Hoe ontwerpen voor optimale LED-prestaties in architecturale verlichting

Traditionele architecturale verlichtingsbronnen (AL) - gloei-, halogeen- en fluorescentielampen - worden in bestaande en nieuwe ontwerpen in hoog tempo vervangen door verlichting op basis van lichtemitterende dioden (LED's). De redenen zijn duidelijk: afgezien van wettelijke verplichtingen belooft LED-verlichting een veel hogere efficiëntie, lagere bedrijfskosten, minder thermische belasting, een veel langere levensduur van de installatie (voor lagere onderhoudskosten), en een weg naar slimmer beheer van gebouwfuncties.

Het gebruik van leds in een lamp die een vorm-en-pas-vervanging is voor deze reeds lang bestaande lampen, is echter niet triviaal. Er zijn nieuwe aandrijfschakelingen nodig die een gecontroleerde stroom (geen spanning) leveren, vaak met dimmogelijkheden. Bovendien zijn gloeilampen weerstandsbelastingen die rechtstreeks op de wisselstroomkabel kunnen worden aangesloten, terwijl LED's anders zijn. Zij hebben geen eenheidsvermogensfactor - d.w.z. stroom en spanning zijn in fase - en hun schakelingen voor de aandrijving van schakelende regelaars zijn een potentiële bron van elektromagnetische interferentie (EMI). In plaats daarvan moet het aandrijfcircuit de vereiste aandrijfstroom leveren en regelen op een manier die is geoptimaliseerd voor de kenmerken van de LED-belasting. De driver moet eventueel ook vermogensfactorcorrectie (PFC), dimfunctie en EMI-onderdrukking implementeren.

In dit artikel wordt ingegaan op verschillende aspecten van architecturale verlichting en de IC's die architecturale verlichting op basis van LED's mogelijk maken. Vervolgens worden IC's van Diodes Incorporated geïntroduceerd als voorbeelden van het gebruik ervan in reële circuits.

De doelstellingen van AL en de uitdagingen van LEDs

AL is het ontwerp en gebruik van verlichtingssystemen die zijn ingebouwd in en buiten een commerciële, niet-residentiële structuur zoals een winkel, kantoor of magazijn. Het doel van architectonische verlichtingsontwerpen is een evenwicht te vinden tussen de kunst en de wetenschap van het verlichten om stemming te scheppen, visuele belangstelling te wekken en de beleving van een ruimte of plaats te verbeteren, en tegelijkertijd te voldoen aan de technische en veiligheidseisen. Het omvat geen geïmproviseerde verlichting die mensen meebrengen of opnieuw rangschikken, zoals hun favoriete bureaulamp; in plaats daarvan is het de verlichting die "bij het gebouw hoort", hoewel zij vaak enige flexibiliteit en zelfs herschikking toelaat als de behoeften op korte en lange termijn evolueren.

In de afgelopen jaren is AL een groter en meer technologisch gedreven gebied geworden met extra uitdagingen, grotendeels als gevolg van de noodzaak om energie te besparen en de bijbehorende functies en kenmerken van verlichting te beheren. Aangezien op LED's gebaseerde verlichting een dominante factor is geworden bij het verbeteren van AL, zijn de technieken, schakelingen en componenten die de LED's in de AL-armaturen (armaturen) efficiënt kunnen aansturen, steeds belangrijker geworden.

Een groot deel van de impuls voor de overgang naar op LED's gebaseerde AL komt van diverse regelgevende mandaten en normen die verschillende perspectieven op efficiëntie definiëren, waaronder dimbaarheid, PFC, en EMI-generatie, naast andere factoren. De specifieke kenmerken van deze uiterst gecompliceerde en langdurige voorschriften verschillen per regio, land en zelfs per deelstaat van de Verenigde Staten.

Tot de belangrijke regelgevingsvereisten in de VS behoren de federale Energy Star-normen en de "Title 24 California Building Standards Code", die strenger is dan Energy Star. Naast de vele andere overwegingen, vereist Titel 24:

• Bezettingssensors voor het automatisch in- en uitschakelen van verlichtingsbelastingen
• LED-drivers met dimmogelijkheid
• Hogere efficiëntie, gemeten naar bruikbare lumen per watt ingangsvermogen
• Smart Connected Lighting (SCL) ondersteunt draadloze bediening van afzonderlijke en gegroepeerde lampen via Bluetooth, Zigbee of DALI/IEC 62386, met een stand-byvermogen van het systeem van minder dan 200 milliwatt (mW)
• LED-uitgangsstroomrimpel van minder dan 30% om hinderlijk en storend flikkeren te voorkomen
• PFC van 0,9 of hoger bij gedefinieerd hoger vermogen
• Totale harmonische vervorming (THD) minder dan 20% om verspilling van stroom door niet-resistieve belastingen te minimaliseren

