Hvordan man designer for optimal LED-ydelse i arkitektonisk belysning

Traditionelle arkitektoniske belysningskilder (AL), dvs. gløde-, halogen- og lysstofrør, bliver hurtigt erstattet i eksisterende og nye designs med belysning baseret på lysdioder (LED). Årsagerne er klare: Ud over lovkrav lover LED-belysning meget højere effektivitet, lavere driftsomkostninger, reduceret termisk belastning, meget længere levetid (og dermed lavere vedligeholdelsesomkostninger) og en vej til en smartere styring af bygningsfunktioner.

Det er dog ikke helt uproblematisk at bruge LED'er i en pære, der kan erstatte disse gamle lamper. Der er behov for et nyt driver kredsløb, der leverer kontrolleret strøm (ikke spænding), ofte med mulighed for dæmpning. Mens glødepærer er resistive belastninger og kan drives direkte fra AC-nettet, er det anderledes med LED'er. De har ikke en enheds effektfaktor - dvs. strøm og spænding er i fase - og deres switching regulator-drevkredsløb er en potentiel kilde til elektromagnetisk interferens (EMI). I stedet skal driver-kredsløbet levere og styre den nødvendige strøm på en måde, der er optimeret til LED-belastningens egenskaber. Driveren kan også være nødt til at implementere effektfaktorkorrektion (PFC), dæmpningskapacitet og EMI-undertrykkelse.

I denne artikel gennemgås forskellige aspekter af arkitektonisk belysning og de IC'er, der muliggør LED-baseret arkitektonisk belysning. Derefter præsenteres IC'er fra Diodes Incorporated som eksempler på deres anvendelse i konkrete kredsløb.

Målene med AL og udfordringerne med LED'er

AL er udformning og brug af belysningssystemer, der er indbygget i og uden for en kommerciel struktur, som f.eks. en detailbutik, et kontor eller et lager, der ikke er til beboelse. Formålet med arkitektonisk lysdesign er at skabe balance mellem kunst og videnskab om belysning for at skabe stemning, visuel interesse og forbedre oplevelsen af et rum eller sted, samtidig med at de tekniske og sikkerhedsmæssige krav opfyldes. Det omfatter ikke improviseret belysning, som folk tager med ind eller omarrangerer, f.eks. deres yndlingslampe; det er i stedet den belysning, der "følger med bygningen", selv om den ofte giver mulighed for en vis fleksibilitet og endda omarrangeres, efterhånden som behovene udvikler sig på kort og lang sigt.

I de seneste år er AL blevet et større og mere teknologidrevet område med ekstra udfordringer, især på grund af behovet for at spare energi og for at styre belysningens tilhørende funktioner og egenskaber. Efterhånden som LED-baseret belysning er blevet en dominerende faktor i opgraderingen af AL, er teknikker, kredsløb og komponenter, der effektivt kan drive LED'erne i AL-armaturerne (armaturer), blevet stadig vigtigere.

En stor del af drivkraften bag overgangen til LED-baseret AL kommer fra adskillige lovgivningsmæssige mandater og standarder, der definerer forskellige perspektiver på effektivitet, herunder bl.a. dæmpbarhed, PFC og EMI-generering. De specifikke detaljer i disse meget komplicerede og langvarige krav varierer mellem globale regioner, lande og endda stater i USA.

Blandt de vigtige lovkrav i USA er de føderale Energy Star-standarder og Title 24 California Building Standards Code, som er strengere end Energy Star. Blandt de mange andre overvejelser kræver afsnit 24 bl.a.:

• Bevægelses-sensorer til automatisk tænding/slukning af belysningsbelastninger
• LED-drivere med mulighed for dæmpning
• Højere effektivitet målt i form af nyttige lumen pr. watt indgangseffekt
• Smart Connected Lighting (SCL) understøtter trådløs styring af individuelle og grupperede lamper via Bluetooth, Zigbee eller DALI/IEC 62386, med en standby-effekt på under 200 milliwatt (mW)
• LED-udgangsstrøm ripple under 30 % for at undgå irriterende og distraherende flimmer
• PFC på 0,9 eller højere ved defineret højere effekt
• Samlet harmonisk forvrængning (THD) under 20 % for at minimere spild af strøm på grund af ikke-resistive belastninger

