Hur man konstruerar för optimal LED-prestanda i arkitektonisk belysning

Traditionella arkitektoniska ljuskällor (AL) - dvs. glödlampor, halogenlampor och lysrör - ersätts allt snabbare av belysning baserad på lysdioder (LED) i befintliga såväl som i nya byggnader. Orsakerna är uppenbara: förutom att uppfylla regelkrav, utlovar LED-belysning en mycket högre verkningsgrad, lägre driftskostnader, minskad värmebelastning, mycket längre livslängd (för lägre underhållskostnader) och en väg till smartare hantering av byggnadsfunktioner.

Men, att använda lysdioder i en glödlampa som är en exakt ersättare både till form och passform för dessa gamla väletablerade lampor är dock inte trivialt. Det behövs nya drivdon som tillhandahåller kontrollerad ström (inte spänning), ofta med dimringsmöjligheter. Medan glödlampor är resistiva belastningar som kan drivas direkt från elnätet är LED-lampor annorlunda. De har inte en enhetlig effektfaktor - det vill säga, att ström och spänning är i fas - och deras drivdon med switchade regulatorer är en potentiell källa till elektromagnetiska störningar (EMI). Istället måste drivdonet tillhandahålla och styra den drivström som krävs på ett sätt som är optimerat för den belastande lysdiodens egenskaper. Drivdonet kan även behöva implementera effektfaktorkorrigering (PFC), dimringskapacitet och EMI-skydd.

Artikeln tar upp olika aspekter av arkitektonisk belysning och de integrerade kretsar som möjliggör en LED-baserad arkitektonisk belysning. Därefter presenteras integrerade kretsar från Diodes Incorporated med exempel på hur dessa används i verkliga kretsar.

Målen för arkitektonisk belysning och utmaningarna med lysdioder

Arkitektonisk belysning är utformningen och användningen av belysningssystem som är inbäddade i och utanför en kommersiell byggnad som inte är avsedd för bostäder, t.ex. en butik, ett kontor eller en lagerlokal. Målet med design av arkitektonisk belysning är att balansera belysningens konst och vetenskap för att skapa stämning, visuellt intresse och förstärka upplevelsen av ett utrymme eller en plats, samtidigt som man uppfyller de tekniska kraven och säkerhetskraven. Det omfattar inte de improviserade lampor som folk tar med sig och flyttar runt, som exempelvis, deras favoritbordslampa, utan det är den belysning som "tillhör byggnaden", även om den ofta tillåter viss flexibilitet och även förflyttning när behoven utvecklas på kort och lång sikt.

Under de senaste åren har arkitektonisk belysning blivit ett större och mer teknikdrivet område med ökade utmaningar, främst på grund av behovet av att spara energi och hantera belysningens tillhörande funktioner och egenskaper. Eftersom LED-baserad belysning har blivit en dominerande faktor vid uppgraderingen av arkitektonisk belysning har tekniker, kretsar och komponenter som effektivt kan driva lysdioderna i armaturer för arkitektonisk belysning blivit allt viktigare.

En stor del av drivkraften för övergången till LED-baserad arkitektonisk belysning kommer från flera lagkrav och standarder som definierar olika perspektiv kring effektivitet, inklusive dimbarhet, effektfaktorkorrigering och EMI-generering, bland andra faktorer. Detaljerna i dessa mycket komplicerade och långvariga krav skiljer sig åt mellan olika globala regioner, länder och till och med delstater i USA.

Bland de viktiga lagkraven i USA finns de federala standarderna Energy Star och Title 24 California Building Standards Code, som är strängare än Energy Star. Bland många andra överväganden kräver Title 24 följande:

• Närvarosensorer för automatisk tändning/avstängning av belysningsbelastningar
• LED-drivdon med dimringsfunktion
• Högre verkningsgrad mätt i användbara lumen per watt tillförd effekt
• Smart Connected Lighting (SCL) med stöd för trådlös styrning av enskilda och grupperade lampor via Bluetooth, Zigbee eller DALI/IEC 62386, med en standbyeffekt på mindre än 200 mW
• Rippel på LED-utgångens ström ska vara mindre än 30 % för att undvika irriterande och störande flimmer
• Effektfaktorkorrigering på 0,9 eller högre vid definierad högre effekt
• Total harmonisk distorsion (THD) under 20 % för att minimera slöseri med energi på grund av icke-resistiva belastningar

