Tradicionalne vire arhitekturne razsvetljave (AL), to so žarnice z žarilno nitko, halogenske in fluorescenčne žarnice, v obstoječih in novih projektih hitro nadomešča osvetlitev na osnovi svetlečih diod (LED).
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
2031-302_12
Razlogi so jasni: poleg regulativnih pooblastil LED osvetlitev obljublja znatno višjo učinkovitost, nižje obratovalne stroške, manjšo toplotno obremenitev, veliko daljšo življenjsko dobo nameščenih luči (za nižje stroške vzdrževanja) in pot do pametnejšega upravljanja stavbnih funkcij.
Vendar pa uporaba LED-ic v sijalkah, ki v obliki nadomeščajo dolgo uveljavljene svetilke, ni nepomembna. Potrebno je novo krmilno vezje, ki zagotavlja nadzorovan tok (ne napetost), pogosto z možnostmi zatemnjevanja. Poleg tega imajo žarnice z žarilno nitko uporovno breme in se lahko napajajo neposredno iz omrežja, LED luči pa so drugačne. Nimajo faktorja moči, ki je enak 1 – to pomeni, da sta tok in napetost v fazi – in njihovo krmilno vezje stikalnih regulatorjev je morebiten vir elektromagnetnih motenj (EMI). Namesto tega mora krmilno vezje zagotavljati in nadzirati zahtevan krmilni tok na način, ki je optimiziran za značilnosti LED bremena. Krmilno vezje mora morda izvajati tudi faktor povečanja moči (PFC), možnost zatemnjevanja in zmanjšanja EMI. Ta članek obravnava različne vidike arhitekturne osvetljave in integrirana vezja, ki omogočajo arhitekturno osvetljavo na osnovi LED luči. Nato predstavi integrirana vezja podjetja Diodes Incorporated, kot tudi primere njihove uporabe v obstoječih vezjih.
Cilji arhitekturne razsvetljave in izzivi LED
Arhitekturna razsvetljava (AR) je oblikovanje in uporaba svetlobnih sistemov, ki so vgrajeni v notranjih in zunanjih prostorih poslovnih, nestanovanjskih stavb, kot so trgovine, pisarne ali skladišča. Cilj oblikovanja arhitekturne razsvetljave je poiskati ravnotežje med umetnostjo in znanostjo razsvetljave pri ustvarjanju vzdušja, vizualnega zanimanja in izboljšanju izkušnje prostora, hkrati pa poskrbeti za izpolnjevanje tehničnih in varnostnih zahtev. To ne vključuje naključnih luči, ki jih ljudje prinesejo v prostor ali prestavijo, kot na primer najljubšo namizno svetilko, ampak gre za razsvetljavo, ki »pride s stavbo«, čeprav tudi ta omogoča nekaj fleksibilnosti in prerazporejanja ob spremembi kratkoročnih in dolgoročnih potreb.
V zadnjih letih je postalo AR področje večje in bolj tehnološko usmerjeno z dodanimi izzivi, predvsem zaradi potrebe po varčevanju z energijo in upravljanju z razsvetljavo povezanih funkcij in lastnosti. S tem ko je razsvetljava na osnovi LED postala prevladujoča pri nadgradnji arhitekturne razsvetljave, so vse bolj pomembne tudi tehnike, vezja in komponente, ki lahko učinkovito poganjajo LED-ice v svetilkah (svetilih) arhitekturne razsvetljave.
