L’illuminazione a stato solido sta iniziando a realizzare i risparmi energetici promessi da tempo, spiega ALI FAWAZ, ma per ampliare l’adozione gli sviluppatori devono continuare a guidare il costo dei circuiti di controllo mentre caratteristiche come la dimmerazione devono ancora essere supportate.
L’illuminazione basata sui LED ha iniziato ad avere un impatto sull’enorme quantità di energia utilizzata per l’illuminazione nelle regioni sviluppate del mondo, ma ci si aspetta di più dalla tecnologia SSL (Solid State Lighting). Per soddisfare le previsioni, per esempio, di una penetrazione superiore al 50% del settore dell’illuminazione commerciale entro la fine di questo decennio, i produttori di SSL devono ridurre ulteriormente i costi per le lampade e gli apparecchi associati. L’elettronica utilizzata per il controllo dei LED è un obiettivo primario per gli sforzi di riduzione dei costi, e l’integrazione a livello di chip di silicio o IC è focalizzata sull’aiuto per raggiungere questo obiettivo. Ancora, l’elettronica deve essere completo con supporto di oscuramento come oscuramento può ulteriormente impatto risparmio energetico, fornendo anche un ambiente migliore per i lavoratori e migliorando l’atmosfera in molte applicazioni.
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Indeed, considerare il settore di illuminazione commerciale di cui sopra. Secondo un documento pubblicato nel 2014 dal Worcester Polytechnic Institute, l’illuminazione rappresenta quasi la metà (349 TWh/anno) del bilancio elettrico degli edifici commerciali negli Stati Uniti. L’enorme costo energetico associato a tali livelli di utilizzo significa che il vantaggio del costo di proprietà delle lampade a LED è spesso sufficiente per conquistare quote di mercato nei nuovi progetti. Ma gli sviluppatori devono ancora sforzarsi di migliorare le funzionalità che abbassano i costi di acquisizione iniziali.
Ottimizzare i controlli di regolazione 0-10V per apparecchi a LED efficienti e convenienti
L’elettronica di regolazione è un’area particolarmente impegnativa per gli sviluppatori SSL. Nonostante il LED stesso sia intrinsecamente dimmerabile, molte delle prime generazioni di lampade a LED non erano compatibili con i dimmer tradizionali. Inoltre, i tradizionali controller IC di alimentazione in modalità switch si sono rivelati inadeguati per le applicazioni ballast LED. Di conseguenza, i circuiti integrati di controllo per i reattori a LED utilizzano sempre più la tecnologia digitale, soprattutto nella parte di dimmerazione del circuito integrato. Con questa concentrazione sul controller IC, l’interfaccia tra il controller IC del LED e il controllo della dimmerazione (dimmer) è stata ampiamente ignorata. Un’interfaccia di dimmerazione ben progettata e stabile è fondamentale per una qualità della luce costante e per raggiungere l’affidabilità necessaria per le applicazioni commerciali e industriali.
Metodi per incorporare il controllo di dimmerazione 0-10V
Mentre la dimmerazione a taglio di fase è comunemente usata per applicazioni residenziali di massa, ci sono problemi relativi allo sfarfallio intrinseco che limitano il suo uso nei mercati commerciali. Negli scenari commerciali interni ed esterni e anche nell’illuminazione residenziale di fascia alta dove non è richiesto il cambio di colore, la dimmerazione 0-10V è preferita da molti progettisti e specificatori dell’illuminazione. Ci sono due metodi di controllo della dimmerazione 0-10V. In un metodo, il controller (dimmer) fornisce corrente al driver LED; questo è definito e supportato dallo standard ESTA E1.3 ed è un metodo preferito nelle applicazioni teatrali o di tecnologia dell’intrattenimento.
Nel secondo metodo, il controller (dimmer) assorbe corrente dal driver LED. La relativa facilità d’uso rende questo secondo metodo popolare per la più ampia gamma di applicazioni commerciali. Le specifiche tecniche chiave per il secondo metodo, che sono definite nella norma tecnica IEC60929 Allegato E, sono:
– La corrente minima di assorbimento al controller di dimmerazione (dimmer) è di 10 μA e la corrente massima di assorbimento è di 2 mA.
– In nessun caso i terminali del circuito di interfaccia al controller di dimmerazione (dimmer) devono produrre una tensione superiore a +20V né può essere inferiore a -20V. Il driver/ballast non deve essere danneggiato quando la tensione di regolazione è compresa tra +20V e -20V.
– I terminali di controllo del circuito di interfaccia devono essere protetti dall’inversione di polarità. Nel caso di polarità inversa dei terminali di controllo dell’interfaccia, la luce di uscita dovrebbe essere al minimo o spenta.
– L’interfaccia del circuito di regolazione dovrebbe produrre una luce di uscita stabile per una tensione di controllo di regolazione tra 0-11V.
– Quando il segnale del controller di regolazione (dimmer) è 10V o superiore, la luce di uscita dovrebbe essere al massimo. Quando il segnale del regolatore di dimmerazione (dimmer) è 1V o inferiore, la luce in uscita dovrebbe essere al minimo o spenta.
– Se non viene utilizzato alcun regolatore di dimmerazione (dimmer), i terminali di dimmerazione sono solitamente tenuti aperti e la luce in uscita dovrebbe essere al massimo. Se i terminali di regolazione sono cortocircuitati insieme, la luce in uscita dovrebbe essere al minimo.
