Kiinteän olomuodon valaisimet alkavat tuottaa pitkään luvattuja energiansäästöjä, selittää ALI FAWAZ, mutta laajentaakseen hyväksyntää kehittäjien on jatkossakin vähennettävä kustannuksia säätöpiiristä, kun taas himmennyksen kaltaisten ominaisuuksien on edelleen tuettava.
LED-pohjainen valaistus on alkanut vaikuttaa valaistukseen käytettyyn valtavaan energiamäärään maapallon kehittyneillä alueilla, mutta SSL-teknologialta (solid-state lighting) odotetaan vielä enemmän. SSL-valmistajien on edelleen alennettava lamppujen ja valaisimien kustannuksia, jotta ne voivat täyttää esimerkiksi ennusteet, joiden mukaan niiden osuus kaupallisessa valaistuksessa on yli 50 prosenttia tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. LED-ohjauksessa käytettävä elektroniikka on ensisijainen kohde kustannusten alentamispyrkimyksille, ja integrointi piisiru- tai IC-tasolla on keskittynyt auttamaan tämän tavoitteen saavuttamisessa. Elektroniikassa on kuitenkin oltava täysipainoinen himmennystuki, sillä himmennys voi vaikuttaa entisestään energiansäästöihin ja samalla parantaa työntekijöiden työympäristöä ja tunnelmallisuutta monissa sovelluksissa.
Kiinnostuitko artikkeleista & himmenninohjauksia koskevat ilmoitukset & SSL-elektroniikka?
Katsokaa vaikka edellä mainittua kaupallisen valaistuksen alaa. Worcester Polytechnic Instituten vuonna 2014 julkaiseman artikkelin mukaan valaistuksen osuus Yhdysvaltojen kaupallisten rakennusten sähköbudjetista on lähes puolet (349 TWh/v). Tällaiseen käyttömäärään liittyvät valtavat energiakustannukset merkitsevät sitä, että LED-pohjaisten lamppujen omistuskustannusetu riittää usein voittamaan markkinaosuuden uusissa hankkeissa. Kehittäjien on kuitenkin edelleen pyrittävä parantamaan toiminnallisuutta, joka alentaa alkuvaiheen hankintakustannuksia.
Optimize 0-10V dimming controls for efficient and cost-effective LED luminaires
Himmennyselektroniikka on SSL-valaisimien kehittäjille erityisen haastava alue. Vaikka LED itsessään on luonnostaan himmennettävissä, monet varhaisen sukupolven LED-lamput eivät olleet yhteensopivia perinteisten himmentimien kanssa. Lisäksi perinteiset kytkentätoimiset virtalähde-IC-ohjaimet osoittautuivat riittämättömiksi LED-liitäntälaitesovelluksiin. Tämän seurauksena LED-liitäntälaitteiden ohjain-IC-piireissä käytetään yhä useammin digitaalitekniikkaa, erityisesti IC:n himmenninosassa. Koska ohjain IC:hen on keskitytty, LED-ohjain IC:n ja himmentimen (himmennin) välinen rajapinta on jäänyt suurelta osin huomiotta. Hyvin suunniteltu ja vakaa himmenninliitäntä on ratkaisevan tärkeä tasaisen valonlaadun ja kaupallisissa ja teollisissa sovelluksissa tarvittavan luotettavuuden kannalta.
Menetelmiä 0-10V:n himmenninohjauksen integroimiseksi
Vaiheittaista himmenninohjausta käytetään yleisesti laajamittaisissa asuntosovelluksissa, mutta sen käyttöä kaupallisilla markkinoilla rajoittavat välkyntään liittyvät ongelmat. Kaupallisissa sisä- ja ulkotiloissa ja jopa korkealuokkaisissa asuinrakennusten valaistuksissa, joissa ei vaadita värin vaihtamista, monet valaistussuunnittelijat ja -suunnittelijat suosivat 0-10V-himmennystä. 0-10V-himmennysohjauksessa on kaksi menetelmää. Toisessa menetelmässä ohjain (himmennin) syöttää virtaa LED-ohjaimeen; tämä on määritelty ja tuettu ESTA E1.3 -standardissa, ja se on suositeltavin menetelmä teatteri- tai viihdetekniikan sovelluksissa.