Velik del pobud za prehod k arhitekturni razsvetljavi na osnovi LED izhaja iz številnih regulativnih pooblastil in standardov, ki med drugim določajo različne vidike glede učinkovitosti, kot so zatemnjevanje, PFC in elektromagnetne motnje. Posebnosti teh zelo zapletenih in dolgotrajnih zahtev se razlikujejo med globalnimi regijami, državami in celo med zveznimi državami v ZDA. Med pomembnejšimi regulativnimi zahtevami v ZDA so zvezni standardi Energy Star in kalifornijski gradbeni kodeks Title 24 California Building Standards Code, ki je strožji od Energy Star standardov. Med številnimi drugimi dejavniki Title 24 kodeks zahteva:
- Senzorje za zaznavanja prisotnosti za samodejni vklop/izklop svetlobne obremenitve
- LED gonilnike z možnostjo zatemnjevanja
- Višjo učinkovitost od izmerjene z izhodnimi uporabnimi lumni na vat vhodne moči
- Smart Connected Lighting (SCL), ki podpira brezžično krmiljenje posameznih in združenih svetil prek Bluetooth, Zigbee ali DALI/IEC 62386 z močjo sistema v stanju pripravljenosti pod 200 milivati (mW)
- Izhodno valovitost toka skozi LED-ice pod 30 % za preprečevanje nadležnega in motečega utripanja
- Vrednost PFC 0,9 ali višjo pri določeni višji moči
- Skupno harmonsko popačenje (THD) pod 20 %, da se zmanjša izguba energija zaradi neuporovnih obremenitev
Opomba glede stopnje zatemnitve in utripanja: čeprav je človeško oko običajno neobčutljivo na utripanje nad 100 Hz, obstaja povezan pojav, včasih znan tudi ko »e-utripanje«, ki se pojavi, ko se za zatemnitev LED-ic zaradi krmiljenja svetlosti ali barve uporabi pulzno-širinska modulacija (PWM). Pri pulzno-širinski modulaciji se LED-ice izklopijo za kratek čas (stotinke mikrosekund) pri visoki frekvenci. Ta stopnja zatemnitve lahko komunicira s skeniranjem in stopnjami osveževanja osnovnih LED odčitkov, zasloni za prikaz, varnostnimi kamerami in drugimi napravami za optično slikanje. Zaradi tega mora biti stopnja osveževanja LED-ic veliko višja od stopnje občutljivosti očesa, kar velja za komponente podjetja Diodes Incorporated.
Od vezji k naborom vezij
Izpolnjevanje številnih zahtev, povezanih z energijo, je oblikovalski izziv, ki zahteva tehtanje med nasprotujočimi si pristopi, saj se interakcijam in kompromisom med najboljšimi rešitvami za posamezen cilj ni mogoče izogniti. Na voljo so posamezna integrirana vezja, ki so zasnovana za optimizirano obravnavo določenih vidikov težave, vendar pa popolna rešitev zahteva, da integrirana vezja delujejo harmonično in se medsebojno podpirajo, ne pa slabijo.
Zato je pogosto smiselno pogledati integrirana vezja enega proizvajalca in morebitne povezane nabore vezij (preverjena vezja, ki združujejo ta integrirana vezja), ki jih je pripravil proizvajalec. To zagotavlja oblikovalcem preizkušeno topologijo in predstavlja dobro izhodišče. Za arhitekturno razsvetljavo na osnovi LED svetil podjetje Diodes Incorporated ponuja predloge naborov vezij v dveh skupinah, od katerih ena skupina podpira situacije z nižjo močjo (pod 30 W), pri katerih gre večinoma za notranje prostore, druga pa instalacije z večjo močjo (nad 30 vatov), pri čemer gre za zunanje prostore. Blok diagram na sliki 1 prikazuje, kako tri osnovna integrirana vezja, ki sestavljajo nabor vezij za uporabo pri moči manjši od 30 vatov (LED krmilnik z možnostjo zatemnitve, dušilnik valovitosti in krmilnik vmesnika signala za zatemnitev) komunicirajo med seboj pri zagotavljanju potrebnih bistvenih funkcij.
Če pogledamo tri integrirana vezja ločeno, visokozmogljivi LED krmilnik z možnostjo zatemnitve AL1666S-13 deluje v širokem razponu vhodne napetosti od 85 do 305 voltov izmenične napetosti, med tem ko ponuja PFC, ki je večji od 0,9 in THD pod 10 %. Podpira analogno napetost od 0 do 10 z zatemnitvijo v razponu od 5 % do 100 % in deluje z vsemi zatemnilniki, ki so v skladu z ANSI standardom. Pri neanalogni zatemnitvi pulzno-širinske modulacije je razpon od 1 % do 100 % pri 1 kilohercu (kHz). Za dosledno delovanje ponuja tesen nadzor toka skozi LED-ice, ki je boljši od ±2 %, in nadzor obremenitve toka skoziLED-ice, ki je boljši od ±2 % od polne obremenitve do polovične obremenitve.
Poleg tega je AL5822W6-7 prilagodljiv 100/120 Hz dušilnik valovitosti toka skozi LED-ice v ohišju SOT-23-6. Ustreza zahtevam za zmanjšanje valovitosti toka pri izpolnjevanju vedno strožjih standardov. Ker gre za napravo, ki ima vlogo LED vmesnika, mora vključevati zaščito pred kratkimi stiki, tokovno preobremenitvijo in pregrevanjem, hkrati pa podpirati delovanje žarnic z žarilno nitko, ko sta vezje in žarnica vstavljena v »živo« vtičnico. To lahko drastično vpliva na valovitost in jo zmanjša na samo nekaj odstotkov prvotne vrednosti, kot je prikazano z nekaterimi osnovnimi številkami. Ko se na primer uporablja z visokozmogljivimi LED krmilnikom z možnostjo zatemnitve AL1665S-13 (ki je zelo podoben AL1666S-13), znaša valovitost toka približno 520 miliamperov (mA) od vrha do vrha, vendar se zmanjša na samo 17 mA, ko se združi z AL5822 (slika 2).