– Il filo di alimentazione del terminale di regolazione è viola e il ritorno è grigio.
Inoltre, un isolamento/isolamento doppio o rinforzato da tutte le tensioni pericolose compresa la tensione di ingresso è richiesto per la sicurezza in tutti i casi in cui il circuito del controller di regolazione (dimmer) è accessibile all’utente. L’isolamento migliora ulteriormente le prestazioni di dimmerazione mantenendo il rumore di commutazione elevato lontano dai segnali di dimmerazione.
Sviluppo di progetti per un’interfaccia di dimmerazione
Due figure precedenti mostrano soluzioni di progettazione tipiche per un circuito di interfaccia di dimmerazione. La Fig. 1 è un circuito di interfaccia di dimmerazione basato su trasformatore e la Fig. 2 mostra un circuito di interfaccia di dimmerazione basato su optoaccoppiatore. In entrambi i circuiti, il segnale di dimmerazione è convertito in un impulso per facilitare la presenza di un segnale proporzionale al segnale di dimmerazione dall’altra parte del confine dove risiede il controller principale del LED IC. L’impulso è solitamente mediato e alimentato al pin di dimmerazione del controller LED.
L’interfaccia di dimmerazione basata sul trasformatore non ha bisogno di una tensione di polarizzazione, ma soffre di imprecisioni al variare della temperatura. Inoltre, il trasformatore è costoso e richiede un’impronta PCB (printed-circuit board) relativamente grande. Un impulso esterno a onda quadra è anche necessario; questo è di solito implementato utilizzando l’azionamento del gate di un MOSFET di potenza low-side. Il segnale di pilotaggio del gate ha bordi di salita e discesa veloci che potrebbero esacerbare l’EMI sul dimmer. I transitori ad alta tensione, principalmente la tensione di picco, al gate del MOSFET di potenza impone ulteriormente i requisiti di serraggio sul segnale di dimmerazione intorno al trasformatore di isolamento. Molti di questi problemi sono affrontati e le prestazioni dell’interfaccia di dimmerazione basata sul trasformatore sono significativamente migliorate dall’uso di un controller LED principale che può generare un impulso quadrato controllato e fornisce la compensazione della temperatura per il segnale di dimmerazione.
L’interfaccia di dimmerazione basata su opto-accoppiatore mostrata in Fig. 2 è più complessa di una progettazione basata sul trasformatore ma può anche essere più accurata. Richiede una tensione di polarizzazione e almeno due op-amp oltre all’opto-accoppiatore. Genera l’onda quadra da sola, eliminando alcuni dei problemi che vengono con l’utilizzo del segnale di pilotaggio del gate del MOSFET.
In entrambi i circuiti di interfaccia, i parametri di progettazione sono fissati a una data specifica e non facilmente modificabili. I cambiamenti in parametri come la corrente di caduta nel dimmer, il duty cycle minimo (che determina la tensione minima di programmazione al controller IC LED) e la modalità operativa dell’interfaccia di dimmerazione richiedono tutti una riprogettazione.
Benefici dei progetti di circuiti semplificati per interfacce di dimmerazione
Come spesso accade nell’industria dei semiconduttori, il modo migliore per risolvere un problema di progettazione di un circuito può essere attraverso un IC che è costruito appositamente per il compito in questione. Supponendo che l’applicazione in questione sia sufficientemente grande da supportare la progettazione e la produzione di un tale circuito integrato, i benefici possono includere prestazioni più elevate e costi inferiori. E il settore SSL sta certamente crescendo al punto da rendere fattibili i circuiti integrati appositamente costruiti.
La figura 3 illustra un approccio in cui gran parte degli elementi discreti nel progetto basato sull’optoaccoppiatore sono integrati in un circuito integrato compatto, l’Infineon CDM10V. Essenzialmente tutta la circuiteria mostrata sul lato sinistro dell’optoaccoppiatore in Fig. 2 è ridotta a questo IC.
Oltre al design semplificato, l’approccio IC riduce il costo e le dimensioni del sistema complessivo, abbassa i costi di assemblaggio e migliora l’affidabilità. I parametri programmabili forniscono anche la flessibilità per riutilizzare il design del circuito in più sviluppi di apparecchi di illuminazione. Le impostazioni programmabili una tantum includono la corrente del resistore, il duty cycle minimo, la frequenza del segnale di modulazione della larghezza di impulso e la funzionalità dim-to-off. La tabella vicina riassume le caratteristiche programmabili. L’IC può anche essere configurato in una modalità trasparente per l’uscita diretta di un segnale di modulazione della larghezza di impulso della sorgente.
Questo approccio più semplice a un circuito di interfaccia di dimmerazione fornisce flessibilità attraverso una vasta gamma di applicazioni di dimmerazione nell’illuminazione industriale e commerciale come troffers, downlights, appliques, illuminazione sotto il mobile, illuminazione per ufficio e altro. Il circuito potrebbe anche essere utilizzato per applicazioni al di fuori dell’illuminazione generale come la segnaletica basata su LED. Infatti, il produttore di illuminazione potrebbe implementare un design hardware per un’intera piattaforma di reattori LED commerciali, consentendo così l’applicazione di volume della tecnologia di dimmerazione.
ALI FAWAZ è senior staff application engineer presso Infineon Technologies Americas (infineon.com).