Toisessa menetelmässä ohjain (himmennin) imee virtaa LED-ohjaimesta. Suhteellinen helppokäyttöisyys tekee tästä toisesta menetelmästä suositun mitä erilaisimmissa kaupallisissa sovelluksissa. Toisen menetelmän tärkeimmät tekniset eritelmät, jotka on määritelty teknisessä standardissa IEC60929 Annex E, ovat seuraavat:
– Vähimmäisnieluvirta himmennysohjaimeen (himmennin) on 10 μA ja enimmäisnieluvirta 2 mA.
– Missään olosuhteissa himmennysohjaimen (himmennin) liitäntäpiirin liittimiin ei saa syntyä jännitettä, joka on suurempi kuin +20 V, eikä se voi olla pienempi kuin -20 V. Ohjain/lisälaite ei saa vaurioitua, kun himmennysjännite on välillä +20V ja -20V.
– Liitäntäpiirin ohjausliitännät on suojattava käänteiseltä napaisuudelta. Jos liitännän ohjausliittimien napaisuus on käänteinen, lähtövalon pitäisi olla minimissään tai sammutettuna.
– Himmenninpiirin liitännän pitäisi tuottaa vakaa lähtövalo himmennyksen ohjausjännitteellä, joka on välillä 0-11V.
– Kun himmenninohjaimen (himmennin) signaalin jännite on 10V tai korkeampi, lähtövalon pitäisi olla maksimissaan. Kun himmennysohjaimen (himmennin) signaali on 1 V tai pienempi, lähtövalon pitäisi olla minimissä tai pois päältä.
– Jos ei käytetä himmennysohjainta (himmennintä), himmennysliittimet pidetään yleensä auki ja lähtövalon pitäisi olla maksimissaan. Jos himmenninliittimet on oikosuljettu, lähtövalon pitäisi olla minimissä.
– Himmenninliittimen syöttöjohto on violetti ja paluujohto harmaa.
Turvallisuuden vuoksi vaaditaan lisäksi kaksinkertainen tai vahvistettu eristys/eristäminen kaikilta vaarallisilta jännitteiltä, mukaan lukien syöttöjännite, kaikissa niissä tapauksissa, joissa himmenninohjaimen (himmenninohjaimen) virtapiiri on käyttäjän ulottuvilla. Eristäminen parantaa edelleen himmennystehoa pitämällä suuren kytkentäkohinan poissa himmennyssignaaleista.
Himmennysliitännän suunnittelun kehittäminen
Kahdessa aiemmassa kuvassa on esitetty tyypillisiä suunnitteluratkaisuja himmennysliitäntäpiiriä varten. Kuvassa 1 on muuntajaan perustuva himmenninliitäntäpiiri ja kuvassa 2 optokytkinpohjainen himmenninliitäntäpiiri. Molemmissa piireissä himmennyssignaali muunnetaan pulssiksi, jotta helpotetaan himmennyssignaaliin verrannollisen signaalin saamista rajan toisella puolella, jossa LED-IC-pääohjain sijaitsee. Pulssi keskiarvoistetaan yleensä ja syötetään LED-ohjaimen himmennystappiin.
Muuntajapohjainen himmennysliitäntä ei tarvitse biasjännitettä, mutta kärsii epätarkkuuksista lämpötilan muuttuessa. Lisäksi muuntaja on kallis ja vaatii suhteellisen suuren piirilevyn (PCB) jalanjäljen. Tarvitaan myös ulkoinen neliöaaltopulssi; tämä toteutetaan yleensä käyttämällä matalan puolen teho-MOSFETin porttiohjausta. Porttiohjaussignaalissa on nopeita nousu- ja laskureunoja, jotka voivat pahentaa sähkömagneettista häiriötä himmentimessä. Suuret jännitetransientit, pääasiassa ylijännite, teho-MOSFETin portilla asettavat lisäksi puristusvaatimuksia himmennyssignaalille eristysmuuntajan ympärillä. Monet näistä ongelmista on ratkaistu, ja muuntajaan perustuvan himmenninliitännän suorituskyky paranee merkittävästi käyttämällä pää-LED-ohjainta, joka pystyy tuottamaan hallitun neliöpulssin ja joka tarjoaa lämpötilakompensoinnin himmenninsignaalille.
