Jak navrhnout optimální výkon LED v architektonickém osvětlení

Tradiční zdroje architektonického osvětlení (AL) – tj. vláknové, halogenové a fluorescenční žárovky – jsou ve stávajících i nových designech rychle nahrazovány osvětlením založeným na světelných diodách (LED). Důvody jsou jasné: Kromě povinnosti splňovat zákonné požadavky slibuje LED osvětlení mnohem vyšší účinnost, nižší provozní náklady, nižší tepelné zatížení, mnohem delší životnost instalace (při nižších nákladech na údržbu) a cestu k chytřejší správě funkcí budov.

Použití LED diod v žárovce, která je tvarovou a vhodnou náhradou za tyto dlouho zavedené žárovky, není triviální. Je zapotřebí nový ovládací obvod, který poskytuje regulovaný proud (nikoli napětí), často s možností stmívání. Navíc se LED diody liší od vláknových žárovek, které jsou odporovou zátěží a mohou běžet přímo na síťový střídavý proud. Nepředstavují jednotný účiník – to znamená, že proud a napětí jsou ve fázi – a jejich ovládací obvod spínacího regulátoru je potenciálním zdrojem elektromagnetického rušení (EMI). Místo toho musí ovládací obvod poskytovat a řídit požadovaný budicí proud způsobem, který je optimalizován pro charakteristiky zátěže LED. Řadič může také muset implementovat kompenzaci účiníku (PFC), funkci stmívání a potlačení EMI.

Tento článek se zabývá různými aspekty architektonického osvětlení a integrovanými obvody, které umožňují architektonické osvětlení na bázi LED. Poté si zde představíme integrované obvody od společnosti Diodes Incorporated jako příklady použití ve skutečných obvodech.

Cíle architektonického osvětlení a výzvy LED

Architektonické osvětlení je návrh a použití osvětlovacích systémů, které jsou zabudovány uvnitř i vně komerční nebytové struktury, jako je maloobchod, kancelář nebo sklad. Cílem architektonického návrhu osvětlení je vyvážit uměleckou a technickou stránku osvětlení tak, aby vytvářelo náladu, vizuální zájem a zlepšovalo zážitek z prostoru nebo místa při současném splnění technických a bezpečnostních požadavků. Tento koncept nezahrnuje improvizovaná světla, která lidé přinášejí nebo přeskupují, jako je například jejich oblíbená stolní lampa. Namísto toho je to osvětlení, které „přichází s budovou“, ačkoli často umožňuje určitou flexibilitu a dokonce přeuspořádání s tím, jak se vyvíjejí krátkodobé a dlouhodobé potřeby.

V posledních letech se architektonické osvětlení stalo díky dalším výzvám větším polem a více poháněným technologiemi, a to především kvůli potřebě šetřit energií a spravovat funkce a vlastnosti související s osvětlením. Vzhledem k tomu, že se osvětlení na bázi LED stalo dominantním faktorem při modernizaci architektonického osvětlení, jsou stále důležitější techniky, obvody a součástky, které mohou efektivně řídit LED diody ve svítidlech architektonického osvětlení (v instalacích).

Velká část impulzů pro přechod na architektonické osvětlení na bázi LED pochází z mnoha zákonných požadavků a standardů definujících různé pohledy na účinnost, mimo jiné včetně stmívatelnosti, PFC a generování EMI. Specifika těchto vysoce komplikovaných a zdlouhavých požadavků se mezi globálními regiony, zeměmi a dokonce i mezi jednotlivými státy USA liší.

Mezi důležité zákonné předpisy USA patří federální standardy Energy Star a hlava 24 kalifornského stavebního zákona („California Building Standards Code“), který je přísnější než normy Energy Star. Kromě mnoha jiných aspektů hlava 24 vyžaduje:

• snímače přítomnosti osob pro automatické zapínání a vypínání zátěže osvětlení,
• LED řadiče s možností stmívání,
• vyšší účinnost měřenou užitečnými lumeny výkonu na watt vstupního výkonu,
• technologii Smart Connected Lighting (SCL) podporující bezdrátové ovládání jednotlivých a skupinových žárovek pomocí Bluetooth, Zigbee nebo DALI/IEC 62386 s pohotovostním výkonem systému do 200 mW,
• zvlnění výstupního proudu LED do 30 %, aby se zabránilo nepříjemnému a rušivému blikání,
• PFC 0,9 nebo vyšší při definovaném vyšším výkonu,
• celkové harmonické zkreslení (THD) do 20 %, aby se minimalizovalo plýtvání energií v důsledku neodporových zátěží.

