Solid-State-Beleuchtung beginnt, die lange versprochenen Energieeinsparungen zu erzielen, erklärt ALI FAWAZ, aber um die Akzeptanz zu erhöhen, müssen die Entwickler weiterhin die Kosten für die Steuerschaltungen senken, während Funktionen wie Dimmen weiterhin unterstützt werden müssen.
LED-basierte Beleuchtung hat begonnen, den enormen Energieverbrauch für die Beleuchtung in den entwickelten Regionen der Welt zu beeinflussen, aber es wird noch mehr von der Solid-State Lighting (SSL) Technologie erwartet. Um die Prognosen zu erfüllen, wonach bis zum Ende dieses Jahrzehnts mehr als 50 % des gewerblichen Beleuchtungssektors durchdrungen sein werden, müssen die SSL-Hersteller die Kosten für die entsprechenden Lampen und Leuchten weiter senken. Die für die LED-Steuerung verwendete Elektronik ist ein Hauptziel für die Kostensenkungsbemühungen, und die Integration auf Siliziumchip- oder IC-Ebene ist darauf ausgerichtet, zur Erreichung dieses Ziels beizutragen. Dennoch muss die Elektronik über eine vollständige Dimmunterstützung verfügen, da das Dimmen weitere Energieeinsparungen bewirken und gleichzeitig eine bessere Umgebung für die Mitarbeiter schaffen und das Ambiente in vielen Anwendungen verbessern kann.
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Betrachten Sie doch einmal den bereits erwähnten Bereich der gewerblichen Beleuchtung. Laut einer 2014 vom Worcester Polytechnic Institute veröffentlichten Studie ist die Beleuchtung für fast die Hälfte (349 TWh/Jahr) des Stromverbrauchs von Gewerbegebäuden in den USA verantwortlich. Die enormen Energiekosten, die mit solchen Verbrauchswerten verbunden sind, bedeuten, dass der Betriebskostenvorteil von LED-basierten Lampen oft ausreicht, um bei neuen Projekten Marktanteile zu gewinnen. Dennoch müssen die Entwickler nach Verbesserungen der Funktionalität streben, um die Anschaffungskosten zu senken.
Optimierung der 0-10V-Dimmsteuerungen für effiziente und kostengünstige LED-Leuchten
Die Dimm-Elektronik ist ein besonders schwieriger Bereich für SSL-Entwickler. Obwohl die LED selbst von Natur aus dimmbar ist, waren viele frühe Generationen von LED-Lampen nicht mit herkömmlichen Dimmern kompatibel. Darüber hinaus erwiesen sich herkömmliche Schaltnetzteil-ICs als ungeeignet für LED-Vorschaltgeräteanwendungen. Infolgedessen verwenden die Controller-ICs für LED-Vorschaltgeräte zunehmend digitale Technologie, insbesondere im Dimmteil des ICs. Durch diese Konzentration auf den Controller-IC wurde die Schnittstelle zwischen dem LED-Controller-IC und der Dimmsteuerung (Dimmer) weitgehend vernachlässigt. Eine gut konzipierte und stabile Dimmschnittstelle ist entscheidend für eine gleichbleibende Lichtqualität und die Zuverlässigkeit, die für kommerzielle und industrielle Anwendungen erforderlich ist.
Methoden für die Integration einer 0-10-V-Dimmsteuerung
Während die phasengesteuerte Dimmung häufig für Massenanwendungen im Wohnbereich verwendet wird, gibt es Probleme im Zusammenhang mit dem inhärenten Flimmern, die ihre Verwendung auf kommerziellen Märkten einschränken. In kommerziellen Innen- und Außenbereichen und sogar in hochwertigen Wohngebäuden, in denen ein Farbwechsel nicht erforderlich ist, bevorzugen viele Beleuchtungsdesigner und Planer die 0-10-V-Dimmung. Es gibt zwei Methoden der 0-10V-Dimmsteuerung. Bei der einen Methode gibt die Steuerung (Dimmer) Strom an den LED-Treiber ab; diese Methode wird von der ESTA-Norm E1.3 definiert und unterstützt und ist eine bevorzugte Methode für Anwendungen in Theatern oder in der Unterhaltungstechnik.