Kuvassa 2 esitetty optokytkinpohjainen himmenninliitäntä on monimutkaisempi kuin muuntajaan perustuva rakenne, mutta se voi myös olla tarkempi. Se vaatii optokytkimen lisäksi biasjännitteen ja vähintään kaksi op-vahvistinta. Se tuottaa neliöaallon itse, mikä eliminoi osan niistä ongelmista, jotka liittyvät teho-MOSFETin portin ohjaussignaalin käyttöön.
Molemmissa liitäntäpiireissä suunnitteluparametrit on kiinnitetty tiettyyn spesifikaatioon, eikä niitä voi helposti muuttaa. Muutokset parametreissa, kuten nieluvirta himmentimeen, minimityösykli (joka määrittää pienimmän ohjelmointijännitteen LED-IC-ohjaimessa) ja himmennysliitännän toimintatila, vaativat kaikki uudelleensuunnittelua.
Himmennysliitäntöjen yksinkertaistetun piirisuunnittelun hyödyt
Kuten usein puolijohdeteollisuudessa on tapana, paras tapa ratkaista piirisuunnitteluun liittyvä ongelma voi olla integroitu elektroniikkapiiri (IC), joka on tarkoituksenmukaisesti rakennettu tehtäväänsä varten. Jos oletetaan, että kyseessä oleva sovellus on riittävän suuri tukemaan tällaisen IC:n suunnittelua ja valmistusta, hyötyjä voivat olla korkeampi suorituskyky ja alhaisemmat kustannukset. SSL-ala on varmasti kasvamassa siinä määrin, että tarkoitusta varten rakennetut IC:t ovat toteutettavissa.
Kuvassa 3 on esitetty lähestymistapa, jossa suuri osa optokytkinpohjaisen suunnittelun diskreeteistä elementeistä on integroitu tällaiseen kompaktiin IC:hen, Infineon CDM10V:hen. Käytännössä kaikki kuvassa 2 optokytkimen vasemmalla puolella esitetyt piirit on supistettu tähän IC:hen.
Yksinkertaistetun suunnittelun lisäksi IC-lähestymistapa pienentää kokonaisjärjestelmän kustannuksia ja kokoa, alentaa kokoonpanokustannuksia ja parantaa luotettavuutta. Ohjelmoitavat parametrit tarjoavat myös joustavuutta piirisuunnittelun uudelleenkäyttöön useissa valaisinkehityksissä. Kertaalleen ohjelmoitaviin asetuksiin kuuluvat vastusvirta, vähimmäistoimintasykli, pulssinleveysmodulaatiosignaalin taajuus ja himmennin pois päältä -toiminto. Viereisessä taulukossa on yhteenveto ohjelmoitavista ominaisuuksista. IC voidaan jopa konfiguroida läpinäkyvään tilaan lähteen pulssinleveysmodulaatiosignaalin suoraa ulostuloa varten.
Tämä yksinkertaisempi lähestymistapa himmenninliitäntäpiiriin tarjoaa joustavuutta monenlaisiin himmenninsovelluksiin teollisessa ja kaupallisessa valaistuksessa, kuten troffereissa, alasvalaisimissa, lampuissa, kaapin alla olevissa valaisimissa, toimistovalaistuksessa ja muissa. Piiriä voidaan käyttää jopa yleisvalaistuksen ulkopuolisissa sovelluksissa, kuten LED-pohjaisissa opasteissa. Valaistusvalmistaja voisi itse asiassa käyttää yhtä laitteistosuunnitelmaa koko kaupallisten LED-liitäntälaitteiden alustaa varten, mikä mahdollistaisi himmennystekniikan volyymikäytön.
ALI FAWAZ on vanhempi sovellusinsinööri Infineon Technologies Americas -yhtiössä (infineon.com).