Een opmerking over dimsnelheid en flikkering: hoewel het menselijk oog over het algemeen ongevoelig is voor flikkering boven 100 Hz, is er een daarmee samenhangend verschijnsel, soms "e-flicker" genoemd, dat optreedt wanneer pulsbreedtemodulatie (PWM) wordt gebruikt om de LED's te dimmen, hetzij voor helderheids- of kleurregeling. Bij PWM wordt de LED gedurende korte perioden (honderden microseconden) met een hoge snelheid uitgeschakeld. Deze dimsnelheid kan in wisselwerking staan met de scan- en vernieuwingsfrequenties van basis-LED-uitlezingen, beeldschermen, bewakingscamera's en andere optische beeldvormingsapparatuur. Daarom moet de vernieuwingsfrequentie van de LED veel hoger zijn dan de snelheid waarvoor het oog zelf gevoelig is, en dit is het geval voor de componenten van Diodes Incorporated.

Ga verder dan chips naar chipsets

Voldoen aan de meervoudige energiegerelateerde eisen is een ontwerpuitdaging die jongleren vereist met tegenstrijdige benaderingen, aangezien er onvermijdelijk interacties en compromissen zijn tussen de "beste" oplossingen voor elke doelstelling. Er zijn afzonderlijke IC's beschikbaar die zijn geoptimaliseerd om specifieke aspecten van het probleem aan te pakken, maar voor een volledige oplossing moet ervoor worden gezorgd dat deze IC's harmonieus samenwerken en elkaar versterken in plaats van tegen te werken.

Daarom is het vaak zinvol te kijken naar IC's van één leverancier en de bijbehorende chipset-gecertificeerde circuits die deze IC's groeperen, en die de leverancier heeft samengesteld. Dit biedt ontwerpers een geteste topologie en is een goed uitgangspunt. Voor op LED's gebaseerde AL biedt Diodes Incorporated chipsets aan in twee groepen, de ene voor situaties met een lager vermogen (minder dan 30 W), en de andere voor installaties met een hoger vermogen (meer dan 30 W), waarbij de eerste meestal binnenshuis worden gebruikt en de tweede buitenshuis.

Het blokschema in figuur 1 laat zien hoe de drie basis-IC's die samen de chipset voor <30-watt vermogenstoepassingen vormen - een dimbare LED-controller, een rimpelonderdrukker en een controller voor de dimsignaalinterface - met elkaar interageren en zo de benodigde kernfunctionaliteit leveren.

Afbeelding 1: Geavanceerde IC's - een dimbare LED-controller, een rimpelsuppressor en een controller voor de dimsignaalinterface - vormen de kern van een ontwerp voor < 30 watt architecturale verlichting. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

Als we de drie IC's afzonderlijk bekijken, blijkt de AL1666S-13 hoogwaardige dimbare LED-controller te werken met een breed ingangsspanningsbereik van 85 VAC (VAC) tot 305 VAC, terwijl hij een PFC van meer dan 0,9 en een THD van minder dan 10% biedt. Hij ondersteunt 0-10 volt analoog dimmen over een bereik van 5% tot 100% en werkt met alle ANSI-standaarddimmers; voor het niet-analoge PWM-dimmen is het bereik 1% tot 100% bij 1 kilohertz (kHz). Voor consistente prestaties biedt hij een strakke regeling van de LED-stroomlijn van beter dan ±2%, en een regeling van de LED-stroombelasting van beter dan ±2% van volle belasting tot halve belasting.

De AL5822W6-7 is een adaptieve 100/120 Hz LED-stroom-rimpelonderdrukker in een SOT-23-6 behuizing. Het beantwoordt aan de moeilijke uitdaging om de stroomrimpel tot een minimum te beperken om aan de steeds strengere normen te voldoen. Aangezien het toestel de interface vormt met de LED's, is het voorts noodzakelijk dat het bescherming biedt tegen kortsluiting, overstroom en te hoge temperatuur en dat het tevens geschikt is voor gloeilampen die onder spanning werken wanneer de schakeling en de gloeilamp in een "onder spanning staande" fitting worden gestoken. Het kan zorgen voor een drastische vermindering van de rimpeling, waardoor deze wordt teruggebracht tot slechts enkele procenten van de oorspronkelijke waarde, zoals aangetoond met enkele basisgetallen. Bijvoorbeeld, in combinatie met de AL1665S-13 hoogwaardige dimbare LED-controller - een nauwe verwant van de AL1666S-13 - bedraagt de stroomrimpel ongeveer 520 milliampère (mA) piek-tot-piek, maar deze neemt af tot slechts 17 mA wanneer deze wordt gecombineerd met de AL5822 (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Door de AL1665S-13 hoogwaardige dimbare LED-controller aan het ontwerp toe te voegen, wordt de rimpel van 520 mA piek-tot-piek gereduceerd tot slechts 17 mA. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

