Solid-state-belysning börjar leverera de energibesparingar som länge utlovats, förklarar ALI FAWAZ, men för att bredda användningen måste utvecklarna fortsätta att minska kostnaderna för styrkretsarna, samtidigt som funktioner som t.ex. dimning fortfarande måste stödjas.
LED-baserad belysning har börjat påverka den enorma mängd energi som används för belysning i utvecklade regioner i världen, men man förväntar sig mer av SSL-tekniken (Solid State Lighting). För att uppfylla prognoserna, t.ex. att mer än 50 % av den kommersiella belysningssektorn ska vara täckt i slutet av detta årtionde, måste SSL-tillverkarna ytterligare sänka kostnaderna för de tillhörande lamporna och armaturerna. Den elektronik som används för LED-styrning är ett utmärkt mål för kostnadsminskningar, och integrationen på kiselchip- eller IC-nivå är inriktad på att bidra till att uppnå detta mål. Elektroniken måste ändå vara fullt utrustad med stöd för ljusreglering eftersom ljusreglering ytterligare kan påverka energibesparingarna samtidigt som den ger en bättre miljö för arbetstagarna och förbättrar stämningen i många tillämpningar.
Intresserad av artiklar & tillkännagivanden om ljusregleringskontroller & SSL-elektronik?
Tänk till exempel på den tidigare nämnda sektorn för kommersiell belysning. Enligt en artikel som publicerades 2014 av Worcester Polytechnic Institute står belysningen för nästan hälften (349 TWh/år) av elbudgeten för kommersiella byggnader i USA. Den enorma energikostnad som är förknippad med sådana användningsnivåer innebär att LED-baserade lampors fördel i fråga om ägandekostnader ofta är tillräcklig för att vinna marknadsandelar i nya projekt. Men utvecklarna måste fortfarande sträva efter förbättringar av funktionaliteten som sänker de initiala förvärvskostnaderna.
Optimera 0-10V-dimningskontroller för effektiva och kostnadseffektiva LED-armaturer
Dimningselektroniken är ett särskilt utmanande område för SSL-utvecklare. Trots att lysdioden i sig själv är dimbar var många tidiga generationer av LED-lampor inte kompatibla med konventionella dimrar. Dessutom visade sig traditionella IC-styrenheter för switch-mode-strömförsörjning vara otillräckliga för LED-ballasttillämpningar. Som ett resultat av detta används digital teknik i allt större utsträckning i styrkretsar för LED-förkopplingsdon, särskilt i den del av styrkretsen som rör dimmning. Med denna koncentration på styrkretsen har gränssnittet mellan LED-styrkretsen och dimmerkontrollen (dimmer) i stort sett ignorerats. Ett välkonstruerat och stabilt dimmningsgränssnitt är avgörande för en jämn ljuskvalitet och för att uppnå den tillförlitlighet som krävs för kommersiella och industriella tillämpningar.
Metoder för att införliva 0-10V-dimningsstyrning
Medan fasklippdimning vanligen används för bostadstillämpningar på massmarknaden finns det problem med inneboende flimmer som begränsar dess användning på kommersiella marknader. I kommersiella scenarier för inomhus- och utomhusbruk och till och med i högklassig bostadsbelysning där färgbyte inte krävs, föredrar många belysningsdesigners och specificerare 0-10V-dimning. Det finns två metoder för styrning av 0-10V-dimning. I den ena metoden ger styrenheten (dimmern) ström till LED-drivrutinen; detta definieras och stöds av ESTA E1.3-standarden och är en föredragen metod i teater- eller underhållningstekniska tillämpningar.
I den andra metoden tar styrenheten (dimmern) bort ström från LED-drivrutinen. Den relativa användarvänligheten gör denna andra metod populär för det bredaste utbudet av kommersiella tillämpningar. De viktigaste tekniska specifikationerna för den andra metoden, som definieras i den tekniska standarden IEC60929 bilaga E, är följande:
– Den minsta strömmen till styrenheten (dimmern) är 10 μA och den största strömmen är 2 mA.
– Gränssnittskretsens terminaler till styrenheten (dimmern) får inte under några omständigheter producera en spänning som överstiger +20 V och inte heller vara lägre än -20 V. Drivaren/ballasten får inte skadas när dimmingspänningen ligger mellan +20V och -20V.
– Gränssnittskretsens styrterminaler ska vara skyddade mot omvänd polaritet. Vid omvänd polaritet i gränssnittets styrterminaler ska utgångsbelysningen vara minimal eller avstängd.
– Gränssnittet för dimningskretsen ska ge stabilt utgångsbelysning för en dimningskontrollspänning mellan 0-11V.
– När signalen från dimningsregulatorn (dimmer) är 10V eller högre, ska utgångsbelysningen vara maximal. När signalen från dimningskontrollen (dimmer) är 1 V eller lägre bör utgångsbelysningen vara minimal eller avstängd.
– Om ingen dimningskontroll (dimmer) används, hålls vanligtvis dimningsterminalerna öppna och utgångsbelysningen bör vara maximal. Om dimmerterminalerna kortsluts bör utgångsljuset vara minst.
