Cum se proiectează pentru o performanță optimă a ledurilor în iluminatul arhitectural

Sursele tradiționale de iluminat arhitectural (AL) – adică becurile incandescente, cu halogen și fluorescente – sunt înlocuite rapid în proiectele existente, precum și în cele noi, cu iluminarea bazată pe diode emițătoare de lumină (leduri). Motivele sunt clare: în afară de mandatele de reglementare, iluminatul cu leduri promite o eficiență mult mai mare, costuri de exploatare mai mici, o sarcină termică redusă, o durată de viață mult mai lungă a instalației (pentru costuri de întreținere mai mici) și o cale către o gestionare mai inteligentă a funcțiilor clădirii.

Cu toate acestea, utilizarea ledurilor într-un bec care să înlocuiască aceste lămpi cu reputație veche, în ceea ce privește forma și potrivirea, nu este un lucru banal. Sunt necesare noi circuite de acționare care să furnizeze curent controlat (nu tensiune), adesea cu capacități de variere a intensității. În plus, în timp ce becurile cu incandescență sunt sarcini rezistive și pot funcționa direct de la linia de curent alternativ, ledurile sunt diferite. Acestea nu prezintă un factor de putere unitar – adică, curentul și tensiunea sunt în fază – iar circuitul de comandă al regulatorului de comutare este o sursă potențială de interferențe electromagnetice (EMI). În schimb, circuitul de comandă trebuie să furnizeze și să controleze curentul de comandă necesar într-un mod optimizat pentru caracteristicile sarcinii ledului. De asemenea, este posibil să fie necesar ca driverul să implementeze corecția factorului de putere (PFC), capacitatea de variere a intensității și suprimarea EMI.

Acest articol analizează diferite aspecte ale iluminatului arhitectural și circuitele integrate care permit iluminatul arhitectural bazat pe leduri. În continuare, se prezintă circuite integrate de la Diodes Incorporated ca exemple de utilizare a acestora în circuite reale.

Obiectivele AL și provocările ledurilor

AL este proiectarea și utilizarea sistemelor de iluminat care sunt încorporate în interiorul și exteriorul unei structuri comerciale, nerezidențiale, cum ar fi un magazin de vânzare cu amănuntul, un birou sau un depozit. Obiectivul proiectării iluminatului arhitectural este de a echilibra arta și știința iluminatului pentru a crea o atmosferă, un interes vizual și pentru a îmbunătăți experiența unui spațiu sau loc, respectând în același timp cerințele tehnice și de siguranță. Aceasta nu include luminile improvizate pe care oamenii le aduc sau le rearanjează, cum ar fi lampa de birou preferată; în schimb, este iluminatul care „vine odată cu clădirea”, deși permite adesea o anumită flexibilitate și chiar o rearanjare în funcție de evoluția nevoilor pe termen scurt și lung.

În ultimii ani, AL a devenit un domeniu mai mare și mai tehnologizat, cu provocări suplimentare, în mare parte ca urmare a necesității de a conserva energia și de a gestiona funcțiile și caracteristicile asociate iluminatului. Pe măsură ce iluminatul pe bază de leduri a devenit un factor dominant în modernizarea AL, tehnicile, circuitele și componentele care pot comanda eficient ledurile din corpurile de iluminat AL au devenit din ce în ce mai importante.

O mare parte din impulsul pentru tranziția către AL pe bază de leduri provine din multiplele mandate de reglementare și standarde care definesc diverse perspective privind eficiența, inclusiv capacitatea de variere a intensității, PFC și generarea de EMI, printre alți factori. Particularitățile acestor cerințe extrem de complicate și de lungi diferă în funcție de regiunile globale, de țări și chiar de statele individuale din Statele Unite.

Printre cerințele de reglementare importante din SUA se numără standardele federale Energy Star și Titlul 24 – Codul standardelor de construcție din California, care este mai strict decât Energy Star. Printre multe alte considerente, Titlul 24 prevede:

• Senzori de prezență pentru pornirea/oprirea automată a sarcinilor de iluminare
• Drivere led cu capacitate de variere a intensității
• Eficiență mai mare, măsurată prin lumeni utili de ieșire pe watt de putere de intrare
• Iluminat conectat inteligent – Smart Connected Lighting (SCL) care acceptă controlul wireless al lămpilor individuale și grupate prin Bluetooth, Zigbee sau DALI/IEC 62386, cu o putere de standby a sistemului sub 200 de miliwați (mW)
• Variația curentului de ieșire a ledului sub 30% pentru a evita pâlpâirea supărătoare și deranjantă
• PFC de 0,9 sau mai mare la o putere mai mare definită
• Distorsiune armonică totală (THD) sub 20% pentru a minimiza energia irosită din cauza sarcinilor nerezistive

