Svítidla s polovodičovým napájením začínají přinášet dlouho slibované úspory energie, vysvětluje ALI FAWAZ, ale aby se rozšířilo jejich používání, musí vývojáři nadále snižovat náklady na řídicí obvody a zároveň musí být podporovány funkce, jako je stmívání.
Osvětlení na bázi LED začalo ovlivňovat obrovské množství energie spotřebované na osvětlení v rozvinutých oblastech světa, ale od technologie polovodičového osvětlení (SSL) se očekává více. Aby se například naplnily prognózy o více než 50% rozšíření v sektoru komerčního osvětlení do konce tohoto desetiletí, musí výrobci SSL dále snižovat náklady na související lampy a svítidla. Elektronika používaná pro řízení LED je hlavním cílem úsilí o snížení nákladů a integrace na úrovni křemíkových čipů nebo integrovaných obvodů se zaměřuje na pomoc při dosažení tohoto cíle. Přesto musí být elektronika plnohodnotná s podporou stmívání, protože stmívání může dále ovlivnit úspory energie a zároveň přinést lepší prostředí pro pracovníky a zlepšit atmosféru v mnoha aplikacích.
Zajímají vás články & oznámení o ovládání stmívání & elektroniky SSL?
Připomeňme si výše zmíněný sektor komerčního osvětlení. Podle dokumentu, který v roce 2014 zveřejnil Worcester Polytechnic Institute, připadá na osvětlení téměř polovina (349 TWh/rok) rozpočtu na elektřinu komerčních budov v USA. Obrovské náklady na energii spojené s takovou mírou využití znamenají, že výhoda nákladů na vlastnictví světelných zdrojů na bázi LED často stačí k získání podílu na trhu v nových projektech. Vývojáři však stále musí usilovat o zlepšení funkčnosti, které sníží počáteční pořizovací náklady.
Optimize 0-10V dimming controls for efficient and cost-effective LED luminaires
Elektronika stmívání je pro vývojáře SSL obzvláště náročnou oblastí. Přestože je LED sama o sobě ze své podstaty stmívatelná, mnoho prvních generací LED svítidel nebylo kompatibilních s běžnými stmívači. Navíc se ukázalo, že tradiční spínané napájecí IC regulátory jsou pro aplikace s LED předřadníky nevhodné. Výsledkem je, že řídicí obvody pro LED předřadníky stále častěji používají digitální technologii, zejména ve stmívací části obvodu. Při tomto soustředění se na řídicí integrovaný obvod bylo rozhraní mezi řídicím integrovaným obvodem LED a řídicím prvkem stmívání (stmívačem) do značné míry ignorováno. Dobře navržené a stabilní rozhraní stmívání je rozhodující pro konzistentní kvalitu světla a dosažení spolehlivosti potřebné pro komerční a průmyslové aplikace.
Metody pro začlenění řízení stmívání 0-10V
Zatímco stmívání s fázovým řezem se běžně používá pro masové rezidenční aplikace, existují problémy týkající se přirozeného blikání, které omezují jeho použití na komerčních trzích. V komerčních interiérových a exteriérových scénářích a dokonce i ve špičkovém rezidenčním osvětlení, kde není vyžadována změna barvy, dává mnoho návrhářů a zadavatelů osvětlení přednost stmívání 0-10V. Existují dva způsoby řízení stmívání 0-10 V. Při jedné metodě řídicí jednotka (stmívač) dodává proud do ovladače LED; tato metoda je definována a podporována normou ESTA E1.3 a je preferována v aplikacích divadelní nebo zábavní techniky.
Při druhé metodě řídicí jednotka (stmívač) odebírá proud z ovladače LED. Relativně snadné použití činí tuto druhou metodu oblíbenou pro nejširší škálu komerčních aplikací. Klíčové technické specifikace pro druhou metodu, které jsou definovány v technické normě IEC60929, příloha E, jsou:
– Minimální odebíraný proud do stmívacího regulátoru (stmívače) je 10 μA a maximální odebíraný proud je 2 mA.
– Na svorkách obvodu rozhraní ke stmívacímu regulátoru (stmívači) nesmí za žádných okolností vznikat napětí vyšší než +20 V ani nesmí být nižší než -20V. Ovladač/předřadník by se neměl poškodit, pokud je stmívací napětí mezi +20V a -20V.
– Řídicí svorky obvodu rozhraní musí být chráněny proti přepólování. V případě přepólování řídicích svorek rozhraní by mělo být výstupní světlo minimální nebo vypnuté.
– Rozhraní stmívacího obvodu by mělo vytvářet stabilní výstupní světlo pro stmívací řídicí napětí mezi 0-11V.
– Když je signál stmívacího ovladače (stmívače) 10V nebo vyšší, výstupní světlo by mělo být maximální. Když je signál stmívacího regulátoru (stmívače) 1V nebo nižší, výstupní světlo by mělo být minimální nebo vypnuté.
– Pokud se nepoužívá žádný stmívací regulátor (stmívač), stmívací svorky se obvykle nechávají otevřené a výstupní světlo by mělo být maximální. Pokud jsou stmívací svorky zkratovány, výstupní světlo by mělo být na minimu.
