A iluminação de estado sólido está começando a proporcionar economia de energia há muito prometida, explica ALI FAWAZ, mas para ampliar a adoção, os desenvolvedores precisam continuar a tirar o custo do circuito de controle enquanto recursos como escurecimento ainda devem ser suportados.
A iluminação baseada em LED começou a ter impacto na enorme quantidade de energia utilizada para iluminação em regiões desenvolvidas do globo, mas espera-se mais da tecnologia de iluminação de estado sólido (SSL). Para cumprir as previsões, por exemplo, de uma penetração superior a 50% do setor de iluminação comercial até o final desta década, os fabricantes de SSL precisam reduzir ainda mais os custos para as lâmpadas e luminárias associadas. A eletrônica usada para controle de LEDs é um alvo principal para os esforços de redução de custos, e a integração no chip de silício ou IC está focada em ajudar a atingir esse objetivo. Ainda assim, a electrónica tem de estar totalmente equipada com suporte de escurecimento, uma vez que o escurecimento pode ter um impacto adicional na poupança de energia, ao mesmo tempo que proporciona um melhor ambiente para os trabalhadores e melhora o ambiente em muitas aplicações.
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Indeed, considere o sector de iluminação comercial acima mencionado. De acordo com um artigo publicado em 2014 pelo Worcester Polytechnic Institute, a iluminação representa quase metade (349 TWh/ano) do orçamento de eletricidade de edifícios comerciais nos EUA. O enorme custo energético associado a tais níveis de utilização significa que a vantagem do custo de propriedade das lâmpadas LED é muitas vezes suficiente para ganhar quota de mercado em novos projectos. Mas os desenvolvedores ainda devem se esforçar para melhorar as funcionalidades que reduzam os custos iniciais de aquisição.
Optimizar controles de escurecimento de 0-10V para luminárias LED eficientes e econômicas
Os eletrônicos de escurecimento são uma área particularmente desafiadora para desenvolvedores SSL. Apesar do LED em si ser intrinsecamente regulável, muitas das primeiras gerações de lâmpadas LED não eram compatíveis com os reguladores de fluxo luminoso convencionais. Além disso, os controladores IC tradicionais de fonte de alimentação comutada provaram ser inadequados para aplicações de lastro LED. Como resultado, os controladores IC para balastros LED usam cada vez mais a tecnologia digital, especialmente na parte de escurecimento do IC. Com esta concentração no IC controlador, a interface entre o IC controlador LED e o controle de escurecimento (dimmer) tem sido largamente ignorada. Uma interface de escurecimento bem projetada e estável é crítica para uma qualidade de luz consistente e para alcançar a confiabilidade necessária para aplicações comerciais e industriais.
Métodos para incorporar o controle de escurecimento 0-10V
Embora o escurecimento de fase seja comumente usado para aplicações residenciais de mercado de massa, há problemas em torno da cintilação inerente que limitam seu uso em mercados comerciais. Em cenários comerciais interiores e exteriores e mesmo em iluminação residencial de alta gama onde a mudança de cor não é necessária, o escurecimento de 0-10V é preferido por muitos designers e especificadores de iluminação. Existem dois métodos de controle de escurecimento de 0-10V. Em um método, o controlador (dimmer) fornece corrente para o driver LED; isto é definido e suportado pela norma ESTA E1.3 e é um método preferido em aplicações de tecnologia teatral ou de entretenimento.
No segundo método, o controlador (dimmer) afunda a corrente do driver LED. A relativa facilidade de uso torna este segundo método popular para a mais ampla gama de aplicações comerciais. As especificações técnicas chave para o segundo método, que estão definidas na Norma Técnica IEC60929 Anexo E, são:
– A corrente mínima de afundamento para o controlador de escurecimento (dimmer) é 10 μA e a corrente máxima de afundamento é 2 mA.
– Em nenhuma circunstância os terminais do circuito de interface para o controlador de escurecimento (dimmer) devem produzir uma tensão superior a +20V nem pode ser inferior a -20V. O condutor/balastro não deve ser danificado quando a tensão de escurecimento estiver entre +20V e -20V.
– Os terminais de controlo do circuito de interface devem ser protegidos contra a polaridade inversa. No caso da polaridade inversa dos terminais de controlo da interface, a luz de saída deve estar no mínimo ou desligada.
– A interface do circuito de escurecimento deve produzir luz de saída estável para uma tensão de controlo de escurecimento entre 0-11V.
– Quando o sinal do controlador de escurecimento (dimmer) é de 10V ou superior, a luz de saída deve estar no máximo. Quando o sinal do controlador de regulação da intensidade luminosa (dimmer) é de 1V ou inferior, a luz de saída deve estar no mínimo ou apagada.
– Se não for utilizado nenhum controlador de regulação da intensidade luminosa (dimmer), os terminais de regulação da intensidade luminosa são normalmente mantidos abertos e a luz de saída deve estar no máximo. Se os terminais de escurecimento estiverem em curto-circuito, a luz de saída deve estar no mínimo.