O notă despre rata de variere a intensității și pâlpâirea: deși ochiul uman este, în general, insensibil la pâlpâirea de peste 100 Hz, există un fenomen asociat, numit uneori „eflicker”, care apare atunci când se utilizează modulația impulsului în lățime (PWM) pentru a atenua intensitatea ledurilor, fie pentru controlul luminozității, fie pentru controlul culorii. În PWM, ledul este stins pentru perioade scurte de timp (sute de microsecunde) la o viteză ridicată. Această rată de variere a intensității poate interacționa cu ratele de scanare și de reîmprospătare a citirilor ledurilor de bază, a ecranelor de afișare, a camerelor de securitate și a altor dispozitive optice de imagistică. Din acest motiv, rata de reîmprospătare a ledului ar trebui să fie mult mai mare decât rata pe care o poate percepe ochiul însuși, iar acesta este cazul componentelor de la Diodes Incorporated.

Treceți de la cipuri la chipseturi

Satisfacerea cerințelor multiple legate de energie reprezintă o provocare de proiectare care implică jonglarea cu abordări conflictuale, deoarece există interacțiuni și compromisuri inevitabile între „cele mai bune” soluții pentru fiecare obiectiv. Sunt disponibile circuite integrate individuale care sunt optimizate pentru a aborda aspecte specifice ale problemei, dar o soluție completă necesită asigurarea faptului că aceste circuite integrate funcționează împreună în armonie și se consolidează reciproc, în loc să se contracareze.

Din acest motiv, este adesea util să se analizeze circuitele integrate de la un singur furnizor și orice chipset asociat – circuite verificate care grupează aceste circuite integrate – și pe care furnizorul le-a grupat. Acest lucru oferă proiectanților o topologie testată și constituie un bun punct de plecare. Pentru AL pe bază de leduri, Diodes Incorporated oferă chipset-uri sugerate în două grupuri, unul care acceptă situații de putere mai mică (sub 30 W) și altul pentru instalații de putere mai mare (peste 30 de wați), primele fiind utilizate de obicei în interior, iar cel de-al doilea în exterior.

Diagrama bloc din Figura 1 arată modul în care cele trei circuite integrate de bază care alcătuiesc chipsetul pentru aplicații de putere < 30 wați – un controler de leduri variabile, un supresor de ondulație și un controler de interfață pentru semnalul de variere a intensității – interacționează între ele, asigurând funcționalitatea de bază necesară.

Figura 1: circuitele integrate avansate – un controler de leduri variabile, un supresor de ondulație și un controler de interfață pentru semnalul de variere a intensității – formează nucleul unui proiect pentru iluminatul arhitectural < 30 wați. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Privind cele trei circuite integrate în mod individual, controlerul ledurilor de înaltă performanță AL1666S-13 cu variere a intensității luminoase funcționează pe o gamă largă de tensiuni de intrare, de la 85 volți c.a. (V c.a.) la 305 V c.a., oferind în același timp un PFC mai mare de 0,9 și THD sub 10%. Acesta acceptă varierea analogică a intensității luminoase de la 0 la 10 volți, pe un interval de la 5% până la 100% și funcționează cu toate variatoarele standard ANSI; pentru reglarea PWM non-analogică, intervalul este de la 1% până la 100% la 1 kilohertz (kHz). Pentru consecvența performanțelor, acesta oferă o reglare strânsă a liniei de curent a ledurilor, de peste ±2%, și o reglare a sarcinii de curent a ledurilor de peste ±2%, de la sarcina maximă până la sarcină parțială.

În continuare, AL5822W6-7 este un supresor adaptiv de ondulație a curentului ledurilor de 100/120 Hz într-un pachet SOT-23-6. Acesta răspunde provocării dificile de a minimiza ondulația curentului pentru a îndeplini standarde din ce în ce mai stricte. În plus, deoarece este dispozitivul care face legătura cu ledurile, este necesar ca acesta să includă protecție împotriva scurtcircuitelor, supracurenților și supratemperaturii, acceptând în același timp funcționarea la cald a becului pentru momentele în care circuitul și becul sunt introduse într-o soclu „sub tensiune”. Acesta poate oferi o reducere dramatică a ondulației, reducând-o la doar câteva procente din valoarea inițială, după cum se demonstrează cu câteva cifre de bază. De exemplu, atunci când este utilizat cu controlerul de leduri variabile de înaltă performanță AL1665S-13 – un frate apropiat al AL1666S-13 – ondulația curentului este de aproximativ 520 miliamperi (mA) de la vârf la vârf, dar scade la doar 17 mA atunci când este asociat cu AL5822 (Figura 2).

