A szilárdtest-világítás kezdi elérni a régóta ígért energiamegtakarítást, magyarázza ALI FAWAZ, de az elfogadás kiterjesztéséhez a fejlesztőknek tovább kell csökkenteniük a költségeket a vezérlő áramkörökből, miközben az olyan funkciókat, mint a dimmelés, továbbra is támogatni kell.
A LED-alapú világítás elkezdte befolyásolni a világ fejlett régióiban a világításra felhasznált hatalmas energiamennyiséget, de a szilárdtest-világítási (SSL) technológiától még többet várnak. Ahhoz, hogy az előrejelzések szerint például az évtized végére a kereskedelmi világítási ágazatban 50%-nál nagyobb mértékű lesz az elterjedés, az SSL-gyártóknak tovább kell csökkenteniük a kapcsolódó lámpák és lámpatestek költségeit. A LED-vezérléshez használt elektronika a költségcsökkentési erőfeszítések elsődleges célpontja, és a szilíciumchip- vagy IC-szintű integráció e cél elérésének elősegítésére összpontosít. Az elektronikának azonban teljes körűen támogatnia kell a fényerőszabályozást, mivel a fényerőszabályozás tovább növelheti az energiamegtakarítást, miközben számos alkalmazásban jobb környezetet biztosít a dolgozók számára és javítja a hangulatot.
Az SSL-elektronikával kapcsolatos & bejelentések a fényerőszabályozásról & cikkek
Az előbb említett kereskedelmi világítási ágazatra gondolva. A Worcester Polytechnic Institute 2014-ben közzétett tanulmánya szerint az Egyesült Államokban a kereskedelmi épületek villamosenergia-költségvetésének közel felét (349 TWh/év) a világítás teszi ki. Az ilyen felhasználási szintekhez kapcsolódó hatalmas energiaköltségek azt jelentik, hogy a LED-alapú lámpák tulajdonlási költségelőnye gyakran elegendő ahhoz, hogy piaci részesedést szerezzenek az új projekteknél. A fejlesztőknek azonban továbbra is törekedniük kell olyan funkcionalitásbeli fejlesztésekre, amelyek csökkentik az előzetes beszerzési költségeket.
A 0-10V-os fényerőszabályozás optimalizálása a hatékony és költséghatékony LED-es lámpatestekhez
A fényerőszabályozó elektronika különösen nagy kihívást jelent az SSL-fejlesztők számára. Annak ellenére, hogy maga a LED eredendően dimmelhető, a LED-lámpák számos korai generációja nem volt kompatibilis a hagyományos dimmerekkel. Ráadásul a hagyományos kapcsolóüzemű tápegység IC-vezérlők alkalmatlannak bizonyultak a LED-es előtétes alkalmazásokhoz. Ennek eredményeképpen a LED-es előtétek vezérlő IC-i egyre inkább digitális technológiát használnak, különösen az IC dimmelő részében. A vezérlő IC-re való összpontosítással a LED-vezérlő IC és a fényerőszabályozó (dimmer) közötti interfészt nagyrészt figyelmen kívül hagyták. A jól megtervezett és stabil dimmelési interfész kritikus fontosságú az egyenletes fényminőséghez és a kereskedelmi és ipari alkalmazásokhoz szükséges megbízhatóság eléréséhez.
Módszerek a 0-10V-os dimmelésvezérlés beépítésére
Míg a fázisvágásos dimmelést általában a tömegpiaci lakossági alkalmazásokban használják, a kereskedelmi piacokon való használatát korlátozza a velejáró villogás problémája. A kereskedelmi beltéri és kültéri forgatókönyvekben, sőt, még a magas színvonalú lakossági világításban is, ahol nincs szükség színváltoztatásra, sok világítástervező és tervező a 0-10V dimmelést részesíti előnyben. A 0-10V-os fényerőszabályozásnak kétféle módszere van. Az egyik módszer szerint a vezérlő (dimmer) áramot ad a LED-meghajtónak; ezt az ESTA E1.3 szabvány határozza meg és támogatja, és ez a színházi vagy szórakoztató technológiai alkalmazásokban kedvelt módszer.
A második módszer szerint a vezérlő (dimmer) áramot vesz el a LED-meghajtóból. A relatív könnyű kezelhetőség miatt ez a második módszer a kereskedelmi alkalmazások legszélesebb körében népszerű. A második módszerre vonatkozó legfontosabb műszaki előírások, amelyeket az IEC60929 E. melléklet műszaki szabványa határoz meg, a következők:
– A dimmervezérlő (dimmer) felé a minimális elszívóáram 10 μA, a maximális elszívóáram pedig 2 mA.
– A dimmervezérlő (dimmer) interfész áramköri csatlakozói semmilyen körülmények között nem adhatnak +20V-nál nagyobb és -20V-nál kisebb feszültséget. A vezérlő/előtét nem károsodhat, ha a dimmelési feszültség +20V és -20V között van.
– Az interfészáramkör vezérlőcsatlakozóinak fordított polaritású védelemmel kell rendelkezniük. Az interfész vezérlőcsatlakozók fordított polaritása esetén a kimeneti fénynek minimálisnak kell lennie vagy ki kell kapcsolnia.
– A dimmelő áramkör interfészének stabil kimeneti fényt kell produkálnia 0-11V közötti dimmelő vezérlőfeszültség esetén.
– Ha a dimmelő vezérlő (dimmer) jele 10V vagy magasabb, a kimeneti fénynek maximálisnak kell lennie. Ha a dimmervezérlő (dimmer) jele 1V vagy annál alacsonyabb, a kimeneti fénynek minimálisnak vagy kikapcsoltnak kell lennie.