Tenslotte is er de AL8116W6-7, een flexibele 0-to-10 volt interfacecontroller voor dimsignalen. Hij werkt op een breed V_CC-bereik van 10 tot 56 volt, dat kan worden afgeleid van de uitgangsspanning van een hulpwikkeling, een voedingsrail, of de spanning van de LED-keten. Hij ondersteunt PWM-dimmen over een bereik van 0,2 kHz tot 10 kHz met een regeling van 0 tot 10 volt, en potentiometer (resistief) dimmen (0 tot 100 kilohm (kΩ)). Hij zet de dimregeling om in de door het systeem vereiste PWM-uitgang en biedt tegelijkertijd een eenvoudige oplossing voor kruisgeïsoleerd dimmen met barrière. Hij biedt ook een ±2,5% PWM-uitgangs duty cycle voor een nauwkeurige dimcurve, wat van cruciaal belang is bij multi-LED-installaties.

Uiteraard kunnen blokdiagrammen op hoog niveau bedrieglijk zijn wat betreft de weergave van de totale stuklijst (BOM), met inbegrip van passieve componenten, discrete actieve componenten en andere IC's. Daarom is het belangrijk naar het eigenlijke schema te kijken om te begrijpen wat de volledige schakeling vereist, aangezien dit van invloed is op de verpakking, de productie en de kosten.

Voor de <30 watt chipset van figuur 1 toont het schema in figuur 3 hieronder hoe weinig componenten er eigenlijk nodig zijn. (Transformator T1 en de optocoupler zijn nodig voor de galvanische scheiding tussen primaire en secundaire zijde)

Afbeelding 3: Uit de details van een schematisch diagram van het in Afbeelding 1 getoonde high-level blokschema blijkt dat in het complete ontwerp slechts een paar extra componenten nodig zijn. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

Aangezien alle schakelende vermogensschakelingen echte subtiliteiten hebben die een schematisch diagram alleen niet kan onthullen, is een evaluatiebord een troef om de ontwerpvalidatie en -verificatie te versnellen. De AL1666+AL8116+AL5822EV1 is een evaluatiekaart die gebruik maakt van de drie genoemde IC's om een 0-to-10 volt dimbare, hoog PFC, enkeltraps flyback LED-driver te leveren (Afbeelding 4). Hij levert een constante uitgangsstroom van 1200 mA over een spanningsbereik van 25 tot 50 volt bij een ingangsspanning van 90 VAC tot 305 VAC.

Afbeelding 4: Om de voltooiing van het project te versnellen, biedt het evaluatiebord AL1666+AL8116+AL5822EV1 (boven en onder) een beter begrip van de werking van het dimbare LED-drivercircuit door gebruik te maken van de AL1666 primaire controller, de AL8116 secundaire diminterface-IC en de AL5822 LED-stroomrimpelonderdrukker. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

Grootte is belangrijk voor achterwaartse compatibiliteit

Waarom zijn kleine afmetingen en een korte BOM belangrijk, afgezien van het gebruikelijke "kleiner is beter"-argument? Het is gedeeltelijk een kwestie van achterwaartse compatibiliteit met bestaande lampen (gloeilampen) wanneer LED-driven IC's individueel of in groepen worden gebruikt.

Zo zijn er bijvoorbeeld veel verschillende AL-lampformaten in gebruik, maar een daarvan is de MR16, die in woningen en bedrijven wordt gebruikt voor gerichte verlichting (figuur 5). Lampen met halogeenlichtbronnen in deze vormfactor behoren al vele jaren tot de eerste keuze voor standaard AL-verlichting.

Afbeelding 5: De vormfactor en grootte van MR16 gloeilampen met halogeen als lichtbron wordt veel gebruikt in AL-installaties. (Bron afbeelding: Wikipedia; W.W. Grainger, Inc.)

De MR16 is 2 inches in diameter bij zijn grootste omtrek. De "MR" staat voor "multifaceted reflector", die de richting en de verspreiding van het uitgestraalde licht regelt. Deze lamp werkt gewoonlijk (maar niet altijd) op een wisselspanningslijn van 12 volt, die gewoonlijk wordt geleverd via een netspanningstransformator.