Figura 2: adăugarea controlerului de leduri variabile de înaltă performanță AL1665S-13 la proiect reduce ondulația de la 520 mA vârf-vârf la doar 17 mA. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

În final, există AL8116W6-7, un controler flexibil de interfață cu semnal de variere a intensității luminoase de la 0 la 10 volți. Acesta funcționează de la o gamă largă V _c.c. de la 10 la 56 de volți, care poate fi derivată din tensiunea de ieșire a unei înfășurări auxiliare, o șină de alimentare sau tensiunea lanțului de leduri. Acceptă varierea PWM pe o gamă de la 0,2 kHz până la 10 kHz, utilizând un control de la 0 la 10 volți și varierea intensității luminoase prin potențiometru (rezistivă) (de la 0 la 100 kiloohmi (kΩ)). Acesta convertește controlul de variere a intensității la ieșirea PWM necesară sistemului, oferind în același timp o soluție simplă de variere a intensității cu bariere de izolare încrucișată. De asemenea, acesta oferă și un ciclu de funcționare a ieșirii PWM de ±2,5% pentru o curbă precisă de variere a intensității, esențială în instalațiile cu mai multe leduri.

Desigur, diagramele bloc de nivel înalt pot fi înșelătoare în ceea ce privește prezentarea listei complete de materiale (BOM), inclusiv componentele pasive, componentele active discrete și alte circuite integrate. Prin urmare, este important să vă uitați la schema efectivă pentru a înțelege ce necesită circuitul complet, deoarece acest lucru afectează ambalarea, producția și costul.

Pentru chipsetul de <30 de wați din Figura 1, diagrama schematică prezentată în Figura 3 de mai jos arată cât de puține componente sunt de fapt necesare. (Transformatorul T1 și optocuplorul sunt necesare pentru izolarea galvanică între partea principală și cea secundară)

Figura 3: detaliile furnizate de o diagramă schematică a diagramei bloc de nivel înalt prezentată în Figura 1 arată că sunt necesare doar câteva componente suplimentare în proiectarea completă. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Deoarece toate circuitele de alimentare bazate pe comutare au subtilități în lumea reală pe care o diagramă schematică nu le poate dezvălui, o placă de evaluare este o resursă pentru accelerarea validării și verificării proiectării. AL1666+AL8116+AL5822EV1 este o placă de evaluare care utilizează cele trei circuite integrate menționate pentru a furniza un driver de leduri cu retur reductor cu o singură treaptă, cu PFC ridicat, reglabil de la 0 la 10 volți (Figura 4). Acesta oferă un curent de ieșire constant de 1200 mA într-o gamă de tensiuni de la 25 la 50 de volți, de la o tensiune de intrare de la 90 V c.a. la 305 V c.a.

Figura 4: pentru a accelera finalizarea proiectului, placa de evaluare AL1666+AL8116+AL5822EV1 (sus și jos) facilitează o înțelegere mai profundă a funcționării circuitului de driver de leduri variabile care utilizează controlerul AL1666 din partea principală, circuitul integrat al interfeței de variere a intensității AL8116 din partea secundară și supresorul de ondulație a curentului ledurilor AL5822. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Mărimea contează pentru compatibilitatea retroactivă

De ce sunt importante dimensiunile mici și o listă scurtă de materiale, dincolo de raționamentul obișnuit care prevede că „mai mic este mai bine”? Aceasta este parțial o problemă de compatibilitate retroactivă cu lămpile (becurile) existente atunci când se utilizează circuite integrate de comandă a ledurilor, individual sau în grupuri.

De exemplu, în timp ce există numeroși factori de formă diferiți pentru lămpile AL utilizate în mod obișnuit, unul dintre aceștia care este foarte răspândit este MR16, utilizat în mediul rezidențial și comercial pentru iluminatul direcțional (Figura 5). Becurile cu surse de lumină cu halogen cu acest factor de formă au fost printre primele alegeri pentru iluminarea standard AL timp de mulți ani.

Figura 5: factorul de formă și dimensiunea becului MR16 care utilizează halogenul ca sursă de lumină este utilizat pe scară largă în instalațiile AL. (Sursa imaginii: Wikipedia; W.W. Grainger, Inc.)