– O fio de alimentação do terminal de escurecimento é roxo e o retorno é cinzento.
Adicionalmente, o isolamento/isolamento duplo ou reforçado de todas as tensões perigosas, incluindo a tensão de entrada, é necessário para segurança em todos os casos em que o circuito do controlador de escurecimento (dimmer) é acessível ao utilizador. O isolamento melhora ainda mais o desempenho de escurecimento, mantendo o alto ruído de comutação longe dos sinais de escurecimento.
Desenvolvendo designs para uma interface de escurecimento
Duas figuras anteriores mostram soluções típicas de design para um circuito de interface de escurecimento. Fig. 1 é um circuito de interface de escurecimento baseado em transformador e a Fig. 2 mostra um circuito de interface de escurecimento baseado em opto-acoplador. Em ambos os circuitos, o sinal de escurecimento é convertido em um pulso para facilitar ter um sinal proporcional ao sinal de escurecimento no outro lado do limite onde reside o controlador IC principal do LED. O pulso é normalmente calculado como média e alimentado ao pino de escurecimento do controlador LED.
A interface de escurecimento baseada em transformador não precisa de uma tensão de polarização, mas sofre de imprecisões sobre a mudança de temperatura. Além disso, o transformador é dispendioso e exige um circuito impresso (placa de circuito impresso) relativamente grande. Um pulso de onda quadrada externa também é necessário; isto é normalmente implementado usando o drive de porta de um MOSFET de baixa potência. O sinal de acionamento do portão tem bordas de subida e descida rápidas que podem exacerbar o EMI no dimmer. Os transientes de alta tensão, principalmente a tensão de pico, na porta do MOSFET de potência impõe ainda mais exigências de fixação no sinal de escurecimento ao redor do transformador de isolamento. Muitas destas questões são abordadas e o desempenho da interface de escurecimento baseada no transformador é significativamente melhorado pelo uso de um controlador LED principal que pode gerar um pulso quadrado controlado e fornece compensação de temperatura para o sinal de escurecimento.
A interface de escurecimento baseada em opto-acoplador mostrada na Fig. 2 é mais complexa do que um projeto baseado em transformador, mas também pode ser mais precisa. Ela requer uma tensão de polarização e pelo menos dois opto-acopladores além do opto-acoplador. Ela gera a onda quadrada por si só, eliminando alguns dos problemas que surgem com o uso do sinal de acionamento do portão do MOSFET.
Em ambos os circuitos de interface, os parâmetros de projeto são fixos a uma determinada especificação e não podem ser facilmente alterados. Alterações em parâmetros como corrente de afundamento no dimmer, ciclo mínimo de operação (que determina a tensão mínima de programação no controlador IC do LED) e o modo operacional da interface de escurecimento requerem um novo projeto.
Benefícios de projetos simplificados de circuitos para interfaces de escurecimento
Como muitas vezes é o caso na indústria de semicondutores, a melhor maneira de resolver um problema de projeto de circuito pode ser através de um IC que é construído para a tarefa em questão. Assumindo que a aplicação em questão é suficientemente grande para suportar o projeto e a fabricação de tal CI, os benefícios podem incluir maior desempenho e menor custo. E o sector SSL está certamente a crescer ao ponto de viabilizar ICs construídos propositadamente.
Fig. 3 ilustra uma abordagem em que uma grande parte dos elementos discretos no design baseado no optoacoplador são integrados num IC tão compacto, o Infineon CDM10V. Essencialmente todos os circuitos mostrados no lado esquerdo do optoacoplador na Fig. 2 são reduzidos a este CI.
Além do design simplificado, a abordagem do CI reduz o custo e o tamanho do sistema global, diminui os custos de montagem e melhora a confiabilidade. Os parâmetros programáveis também proporcionam flexibilidade para reutilizar o design do circuito em múltiplos desenvolvimentos de luminárias. As configurações programáveis únicas incluem corrente de resistência, ciclo mínimo de funcionamento, freqüência do sinal de modulação de largura de pulso e funcionalidade “dim-to-off”. A tabela ao lado resume as características programáveis. O CI pode até mesmo ser configurado em modo transparente para saída direta de um sinal de modulação de largura de pulso de fonte.
Esta abordagem mais simples a um circuito de interface de escurecimento oferece flexibilidade em uma ampla gama de aplicações de escurecimento em iluminação industrial e comercial, como troféus, downlights, arandelas, iluminação sob o gabinete, iluminação de escritório e muito mais. O circuito pode até mesmo ser usado para aplicações fora da iluminação geral, como sinalização baseada em LEDs. De fato, o fabricante de iluminação poderia implantar um projeto de hardware para uma plataforma inteira de balastros comerciais de LED, permitindo assim a aplicação de volume da tecnologia de escurecimento.
ALI FAWAZ é engenheiro sênior de aplicação de pessoal da Infineon Technologies Américas (infineon.com).