Poznámka k rychlosti stmívání a blikání: I když lidské oko obecně není na blikání nad 100 Hz citlivé, existuje přidružený jev, někdy nazývaný „e-blikání“, ke kterému dochází, když se ke ztlumení LED diod používá pulzně-šířková modulace (PWM), a to buď pro ovládání jasu, nebo barev. V PWM se LED na krátkou dobu (stovky mikrosekund) vysokou rychlostí vypíná. Tato rychlost stmívání může interagovat se snímacími a obnovovacími frekvencemi základních údajů LED diod, obrazovek, bezpečnostních kamer a dalších optických zobrazovacích zařízení. Z tohoto důvodu by měla být obnovovací frekvence LED mnohem vyšší než rychlost, na kterou je oko citlivé, a to je případ součástek od společnosti Diodes Incorporated.

Přejděte od čipů k čipovým sadám

Splnění více požadavků souvisejících s energií je konstrukční výzva, která vyžaduje žonglování s navzájem konfliktními přístupy, protože mezi „nejlepšími“ řešeními pro jednotlivé cíle existují nevyhnutelné interakce a kompromisy. K dispozici jsou jednotlivé integrované obvody, které jsou optimalizovány tak, aby řešily konkrétní aspekty problému, ale úplné řešení vyžaduje zajištění, aby tyto integrované obvody spolupracovaly v harmonii a navzájem se posilovaly, nikoli aby fungovaly protichůdně.

Z tohoto důvodu má často smysl dívat se na integrované obvody od jednoho dodavatele a všechny přidružené čipové sady (ověřené obvody, které tyto integrované obvody seskupují), které dodavatel sestavil. To konstruktérům poskytuje testovanou topologii a představuje to pro ně dobrý výchozí bod. Pro architektonické osvětlení na bázi LED nabízí společnost Diodes Incorporated doporučené čipové sady ve dvou skupinách. Jedna podporuje situace s nižším výkonem (do 30 W) a druhá instalace s vyšším výkonem (nad 30 W), přičemž první se obvykle používá ve vnitřním prostředí a druhá ve venkovním.

Blokové schéma na obrázku 1 ukazuje, jak tři základní integrované obvody, které obsahují čipovou sadu pro aplikace s výkonem <30 wattů (stmívatelný řadič LED, odrušovač zvlnění a řadič rozhraní stmívacího signálu), vzájemně spolupracují a poskytují potřebné klíčové funkce.

Obrázek 1: Jádro návrhu architektonického osvětlení s výkonem <30 wattů tvoří pokročilé integrované obvody (stmívatelný LED řadič, odrušovač zvlnění a řadič rozhraní stmívacího signálu). (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Když se na tyto tři integrované obvody podíváme jednotlivě, vysoce výkonný stmívatelný LED řadič AL1666S-13 pracuje v širokém rozsahu vstupního napětí 85 V AC až 305 V AC, přičemž nabízí PFC větší než 0,9 a THD do 10 %. Podporuje analogové stmívání 0 až 10 voltů v rozsahu 5 % až 100 % a funguje se všemi stmívači standardu ANSI. Pro neanalogové stmívání PWM je rozsah 1 % až 100 % při 1 kHz. Kvůli konzistenci výkonu nabízí řadič těsnou regulaci proudu LED lepší než ±2 % a regulaci zátěže proudu LED lepší než ±2 % od plné zátěže až po poloviční.

Dalším obvodem je AL5822W6-7 – adaptivní odrušovač zvlnění proudu LED 100/120 Hz v pouzdru SOT-23-6. Splňuje obtížný požadavek minimalizace zvlnění proudu, aby dodržoval stále přísnější normy. Vzhledem k tomu, že se jedná o zařízení, které je v rozhraní s LED, je nutné, aby zahrnovalo ochranu proti zkratu, nadproudu a přehřátí a zároveň podporovalo provoz žárovky, když se obvod a žárovka zasunou do „živé“ patice. Jak ukazuje několik základních čísel, může zařízení poskytnout dramatické snížení zvlnění a zredukovat jej na pouhých několik procent původní hodnoty. Například při použití s vysoce výkonným stmívatelným LED řadičem AL1665S-13 (blízkým sourozencem modelu AL1666S-13) je zvlnění proudu asi 520 mA špička-špička, ale při spárování s odrušovačem AL5822 klesá na pouhých 17 mA (obrázek 2).