Bei der zweiten Methode nimmt die Steuerung (Dimmer) Strom vom LED-Treiber ab. Die relativ einfache Handhabung macht diese zweite Methode für die meisten kommerziellen Anwendungen beliebt. Die wichtigsten technischen Spezifikationen für die zweite Methode, die in der technischen Norm IEC60929 Anhang E definiert sind, sind:
– Der minimale Sinkstrom zum Dimm-Controller (Dimmer) beträgt 10 μA und der maximale Sinkstrom 2 mA.
– Die Klemmen der Schnittstellenschaltung zum Dimm-Controller (Dimmer) dürfen unter keinen Umständen eine Spannung von mehr als +20 V oder weniger als -20 V erzeugen. Der Treiber/das Vorschaltgerät darf nicht beschädigt werden, wenn die Dimmspannung zwischen +20 V und -20 V liegt.
– Die Steuerklemmen der Schnittstellenschaltung müssen verpolungssicher sein. Im Falle einer Verpolung der Steuerklemmen der Schnittstelle sollte das Ausgangslicht minimal sein oder ausgeschaltet werden.
– Die Schnittstelle der Dimmschaltung sollte ein stabiles Ausgangslicht für eine Dimmsteuerspannung zwischen 0-11V erzeugen.
– Wenn das Signal des Dimmcontrollers (Dimmer) 10V oder höher ist, sollte das Ausgangslicht maximal sein. Wenn das Signal des Dimm-Controllers (Dimmer) 1V oder weniger beträgt, sollte das Ausgangslicht minimal oder ausgeschaltet sein.
– Wenn kein Dimm-Controller (Dimmer) verwendet wird, werden die Dimmklemmen normalerweise offen gehalten und das Ausgangslicht sollte maximal sein. Werden die Dimmerklemmen kurzgeschlossen, sollte das Ausgangslicht minimal sein.
– Die Zuleitung der Dimmerklemme ist violett und die Rückleitung ist grau.
Außerdem ist eine doppelte oder verstärkte Isolierung/Isolierung von allen gefährlichen Spannungen, einschließlich der Eingangsspannung, aus Sicherheitsgründen in allen Fällen erforderlich, in denen der Schaltkreis der Dimmersteuerung (Dimmer) für den Benutzer zugänglich ist. Durch die Isolierung wird die Dimmleistung weiter verbessert, da hohe Schaltgeräusche von den Dimmsignalen ferngehalten werden.
Entwürfe für eine Dimmschnittstelle entwickeln
Zwei frühere Abbildungen zeigen typische Entwurfslösungen für eine Dimmschnittstellenschaltung. Abb. 1 ist eine Dimmschnittstellenschaltung auf Transformatorbasis und Abb. 2 zeigt eine Dimmschnittstellenschaltung auf Optokopplerbasis. In beiden Schaltungen wird das Dimmersignal in einen Impuls umgewandelt, damit auf der anderen Seite der Grenze, wo sich der Haupt-LED-IC-Controller befindet, ein zum Dimmsignal proportionales Signal zur Verfügung steht. Der Impuls wird in der Regel gemittelt und dem Dimm-Pin des LED-Controllers zugeführt.
Die transformatorbasierte Dimmschnittstelle benötigt keine Vorspannung, leidet aber unter Ungenauigkeiten bei Temperaturänderungen. Außerdem ist der Transformator kostspielig und erfordert eine relativ große Leiterplattenfläche. Außerdem wird ein externer Rechteckimpuls benötigt, der in der Regel über die Gate-Ansteuerung eines Low-Side-Leistungs-MOSFETs realisiert wird. Das Gate-Treibersignal hat schnelle Anstiegs- und Abfallflanken, die die EMI am Dimmer verstärken können. Hohe Spannungstransienten, vor allem Überspannungen, am Gate des Leistungs-MOSFET erzwingen zudem eine Begrenzung des Dimmsignals um den Isolationstransformator. Viele dieser Probleme werden gelöst, und die Leistung der auf einem Transformator basierenden Dimmschnittstelle wird durch die Verwendung eines Haupt-LED-Controllers, der einen kontrollierten Rechteckimpuls erzeugen kann und eine Temperaturkompensation für das Dimmsignal bietet, erheblich verbessert.
