Solid-state-belysning er begyndt at levere de længe lovede energibesparelser, forklarer ALI FAWAZ, men for at udvide udbredelsen er udviklerne nødt til fortsat at reducere omkostningerne ved styringskredsløbet, mens funktioner som f.eks. dæmpning stadig skal understøttes.
LED-baseret belysning er begyndt at få indflydelse på den enorme mængde energi, der bruges til belysning i de udviklede regioner i verden, men der forventes mere af solid-state-belysningsteknologien (SSL). For at opfylde prognoserne om f.eks. en penetration på mere end 50 % af den kommercielle belysningssektor inden udgangen af dette årti skal SSL-producenterne yderligere reducere omkostningerne til de tilhørende lamper og armaturer. Den elektronik, der anvendes til LED-styring, er et vigtigt mål for bestræbelserne på at reducere omkostningerne, og integrationen på siliciumchip- eller IC-niveau er fokuseret på at bidrage til at nå dette mål. Alligevel skal elektronikken være fuldt udstyret med understøttelse af dæmpning, da dæmpning yderligere kan påvirke energibesparelserne og samtidig give et bedre miljø for arbejdstagerne og forbedre stemningen i mange applikationer.
Interesseret i artikler & meddelelser om dæmpningsstyring & SSL-elektronik?
Tænk blot på den førnævnte sektor for kommerciel belysning. Ifølge et dokument, der blev offentliggjort i 2014 af Worcester Polytechnic Institute, tegner belysning sig for næsten halvdelen (349 TWh/år) af elektricitetsbudgettet for kommercielle bygninger i USA. De enorme energiomkostninger, der er forbundet med sådanne forbrugsniveauer, betyder, at LED-baserede lampers fordel med hensyn til ejeromkostningerne ofte er tilstrækkelig til at vinde markedsandele i nye projekter. Men udviklerne må stadig stræbe efter forbedringer i funktionaliteten, der sænker de indledende anskaffelsesomkostninger.
Optimering af 0-10V-dæmpningsstyring til effektive og omkostningseffektive LED-armaturer
Dæmpningselektronikken er et særligt udfordrende område for SSL-udviklere. Selv om LED i sig selv er dæmpbar i sig selv, var mange af de tidlige generationer af LED-lamper ikke kompatible med konventionelle lysdæmpere. Desuden viste traditionelle switch-mode strømforsynings-IC-controllere sig at være utilstrækkelige til LED-ballastanvendelser. Som følge heraf anvendes der i stigende grad digital teknologi i controller-IC’er til LED-ballaster, især i IC’ets dæmpningsdel. Med denne koncentration på controller-IC’et er grænsefladen mellem LED-controller-IC’et og dæmpningsstyringen (lysdæmperen) stort set blevet ignoreret. En veludformet og stabil dæmpningsgrænseflade er afgørende for en ensartet lyskvalitet og for at opnå den pålidelighed, der er nødvendig for kommercielle og industrielle applikationer.
Metoder til inkorporering af 0-10V-dæmpningsstyring
Mens faseskæringsdæmpning almindeligvis anvendes til massevis af boliger, er der problemer med iboende flimmer, der begrænser dens anvendelse på kommercielle markeder. I kommercielle indendørs og udendørs scenarier og selv i high-end boligbelysning, hvor farveskift ikke er påkrævet, foretrækkes 0-10V-dæmpning af mange belysningsdesignere og -fortegnere. Der findes to metoder til styring af 0-10V-dæmpning. Ved den ene metode leverer controlleren (lysdæmperen) strøm til LED-driveren; denne metode er defineret og understøttet af ESTA E1.3-standarden og er en foretrukken metode i teater- eller underholdningsteknologiske applikationer.
Den anden metode er, at controlleren (lysdæmperen) aftager strøm fra LED-driveren. Den relative brugervenlighed gør denne anden metode populær til den bredeste vifte af kommercielle anvendelser. De vigtigste tekniske specifikationer for den anden metode, som er defineret i den tekniske standard IEC60929, bilag E, er:
– Mindste strøm til dæmpningscontrolleren (lysdæmperen) er 10 μA, og den maksimale strøm er 2 mA.
– Grænsefladekredsløbets terminaler til dæmpningscontrolleren (lysdæmperen) må under ingen omstændigheder producere en spænding på over +20 V og må heller ikke være under -20 V. Driveren/ballasten må ikke blive beskadiget, når dæmpespændingen er mellem +20V og -20V.
– Grænsefladekredsløbets kontrolterminaler skal være beskyttet mod omvendt polaritet. I tilfælde af omvendt polaritet af grænsefladens kontrolterminaler skal udgangslyset være mindst eller slukket.
– Grænsefladen til dæmpningskredsløbet skal producere stabilt udgangslys for en dæmpningsstyrespænding mellem 0-11V.
– Når signalet fra dæmpningscontrolleren (lysdæmperen) er 10V eller højere, skal udgangslyset være maksimalt. Når signalet fra lysdæmpningscontrolleren (lysdæmperen) er 1V eller lavere, skal udgangslyset være på minimum eller slukket.
