Oświetlenie półprzewodnikowe zaczyna przynosić obiecane od dawna oszczędności energii, wyjaśnia ALI FAWAZ, ale aby rozszerzyć adopcję, deweloperzy muszą nadal obniżać koszty obwodów sterowania, podczas gdy funkcje takie jak ściemnianie muszą być nadal obsługiwane.
Oświetlenie oparte na diodach LED zaczęło wpływać na ogromne ilości energii zużywanej na oświetlenie w rozwiniętych regionach świata, ale jeszcze więcej oczekuje się od technologii oświetlenia półprzewodnikowego (SSL). Aby spełnić prognozy mówiące na przykład o ponad 50% penetracji sektora oświetlenia komercyjnego do końca bieżącej dekady, producenci oświetlenia półprzewodnikowego muszą jeszcze bardziej obniżyć koszty związanych z nim lamp i opraw. Elektronika wykorzystywana do sterowania diodami LED jest głównym celem działań zmierzających do obniżenia kosztów, a integracja na poziomie chipów krzemowych lub układów scalonych ma pomóc w osiągnięciu tego celu. Mimo to elektronika musi być w pełni wyposażona w obsługę ściemniania, ponieważ ściemnianie może dodatkowo wpłynąć na oszczędność energii, zapewniając jednocześnie lepsze środowisko dla pracowników i poprawiając atmosferę w wielu zastosowaniach.
Zainteresowany artykułami &ogłoszenia na temat sterowania ściemnianiem &elektronika SSL?
Zastanów się nad wspomnianym wcześniej sektorem oświetlenia komercyjnego. Według pracy opublikowanej w 2014 roku przez Worcester Polytechnic Institute, oświetlenie odpowiada za blisko połowę (349 TWh/rok) budżetu energii elektrycznej w budynkach komercyjnych w USA. Ogromne koszty energii związane z takim poziomem wykorzystania oznaczają, że przewaga kosztowa lamp opartych na technologii LED jest często wystarczająca, aby zdobyć udział w rynku w nowych projektach. Deweloperzy muszą jednak nadal dążyć do poprawy funkcjonalności, która obniży początkowe koszty zakupu.
Optymalizacja sterowników ściemniania 0-10V dla wydajnych i opłacalnych opraw LED
Elektronika ściemniania jest szczególnie trudnym obszarem dla twórców oświetlenia półprzewodnikowego. Mimo że sama dioda LED jest z natury ściemnialna, wiele wczesnych generacji lamp LED nie było kompatybilnych z konwencjonalnymi ściemniaczami. Co więcej, tradycyjne układy scalone sterujące zasilaniem impulsowym okazały się nieodpowiednie do zastosowań w statecznikach LED. W rezultacie, układy scalone sterowników stateczników LED w coraz większym stopniu wykorzystują technologię cyfrową, zwłaszcza w części układu scalonego odpowiedzialnej za ściemnianie. Przy tej koncentracji na kontrolerze IC, interfejs między kontrolerem LED IC i kontroli ściemniania (ściemniacz) został w dużej mierze zignorowany. Dobrze zaprojektowany i stabilny interfejs ściemniania jest krytyczny dla stałej jakości światła i osiągnięcia niezawodności potrzebnej w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych.
Metody włączania sterowania ściemnianiem 0-10V
While phase-cut dimming jest powszechnie stosowany w masowych zastosowaniach mieszkaniowych, istnieją problemy związane z nieodłącznym migotaniem, które ograniczają jego zastosowanie na rynkach komercyjnych. W komercyjnych scenariuszach wewnętrznych i zewnętrznych, a nawet w wysokiej klasy oświetleniu mieszkaniowym, gdzie zmiana koloru nie jest wymagana, ściemnianie 0-10V jest preferowane przez wielu projektantów oświetlenia i specyfikatorów. Istnieją dwie metody sterowania ściemnianiem 0-10V. W jednej metodzie sterownik (ściemniacz) dostarcza prąd do sterownika LED; jest to zdefiniowane i obsługiwane przez standard ESTA E1.3 i jest to preferowana metoda w teatrach lub aplikacjach technologii rozrywkowej.
