L’éclairage à semi-conducteurs commence à réaliser les économies d’énergie promises depuis longtemps, explique ALI FAWAZ, mais pour élargir l’adoption, les développeurs doivent continuer à réduire le coût des circuits de commande, tandis que des caractéristiques telles que la gradation doivent encore être prises en charge.
L’éclairage à base de LED a commencé à avoir un impact sur l’énorme quantité d’énergie utilisée pour l’éclairage dans les régions développées du globe, mais on attend davantage de la technologie d’éclairage à semi-conducteurs (SSL). Pour répondre aux prévisions, par exemple, d’une pénétration de plus de 50 % du secteur de l’éclairage commercial d’ici la fin de la décennie, les fabricants de SSL doivent réduire davantage les coûts des lampes et des luminaires associés. L’électronique utilisée pour le contrôle des LED est une cible de choix pour les efforts de réduction des coûts, et l’intégration au niveau de la puce de silicium ou du circuit intégré vise à atteindre cet objectif. Pourtant, l’électronique doit être complète avec un support de gradation, car la gradation peut avoir un impact supplémentaire sur les économies d’énergie tout en offrant un meilleur environnement pour les travailleurs et en améliorant l’ambiance dans de nombreuses applications.
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Envisagez le secteur de l’éclairage commercial susmentionné. Selon un article publié en 2014 par le Worcester Polytechnic Institute, l’éclairage représente près de la moitié (349 TWh/an) du budget électricité des bâtiments commerciaux aux États-Unis. L’énorme coût énergétique associé à de tels niveaux d’utilisation signifie que l’avantage du coût de possession des lampes à base de LED est souvent suffisant pour gagner des parts de marché dans les nouveaux projets. Mais les développeurs doivent encore s’efforcer d’améliorer les fonctionnalités qui réduisent les coûts d’acquisition initiaux.
Optimiser les commandes de gradation 0-10V pour des luminaires LED efficaces et rentables
L’électronique de gradation est un domaine particulièrement difficile pour les développeurs de SSL. Bien que la LED elle-même soit intrinsèquement gradable, de nombreuses premières générations de lampes LED n’étaient pas compatibles avec les gradateurs conventionnels. De plus, les contrôleurs traditionnels des circuits intégrés d’alimentation à découpage se sont avérés inadéquats pour les applications de ballast à LED. Par conséquent, les circuits intégrés de contrôle des ballasts à DEL utilisent de plus en plus la technologie numérique, surtout dans la partie gradation du circuit intégré. Avec cette concentration sur le circuit intégré du contrôleur, l’interface entre le circuit intégré du contrôleur de DEL et la commande de gradation (gradateur) a été largement ignorée. Une interface de gradation bien conçue et stable est essentielle pour une qualité de lumière constante et pour atteindre la fiabilité nécessaire aux applications commerciales et industrielles.
Méthodes d’incorporation de la commande de gradation 0-10V
Bien que la gradation à coupure de phase soit couramment utilisée pour les applications résidentielles de masse, il existe des problèmes autour du scintillement inhérent qui limitent son utilisation sur les marchés commerciaux. Dans les scénarios commerciaux intérieurs et extérieurs, et même dans l’éclairage résidentiel haut de gamme où le changement de couleur n’est pas nécessaire, la gradation 0-10V est préférée par de nombreux concepteurs et prescripteurs d’éclairage. Il existe deux méthodes de contrôle de la gradation 0-10V. Dans une méthode, le contrôleur (gradateur) fournit du courant au pilote de DEL ; cette méthode est définie et prise en charge par la norme ESTA E1.3 et est une méthode privilégiée dans les applications de technologie de théâtre ou de divertissement.
Dans la deuxième méthode, le contrôleur (gradateur) absorbe le courant du pilote de DEL. La facilité d’utilisation relative rend cette deuxième méthode populaire pour la plus large gamme d’applications commerciales. Les spécifications techniques clés de la deuxième méthode, qui sont définies dans la norme technique IEC60929 Annexe E, sont :
– Le courant d’absorption minimum vers le contrôleur de gradation (gradateur) est de 10 μA et le courant d’absorption maximum est de 2 mA.
– En aucun cas, les bornes du circuit d’interface vers le contrôleur de gradation (gradateur) ne doivent produire une tension supérieure à +20V ni ne peuvent être inférieures à -20V. Le driver/ballast ne doit pas être endommagé lorsque la tension de gradation est comprise entre +20V et -20V.
– Les bornes de commande du circuit d’interface doivent être protégées contre les inversions de polarité. En cas d’inversion de polarité des bornes de commande de l’interface, la lumière de sortie doit être au minimum ou éteinte.
– L’interface du circuit de gradation doit produire une lumière de sortie stable pour une tension de commande de gradation comprise entre 0 et 11V.
– Lorsque le signal du contrôleur de gradation (gradateur) est de 10V ou plus, la lumière de sortie doit être au maximum. Lorsque le signal du contrôleur de gradation (gradateur) est de 1V ou moins, la lumière de sortie doit être au minimum ou éteinte.
– Si aucun contrôleur de gradation (gradateur) n’est utilisé, les bornes de gradation sont généralement maintenues ouvertes et la lumière de sortie doit être au maximum. Si les bornes de gradation sont court-circuitées, la lumière de sortie doit être au minimum.