Die in Abb. 2 gezeigte, auf einem Optokoppler basierende Dimmschnittstelle ist komplexer als ein auf einem Transformator basierendes Design, kann aber auch genauer sein. Es erfordert eine Vorspannung und mindestens zwei Operationsverstärker zusätzlich zum Optokoppler. Sie erzeugt die Rechteckwelle selbst und vermeidet damit einige der Probleme, die mit der Verwendung des Gate-Treibersignals des Leistungs-MOSFET verbunden sind.
Bei beiden Schnittstellenschaltungen sind die Entwurfsparameter auf eine bestimmte Spezifikation festgelegt und können nicht ohne weiteres geändert werden. Änderungen von Parametern wie dem Sinkstrom in den Dimmer, dem minimalen Tastverhältnis (das die minimale Programmierspannung am LED-IC-Controller bestimmt) und dem Betriebsmodus der Dimmschnittstelle erfordern ein Redesign.
Vorteile vereinfachter Schaltungsentwürfe für Dimmschnittstellen
Wie in der Halbleiterindustrie üblich, kann der beste Weg zur Lösung eines Schaltungsentwurfsproblems in einem IC bestehen, der speziell für die jeweilige Aufgabe entwickelt wurde. Wenn die betreffende Anwendung groß genug ist, um den Entwurf und die Herstellung eines solchen ICs zu unterstützen, können die Vorteile in höherer Leistung und niedrigeren Kosten liegen. Und der SSL-Sektor wächst sicherlich so weit, dass speziell angefertigte ICs machbar sind.
Abbildung 3 zeigt einen Ansatz, bei dem ein großer Teil der diskreten Elemente im Optokoppler-basierten Design in einen solchen kompakten IC, den Infineon CDM10V, integriert sind. Im Wesentlichen ist die gesamte Schaltung auf der linken Seite des Optokopplers in Abb. 2 auf diesen IC reduziert.
Neben dem vereinfachten Design reduziert der IC-Ansatz die Kosten und Größe des Gesamtsystems, senkt die Montagekosten und verbessert die Zuverlässigkeit. Programmierbare Parameter bieten außerdem die Flexibilität, das Schaltungsdesign in mehreren Leuchtenentwicklungen wiederzuverwenden. Zu den einmalig programmierbaren Einstellungen gehören der Widerstandsstrom, das minimale Tastverhältnis, die Frequenz des Pulsweitenmodulationssignals und die Dimm-zu-Aus-Funktion. Die nebenstehende Tabelle gibt einen Überblick über die programmierbaren Funktionen. Der IC kann sogar in einem transparenten Modus für die direkte Ausgabe eines Pulsweitenmodulationssignals konfiguriert werden.
Dieser einfachere Ansatz für eine Dimmschnittstellenschaltung bietet Flexibilität für eine breite Palette von Dimmanwendungen in der industriellen und kommerziellen Beleuchtung, wie z. B. Trofere, Downlights, Wandleuchten, Unterschrankbeleuchtung, Bürobeleuchtung und mehr. Die Schaltung kann sogar für Anwendungen außerhalb der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden, z. B. für LED-basierte Beschilderungen. Beleuchtungshersteller könnten ein einziges Hardware-Design für eine ganze Plattform kommerzieller LED-Vorschaltgeräte einsetzen und so eine Massenanwendung der Dimmtechnologie ermöglichen.
ALI FAWAZ ist Senior Staff Application Engineer bei Infineon Technologies Americas (infineon.com).