Obrázek 2: Přidání vysoce výkonného stmívatelného LED řadiče AL1665S-13 do návrhu snižuje zvlnění z 520 mA špička-špička až na pouhých 17 mA. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

A na závěr je tu flexibilní řadič rozhraní stmívacího signálu 0 až 10 voltů, model AL8116W6-7. Funguje ze širokého rozsahu V_CC 10 až 56 voltů, který lze odvodit z výstupního napětí pomocného vinutí, úrovně napájení nebo napětí řetězce LED. Podporuje stmívání PWM v rozsahu 0,2 kHz až 10 kHz pomocí ovládání 0 až 10 V a stmívání potenciometru (odporové) (0 až 100 kΩ). Řadič převádí řízení stmívání na výstup PWM požadovaný systémem a zároveň poskytuje jednoduché řešení stmívání přes izolační bariéru. Zařízení nabízí také výstupní pracovní cyklus ±2,5 % PWM pro přesnou křivku stmívání, což je kritické u instalací s více LED diodami.

Blokové diagramy vysoké úrovně mohou samozřejmě mást, pokud jde o zobrazení celkového kusovníku (BOM) včetně pasivních součástek, diskrétních aktivních součástek a dalších integrovaných obvodů. Je proto důležité se podívat na skutečné schéma, abyste pochopili, co celý obvod vyžaduje, protože to ovlivňuje pouzdro, výrobu a náklady.

Na schematickém znázornění na obrázku 3 níže je uvedeno, jak málo součástek je ve skutečnosti zapotřebí pro čipovou sadu <30 wattů z obrázku 1. (Transformátor T1 a optočlen jsou potřebné pro galvanické oddělení mezi primární a sekundární stranou.)

Obrázek 3: Podrobnosti poskytnuté schematickým znázorněním blokového diagramu vysoké úrovně uvedeného na obrázku 1 ukazují, že v kompletním návrhu je zapotřebí pouze několik dalších součástek. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Vzhledem k tomu, že všechny napájecí obvody založené na přepínání mají v reálném světě jemné rozdíly, které samotný schematický diagram nemůže odhalit, je vyhodnocovací deska přínosem pro urychlení validace a ověřování návrhu. Model AL1666+AL8116+AL5822EV1 představuje vyhodnocovací desku, která používá tři jmenované integrované obvody k poskytování jednostupňového LED řadiče typu flyback s možností stmívání 0 až 10 voltů s vysokým PFC (obrázek 4). Deska poskytuje konstantní výstupní proud 1 200 mA v rozsahu napětí 25 až 50 voltů od vstupního napětí 90 V AC do 305 V AC.

Obrázek 4: K urychlení dokončení projektu usnadňuje vyhodnocovací deska AL1666+AL8116+AL5822EV1 (nahoře a dole) hlubší porozumění provozu stmívatelného obvodu LED řadiče pomocí řadiče AL1666 na primární straně, stmívacího integrovaného obvodu rozhraní AL8116 na sekundární straně a odrušovače zvlnění proudu LED AL5822. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Na velikosti záleží kvůli zpětné kompatibilitě

Proč jsou malé rozměry a krátký kusovník důležité nad rámec obvyklých principů „čím menší, tím lepší“? Jedná se částečně o problém zpětné kompatibility se stávajícími žárovkami při použití řídicích integrovaných obvodů LED samostatně nebo ve skupinách.

Přestože se například běžně používá mnoho různých tvarů žárovky architektonického osvětlení, jedním z obzvláště rozšířených je MR16 používaný v obytných a komerčních prostředích pro směrové osvětlení (obrázek 5). Žárovky s halogenovými světelnými zdroji v tomto provedení patří po mnoho let mezi první volby pro standardní osvětlení architektonického osvětlení.

Obrázek 5: V instalacích architektonického osvětlení se široce používá tvar a velikost žárovky MR16 využívající jako světelný zdroj halogen. (Zdroj obrázku: Wikipedia; W.W. Grainger, Inc.)