En notering om dimringsfrekvens och flimmer: Även om det mänskliga ögat i allmänhet är okänsligt för flimmer över 100 Hz finns det ett associerat fenomen, ibland kallat "e-flimmer", som uppstår när pulsbreddsmodulering (PWM) används för att dimra lysdioderna, antingen för att kontrollera ljusstyrka eller färg. Med PWM släcks lysdioden under korta perioder (hundratals mikrosekunder) med hög hastighet. Denna dimringsfrekvens kan interagera med skannings- och uppdateringsfrekvensen i vanliga LED-displayer, bildskärmar, säkerhetskameror och andra optiska bildenheter. Av denna anledning bör lysdiodernas uppdateringsfrekvens vara mycket högre än den hastighet som ögat är känsligt för, och detta är fallet med komponenter från Diodes Incorporated.

Gå bortom kretsar till kretsuppsättningar

Att uppfylla de många energirelaterade kraven är en konstruktionsutmaning som kräver att man balanserar motstridiga synsätt, eftersom det finns oundvikliga interaktioner och kompromisser mellan de "bästa" lösningarna för respektive mål. Det finns enskilda integrerade kretsar som är optimerade för att hantera specifika aspekter av problemet, men för att få en komplett lösning måste man se till att dessa integrerade kretsar arbetar tillsammans i harmoni och förstärker varandra, snarare än att motverka varandra.

Därför är det ofta klokt att titta på integrerade kretsar från en enda leverantör och eventuella tillhörande kretsuppsättningar - verifierade kretsar som grupperar dessa integrerade kretsar-som leverantören har satt samman. Detta ger konstruktörer en testad topologi och utgör en bra utgångspunkt. För LED-baserade arkitektoniska belysningar erbjuder Diodes Incorporated kretsuppsättningar i två grupper, en för lägre effekt (under 30 W) och en för högre effekt (över 30 watt), där den förstnämnda typen vanligtvis används inomhus och den sistnämnda utomhus.

Blockdiagrammet i figur 1 visar hur de tre grundläggande integrerade kretsar som ingår i kretsuppsättningen för tillämpningar under 30 W - en dimbar LED-styrenhet, ett rippelskydd och en styrenhet för gränssnittet för dimringssignaler - som interagerar med varandra och tillhandahåller den nödvändiga basfunktionen.

Figur 1: Avancerade integrerade kretsar - en dimbar LED-styrenhet, ett rippelskydd och en styrenhet för gränssnittet för dimringssignaler - utgör basen i en konstruktion för arkitektonisk belysning på mindre än 30 watt. (Bildkälla: Diodes Incorporated)

Om man tittar på de tre integrerade kretsarna var för sig kan AL1666S-13, den högeffektiva dimbara LED-styrenheten, fungera i ett brett inspänningsområde på 85 V AC till 305 VAC, samtidigt som den har en effektfaktorkorrigering på över 0,9 och en THD på under 10 %. Den har stöd för analog dimring på 0-10 V med ett intervall på 5 till 100 % och fungerar med alla dimrar som följer ANSI-standarden. För icke-analog PWM-dimring är intervallet 1 till 100 % vid 1 kHz. För konsekvent prestanda har den en snäv reglering av LED-strömmen som är bättre än ±2 % och en lastbalansering för LED-strömmen som är bättre än ±2 % från full belastning ner till halv belastning.

Därefter kommer AL5822W6-7, ett adaptivt 100/120 Hz rippelskydd för LED-strömmen i en SOT-23-6-kapsling. Den hanterar den svåra utmaningen att minimera strömrippel för att uppfylla allt strängare standarder. Eftersom det är den enhet som är kopplad till lysdioderna är det nödvändigt att den har skydd mot kortslutning, överström och övertemperatur samtidigt som den har stöd för drift med varm glödlampa när kretsen och glödlampan monteras i ett strömförande uttag. Det kan ge en dramatisk minskning av ripplet och få ner det till bara några få procent av det ursprungliga värdet, vilket visas med några grundläggande siffror. När den används med den högeffektiva dimbara LED-styrenheten AL1665S-13 - en nära släkting till AL1666S-13 - strömförlusten är bara cirka 520 mA topp till topp, men minskar till bara 17 mA när den används tillsammans med AL5822 (figur 2).