MR16 are un diametru de 2 inch la cea mai mare circumferință. „MR” înseamnă „multifaceted reflector” (reflector cu fațete multiple), acesta fiind ceea ce controlează direcția și răspândirea luminii pe care o proiectează. Acest bec funcționează de obicei (dar nu întotdeauna) de la o linie de 12 volți c.a., care este în general furnizată printr-un transformator reductor pentru tensiunea de linie.

Un MR16 de mici dimensiuni cu halogen necesită 20 de wați și are o durată de viață între 2.000 și 6.000 de ore. În schimb, echivalentul cu leduri necesită doar câțiva wați și are o durată de viață de ordinul a 100.000 de ore. Pe măsură ce AL trece la sursele de lumină bazate pe leduri, este important să putem include circuitele necesare în acest pachet pentru a oferi becuri cu formă și potrivire pentru uriașa piață de înlocuire, precum și pentru noile proiecte AL.

Satisfacerea unor nevoi mai mari de putere

Pentru alimentarea lămpilor cu leduri de peste 30 de wați (ceea ce echivalează cu aproximativ 3 amperi (A) de curent de alimentare a ledurilor), cum ar fi aplicațiile de exterior, o topologie în două etape poate fi preferată abordării cu o singură etapă, deși modulele de control și de comunicații ale acestora pot fi aceleași (Figura 6).

Figura 6: proiectele de iluminat cu leduri de putere mai mare (peste 30 de wați) utilizează o topologie în două etape (dreapta), spre deosebire de abordarea cu o singură etapă a proiectelor de putere mai mică (stânga), dar interfața lor „inteligentă” poate fi aceeași. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Încă o dată, schema circuitului – în acest caz, pentru soluția de proiectare a iluminatului cu leduri de putere mai mare – oferă o perspectivă mai detaliată (Figura 7).

Figura 7: diagrama schematică arată din nou nivelul relativ ridicat de integrare oferit de această soluție de putere mai mare. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Ca și în cazul proiectului cu consum redus de energie, în centrul acestei implementări se află trei circuite integrate. Primul este AL1788W6-7, un controler pentru partea principală care acceptă topologii de coborâre și de reducere care nu necesită optocuploare, în timp ce funcționarea cvasi-rezonantă (QR) a acestuia cu „funcție valley-on” asigură pierderi reduse la comutare. Factorul de putere este mai mare de 0,9, în timp ce THD este mai mic de 15%, iar puterea de standby de sub 200 mW (pentru utilizarea în timpul zilei, de exemplu, când luminile sunt stinse) contribuie la eficiența generală.

În continuare, AL17050WT-7 este un regulator universal c.a. de coborâre neizolat care oferă un control precis al tensiunii constante (CV) cu o putere de standby extrem de scăzută într-un pachet SOT-25 de mici dimensiuni. Acesta are integrat un MOSFET de 500 de volți și funcționează cu un inductor cu o singură înfășurare, ceea ce duce la componente externe mai simple și la un cost mai mic al listei de materiale. Datorită rolului său electric și poziției sale în topologia generală, dispozitivul include mai multe „straturi” de producție, inclusiv protecție la supratemperatură, blocare la subtensiune V _c.c., protecție la scurtcircuit la ieșire, protecție la suprasarcină și protecție în buclă deschisă.

În cele din urmă, există AL8843SP-13, un regulator de coborâre de 1 megahertz (MHz) și un driver de leduri analogic cu atenuare PWM, capabil să furnizeze un curent de ieșire de până la 3 A, care poate fi reglat prin intermediul unui rezistor extern. Acesta funcționează de la o tensiune de intrare amplă de la 4,5 până la 40 de volți și dispune de o precizie de ±4% la detectarea curentului pentru o potrivire superioară canal-canal în proiectele cu leduri multiple.

AL8843SP-13 integrează comutatorul de putere și un circuit de detectare a curentului de ieșire de tip high-side; în funcție de tensiunea de alimentare și de componentele externe, convertorul poate furniza o putere de ieșire de până la 60 de wați cu o eficiență de până la 97%. Funcția importantă de variere a intensității luminoase poate fi implementată prin aplicarea unui semnal de control extern la un singur pin al pachetului care acceptă fie o tensiune c.c., fie un semnal PWM. Acest dispozitiv îmbunătățit din punct de vedere termic, furnizat în pachet SO-8EP, include și protecție împotriva unui led deschis sau scurtcircuitat și a unui rezistor de detectare a curentului deschis sau scurtcircuitat, printre alte moduri de protecție.