– Hvis der ikke anvendes nogen lysdæmpningscontroller (lysdæmper), holdes lysdæmpningsterminalerne normalt åbne, og udgangslyset skal være på maksimum. Hvis dæmpeterminalerne er kortsluttet, skal udgangslyset være på minimum.
– Dæmpeterminalens forsyningsledning er lilla, og returledningen er grå.
Der kræves desuden dobbelt eller forstærket isolering/isolering fra alle farlige spændinger, herunder indgangsspændingen, af sikkerhedshensyn i alle tilfælde, hvor der er adgang for brugeren til kredsløbene i dæmpningscontrolleren (lysdæmperen). Isolation forbedrer yderligere dæmpningsydelsen ved at holde høj koblingsstøj væk fra dæmpningssignalerne.
Udvikling af design til en dæmpningsgrænseflade
To tidligere figurer viser typiske designløsninger for et dæmpningsgrænsefladekredsløb. Fig. 1 er et transformatorbaseret dæmpningsgrænsefladekredsløb og fig. 2 viser et optokoblerbaseret dæmpningsgrænsefladekredsløb. I begge kredsløb omdannes dæmpningssignalet til en impuls for at gøre det lettere at få et signal, der er proportionalt med dæmpningssignalet, på den anden side af grænsen, hvor den primære LED-IC-controller befinder sig. Impulsen er normalt midlet og føres til LED-controllerens dæmpningsstift.
Den transformerbaserede dæmpningsgrænseflade har ikke brug for en bias-spænding, men lider under unøjagtigheder i forbindelse med temperaturændringer. Desuden er transformeren dyr og kræver et relativt stort printkort (printplade). Der er også behov for en ekstern firkantet bølgeimpuls; dette gennemføres normalt ved at bruge gate-drevet af en low-side power MOSFET. Gate-drev-signalet har hurtige stignings- og faldflader, som kan forværre EMI ved lysdæmperen. Høje spændingstransienter, primært overspænding, ved power MOSFET’ens gate stiller yderligere krav om klemning af dæmpningssignalet omkring isolationstransformatoren. Mange af disse problemer er løst, og ydeevnen af den transformerbaserede dæmpningsgrænseflade forbedres betydeligt ved brug af en LED-hovedcontroller, der kan generere en kontrolleret firkantet puls og giver temperaturkompensation for dæmpningssignalet.
Den optokoblerbaserede dæmpningsgrænseflade, der er vist i fig. 2, er mere kompleks end en transformerbaseret konstruktion, men kan også være mere præcis. Det kræver en bias-spænding og mindst to op-ampere ud over opto-kobleren. Den genererer selv firkantbølgen, hvilket eliminerer nogle af de problemer, der følger med brugen af power MOSFET’ens gate-drev-signal.
I begge grænsefladekredsløb er designparametrene fastlåste til en given specifikation og kan ikke let ændres. Ændringer i parametre som f.eks. sinkstrøm til lysdæmperen, mindste duty cycle (som bestemmer den mindste programmeringsspænding ved LED-IC-controlleren) og lysdæmpningsgrænsefladens driftstilstand kræver alle et nyt design.
Fordele ved forenklede kredsløbsdesigns til lysdæmpningsgrænseflader
Som det ofte er tilfældet i halvlederindustrien, kan den bedste måde at løse et kredsløbsdesignproblem på være gennem et IC, der er bygget specielt til den pågældende opgave. Hvis det antages, at den pågældende applikation er tilstrækkelig stor til at understøtte design og fremstilling af et sådant IC, kan fordelene omfatte højere ydeevne og lavere omkostninger. Og SSL-sektoren vokser helt sikkert i en sådan grad, at specialbyggede IC’er er mulige.
Figur 3 illustrerer en fremgangsmåde, hvor en stor del af de diskrete elementer i det opto-koblerbaserede design er integreret i et sådant kompakt IC, Infineons CDM10V. I det væsentlige er alle de kredsløb, der er vist på venstre side af optokobleren i fig. 2, reduceret til dette IC.
Ud over at forenkle designet reducerer IC-tilgangen omkostningerne og størrelsen af det samlede system, sænker monteringsomkostningerne og forbedrer pålideligheden. Programmerbare parametre giver også fleksibilitet til at genbruge kredsløbsdesignet i flere armaturudviklinger. Engangsprogrammerbare indstillinger omfatter modstandsstrøm, minimum duty cycle, pulsbreddemodulationssignalfrekvens og dim-to-off-funktionalitet. Den nærliggende tabel opsummerer de programmerbare funktioner. IC’et kan endda konfigureres i en transparent tilstand til direkte output af et kildepulsbreddemodulationssignal.
Denne enklere tilgang til et dæmpningsgrænsefladekredsløb giver fleksibilitet på tværs af en lang række dæmpningsapplikationer inden for industriel og kommerciel belysning som f.eks. troffere, downlights, sconces, underskabsbelysning, kontorbelysning og meget mere. Kredsløbet kan endda bruges til anvendelser uden for almindelig belysning som f.eks. LED-baseret skiltning. En belysningsproducent kunne således anvende et enkelt hardwaredesign til en hel platform af kommercielle LED-ballaster og dermed muliggøre volumenanvendelse af dæmpningsteknologien.
ALI FAWAZ er senior staff application engineer hos Infineon Technologies Americas (infineon.com).