– Le fil d’alimentation de la borne de gradation est violet et le retour est gris.
En outre, une isolation/isolation double ou renforcée de toutes les tensions dangereuses, y compris la tension d’entrée, est requise pour la sécurité dans tous les cas où le circuit du contrôleur de gradation (gradateur) est accessible à l’utilisateur. L’isolation améliore encore les performances de gradation en éloignant les bruits de commutation élevés des signaux de gradation.
Développement de conceptions pour une interface de gradation
Deux figures précédentes montrent des solutions de conception typiques pour un circuit d’interface de gradation. La figure 1 est un circuit d’interface de gradation à base de transformateur et la figure 2 montre un circuit d’interface de gradation à base d’optocoupleur. Dans les deux circuits, le signal de gradation est converti en une impulsion pour faciliter l’obtention d’un signal proportionnel au signal de gradation de l’autre côté de la frontière où se trouve le contrôleur principal du circuit intégré de LED. L’impulsion est généralement moyennée et alimentée à la broche de gradation du contrôleur de LED.
L’interface de gradation basée sur un transformateur n’a pas besoin d’une tension de polarisation mais souffre d’imprécisions sur le changement de température. De plus, le transformateur est coûteux et exige une empreinte de PCB (circuit imprimé) relativement importante. Une impulsion carrée externe est également nécessaire ; elle est généralement mise en œuvre en utilisant la commande de grille d’un MOSFET de puissance côté bas. Le signal de commande de grille présente des fronts de montée et de descente rapides qui peuvent exacerber les interférences électromagnétiques au niveau du gradateur. Les transitoires de haute tension, principalement la surtension, au niveau de la grille du MOSFET de puissance imposent en outre des exigences de verrouillage sur le signal de gradation autour du transformateur d’isolement. Bon nombre de ces problèmes sont résolus et les performances de l’interface de gradation à base de transformateur sont considérablement améliorées par l’utilisation d’un contrôleur principal de LED qui peut générer une impulsion carrée contrôlée et fournir une compensation de température pour le signal de gradation.
L’interface de gradation à base d’opto-coupleur illustrée à la figure 2 est plus complexe qu’une conception à base de transformateur mais peut également être plus précise. Elle nécessite une tension de polarisation et au moins deux op-amps en plus de l’opto-coupleur. Il génère l’onde carrée par lui-même, éliminant certains des problèmes qui viennent avec l’utilisation du signal de commande de grille du MOSFET de puissance.
Dans les deux circuits d’interface, les paramètres de conception sont fixés à une spécification donnée et ne sont pas facilement modifiables. Les changements de paramètres tels que le courant d’absorption dans le gradateur, le rapport cyclique minimal (qui détermine la tension de programmation minimale au niveau du contrôleur du circuit intégré à DEL) et le mode opérationnel de l’interface de gradation nécessitent tous une nouvelle conception.
Bénéfices des conceptions de circuit simplifiées pour les interfaces de gradation
Comme c’est souvent le cas dans l’industrie des semi-conducteurs, la meilleure façon de résoudre un problème de conception de circuit peut être par le biais d’un circuit intégré qui est construit spécialement pour la tâche à accomplir. En supposant que l’application en question soit suffisamment importante pour supporter la conception et la fabrication d’un tel circuit intégré, les avantages peuvent inclure des performances supérieures et un coût inférieur. Et le secteur SSL est certainement en train de se développer au point de rendre réalisables les CI construits sur mesure.
La figure 3 illustre une approche dans laquelle une grande partie des éléments discrets de la conception basée sur l’opto-coupleur sont intégrés dans un tel CI compact, le CDM10V d’Infineon. Essentiellement, tous les circuits représentés sur le côté gauche de l’opto-coupleur de la figure 2 sont réduits à ce CI.
En plus d’une conception simplifiée, l’approche CI réduit le coût et la taille du système global, diminue les coûts d’assemblage et améliore la fiabilité. Les paramètres programmables offrent également la souplesse nécessaire pour réutiliser la conception du circuit dans de multiples développements de luminaires. Les paramètres programmables une seule fois comprennent le courant de la résistance, le rapport cyclique minimum, la fréquence du signal de modulation de largeur d’impulsion et la fonctionnalité de gradation à l’extinction. Le tableau ci-contre résume les fonctions programmables. Le circuit intégré peut même être configuré dans un mode transparent pour la sortie directe d’un signal de modulation de largeur d’impulsion de la source.
Cette approche plus simple d’un circuit d’interface de gradation offre une flexibilité dans une large gamme d’applications de gradation dans l’éclairage industriel et commercial, comme les troffers, les downlights, les appliques, l’éclairage sous les armoires, l’éclairage de bureau, et plus encore. Le circuit pourrait même être utilisé pour des applications autres que l’éclairage général, comme la signalisation à base de LED. En effet, le fabricant d’éclairage pourrait déployer une conception matérielle pour toute une plateforme de ballasts LED commerciaux, permettant ainsi une application en volume de la technologie de gradation.
ALI FAWAZ est senior staff application engineer chez Infineon Technologies Americas (infineon.com).