La fel ca în cazul aranjamentului de comandă a ledurilor de putere mai mică, o placă de evaluare pentru soluția de putere mai mare poate reduce foarte mult orele necesare pentru a înțelege mai bine o situație de proiectare completă și, astfel, pentru a face proiectul să avanseze mai eficient. Pentru driverul de leduri cu coborâre AL8843SP-13 – cea mai dificilă componentă a proiectului de putere mai mare – Diodes Incorporated oferă placa de evaluare AL8843EV1 (Figura 8).

Figura 8: utilizatorii plăcii AL8843SP-13 vor beneficia de placa de evaluare de bază AL8843EV1, care se pune accentul în întregime pe un singur regulator de coborâre și pe un circuit integrat de comandă analogic al ledurilor de 3 A cu variere PWM. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Placa de evaluare AL8843EV1 permite efectuarea unor exerciții de bază ale circuitului integrat fără interacțiune sau interferențe datorate altor componente active.

Apoi, există „iluminatul conectat"

Una dintre celelalte îmbunătățiri care sunt atât practice, cât și de dorit în cazul iluminatului modern pe bază de leduri este posibilitatea de a implementa „iluminatul inteligent conectat” (SCL), adesea descris pur și simplu ca „iluminat conectat". Printre diversele sale atribute, acesta permite controlul lămpilor ca grup, precum și individual în cadrul unui grup, prin intermediul unui standard de conectivitate.

Care sunt beneficiile SCL? Dintr-o perspectivă de sistem la nivel superior – și poate chiar cu unele speculații și exagerări – o infrastructură de iluminat conectat devine o investiție într-o rețea de conectivitate la nivelul întregii clădiri. Datele care circulă prin această infrastructură permit administratorilor de clădiri să integreze, să automatizeze și să prelungească durata de viață a sistemelor de bază ale clădirilor, să reducă costurile de exploatare, să crească performanța și să diminueze timpii de nefuncționare.

Unii analiști susțin că beneficiile iluminatului conectat merg mult mai departe de simpla iluminare. De exemplu, Szymon Slupik, CTO și fondator al Silvair, remarcă: „Valoarea serviciilor suplimentare oferite de iluminatul inteligent este de șapte până la zece ori mai importantă decât controalele de iluminat și economiile de energie în sine”.

Lămpile SCL se află adesea într-o stare de „ascultare” pasivă pentru perioade lungi de timp, astfel încât consumul de energie în standby este un parametru cheie de interes pentru proiectanți, iar valorile maxime sunt specificate în diversele mandate de reglementare. Controlerele și regulatoarele de la Diodes Incorporated sunt proiectate cu puteri nominale în regim de standby sub valorile permise. De asemenea, acestea funcționează cu modele de control/comunicare a iluminării care acceptă diverse standarde de interfață, inclusiv Bluetooth, Zigbee și Wi-Fi.

Unul dintre factorii care va stimula instalarea iluminatului conectat este dezvoltarea unor standarde la nivel de industrie care să asigure interoperabilitatea componentelor SCL de la diferiți furnizori. De exemplu, Bluetooth Special Interest Group (SIG) a colaborat cu industria de iluminat pentru a dezvolta un standard Bluetooth de tip mesh optimizat pentru crearea de rețele de dispozitive aplicabile la scară largă. Mai mult, Bluetooth SIG și DALI Alliance au colaborat pentru a crea o interfață standardizată care va permite implementarea corpurilor de iluminat certificate D4i și a dispozitivelor DALI-2 în rețelele mesh de control al iluminatului bazate pe Bluetooth (D4i este standardul DALI pentru corpurile de iluminat inteligente, compatibile cu IoT). Prin intermediul acestei interfețe, datele pot circula fără obstacole între corpurile de iluminat cu senzori și sistemele de control al iluminatului și chiar și către alte sisteme de gestionare a clădirii.

Concluzie

Iluminatul arhitectural inteligent pe bază de leduri îmbunătățește eficiența energetică a sistemelor de iluminare din clădirile comerciale. Este, de asemenea, un element critic pentru a permite amplificările potențiale cu rază lungă de acțiune a performanței generale a clădirilor. Circuitele integrate ale controlerului, regulatorului și driverului ledurilor de la Diodes Incorporated, care sunt concentrate și optimizate pentru AL bazate pe leduri, se numără printre elementele cheie necesare pentru a transforma cu succes beneficiile potențiale ale acestor posibilități avansate de AL într-o realitate puternică, versatilă și rentabilă.

Referință

DALI Alliance, D4i - standardul DALI pentru corpuri de iluminat inteligente, compatibile cu IoT

Lecturi suplimentare

1. Practici de proiectare electromagnetică pentru AL8805
2. Înțelegerea și aplicarea conectorilor standard noi pentru iluminatul pe bază de leduri pentru interior și exterior