Figur 2: Genom att lägga till den högeffektiva dimbara LED-styrenheten AL1665S-13 i konstruktionen minskas rippel från 520 mA topp till topp till endast 17 mA. (Bildkälla: Diodes Incorporated)

Till sist, har vi AL8116W6-7, en flexibel styrenhet för styrning av dimringssignaler mellan 0-10 V. Den arbetar inom ett brett V_CC-område på 10 till 56 V, som kan hämtas från utspänningen på en extra lindning, en strömskena eller från LED-kedjans spänning. Den har stöd för PWM-dimring i ett intervall på 0,2 till 10 kHz med 0-10 V och dimring med potentiometer (resistiv dimring) (0 till 100 kΩ). Den omvandlar dimringsstyrningen till den PWM-utgång som systemet kräver samtidigt som den ger en enkel lösning för dimring över isolerande barriärer. Den har även en ±2,5 % arbetscykel på PWM-utgången för en exakt dimringskurva, vilket är viktigt i installationer med många LED-lampor.

Blockdiagram på hög nivå kan naturligtvis vara vilseledande när det gäller att visa den totala materiallistan, inklusive passiva komponenter, diskreta aktiva komponenter och andra integrerade kretsar. Därför är det viktigt att titta på det faktiska schemat för att förstå vad den kompletta kretsen kräver, eftersom detta påverkar förpackning, produktion och kostnad.

För kretsuppsättningen under 30 W i figur 1 visar schemat i figur 3 nedan, hur få komponenter som faktiskt behövs. (transformator T1 och optokopplaren behövs för galvanisk isolering mellan primär- och sekundärsidan.)

Figur 3: Detaljerna i ett schema för blockdiagrammet på hög nivå som visas i figur 1 visar att endast några få ytterligare komponenter krävs i den färdiga konstruktionen. (Bildkälla: Diodes Incorporated)

Eftersom alla switchningsbaserade effektkretsar har svagheter i den verkliga världen som inte enbart ett schema kan avslöja, är ett utvärderingskort en tillgång för att skynda på validering och verifiering av konstruktionen. AL1666+AL8116+AL5822EV1 är ett utvärderingskort som använder de tre nämnda integrerade kretsarna för att tillhandahålla ett dimbart LED-drivdon för 0-10 V med hög effektfaktorkorrigering och hög PFC, enstegs-flyback (figur 4). Det ger en konstant utgångsström på 1200 mA i ett spänningsområde från 25 till 50 V från en inspänning på 90 VAC till 305 VAC.

Figur 4: För att skynda på slutförandet av projektet ger utvärderingskortet AL1666+AL8116+AL5822EV1 (överst och nederst) en djupare insikt i det dimbara LED-drivdonets funktion med hjälp av styrenheten AL1666 på primärsidan, AL8116 som agerar gränssnitt på sekundärsidan och AL5822 LED-rippelskydd. (Bildkälla: Diodes Incorporated)

Storleken har betydelse för bakåtkompatibilitet

Varför är liten storlek och en kort materiallista viktigt, bortom det vanliga "mindre är bättre"-argumentet? Det är delvis en fråga om bakåtkompatibilitet med befintliga lampor (glödlampor) vid användning av integrerade kretsar för LED-drivning.

Det finns exempelvis, många olika lampor för arktitektonisk belysning som används allmänt, men en variant som är särskilt utbredd är MR16-lampan som används i bostäder och kommersiella miljöer för riktad belysning (figur 5). Glödlampor med halogenlampor i detta format har under många år varit ett av de första valen för vanlig arkitektonisk belysning.

Figur 5: MR16-lampans formfaktor och storlek med halogen som ljuskälla används ofta i installationer med arkitektonisk belysning. (Bildkälla: Wikipedia; W.W. Grainger, Inc.)

MR16 är 2 tum i diameter vid sin största omkrets. "MR" står för multifacetterad reflektor, vilket är det som styr riktningen och spridningen av det ljus som förmedlas. Lampan drivs vanligtvis (men inte alltid) av en 12-volts växelströmsledning, som i allmänhet levereras via en step-down-transformator.