– Ha nem használnak dimmervezérlőt (dimmer), a dimmerkapcsokat általában nyitva tartják, és a kimeneti fénynek maximálisnak kell lennie. Ha a dimmerkapcsokat rövidre zárják, a kimeneti fénynek minimálisnak kell lennie.
– A dimmerkapocs tápkábele lila, a visszatérő pedig szürke.
A biztonság érdekében minden olyan esetben, amikor a dimmervezérlő (dimmer) áramköre a felhasználó számára hozzáférhető, dupla vagy megerősített szigetelés/szigetelés szükséges minden veszélyes feszültségtől, beleértve a bemeneti feszültséget is. Az izolálás tovább javítja a dimmelési teljesítményt azáltal, hogy a magas kapcsolási zajt távol tartja a dimmelő jelektől.
Dimmelő interfész tervezése
A két korábbi ábra egy dimmelő interfész áramkör tipikus tervezési megoldásait mutatja be. Az 1. ábra egy transzformátor-alapú dimmelő interfész áramkört, a 2. ábra pedig egy optocsatlakozó-alapú dimmelő interfész áramkört mutat. Mindkét áramkörben a dimmer jelet impulzussá alakítják, hogy megkönnyítsék, hogy a dimmelő jellel arányos jel legyen a határvonal másik oldalán, ahol a fő LED IC vezérlő található. Az impulzust általában átlagolják és a LED-vezérlő dimmelőtüskéjére táplálják.
A transzformátor-alapú dimmelő interfésznek nincs szüksége előfeszítésre, de a hőmérsékletváltozás során pontatlanságoktól szenved. Ráadásul a transzformátor költséges és viszonylag nagy PCB (nyomtatott áramköri lap) alapterületet igényel. Külső négyszögimpulzusra is szükség van; ezt általában egy low-side teljesítmény MOSFET kapu meghajtójának felhasználásával valósítják meg. A kapu meghajtó jelnek gyors emelkedő és süllyedő élei vannak, amelyek súlyosbíthatják az EMI-t a fényerőszabályzónál. A nagyfeszültségű tranziensek, elsősorban a túlfeszültség, a teljesítmény-MOSFET kapujánál további szorítási követelményeket támasztanak a szigetelőtranszformátor körül a fényerőszabályozó jelre. E problémák közül számos megoldott, és a transzformátor-alapú dimmelő interfész teljesítménye jelentősen javul egy olyan fő LED-vezérlő használatával, amely képes vezérelt négyzetimpulzust generálni, és hőmérséklet-kompenzációt biztosít a dimmelő jelhez.
A 2. ábrán látható optocsatlakozó-alapú dimmelő interfész bonyolultabb, mint a transzformátor-alapú kialakítás, de pontosabb is lehet. Az optocsatlakozón kívül előfeszítésre és legalább két op-erősítőre van szükség. A négyszöghullámot saját maga generálja, kiküszöbölve a teljesítmény-MOSFET kapu meghajtójelének használatával járó problémák egy részét.
Mindkét interfészáramkörben a tervezési paraméterek egy adott specifikációhoz vannak rögzítve, és nem könnyen változtathatók. Az olyan paraméterek megváltoztatása, mint a dimmerbe érkező elszívóáram, a minimális munkaciklus (amely meghatározza a minimális programozási feszültséget a LED IC-vezérlőn) és a dimmelő interfész működési módja mind újratervezést igényel.
A dimmelő interfészek egyszerűsített áramköri terveinek előnyei
A félvezetőiparban gyakran előfordul, hogy egy áramköri tervezési probléma megoldásának legjobb módja egy olyan IC lehet, amely kifejezetten az adott feladatra készült. Feltételezve, hogy az adott alkalmazás elég nagy ahhoz, hogy támogassa egy ilyen IC tervezését és gyártását, az előnyök közé tartozhat a nagyobb teljesítmény és az alacsonyabb költség. És az SSL-ágazat minden bizonnyal olyan mértékben növekszik, hogy a célzottan gyártott IC-k megvalósíthatóvá válnak.
A 3. ábra egy olyan megközelítést mutat be, amelyben az optocsatoló-alapú tervezés diszkrét elemeinek nagy részét egy ilyen kompakt IC-be, az Infineon CDM10V-be integrálják. Lényegében a 2. ábrán látható optocsatoló bal oldalán látható összes áramkör erre az IC-re redukálódik.
Az egyszerűsített tervezés mellett az IC-megközelítés csökkenti a teljes rendszer költségeit és méretét, csökkenti az összeszerelési költségeket és javítja a megbízhatóságot. A programozható paraméterek rugalmasságot biztosítanak az áramköri kialakítás több lámpatest-fejlesztésben történő újrafelhasználásához is. Az egyszeri programozható beállítások közé tartozik az ellenállásáram, a minimális működési ciklus, az impulzusszélesség-modulációs jelfrekvencia és a dim-to-off funkció. A közeli táblázat összefoglalja a programozható funkciókat. Az IC még transzparens üzemmódban is konfigurálható a forrás impulzusszélesség-modulációs jel közvetlen kimenetére.
Ez az egyszerűbb megközelítés a fényerőszabályozó interfész áramkörhöz rugalmasságot biztosít az ipari és kereskedelmi világításban alkalmazott fényerőszabályozó alkalmazások széles skáláján, mint például a troffers, downlightok, sconces, szekrény alatti világítás, irodai világítás és így tovább. Az áramkör még az általános megvilágításon kívüli alkalmazásokhoz, például LED-alapú feliratokhoz is használható. Valójában a világítástechnikai gyártók egyetlen hardvertervet alkalmazhatnának a kereskedelmi LED-es előtétek teljes platformjához, lehetővé téve ezzel a dimmelési technológia tömeges alkalmazását.
ALI FAWAZ az Infineon Technologies Americas (infineon.com) vezető alkalmazásmérnöke.