– Dimmerterminalens matningstråd är lila och returen är grå.
Dubbel eller förstärkt isolering/isolering från alla farliga spänningar, inklusive ingångsspänningen, krävs dessutom av säkerhetsskäl i alla de fall där kretsarna för dimmerstyrningen (dimmer) är åtkomliga för användaren. Isolering förbättrar ytterligare dimmerprestanda genom att hålla högt kopplingsbrus borta från dimmersignalerna.
Utveckling av konstruktioner för ett dimmergränssnitt
Två tidigare figurer visar typiska konstruktionslösningar för en dimmergränssnittskrets. Figur 1 är en transformatorbaserad dimningsgränssnittskrets och figur 2 visar en optokopplarbaserad dimningsgränssnittskrets. I båda kretsarna omvandlas dimmer-signalen till en puls för att underlätta att ha en signal som är proportionell mot dimmer-signalen på andra sidan gränsen där den huvudsakliga LED IC-styrningen finns. Pulsen medelvärdesbildas vanligen och matas till LED-styrkretsens dimmingsstift.
Det transformatorbaserade dimmningsgränssnittet behöver ingen förspänning, men lider av felaktigheter vid temperaturförändringar. Dessutom är transformatorn dyr och kräver ett relativt stort PCB-avtryck (printed-circuit board). Det behövs också en extern fyrkantsvågspuls; detta genomförs vanligtvis genom att använda grindstyrningen av en lågsidig effekt-MOSFET. Gate-drivsignalen har snabba stigande och fallande kanter som kan förvärra EMI vid dimmern. Högspänningsövergångar, i första hand överspänning, vid grinden på effekt-MOSFET:n medför ytterligare krav på klämning av dimningssignalen runt isoleringstransformatorn. Många av dessa problem är lösta och prestandan hos det transformatorbaserade dimningsgränssnittet förbättras avsevärt genom användning av en LED-huvudstyrenhet som kan generera en kontrollerad kvadratisk puls och som ger temperaturkompensation för dimningssignalen.
Det optokopplarbaserade dimningsgränssnittet som visas i figur 2 är mer komplicerat än en transformatorbaserad konstruktion, men det kan också vara mer exakt. Det kräver en förspänning och minst två op-förstärkare utöver optokopplaren. Den genererar fyrkantsvågen på egen hand, vilket eliminerar en del av de problem som uppstår när man använder grinddrivningssignalen från effekt-MOSFET:n.
I båda gränssnittskretsarna är konstruktionsparametrarna fixerade till en given specifikation och kan inte ändras utan vidare. Förändringar av parametrar som t.ex. sänka strömmen till dimmern, minsta arbetscykel (som bestämmer den minsta programmeringsspänningen vid LED IC-styrenheten) och driftläget för dimmningsgränssnittet kräver alla en ny utformning.
Fördelar med förenklade kretsutformningar för dimmningsgränssnitt
Som det ofta är fallet inom halvledarindustrin kan det bästa sättet att lösa ett kretsutformningsproblem vara genom en IC som är specialbyggd för den aktuella uppgiften. Om man antar att den aktuella applikationen är tillräckligt stor för att stödja konstruktion och tillverkning av en sådan IC kan fördelarna omfatta högre prestanda och lägre kostnader. Och SSL-sektorn växer verkligen till den grad att specialbyggda ICs blir möjliga.
Figur 3 illustrerar ett tillvägagångssätt där en stor del av de diskreta elementen i den opto-kopplingsbaserade konstruktionen är integrerade i en sådan kompakt IC, Infineons CDM10V. I princip alla kretsar som visas på vänster sida av opto-kopplaren i figur 2 är reducerade till denna IC.
Förutom förenklad konstruktion minskar IC-metoden kostnaden och storleken på det totala systemet, sänker monteringskostnaderna och förbättrar tillförlitligheten. Programmerbara parametrar ger också flexibilitet för att återanvända kretsdesignen i flera armaturutvecklingar. De programmerbara inställningarna som kan programmeras en gång omfattar motståndsström, minsta arbetscykel, signalfrekvens för pulsbreddsmodulering och dim-to-off-funktionalitet. I den närliggande tabellen sammanfattas de programmerbara funktionerna. IC:n kan till och med konfigureras i ett transparent läge för direkt utmatning av en pulsbreddsmodulationssignal från källan.
Detta enklare tillvägagångssätt för en dimmande gränssnittskrets ger flexibilitet för ett brett spektrum av dimningstillämpningar inom industriell och kommersiell belysning, t.ex. troffers, downlights, sconces, underskåpsbelysning, kontorsbelysning och mycket mer. Kretsen kan även användas för tillämpningar utanför den allmänna belysningen, t.ex. för LED-baserad skyltning. Belysningstillverkaren skulle kunna använda en hårdvarudesign för en hel plattform av kommersiella LED-förkopplingsdon och därmed möjliggöra volymtillämpning av dimningstekniken.
ALI FAWAZ är senior staff application engineer på Infineon Technologies Americas (infineon.com).