Solid-state lighting begint de lang beloofde energiebesparingen op te leveren, legt ALI FAWAZ uit, maar om de adoptie te verbreden, moeten ontwikkelaars de kosten uit het regelcircuit blijven halen, terwijl functies zoals dimmen nog steeds moeten worden ondersteund.
LED-verlichting begint een impact te hebben op de enorme hoeveelheid energie die wordt gebruikt voor verlichting in ontwikkelde regio’s van de wereld, maar er wordt meer verwacht van solid-state lighting (SSL)-technologie. Om bijvoorbeeld te voldoen aan de voorspellingen van een penetratie van meer dan 50 % van de commerciële verlichtingssector tegen het einde van dit decennium, moeten SSL-fabrikanten de kosten voor de bijbehorende lampen en armaturen verder verlagen. De elektronica die voor de besturing van leds wordt gebruikt, is een belangrijk doelwit voor inspanningen om de kosten te drukken, en integratie op het niveau van siliciumchips of IC’s is erop gericht om dat doel te helpen bereiken. Toch moet de elektronica volledig uitgerust zijn met ondersteuning voor dimmen, aangezien dimmen een verdere impact kan hebben op energiebesparing, terwijl het ook een betere omgeving voor werknemers oplevert en de sfeer in veel toepassingen verbetert.
Interesse in artikelen &aankondigingen over dimcontroles & SSL-elektronica?
Bedenk bijvoorbeeld de eerder genoemde commerciële verlichtingssector. Volgens een paper dat in 2014 door het Worcester Polytechnic Institute werd gepubliceerd, is verlichting goed voor bijna de helft (349 TWh/jaar) van het elektriciteitsbudget van commerciële gebouwen in de VS. De enorme energiekosten die met dergelijke gebruiksniveaus gepaard gaan, betekenen dat het voordeel van op LED’s gebaseerde lampen op het vlak van de eigendomskosten vaak voldoende is om marktaandeel te winnen in nieuwe projecten. Maar ontwikkelaars moeten nog steeds streven naar verbeteringen in de functionaliteit die de initiële aankoopkosten verlagen.
Optimize 0-10V dimming controls for efficient and cost-effective LED luminaires
De dimelektronica is een bijzonder uitdagend gebied voor SSL-ontwikkelaars. Hoewel de led zelf inherent dimbaar is, waren vele vroege generaties ledlampen niet compatibel met conventionele dimmers. Bovendien bleken traditionele IC-regelaars voor schakelende voeding niet geschikt voor toepassingen met voorschakelapparaten voor leds. Als gevolg hiervan maken de controller-IC’s voor LED-voorschakelapparaten steeds meer gebruik van digitale technologie, vooral in het dimgedeelte van het IC. Door deze concentratie op het controller-IC is de interface tussen het LED controller-IC en de dimbesturing (dimmer) grotendeels verwaarloosd. Een goed ontworpen en stabiele diminterface is van cruciaal belang voor een consistente lichtkwaliteit en om de betrouwbaarheid te bereiken die nodig is voor commerciële en industriële toepassingen.
Methods for incorporating 0-10V dimming control
Wile phase-cut dimming wordt vaak gebruikt voor massa-markt residentiële toepassingen, zijn er problemen rond de inherente flikkering die het gebruik ervan beperken in commerciële markten. In commerciële binnen- en buitenscenario’s en zelfs in high-end residentiële verlichting waar kleurverandering niet vereist is, wordt 0-10V dimmen door veel verlichtingsontwerpers en bestekschrijvers geprefereerd. Er zijn twee methoden om 0-10V dimmen te regelen. Bij de ene methode levert de controller (dimmer) stroom aan de LED-driver; deze wordt gedefinieerd en ondersteund door de ESTA E1.3-norm en is een voorkeursmethode in theater- of entertainmenttechnologietoepassingen.
Bij de tweede methode zendt de controller (dimmer) stroom af van de LED-driver. Relatief gebruiksgemak maakt deze tweede methode populair voor het breedste scala van commerciële toepassingen. De belangrijkste technische specificaties voor de tweede methode, die in de technische norm IEC60929 bijlage E zijn vastgelegd, zijn:
– De zinkstroom naar de dimmer bedraagt minimaal 10 μA en maximaal 2 mA.
– De aansluitklemmen van het interfacecircuit naar de dimmer mogen in geen geval een spanning van meer dan +20 V of minder dan -20 V produceren. De driver/ballast mag niet worden beschadigd wanneer de dimspanning tussen +20V en -20V ligt.
– De besturingsklemmen van het interfacecircuit moeten tegen polariteitinversie zijn beveiligd. In het geval van omgekeerde polariteit van de interface-bedieningsklemmen, moet het uitgangslicht minimaal zijn of worden uitgeschakeld.
– De interface van het dimcircuit moet stabiel uitgangslicht produceren voor een dimstuurspanning tussen 0-11V.
– Wanneer het signaal van de dimcontroller (dimmer) 10V of hoger is, moet het uitgangslicht op maximum zijn. Als het signaal van de dimmer 1V of lager is, moet het uitgangssignaal minimaal zijn of uit.
– Als er geen dimmer wordt gebruikt, worden de dimklemmen meestal open gehouden en moet het uitgangssignaal maximaal zijn. Als de dimklemmen worden kortgesloten, moet het uitgangslicht minimaal zijn.