Žárovka MR16 má na svém největším obvodu průměr 2,54 cm (2 palce). „MR“ znamená „multifaceted reflector“ – mnohostranný reflektor, který řídí směr a šíření světla, které vyzařuje. Tato žárovka obvykle (ale ne vždy) funguje s 12voltovým střídavým síťovým napětím, které je obecně poskytováno prostřednictvím snižovacího transformátoru síťového napětí.

Malá halogenová žárovka MR16 vyžaduje 20 wattů a má životnost 2 000 až 6 000 hodin. Naproti tomu ekvivalent LED vyžaduje pouze několik wattů a má životnost řádově 100 000 hodin. Vzhledem k tomu, že architektonické osvětlení přechází na světelné zdroje na bázi LED, je důležité, aby bylo možné do tohoto pouzdra zahrnout potřebné obvody, které poskytnou tvarově přizpůsobitelné žárovky jak pro obrovský trh s náhradními díly, tak pro nové designy architektonického osvětlení.

Splnění požadavků na vyšší výkon

U LED žárovek s výkonem nad 30 W (což odpovídá asi 3 A proudu LED), jako jsou venkovní aplikace, může být upřednostňována dvoustupňová topologie před jednostupňovou, ačkoli jejich řídicí a komunikační moduly mohou být stejné (obrázek 6).

Obrázek 6: Návrhy LED osvětlení s vyšším výkonem (nad 30 wattů) využívají dvoustupňovou topologii (vpravo) na rozdíl od jednostupňové u návrhů s nižším výkonem (vlevo), ale jejich „chytré“ rozhraní může být stejné. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Podrobnější pohled opět poskytuje schéma zapojení, v tomto případě řešení návrhu LED osvětlení s vyšším výkonem (obrázek 7).

Obrázek 7: Schematický diagram opět ukazuje relativně vysokou úroveň integrace, kterou toto řešení s vyšším výkonem nabízí. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Stejně jako v návrhu s nižším výkonem jsou jádrem této implementace tři integrované obvody. Prvním je řadič AL1788W6-7 na primární straně, který podporuje snižovací (buck) topologii a topologii typu flyback, které nevyžadují žádný optočlen, zatímco jeho kvazirezonanční (QR) provoz s „funkcí prohnutého vrcholu“ poskytuje nízkou ztrátu spínání. Účiník je lepší než 0,9, zatímco THD je pod 15 %. K celkové účinnosti přispívá pohotovostní výkon do 200 mW (například pro použití během dne, když jsou světla vypnutá).

Dalším je univerzální AC neizolovaný snižovací regulátor AL17050WT-7, který poskytuje přesné řízení konstantního napětí (CV) s extrémně nízkým pohotovostním výkonem v malém pouzdru SOT-25. Regulátor integruje 500voltový tranzistor MOSFET a pracuje s induktorem s jedním vinutím, což má za následek jednodušší externí součástky a levnější kusovník. Díky své elektrické roli a poloze v celkové topologii obsahuje zařízení více produkčních „vrstev“, včetně ochrany proti přehřátí, podpěťového blokování V_CC, ochrany proti zkratu výstupu, ochrany proti přetížení a ochrany proti otevřené smyčce.

A na závěr je tu AL8843SP-13, 1MHz snižovací regulátor a analogový LED řadič se stmíváním PWM, schopný dodávat výstupní proud až 3 A, který je nastavitelný pomocí externího rezistoru. Pracuje se širokým vstupním napětím 4,5 až 40 voltů a vyznačuje se ±4% přesností snímání proudu pro vynikající shodu mezi kanály v návrzích s více LED žárovkami.

Regulátor AL8843SP-13 má v sobě integrovaný spínač napájení a obvod snímání proudu na vysoké straně. V závislosti na napájecím napětí a externích součástkách může převodník poskytnout až 60 wattů výstupního výkonu s účinností až 97 %. Důležitou funkci stmívání lze implementovat použitím externího řídicího signálu na jeden pin pouzdra, který přijímá buď stejnosměrné napětí, nebo signál PWM. Toto tepelně vylepšené zařízení v pouzdru SO-8EP obsahuje kromě dalších režimů ochrany také ochranu před otevřenou nebo zkratovanou LED a otevřeným nebo zkratovaným rezistorem snímajícím proud.

Stejně jako u uspořádání řízení LED s nižším výkonem může vyhodnocovací deska pro řešení s vyšším výkonem výrazně zkrátit hodiny potřebné k lepšímu porozumění celé situaci v návrhu, a tak efektivněji posouvat projekt. Pro sestupný LED řadič AL8843SP-13, nejnáročnější součástku návrhu s vyšším výkonem, nabízí společnost Diodes Incorporated vyhodnocovací desku AL8843EV1 (obrázek 8).