W drugiej metodzie sterownik (ściemniacz) pobiera prąd ze sterownika LED. Względna łatwość użycia sprawia, że ta druga metoda jest popularna w najszerszym zakresie zastosowań komercyjnych. Kluczowe specyfikacje techniczne dla drugiej metody, które są zdefiniowane w normie technicznej IEC60929 Aneks E, są następujące:
– Minimalny prąd płynący do sterownika ściemniania (ściemniacza) wynosi 10 μA, a maksymalny prąd płynący wynosi 2 mA.
– W żadnym wypadku zaciski obwodu interfejsu do sterownika ściemniania (ściemniacza) nie powinny wytwarzać napięcia przekraczającego +20V, ani nie mogą być mniejsze niż -20V. Sterownik/balast nie powinien ulec uszkodzeniu, gdy napięcie ściemniania mieści się w przedziale od +20V do -20V.
– Zaciski sterujące obwodu interfejsu powinny być zabezpieczone przed odwrotną polaryzacją. W przypadku odwrotnej polaryzacji zacisków sterujących interfejsu, światło wyjściowe powinno być minimalne lub wyłączone.
– Interfejs obwodu ściemniania powinien wytwarzać stabilne światło wyjściowe dla napięcia sterującego ściemnianiem w zakresie 0-11V.
– Gdy sygnał sterownika ściemniania (ściemniacza) wynosi 10V lub więcej, światło wyjściowe powinno być maksymalne. Gdy sygnał kontrolera ściemniania (ściemniacza) wynosi 1V lub mniej, światło wyjściowe powinno być minimalne lub wyłączone.
– Jeśli nie jest używany żaden kontroler ściemniania (ściemniacz), zaciski ściemniania są zwykle otwarte, a światło wyjściowe powinno być maksymalne. Jeśli zaciski ściemniania są zwarte, światło wyjściowe powinno być minimalne.
– Przewód zasilający zacisku ściemniania jest fioletowy, a powrotny szary.
Dodatkowo, podwójna lub wzmocniona izolacja/odizolowanie od wszystkich niebezpiecznych napięć, w tym napięcia wejściowego, jest wymagana dla bezpieczeństwa we wszystkich przypadkach, w których obwody sterownika ściemniania (ściemniacza) są dostępne dla użytkownika. Izolacja dodatkowo poprawia wydajność ściemniania poprzez utrzymywanie wysokiego szumu przełączania z dala od sygnałów ściemniania.
Opracowanie projektów dla interfejsu ściemniania
Dwa wcześniejsze rysunki pokazują typowe rozwiązania projektowe dla obwodu interfejsu ściemniania. Rys. 1 to układ interfejsu ściemniania oparty na transformatorze, a rys. 2 pokazuje układ interfejsu ściemniania oparty na opto-sprzęgle. W obu układach sygnał ściemniający jest zamieniany na impuls, aby ułatwić uzyskanie sygnału proporcjonalnego do sygnału ściemniającego po drugiej stronie granicy, gdzie znajduje się główny sterownik LED IC. Impuls jest zazwyczaj uśredniany i podawany do pinu ściemniania sterownika LED.