Een kleine halogeen MR16 verbruikt 20 watt en heeft een levensduur van 2.000 tot 6.000 uur. Het LED-equivalent daarentegen verbruikt slechts enkele watts en heeft een levensduur in de orde van 100.000 uur. Aangezien AL op LED-gebaseerde lichtbronnen overgaan, is het belangrijk om het noodzakelijke schakelschema in dit pakket te kunnen opnemen om vorm-en-pas lampen voor de reusachtige vervangingsaftermarket, evenals voor nieuwe AL ontwerp-ins te verstrekken.

Voorzien in hogere vermogensbehoeften

Voor het aansturen van LED-lampjes van meer dan 30 watt (wat overeenkomt met ongeveer 3 ampère (A) aan LED-stroom), zoals toepassingen buitenshuis, kan een tweefasentopologie de voorkeur verdienen boven de eentrapsbenadering, hoewel de besturings- en communicatiemodules dezelfde kunnen zijn (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Bij ontwerpen voor LED-verlichting met een hoger vermogen (meer dan 30 watt) wordt gebruik gemaakt van een tweefasentopologie (rechts) in tegenstelling tot de eentrapsbenadering van ontwerpen met een lager vermogen (links), maar hun "slimme" interface kan dezelfde zijn. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

Ook hier biedt het schakelschema - in dit geval van de ontwerpoplossing voor LED-verlichting met een hoger vermogen - meer gedetailleerd inzicht (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het schema toont nogmaals het relatief hoge integratieniveau van deze oplossing met hoger vermogen. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

Evenals bij het ontwerp voor een lager stroomverbruik, vormen drie IC's de kern van deze implementatie. De eerste is de AL1788W6-7, een regelaar voor de primaire zijde die ondersteuning biedt voor buck (step down) en flyback topologieën waarvoor geen optocoupler nodig is, terwijl de quasi-resonante (QR) werking met "valley-on functie" zorgt voor een laag schakelverlies. De vermogensfactor is beter dan 0,9 terwijl de THD minder dan 15% bedraagt, en het standby-vermogen van minder dan 200 mW (voor gebruik overdag wanneer bijvoorbeeld de lichten uit zijn) draagt bij tot de algemene efficiëntie.

De AL17050WT-7 is een universele AC niet-geïsoleerde buck regulator die een nauwkeurige constante spanningsregeling (CV) biedt met een extreem laag standby-vermogen in een kleine SOT-25 behuizing. Hij integreert een MOSFET van 500 volt en werkt met een enkelvoudig gewikkelde spoel, wat resulteert in eenvoudiger externe componenten en een lagere BOM-kosten. Vanwege zijn elektrische rol en plaats in de totale topologie bevat het apparaat meerdere productie-"lagen", waaronder bescherming tegen te hoge temperaturen, V_CC-onderspanningsuitsluiting, bescherming tegen kortsluiting aan de uitgang, bescherming tegen overbelasting en bescherming tegen open lus.

Tenslotte is er de AL8843SP-13, een 1 megahertz (MHz) step-down regulator en analoge LED-driver met PWM-dimming, die een uitgangsstroom tot 3 A kan leveren, die instelbaar is via een externe weerstand. Hij werkt op een brede ingangsspanning van 4,5 tot 40 volt en heeft een ±4% stroomdetectienauwkeurigheid voor een superieure kanaal-kanaal-matching in ontwerpen met meerdere LED's.

De AL8843SP-13 integreert de vermogensschakelaar en een hoog-zijdig uitgangsstroom-sensing circuit; afhankelijk van de voedingsspanning en externe componenten, kan de converter tot 60 Watt uitgangsvermogen leveren met een efficiëntie tot 97%. De belangrijke dimfunctie kan worden geïmplementeerd door een extern stuursignaal toe te passen op één enkele pakketpen die hetzij een gelijkspanning, hetzij een PWM-signaal accepteert. Dit thermisch verbeterde SO-8EP-verpakte apparaat biedt ook bescherming tegen een open of kortgesloten LED en een open of kortgesloten stroomdetectieweerstand, naast andere beschermingsmodi.

Net als bij de LED-aandrijving met een lager vermogen kan een evaluatiekaart voor de oplossing met een hoger vermogen de uren die nodig zijn voor een beter begrip van een volledige ontwerpsituatie sterk verminderen en zo het project doeltreffender doen vorderen. Voor de AL8843SP-13 step-down LED-driver - de meest uitdagende component van het ontwerp met hoger vermogen - biedt Diodes Incorporated het AL8843EV1-evaluatiebord (Afbeelding 8).