En liten MR16-halogenlampa kräver 20 W och har en livslängd på 2 000 till 6 000 timmar. Däremot kräver en motsvarande LED-lampa endast några få Watt och har en livslängd på omkring 100 000 timmar. När arkitektonisk belysning övergår till LED-baserade ljuskällor är det viktigt att kunna inkludera de kretsar som behövs i detta paket för att tillhandahålla glödlampor rätt form och passform för den enorma marknaden för eftermarknadslampor, liksom för nya utformningar av arkitektonisk belysning.

Att tillgodose högre effektbehov

För LED-lampor som drivs med mer än 30 W (vilket motsvarar cirka 3 A LED-ström), för t.ex. utomhustillämpningar, kan en topologi i två steg, vara att föredra framför enstegsmetoden, även om styr- och kommunikationsmodulerna kan vara desamma (figur 6).

Figur 6: LED-belysning med högre effekt (över 30 W) använder sig av en topologi i två steg (till höger) i motsats till den enstegsmetod som används för lägre effekt (till vänster), men deras "smarta" gränssnitt kan vara desamma. (Bildkälla: Diodes Incorporated)

Återigen ger kretsschemat - i det här fallet för designlösningen för LED-belysningen med högre effekt - en mer detaljerad inblick (figur 7).

Figur 7: Schemat visar ännu en gång den relativt höga integrationsnivå som erbjuds av denna lösning för högre effekt. (Bildkälla: Diodes Incorporated)

Precis som i konstruktionen för den lägre effekten, är det tre integrerade kretsar som är basen i implementeringen. Den första är AL1788W6-7, en styrenhet på primärsidan som stöder buck- (step down) och flyback-topologier som inte kräver någon optokopplare, samtidigt som dess kvasiresonanta (QR) drift med "valley-on-funktion" ger låg switchningsförlust. Effektfaktorn är bättre än 0,9 medan THD är under 15 %, och en standbyeffekt på under 200 mW (för användning på dagen när t.ex. lamporna är släckta) bidrar till den totala effektiviteten.

AL17050WT-7 är en universell, icke-isolerad AC-buck-regulator som ger noggrann styrning av konstant spänning (CV) med extremt låg standbyeffekt i en liten SOT-25-kapsling. Den har en inbyggd MOSFET på 500 V och arbetar med en enkellindad induktor, vilket resulterar i enklare yttre komponenter och en materiallista till en lägre totalkostnad. På grund av dess elektriska roll och position i den övergripande topologin innehåller enheten flera "produktionslager", inklusive skydd mot övertemperatur, låsning av V_CC-underspänning, skydd mot kortslutning på utgången, skydd mot överbelastning och skydd mot öppen krets.

Slutligen, finns AL8843SP-13, step-down-regulator för en 1 MHz och ett analogt LED-drivdon med PWM-dimring, som kan leverera en utström på upp till 3 A, och kan justeras via ett externt motstånd. Den arbetar med en bred ingångsspänning på 4,5 till 40 volt och har en noggrannhet på ±4 % för strömavkänning för överlägsen matchning kanal mot kanal i konstruktioner med flera lysdioder.

AL8843SP-13 har en inbyggd strömbrytare och en krets för strömavkänning på den den höga sidans utgång. Beroende på matningsspänning och externa komponenter kan omvandlaren ge upp till 60 W uteffekt med en verkningsgrad på upp till 97 %. Den viktiga dimringsfunktionen kan implementeras genom att använda en extern styrsignal på ett stift i kapslingen som accepterar antingen en likspänning eller en PWM-signal. Denna termiskt förbättrade nyhet i SO-8EP-kapsling har även skydd mot en öppen eller kortsluten lysdiod och ett öppet eller kortslutet strömkännande motstånd, bland andra skyddslägen.

På samma sätt som för LED-drivdonet, kan ett utvärderingskort för den högre effektlösningen minska det antal timmar som krävs för att bättre förstå en fullständig utformningssituation och på så sätt föra projektet framåt på ett mer effektivt sätt. För step-down LED-drivdonet AL8843SP-13 - den mest utmanande komponenten i konstruktionen med högre effekt - erbjuder Diodes Incorporated utvärderingskortet AL8843EV1 (figur 8).