En bemærkning om dæmpningshastighed og flimmer: Selv om det menneskelige øje generelt er ufølsomt over for flimmer over 100 Hz, er der et tilknyttet fænomen, der undertiden kaldes "eflimmer", som opstår, når der anvendes pulsbreddemodulation (PWM) til at dæmpe lysdioderne, enten til lysstyrke- eller farvestyring. Ved PWM slukkes LED'en i korte perioder (hundredvis af mikrosekunder) med en høj hastighed. Denne dæmpningshastighed kan interagere med scannings- og opdateringshastighederne for grundlæggende LED-aflæsninger, displayskærme, sikkerhedskameraer og andre optiske billeddannende enheder. Derfor skal LED-opdateringshastigheden være meget højere end den hastighed, som øjet selv er følsomt over for, og det er tilfældet for komponenter fra Diodes Incorporated.

Gå fra chips til chipsæt

At opfylde de mange energirelaterede krav er en designudfordring, der kræver jonglering af modstridende tilgange, da der uundgåeligt er interaktioner og kompromiser mellem de "bedste" løsninger til hvert mål. Der findes individuelle IC'er, som er optimeret til at løse specifikke aspekter af problemet, men en komplet løsning kræver, at disse IC'er arbejder sammen i harmoni og styrker hinanden i stedet for at modarbejde hinanden.

Derfor giver det ofte mening at se på IC'er fra en enkelt leverandør og eventuelle tilhørende chipsetverificerede kredsløb, som grupperer disse IC'er, og som leverandøren har sammensat. Dette giver designerne en testet topologi og er et godt udgangspunkt. Til LED-baserede AL tilbyder Diodes Incorporated foreslåede chipsæt i to grupper, en til lavere effekt (under 30 W) og en anden til højere effekt (over 30 watt), hvor førstnævnte typisk anvendes indendørs og sidstnævnte udendørs.

Blokdiagrammet i figur 1 viser, hvordan de tre grundlæggende IC'er, der udgør chipsættet til < 30-watt strømforsyningsapplikationer, en dæmpbar LED-controller, en ripple-suppressor og en controller til dæmpningssignal-interface at interagerer med hinanden og leverer den nødvendige kernefunktionalitet.

Figur 1: Avancerede IC'er - en dæmpbar LED-controller, en ripple-suppressor og en controller til dæmpningssignal+interface - udgør kernen i et design til arkitektonisk belysning med en effekt på under 30 watt. (Billedkilde: Diodes Incorporated)

Hvis man ser på de tre IC'er enkeltvis, fungerer AL1666S-13 højtydende dæmpbar LED-controller fra et bredt indgangsspændingsområde på 85 til 305 VAC, samtidig med at den har en PFC på over 0,9 og en THD på under 10 %. Den understøtter analog dæmpning på 0-10 volt i et interval på 5 % til 100 % og fungerer med alle ANSI-standarddæmpere; for ikke-analog PWM-dæmpning er intervallet 1 % til 100 % ved 1 kilohertz (kHz). For at sikre ensartethed i ydeevnen tilbyder den en stram LED-strømsregulering på bedre end ±2 % og LED-strømsbelastningsregulering på bedre end ±2 % fra fuld belastning ned til halv belastning.

Dernæst er AL5822W6-7 en adaptiv 100/120 Hz LED-strøms-ripple-suppressor i en SOT-23-6-pakning. Den løser den vanskelige udfordring med at minimere den nuværende ripple for at opfylde stadig strengere standarder. Da det er den enhed, der har kontakt med lysdioderne, er det desuden nødvendigt, at den indeholder beskyttelse mod kortslutning, overstrøm og overtemperatur, samtidig med at den understøtter hot-bulb-drift, når kredsløbet og pæren sættes i en "strømførende" fatning. Det kan give en dramatisk reduktion af ripple og bringe dem ned til blot et par procent af den oprindelige værdi, som vist med nogle grundlæggende tal. Når den f.eks. bruges sammen med AL1665S-13 højtydende dæmpbar LED-controller - en nær søskende til AL1666S-13 - er strømripple ca. 520 milliampere (mA) fra top til top, men falder til kun 17 mA, når den bruges sammen med AL5822 (Figur 2).