– De voedingsdraad van de dimterterminal is paars en de retour is grijs.
Voor de veiligheid is dubbele of versterkte isolatie/isolatie van alle gevaarlijke spanningen, inclusief de ingangsspanning, vereist in alle gevallen waarin het circuit van de dimmercontroller (dimmer) voor de gebruiker toegankelijk is. Isolatie verbetert de dimprestaties verder door hoge schakelruis weg te houden van de dimsignalen.
Ontwerpen voor een diminterface
Twee eerdere figuren tonen typische ontwerpoplossingen voor een diminterfaceschakeling. Fig. 1 is een op een transformator gebaseerde diminterface schakeling en Fig. 2 toont een op een opto-coupler gebaseerde diminterface schakeling. In beide schakelingen wordt het dimmersignaal omgezet in een puls om aan de andere kant van de grens, waar zich de hoofdbesturing van het LED IC bevindt, een signaal te hebben dat evenredig is met het dimmersignaal. De puls wordt gewoonlijk gemiddeld en aan de dim-pen van de LED-controller toegevoerd.
De op een transformator gebaseerde dim-interface heeft geen bias-spanning nodig, maar heeft te lijden van onnauwkeurigheden bij temperatuurverandering. Bovendien is de transformator duur en vereist een relatief grote PCB (printed-circuit board) footprint. Ook is een externe blokgolfimpuls nodig; deze wordt gewoonlijk geïmplementeerd door gebruik te maken van de gate drive van een low-side power MOSFET. Het gate drive-signaal heeft snelle stijg- en daalranden die EMI bij de dimmer kunnen verergeren. Hoogspanningstransiënten, voornamelijk piekspanning, aan de gate van de power MOSFET stellen verder eisen aan de afklemming van het dimmersignaal rond de scheidingstransformator. Veel van deze problemen worden aangepakt en de prestaties van de transformator-gebaseerde diminterface wordt aanzienlijk verbeterd door het gebruik van een hoofd-LED-controller die een gecontroleerde vierkante puls kan genereren en temperatuurcompensatie biedt voor het dimsignaal.
De opto-coupler-gebaseerde diminterface getoond in Fig. 2 is complexer dan een transformator-gebaseerd ontwerp, maar kan ook nauwkeuriger zijn. Het vereist een bias spanning en ten minste twee op-amps in aanvulling op de opto-coupler. Het genereert de blokgolf op zijn eigen, waardoor een aantal van de problemen die komen met het gebruik van de gate drive signaal van de power MOSFET.
In beide interface circuits, de ontwerp-parameters zijn vastgesteld op een bepaalde specificatie en niet gemakkelijk te wijzigen. Veranderingen in parameters zoals zinkstroom in de dimmer, minimale duty cycle (die de minimale programmeerspanning op de LED IC-controller bepaalt), en de operationele modus van de diminterface vereisen allemaal herontwerp.
Voordelen van vereenvoudigde circuitontwerpen voor diminterfaces
Zoals vaak het geval is in de halfgeleiderindustrie, kan de beste manier om een circuitontwerpprobleem op te lossen zijn door middel van een IC dat speciaal is gebouwd voor de taak bij de hand. Ervan uitgaande dat de toepassing in kwestie voldoende groot is om het ontwerp en de fabricage van een dergelijk IC te ondersteunen, kunnen de voordelen hogere prestaties en lagere kosten omvatten. En de SSL-sector groeit zeker tot het punt dat speciaal gebouwde IC’s haalbaar zijn.
Fig. 3 illustreert een aanpak waarbij een groot deel van de discrete elementen in het op opto-coupler gebaseerde ontwerp zijn geïntegreerd in zo’n compact IC, de Infineon CDM10V. In wezen is alle schakeling die links van de opto-schakelkast in fig. 2 is afgebeeld, teruggebracht tot dit IC.
Naast een vereenvoudigd ontwerp verlaagt de IC-benadering de kosten en de omvang van het totale systeem, verlaagt het de assemblagekosten en verbetert het de betrouwbaarheid. Programmeerbare parameters bieden ook flexibiliteit om het circuitontwerp in meerdere armatuurontwikkelingen opnieuw te gebruiken. Eenmalig programmeerbare instellingen zijn onder meer weerstandsstroom, minimale duty cycle, frequentie van het pulsbreedtemodulatiesignaal en de dim-naar-uit-functionaliteit. De tabel hiernaast geeft een overzicht van de programmeerbare functies. Het IC kan zelfs in een transparante modus worden geconfigureerd voor directe uitvoer van een bronpulsbreedtemodulatiesignaal.
Deze eenvoudigere benadering van een diminterfaceschakeling biedt flexibiliteit over een breed scala van dimtoepassingen in industriële en commerciële verlichting, zoals troffers, downlights, armaturen, onder-kastverlichting, kantoorverlichting, en nog veel meer. Het circuit kan zelfs worden gebruikt voor toepassingen buiten de algemene verlichting, zoals LED-gebaseerde bewegwijzering. Verlichtingsfabrikanten zouden namelijk één hardwareontwerp kunnen inzetten voor een heel platform van commerciële LED-voorschakelapparaten, waardoor volumetoepassing van de dimtechnologie mogelijk wordt.
ALI FAWAZ is senior staff application engineer bij Infineon Technologies Americas (infineon.com).