à 4 diodes, pour redresser le signal CA 50/60 Hz d'entrée, en signal semi-sinusoïdal 100/120 Hz. L'amplitude crête varie d'environ 155V dans le cas d’une entrée 110V alternatif à 325V dans le cas d’une entrée 230V alternatif, même si le principe reste le même.

Les commandes de LED à topologie DACD se répartissent en deux catégories, chacune ayant ses atouts et ses faiblesses.

Dans les deux cas, l'approche DACD tient sur une seule carte, par opposition aux deux cartes nécessaires dans le cas d’une solution basée sur une alimentation à découpage. L’approche DACD type shunt n’utilise qu’un seul circuit intégré, ce qui réduit le coût de nomenclature. Elle a aussi l'avantage d'être facilement évolutive, bien que ses performances thermiques soient relativement mauvaises.

En revanche, la topologie DACD à dérivation utilise en général plusieurs CI, ce qui se traduit par un coût de nomenclature supérieur. Cependant, cette seconde approche convient mieux aux applications avec plusieurs chaînes de LED. Bien que l'évolutivité soit limitée par rapport à l'approche shunt, les performances électriques sont meilleures grâce à une distorsion harmonique totale (THD) généralement inférieure à 10%, contre environ 30% pour l'approche type shunt.

Bien que ces alimentations DACD représentent un pas en avant significatif par rapport aux traditionnelles alimentations à découpage, elles ne sont pas parfaites pour les applications modernes à base de LED. Il existe aujourd'hui sur le marché un certain nombre de solutions DACD à base de CI, même si celles-ci peuvent être améliorées au niveau régulation de ligne, performances thermiques, résistance aux surtensions, capacité à faire varier l’intensité lumineuse (fonction gradation) et coût.

La Figure 2 montre le mode de fonctionnement de base d'une solution DACD. Lorsque la tension de ligne CA décrit une demi-sinusoïde, les commutateurs internes au CI envoient les courants (ILEDn) qui allument les différentes LED. Toutefois, cette approche linéaire de la commutation présente un inconvénient majeur, à savoir une THD (Total Harmonic Distorsion, ou distorsion harmonique totale) élevée.

Dernière idée lumineuse en date

L'une des dernières solutions DACD présentes sur le marché est le NCL30170 d’ON Semiconductor. Basé sur une topologie à shunt, ce CI offre tous les avantages décrits plus haut, notamment de tenir dans un seul CI, d’offrir un coût de nomenclature réduit, et d'être facilement extensible en puissance. Cependant, l'une des caractéristiques uniques de cette nouvelle solution est sa capacité à piloter plusieurs commutateurs MOSFET externes, ce qui permet de connecter plusieurs chaines de LED. Le NCL30170 est le premier produit du marché à permettre cela. Ainsi, la puissance peut être étendue de 10W à 200W, tandis que le nombre total de chaines de LED connectées, et le nombre de commutateurs externes, ne sont limités que par le niveau de puissance maximum.

Dans la plupart des cas, il faut que la luminosité des LED reste constante, quelles que soient les fluctuations de la tension d'alimentation. Généralement, les drivers DACD permettent d’obtenir une régulation de ligne à ±10%. Le nouveau dispositif d’ON Semiconductor permet lui d’atteindre ±1%, une amélioration très sensible, qui garantit un rendement lumineux constant des LED connectées.

Le NCL30170 utilise une méthode propriétaire pour réguler le courant, par opposition à l’approche linéaire utilisée dans les solutions DACD conventionnelles. Le point de déclenchement de tension reste le même, mais le courant est régulé de telle sorte qu'il n'est plus en escalier mais suit une forme sinusoïdale bien lisse (voir à droite de la Figure 4), qui se traduit par d'excellents niveaux de THD inférieurs à 10%.

En plus d’une excellente THD, le NCL30170 offre une compensation de facteur de puissance (PFC pour Power Factor Compensation en anglais) à la pointe de l'industrie, avec une valeur supérieure à 0,98.

Importance d'une gradation efficace

La capacité de gradation des éclairages à LED est souvent très importante et peut être obtenue par des techniques PWM (Pulse Width Modulation, ou modulation de largeur d'impulsion), souvent appelées "coupure de phase", ou par commande analogique. La modulation PWM permet d’obtenir une large plage de gradation, mais présente des inconvénients importants, comme le scintillement, dont on a démontré qu’il était à l'origine de maux de tête chez certaines personnes. Des niveaux élevés de gradation PWM peuvent aussi générer des bruits audibles, particulièrement gênants pour les applications en intérieur.

Alors que de nombreuses solutions DACD permettent une gradation jusqu'à 10%, le NCL30170 est capable d’assurer une gradation analogique jusqu'à 5%, et répond ainsi aux besoins de certaines applications modernes difficiles. Le dispositif maintient la régulation de ligne sur toute la plage de gradation, assurant ainsi que même à faible puissance, la lumière émise par les LED reste constante.

Les excellentes performances PWM (à "Bleeding" ou "saignée") du NCL30170, en font un bon candidat pour la remise à niveau d’anciennes solutions d'éclairage à coupure de phase utilisant un TRIAC. à Pour la gradation à coupure de phase, le NCL30170 dispose d'une broche BLD (pour BLeeDing) permettant de compenser la distorsion du courant d'entrée. Ainsi la "saignée" prend tout son sens.

Résumé

L'éclairage à LED représente une part très importante des solutions d'éclairage disponibles aujourd'hui. Ceci devrait encore s'accentuer à l'avenir, du fait de la faible consommation, du coût réduit et du faible encombrement de ces applications d’éclairage modernes. Le remplacement d’éclairages à incandescence existants par des éclairages à LED beaucoup plus souples et polyvalents, sera également l’un des principaux moteurs de la croissance à venir.

Jusqu'à récemment, on utilisait des alimentations à découpage pour les installations à LED, mais ces alimentations posent desproblèmes de longévité et de durée de vie, et sont encombrantes, ce qui complique et limite l’installation d’éclairages à LED dans certains espaces confinés.

Plus récemment, la technologie DACD a montrée qu’elle était viable pour alimenter des chaînes de LED. Cette technologie comble nombre de lacunes des alimentations à découpage, en particulier au niveau longévité, durée de vie, encombrement et coût, et à l’avenir le DACD va largement contribuer à la généralisation des éclairages à LED. Désormais, des dispositifs comme le NCL30170 d'ON Semiconductor permettent aux technologies DACD de fournir les performances, la flexibilité, la longévité et la durée de vie, que l’on attend dans de nombreux secteurs.

 


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