Figur 2: Tilføjelse af AL1665S-13 højtydende dæmpbar LED-controller til designet reducerer ripple fra 520 mA peak-to-peak til kun 17 mA. (Billedkilde: Diodes Incorporated)

Endelig er der AL8116W6-7, en fleksibel 0 til 10 volts dæmpningssignal-interfacecontroller. Den fungerer fra et bredt V_CC-område på 10 til 56 volt, som kan afledes fra udgangsspændingen fra en ekstra vikling, en strømskinne eller LED-kædespændingen. Den understøtter PWM-dæmpning i et interval på 0,2 kHz til 10 kHz ved hjælp af 0 til 10 volts styring og potentiometerdæmpning (resistiv) (0 til 100 kilohms (kΩ)). Den konverterer dæmpningsstyring til den PWM-udgang, der kræves af systemet, samtidig med at den giver en enkel krydsisolations-barrieredæmpningsløsning. Den tilbyder også en ±2,5 % PWM output-cyklus for en præcis dæmpningskurve, hvilket er afgørende i installationer med flere LED'er.

Selvfølgelig kan blokdiagrammer på højt niveau være vildledende med hensyn til at vise den samlede materialebeskrivelse (BOM), herunder passive komponenter, diskrete aktive komponenter og andre IC'er. Derfor er det vigtigt at se på det faktiske diagram for at forstå, hvad det komplette kredsløb kræver, da dette påvirker emballering, produktion og omkostninger.

For chipsættet på < 30 watt i figur 1 viser det skematiske diagram i figur 3 nedenfor, hvor få komponenter der faktisk er nødvendige. (Transformator T1 og optokobleren er nødvendige for at sikre galvanisk isolation mellem primær og sekundær side.)

Figur 3: De detaljer, der fremgår af et skematisk diagram af blokdiagrammet på højt niveau i figur 1, viser, at der kun er behov for nogle få ekstra komponenter i det komplette design. (Billedkilde: Diodes Incorporated)

Da alle switching-baserede strømkredsløb har virkelige finesser, som et skematisk diagram alene ikke kan afsløre, er et evalueringskort et aktiv til at fremskynde designvalidering og verifikation. AL1666+AL8116+AL5822EV1 er et evalueringskort, der bruger de tre nævnte IC'er til at levere en 0 til 10 volt dæmpbar, høj PFC, entrins flyback LED-driver med en enkelt fase (Figur 4). Den leverer en konstant udgangsstrøm på 1200 mA over et spændingsområde på 25 til 50 volt fra en indgangsspænding på 90 VAC til 305 VAC.

Figur 4: For at fremskynde færdiggørelsen af projektet giver AL1666+AL8116+AL5822EV1-evalueringskortet (øverst og nederst) en bedre forståelse af dimmbar LED-driverkredsløbets funktion ved hjælp af AL1666-controlleren på primærsiden, AL8116-dimming-interface-IC'et på sekundærsiden og AL5822 LED-strømsripple-undertrykker for at fremskynde færdiggørelsen af projektet. (Billedkilde: Diodes Incorporated)

Størrelsen har betydning for bagudkompatibilitet

Hvorfor er det vigtigt med en lille størrelse og en kort BOM, ud over det sædvanlige "mindre er bedre" ? Det er delvist et spørgsmål om bagudkompatibilitet med eksisterende pærer, når der anvendes LED-driver-IC'er enkeltvis eller i grupper.

Der findes f.eks. mange forskellige AL-pærer i almindelig brug, men en af dem, der er særligt udbredt, er MR16-pærene, der anvendes i boliger og erhvervsområder til retningsbestemt belysning (figur 5). Pærer med halogenlyskilder i denne formfaktor har i mange år været blandt de første valg til standard AL-belysning.

Figur 5: MR16-pærens formfaktor og størrelse med halogen som lyskilde anvendes i vid udstrækning i AL-installationer. (Billedkilde: Wikipedia - W.W. Grainger, Inc.)