Obrázek 8: Uživatelům řadiče AL8843SP-13 bude prospěšná základní vyhodnocovací deska AL8843EV1, která se plně zaměřuje na jeden snižovací regulátor a 3A integrovaný obvod analogového LED řadiče s PWM stmíváním. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Vyhodnocovací deska AL8843EV1 umožňuje základní zkoušení integrovaného obvodu bez interakce nebo interference způsobené jinými aktivními součástkami.

Pak je tu „propojené osvětlení“

Jedním z dalších vylepšení, které jsou u moderního LED osvětlení praktické a žádoucí, je možnost implementovat „chytré propojené osvětlení“ („smart connected lighting“, SCL), často jednoduše popsané jako „propojené osvětlení“. Kromě různých atributů také umožňuje, aby žárovky byly prostřednictvím standardu konektivity ovládány jako skupina i jednotlivě ve skupině.

Jaké jsou výhody SCL? Z pohledu systému vyšší úrovně, a možná dokonce s určitými spekulacemi a nadsázkou, se propojená infrastruktura osvětlení stává investicí do sítě konektivity v celé budově. Data procházející touto infrastrukturou umožňují správcům budov integrovat, automatizovat a prodlužovat životnost hlavních stavebních systémů, snižovat jejich provozní náklady, zvyšovat výkon a snižovat prostoje.

Někteří analytici tvrdí, že výhody připojeného osvětlení jdou daleko nad rámec pouhého osvětlení. Například Szymon Slupik, CTO a zakladatel společnosti Silvair, poznamenává: „Hodnota dalších služeb, které chytré osvětlení umožňuje, je sedmkrát až desetkrát cennější než samotné ovládání osvětlení a úspory energie.“

Žárovky SCL jsou často po dlouhou dobu v pasivním stavu „naslouchání“, takže spotřeba energie v pohotovostním režimu je klíčovým parametrem, který je předmětem zájmu konstruktérů, a v různých zákonných požadavcích se uvádějí maximální hodnoty. Řadiče a regulátory od společnosti Diodes Incorporated jsou navrženy tak, aby byl výkon v pohotovostním režimu nižší než povolené hodnoty. Tyto součástky také spolupracují s řídicími/komunikačními modely stmívání podporujícími různé standardy rozhraní včetně Bluetooth, Zigbee a Wi-Fi.

Jedním z faktorů, který bude řídit instalaci propojeného osvětlení, je vývoj celopodnikových standardů zajišťujících spolupráci součástek SCL od různých dodavatelů. Například skupina Bluetooth Special Interest Group (SIG) spolupracovala s oborem osvětlení na vývoji standardu sítě Bluetooth optimalizované pro vytváření příslušných rozsáhlých sítí zařízení. Skupina Bluetooth SIG a DALI Alliance dále spolupracovaly na vytvoření standardizovaného rozhraní, které umožní nasazení svítidel s certifikací D4i a zařízení DALI-2 do sítí pro řízení osvětlení pomocí technologie Bluetooth (D4i je standard DALI pro inteligentní svítidla připravená pro IoT). Prostřednictvím tohoto rozhraní mohou data nerušeně téct mezi svítidly bohatými na senzory a ovládacími prvky osvětlení, a dokonce i do jiných systémů pro správu budov.

Závěr

Chytré architektonické osvětlení na bázi LED zlepšuje energetickou účinnost osvětlovacích systémů v komerčních budovách. Je také klíčovým prvkem pro umožnění dlouhodobého potenciálního zvýšení celkové výkonnosti budovy. Integrované obvody řadičů, regulátorů a LED řadičů od společnosti Diodes Incorporated, které jsou zaměřeny a optimalizovány pro architektonické osvětlení na bázi LED, patří mezi klíčové stavební kameny potřebné k úspěšnému převodu potenciálních výhod těchto pokročilých možností architektonického osvětlení do výkonné, všestranné a cenově efektivní reality.

Reference

DALI Alliance, D4i – standard DALI pro inteligentní svítidla připravená pro IoT

Další čtení

1. Postupy elektromagnetických návrhů pro AL8805
2. Porozumění novým standardním konektorům pro vnitřní a venkovní LED osvětlení a jejich aplikace