Interfejs ściemniania oparty na transformatorze nie wymaga napięcia bias, ale cierpi na niedokładności przy zmianie temperatury. Co więcej, transformator jest kosztowny i wymaga stosunkowo dużej powierzchni płytki drukowanej (PCB). Zewnętrzny impuls fali kwadratowej jest również potrzebny; jest to zwykle realizowane poprzez wykorzystanie napędu bramki w niskostronnym MOSFET-ie mocy. Sygnał napędu bramki ma szybkie zbocza narastania i opadania, które mogą nasilać EMI w ściemniaczu. Wysokie napięcie przejściowe, głównie napięcie udarowe, na bramce MOSFETu mocy dodatkowo nakłada wymagania zaciskowe na sygnał ściemniania wokół transformatora izolacyjnego. Wiele z tych problemów jest rozwiązanych, a wydajność interfejsu ściemniania opartego na transformatorze jest znacznie poprawiona dzięki zastosowaniu głównego sterownika LED, który może generować kontrolowany impuls kwadratowy i zapewnia kompensację temperaturową sygnału ściemniania.
Interfejs ściemniania oparty na opto-sprzęgaczu pokazany na rys. 2 jest bardziej złożony niż konstrukcja oparta na transformatorze, ale również może być dokładniejszy. Wymaga on napięcia bias i co najmniej dwóch op-ampów oprócz opto-sprzęgacza. Samodzielnie generuje falę kwadratową, eliminując niektóre problemy związane z wykorzystaniem sygnału wysterowania bramki MOSFET-a.
W obu układach interfejsu, parametry projektu są ustalone dla danej specyfikacji i nie są łatwe do zmiany. Zmiany w parametrach takich jak prąd opadania do ściemniacza, minimalny cykl pracy (który określa minimalne napięcie programowania w sterowniku układu scalonego LED) oraz tryb pracy interfejsu ściemniania wymagają przeprojektowania.
Korzyści z uproszczonych projektów obwodów dla interfejsów ściemniania
Jak to często bywa w przemyśle półprzewodnikowym, najlepszym sposobem na rozwiązanie problemu projektowania obwodu może być układ scalony, który jest specjalnie zbudowany do danego zadania. Zakładając, że dana aplikacja jest na tyle duża, że można ją zaprojektować i wyprodukować taki układ scalony, korzyści mogą obejmować wyższą wydajność i niższe koszty. A sektor oświetlenia półprzewodnikowego z pewnością rozwija się do tego stopnia, że celowo zbudowane układy scalone stają się wykonalne.
Rys. 3 ilustruje podejście, w którym duża część elementów dyskretnych w projekcie opartym na opto-sprzęgaczu jest zintegrowana w takim kompaktowym układzie scalonym, CDM10V firmy Infineon. Zasadniczo wszystkie obwody pokazane po lewej stronie opto-sprzęgacza na Rys. 2 są zredukowane do tego układu scalonego.
Oprócz uproszczonego projektu, podejście IC zmniejsza koszt i rozmiar całego systemu, obniża koszty montażu i poprawia niezawodność. Programowalne parametry zapewniają również elastyczność umożliwiającą ponowne wykorzystanie projektu układu w wielu projektach opraw oświetleniowych. Jednorazowe programowalne ustawienia obejmują prąd rezystora, minimalny cykl pracy, częstotliwość sygnału modulacji szerokości impulsu oraz funkcję dim-to-off. Poniższa tabela podsumowuje programowalne funkcje. Układ scalony może być nawet skonfigurowany w trybie transparentnym do bezpośredniego wyprowadzania źródłowego sygnału modulacji szerokości impulsu.
Ten prostszy sposób podejścia do obwodu interfejsu ściemniania zapewnia elastyczność w szerokim zakresie zastosowań ściemniania w oświetleniu przemysłowym i komercyjnym, takim jak troffery, downlighty, kinkiety, oświetlenie podszafkowe, oświetlenie biurowe i inne. Obwód może być nawet używany do zastosowań poza oświetleniem ogólnym, takich jak oznakowanie oparte na diodach LED. Rzeczywiście, producent oświetlenia może wdrożyć jeden projekt sprzętu dla całej platformy komercyjnych stateczników LED, umożliwiając w ten sposób masowe zastosowanie technologii ściemniania.
ALI FAWAZ jest starszym inżynierem aplikacji w Infineon Technologies Americas (infineon.com).