– Přívodní vodič stmívací svorky je fialový a zpětný je šedý.
Ve všech případech, kdy jsou obvody stmívacího regulátoru (stmívače) přístupné uživateli, je navíc z bezpečnostních důvodů vyžadována dvojitá nebo zesílená izolace/oddělení od všech nebezpečných napětí včetně vstupního napětí. Izolace dále zlepšuje výkon stmívání tím, že udržuje vysoký spínací šum mimo stmívací signály.
Vývoj návrhů stmívacího rozhraní
Dva předchozí obrázky ukazují typická konstrukční řešení obvodů stmívacího rozhraní. Na obr. 1 je obvod stmívacího rozhraní založený na transformátoru a na obr. 2 je obvod stmívacího rozhraní založený na optočlenu. V obou obvodech je stmívací signál převeden na impuls, aby se usnadnilo mít signál úměrný stmívacímu signálu na druhé straně hranice, kde se nachází hlavní řídicí obvod LED. Impuls je obvykle zprůměrován a přiveden na stmívací pin řídicí jednotky LED.
Stmívací rozhraní na bázi transformátoru nepotřebuje předpětí, ale trpí nepřesnostmi při změně teploty. Transformátor je navíc nákladný a vyžaduje poměrně velkou plochu PCB (desky s plošnými spoji). Je také zapotřebí externí impuls se čtvercovou vlnou; ten se obvykle realizuje pomocí pohonu hradla low-side výkonového tranzistoru MOSFET. Signál na hradle má rychlé náběžné a sestupné hrany, které by mohly zhoršit elektromagnetické rušení na stmívači. Vysoké přechodné napětí, především přepětí na hradle výkonového tranzistoru MOSFET, dále klade požadavky na sevření stmívacího signálu v okolí oddělovacího transformátoru. Mnohé z těchto problémů jsou vyřešeny a výkon stmívacího rozhraní založeného na transformátoru se výrazně zlepšuje použitím hlavního regulátoru LED, který může generovat řízený čtvercový impuls a zajišťuje teplotní kompenzaci stmívacího signálu.
Stmívací rozhraní založené na optočlenu, které je znázorněno na obr. 2, je složitější než konstrukce založená na transformátoru, ale může být také přesnější. Kromě optočlenu vyžaduje předpětí a nejméně dva optické zesilovače. Sám generuje čtvercovou vlnu, čímž eliminuje některé problémy, které vznikají při použití řídicího signálu hradla výkonového tranzistoru MOSFET.
V obou obvodech rozhraní jsou parametry návrhu pevně dané a nelze je snadno měnit. Změny parametrů, jako je proud sink do stmívače, minimální pracovní cyklus (který určuje minimální programovací napětí na řídicí jednotce LED) a provozní režim stmívacího rozhraní, vyžadují přepracování návrhu.
Výhody zjednodušených návrhů obvodů pro stmívací rozhraní
Jak tomu často bývá v polovodičovém průmyslu, nejlepším způsobem, jak vyřešit problém návrhu obvodu, může být použití integrovaného obvodu, který je pro danou úlohu účelově vytvořen. Za předpokladu, že daná aplikace je dostatečně rozsáhlá, aby bylo možné takový integrovaný obvod navrhnout a vyrobit, může být výhodou vyšší výkon a nižší cena. A odvětví SSL se jistě rozrůstá natolik, že účelově konstruované IC jsou realizovatelné.
Obr. 3 ilustruje přístup, při kterém je velká část diskrétních prvků v návrhu založeném na optočlenu integrována do takového kompaktního IC, Infineon CDM10V. V podstatě všechny obvody zobrazené na levé straně optočlenu na obr. 2 jsou redukovány na tento integrovaný obvod.
Kromě zjednodušeného návrhu snižuje přístup s integrovaným obvodem náklady a velikost celého systému, snižuje náklady na montáž a zvyšuje spolehlivost. Programovatelné parametry také poskytují flexibilitu pro opakované použití návrhu obvodu při vývoji více svítidel. Jednorázově programovatelná nastavení zahrnují rezistorový proud, minimální pracovní cyklus, frekvenci signálu pulzně šířkové modulace a funkci stmívání do vypnutí. Nedaleká tabulka shrnuje programovatelné funkce. Integrovaný obvod lze dokonce nakonfigurovat v transparentním režimu pro přímý výstup zdrojového pulzně šířkově modulačního signálu.
Tento jednodušší přístup k obvodu rozhraní pro stmívání poskytuje flexibilitu v široké škále aplikací stmívání v průmyslovém a komerčním osvětlení, jako jsou troffery, downlighty, svícny, osvětlení pod skříňkami, kancelářské osvětlení a další. Obvod lze dokonce použít i pro aplikace mimo obecné osvětlení, například pro nápisy na bázi LED. Výrobce osvětlení by totiž mohl nasadit jeden hardwarový návrh pro celou platformu komerčních LED předřadníků, čímž by umožnil hromadné použití technologie stmívání.
ALI FAWAZ je senior staff application engineer ve společnosti Infineon Technologies Americas (infineon.com).