MR16 er 2 tommer i diameter ved sin største omkreds. "MR" står for multifacetteret reflektor, som styrer retningen og spredningen af det lys, der kastes ud. Denne pære fungerer normalt (men ikke altid) fra en 12 volts AC, som normalt leveres via en step-down transformator.

En lille halogen MR16 pære kræver 20 watt og har en levetid på 2.000 til 6.000 timer. I modsætning hertil kræver LED kun få watt og har en levetid på omkring 100.000 timer. Efterhånden som AL overgår til LED-baserede lyskilder, er det vigtigt at kunne inkludere det nødvendige kredsløb i denne pakke for at kunne levere form- og pasform til det store reservedelsmarked og til nye AL-design-ins.

Tilgodese større effektbehov

For LED med en effekt på over 30 watt (hvilket svarer til ca. 3 ampere (A) LED-strømsdrift), f.eks. udendørs applikationer, kan en to-trins topologi foretrækkes frem for en et-trins tilgang, selv om deres kontrol- og kommunikationsmoduler kan være de samme (figur 6).

Figur 6: LED-belysningsdesigns med højere effekt (over 30 watt) anvender en totrins-topologi (til højre) i modsætning til den ettrins-tilgang, der anvendes i design med lavere effekt (til venstre), men deres "intelligente" interface kan være den samme. (Billedkilde: Diodes Incorporated)

Endnu en gang giver kredsløbsskemaet - i dette tilfælde for LED-belysningsdesignløsningen med højere effekt - et mere detaljeret indblik (figur 7).

Figur 7: Det skematiske diagram viser igen det relativt høje integrationsniveau, som denne løsning med højere effekt giver mulighed for. (Billedkilde: Diodes Incorporated)

Som i designet med lavere effekt er tre IC'er kernen i denne implementering. Den første er AL1788W6-7, en styring på primærsiden, der understøtter buck- (step down) og flyback-topologier, som ikke kræver nogen optokobler, mens dens kvasiresonante (QR) drift med "valley-on-funktion" giver et lavt koblingstab. Strømfaktoren er bedre end 0,9, mens THD er under 15 %, og standby-effekten på under 200 mW (til brug om dagen, når lyset f.eks. er slukket) øger den samlede effektivitet.

Dernæst er AL17050WT-7 en universel AC ikke-isoleret buck-regulator, der giver præcis konstant spændingsstyring (CV) med ekstremt lav standby-effekt i en lille SOT-25-pakning. Den integrerer en 500 volt MOSFET og arbejder med en enkeltspolet induktor, hvilket resulterer i enklere eksterne komponenter og en lavere BOM-pris. På grund af dens elektriske rolle og placering i den overordnede topologi omfatter enheden flere produktions-"lag", herunder beskyttelse mod overtemperatur, V_CC underspændings-lockout, kortslutningsbeskyttelse af udgangen, overbelastningsbeskyttelse og beskyttelse mod åben loop.

Endelig er der AL8843SP-13, en 1 megahertz (MHz) step-down regulator og analog LED-driver med PWM-dæmpning, der kan levere en udgangsstrøm på op til 3 A, som kan justeres via en ekstern modstand. Den fungerer fra en bred indgangsspænding på 4,5 til 40 volt og har ±4 % strømsensor-nøjagtighed til overlegen kanal-kanal-tilpasning i multi-LED-designs.

AL8843SP-13 integrerer strømafbryderen og et kredsløb til høj-side-udgangsstrømsaflæsning; afhængigt af forsyningsspænding og eksterne komponenter kan konverteren levere op til 60 watt udgangseffekt med en effektivitet på op til 97 %. Den vigtige lysdæmpningsfunktion kan implementeres ved at anvende et eksternt styresignal til en enkelt pin i pakken, der accepterer enten en jævnspænding eller et PWM-signal. Denne termisk forbedrede SO-8EP-pakkede enhed omfatter også beskyttelse mod en åben eller kortsluttet LED og en åben eller kortsluttet strømsensormodstand blandt de andre beskyttelsestilstande.

Ligesom med LED-driverarrangementet med lavere effekt kan et evalueringskort til en løsning med højere effekt i høj grad reducere det antal timer, der er nødvendigt for at få en bedre forståelse af en fuld design-in-situation og dermed få projektet til at skride mere effektivt fremad. For AL8843SP-13 step-down LED-driveren - den mest udfordrende komponent i designet med højere effekt - tilbyder Diodes Incorporated AL8843EV1-evalueringskortet (Figur 8).