Figuur 8: Gebruikers van de AL8843SP-13 zullen baat hebben bij het basis evaluatiebord AL8843EV1, dat zich volledig richt op de enkele step-down regulator en het 3 A analoge LED-driver IC met PWM-dimming. (Afbeelding bron: Diodes Incorporated)

Het AL8843EV1-evaluatiebord maakt basisoefeningen van het IC mogelijk zonder interactie of interferentie door andere actieve componenten.

Dan is er "aangesloten verlichting"

Een van de andere verbeteringen die zowel praktisch als wenselijk zijn met moderne op LED's gebaseerde verlichting, is de mogelijkheid om "smart connected lighting" (SCL) te implementeren, vaak eenvoudig omschreven als "aangesloten verlichting". Met dit systeem kunnen lampen zowel als groep als individueel binnen een groep worden bediend, via een connectiviteitsnorm.

Wat zijn de voordelen van SCL? Vanuit een systeemperspectief op een hoger niveau - en misschien zelfs met enige speculatie en overdrijving - wordt een aangesloten verlichtingsinfrastructuur een investering in een gebouwomvattend connectiviteitsnetwerk. De gegevens die door deze infrastructuur stromen, stellen gebouwbeheerders in staat de kernsystemen van gebouwen te integreren, te automatiseren en de levensduur ervan te verlengen, hun exploitatiekosten te verlagen, hun prestaties te verbeteren en de uitvaltijd te verminderen.

Sommige analisten beweren dat de voordelen van aangesloten verlichting veel verder gaan dan alleen verlichting. Szymon Slupik, CTO en oprichter van Silvair, merkt bijvoorbeeld op: "De waarde van aanvullende diensten die door slimme verlichting mogelijk worden gemaakt, is zeven tot tien keer groter dan de verlichtingsregelingen en energiebesparingen zelf."

SCL-lampen zijn vaak gedurende lange perioden in een passieve "luisterende" toestand, zodat het stand-by stroomverbruik een belangrijke parameter van zorg is voor ontwerpers, en in de diverse regelgevingsmandaten worden maximumwaarden gespecificeerd. De controllers en regulators van Diodes Incorporated zijn ontworpen met stand-byvermogens die onder de toegestane waarden liggen. Ze werken ook met modellen voor dimbediening/communicatie die verschillende interfacestandaarden ondersteunen, waaronder Bluetooth, Zigbee en Wi-Fi.

Eén factor die de installatie van aangesloten verlichting zal stimuleren, is de ontwikkeling van normen voor de hele sector om de interoperabiliteit van SCL-componenten van verschillende verkopers te garanderen. Zo heeft de Bluetooth Special Interest Group (SIG) samengewerkt met de verlichtingsindustrie om een Bluetooth mesh-standaard te ontwikkelen die geoptimaliseerd is voor het creëren van toepasbare grootschalige netwerken van apparaten. Verder hebben de Bluetooth SIG en de DALI Alliance samengewerkt om een gestandaardiseerde interface te creëren waarmee D4i-gecertificeerde armaturen en DALI-2-apparaten kunnen worden ingezet in op Bluetooth gebaseerde mesh-verlichtingsbesturingsnetwerken (D4i is de DALI-standaard voor intelligente, IoT-ready armaturen). Via deze interface kunnen gegevens ongehinderd stromen tussen sensorrijke armaturen en verlichtingsregelaars, en zelfs naar andere gebouwbeheersystemen.

Conclusie

Slimme, op LED's gebaseerde architecturale verlichting verbetert de energie-efficiëntie van verlichtingssystemen in commerciële gebouwen. Het is ook een kritisch element om op lange termijn potentiële verbeteringen van de algemene prestaties van gebouwen mogelijk te maken. Controller-, regelaar- en LED-driver IC's van Diodes Incorporated die gericht zijn op en geoptimaliseerd zijn voor AL met LED's, behoren tot de belangrijkste bouwstenen die nodig zijn om de potentiële voordelen van deze geavanceerde AL-mogelijkheden met succes om te zetten in een krachtige, veelzijdige en kosteneffectieve realiteit.

Referentie

DALI Alliance, D4i - de DALI-norm voor intelligente, IoT-ready armaturen

Verdere lectuur

1. Elektromagnetische ontwerppraktijken voor de AL8805
2. Inzicht in en toepassing van de nieuwe standaard connectoren voor LED-verlichting voor binnen en buiten