Figur 8: Användare av AL8843SP-13 kommer att ha nytta av det grundläggande utvärderingskortet AL8843EV1, som helt fokuserar på den enkla steg-down regulatorer och ett analogt LED-drivdon med PWM-dimring. (Bildkälla: Diodes Incorporated)

Utvärderingskortet AL8843EV1 gör det möjligt att utföra grundläggande övningar med den integrerade kretsen utan interaktion eller störningar från andra aktiva komponenter.

Sedan har vi "ansluten belysning"

En av de andra förbättringar som är både praktisk och önskvärd med modern LED-baserad belysning är möjligheten att införa "smart uppkopplad belysning", som ofta beskrivs som "uppkopplad belysning". Bland dess olika egenskaper, gör den det möjligt att styra lampor både som en grupp och individuellt inom en grupp via en anslutningsstandard.

Vilka är fördelarna med uppkopplad belysning? Ur ett högre systemperspektiv - och kanske till och med i en del spekulationer och överdrifter - blir en uppkopplad belysningsinfrastruktur en investering i ett uppkopplat nät för hela byggnaden. Den information som flödar genom denna infrastruktur gör det möjligt för byggnadsförvaltare att integrera, automatisera och förlänga livslängden på centrala byggnadssystem, sänka driftskostnaderna, öka prestandan och minska stilleståndstiden.

En del analytiker hävdar att fördelarna med uppkopplad belysning sträcker sig mycket längre än bara till belysning. Szymon Slupik, teknikchef och grundare av Silvair, konstaterar till exempel att "värdet av de tilläggstjänster som möjliggörs av smart belysning är sju till tio gånger mer värdefulla än själva belysningsstyrningen och energibesparingarna"

Smarta uppkopplade lampor är ofta i ett passivt "lyssnande" tillstånd under långa perioder, så strömförbrukningen i standbyläge är en viktig parameter för konstruktörer, och maximala värden anges i de olika regelverken. Styrdonen och regulatorerna från Diodes Incorporated är konstruerade med en standbyeffekt som ligger under de tillåtna värdena. De fungerar även i modeller för dimringsstyrning/kommunikation med stöd för olika gränssnittsstandarder, inklusive Bluetooth, Zigbee och Wi-Fi.

En faktor som kommer att driva på installationen av uppkopplad belysning är utvecklingen av branschgemensamma standarder som säkerställer driftskompatibilitet mellan smarta uppkopplade komponenter från olika leverantörer. Bluetooth Special Interest Group (SIG) har exempelvis samarbetat med belysningsindustrin för att utveckla en mesh-standard för Bluetooth som är optimerad för att skapa användbara storskaliga nätverk för enheter. Utöver det, har Bluetooth SIG och DALI Alliance samarbetat för att skapa ett standardiserat gränssnitt som gör det möjligt att använda D4i-certifierade armaturer och DALI-2-enheter i Bluetooth-baserade mesh-nätverk för belysningsstyrning (D4i är DALI-standarden för intelligenta, IoT-redo armaturer). Via gränssnittet kan information flöda obehindrat mellan armaturer och belysningsstyrdon med många sensorer, och även till andra system för fastighetsadministration.

Sammanfattning

Smart LED-baserad arkitektonisk belysning förbättrar energieffektiviteten hos belysningssystem i kommersiella byggnader. Det är även en kritisk faktor för att möjliggöra långsiktiga potentiella förbättringar av byggnaders prestanda. Styrdon, regulatorer och integrerade kretsar för LED-styrdon från Diodes Incorporated som är fokuserade och optimerade för LED-baserad arkitektonisk belysning, är bland de viktigaste byggstenarna som behövs för att framgångsrikt omsätta de potentiella fördelarna med dessa avancerade möjligheter till arkitektonisk belysning till en kraftfull, mångsidig och kostnadseffektiv verklighet.

Referens

DALI Alliance, D4i - DALI-standarden för intelligenta, IoT-klara armaturer

Ytterligare läsning

1. Elektromagnetiska konstruktionsmetoder för AL8805
2. Förstå och använda de nya standardanslutningarna för inom- och utomhusbaserad LED-belysning