Figur 8: Brugere af AL8843SP-13 vil drage fordel af det grundlæggende AL8843EV1-evalueringskort, som udelukkende fokuserer på den enkelte step-down regulator og den analoge 3 A LED-driver IC med PWM-dæmpning. (Billedkilde: Diodes Incorporated)

AL8843EV1-evalueringskortet giver mulighed for grundlæggende træning af IC'en uden interaktion eller interferens på grund af andre aktive komponenter.

Så er der "tilsluttet belysning"

En af de andre forbedringer, der er både praktiske og ønskelige med moderne LED-baseret belysning, er muligheden for at implementere "intelligent tilsluttet belysning" (SCL), ofte blot beskrevet som "tilsluttet belysning". Blandt dens forskellige egenskaber er, at den gør det muligt at styre lamperne som en gruppe og individuelt inden for en gruppe via en forbindelsesstandard.

Hvad er fordelene ved SCL? Set fra et systemperspektiv på et højere niveau - og måske endda med en vis spekulation og overdrivelse - bliver en tilsluttet belysningsinfrastruktur en investering i et net af tilslutningsmuligheder i hele bygningen. De data, der strømmer gennem denne infrastruktur, giver bygningsadministratorer mulighed for at integrere, automatisere og forlænge levetiden for centrale bygningssystemer, sænke deres driftsomkostninger, øge ydeevnen og mindske nedetiden.

Nogle analytikere hævder, at fordelene ved tilsluttet belysning rækker langt ud over blot belysning. Szymon Slupik, CTO og grundlægger af Silvair, bemærker f.eks.: "Værdien af de ekstra tjenester, som intelligent belysning muliggør, er syv til ti gange mere værdifuld end selve belysningsstyringen og energibesparelserne."

SCL-lamper er ofte i en passiv tilstand i lange perioder, så standby-forbruget er en vigtig parameter for designere, og der er fastsat maksimumsværdier i de forskellige lovkrav. Controllere og regulatorer fra Diodes Incorporated er designet med en standby-effekt under de accpeterede værdier. De fungerer også med dæmpningsstyrings-/kommunikationsmodeller, der understøtter forskellige standarder af interface, herunder Bluetooth, Zigbee og Wi-Fi.

En af de faktorer, der vil drive installationen af tilsluttet belysning, er udviklingen af industridækkende standarder, der sikrer interoperabilitet mellem SCL-komponenter fra forskellige leverandører. F.eks. har Bluetooth Special Interest Group (SIG) arbejdet sammen med belysningsindustrien om at udvikle en Bluetooth mesh-standard, der er optimeret til at skabe anvendelige storskalaenhedsnetværk. Bluetooth SIG og DALI Alliance har desuden samarbejdet om at skabe en standardiseret interfface, der gør det muligt at anvende D4i-certificerede armaturer og DALI-2-enheder i Bluetooth-baserede mesh-belysningsstyringsnetværk (D4i er DALI-standarden for intelligente, IoT-klare armaturer). Via dette interface kan data strømme uhindret mellem sensorrige armaturer og belysningsstyring og endda til andre bygningsstyringssystemer.

Konklusion

Smart LED-baseret arkitektonisk belysning forbedrer energieffektiviteten af belysningssystemer i kommercielle bygninger. Det er også et afgørende element for at muliggøre potentielle forbedringer på lang sigt af den samlede bygningsydelse. Controller-, regulator- og LED-driver-IC'er fra Diodes Incorporated, der er fokuseret og optimeret til LED-baseret AL, er blandt de vigtigste byggesten, der er nødvendige for at omsætte de potentielle fordele ved disse avancerede AL-muligheder til en kraftfuld, alsidig og omkostningseffektiv virkelighed.

Reference

DALI Alliance, D4i - DALI-standarden for intelligente, IoT-klare armaturer

Yderligere læsning

1. Praksis for elektromagnetisk design for AL8805
2. Forståelse og anvendelse af de nye standardstik til indendørs og udendørs LED-baseret belysning