Nazadnje je tu še AL8116W6-7, ki je fleksibilen krmilnik vmesnika signala za zatemnitev od 0 do 10 voltov. Ta deluje v širokem razponu VCC od 10 do 56 voltov, ki ga je mogoče pridobiti iz izhodne napetosti pomožnega navitja, tokovnega voda ali verižne LED napetosti. Podpira pulzno-širinsko modulacijo zatemnitve v razponu od 0,2 kHz do 10 kHz s krmiljenjem od 0 do 10 voltov in potenciometrsko (uporovno) zatemnitvijo (od 0 do 100 kilohmov (kΩ)). Pretvori krmiljenje zatemnitve v izhod pulzno-širinske modulacije, ki ga zahteva sistem ob zagotavljanju preproste rešitve zatemnitve s pregrado navzkrižne izolacije. Prav tako ponuja ±2,5 % izhodnega obratovalnega cikla pulzno-širinske modulacije za natančno krivuljo zatemnitve, ki je ključnega pomena pri instalacijah več LED luči.
Diagrami blokov na visoki ravni so seveda lahko zavajajoči pri prikazu skupne kosovnice (BOM), vključno s pasivnimi komponentami, diskretnimi aktivnimi komponentami in drugimi integriranimi vezji. Zato je za razumevanje, kaj je potrebno za celotno vezje, pomembno, da pogledate dejansko shemo, saj to vpliva na pakiranje, proizvodnjo in strošek. Shematski diagram, ki je prikazan spodaj na sliki 3, za nabor vezij < 30 vatov iz slike 1 prikazuje, kako malo komponent je dejansko potrebnih. (Pretvornik T1 in optični sklopnik sta potrebna za galvansko ločitev med primarno in sekundarno stranjo.)
Ker imajo vsa preklopna močnostna vezja resnične finese, ki jih zgolj na shemi ni mogoče prikazati, je razvojna plošča pripomoček za hitrejše potrjevanje in preverjanje načrta. AL1666+AL8116+AL5822EV1 je razvojna plošča, ki uporablja tri navedena integrirana vezja za zagotavljanje od 0 do 10 voltnega LED krmilnika z možnostjo zatemnitve, visokim PFC in enostopenjskim zapornim pretvornikom (slika 4). Zagotavlja konstantni izhodni tok 1200 mA v razponu napetosti od 25 do 50 voltov iz vhodne napetosti od 90 do 305 V izmenično.
Velikost je pomembna pri povratni združljivosti
Zakaj sta majhna dimenzija in kratek BOM dejansko pomembna poleg običajnega načela, da je »manjše boljše«? Delno gre za povratno združljivost z obstoječimi lučmi (sijalkami) pri uporabi integriranih vezij, ki jih napajajo posamezne ali združene LED luči. Medtem ko so v splošni uporabi številne različne oblike AR sijalk, se na primer MR16 sijalka zelo pogosto uporablja za usmerjeno razsvetljavo v stanovanjskih in poslovnih prostorih (slika 5). Sijalke s halogenskimi viri svetlobe v tej obliki so že vrsto let ena od prvih izbir za osvetlitev pri standardni arhitekturni razsvetljave.
Premer MR16 sijalke pri največjem obsegu je 5 centimetrov. Kratica »MR« označuje večdimenzionalni reflektor, ki je tisti, ki nadzoruje smer in snop svetlobe, ki jo meče. Ta sijalka običajno (vendar ne vedno) deluje na napetosti 12 voltov izmeničnega toka, ki ga navadno dovaja pretvornik omrežne napetosti navzdol.
Majhna halogenska MR16 sijalka potrebuje 20 vatov, njena življenjska doba pa je od 2000 do 6000 ur. Enakovredna LED sijalka pa nasprotno potrebuje samo nekaj vatov in ima življenjsko dobo približno 100.000 ur. Pri prehodu arhitekturne razsvetljave k svetlobnim virom na osnovi LED-ic je pomembno, da se v ta paket vključijo potrebna vezja za zagotavljanje oblikovno primernih sijalk za velik poprodajni trg nadomestnih delov, kot tudi za nove instalacije arhitekturne razsvetljave.
Izpolnjevanje potreb po večji moči
Za LED luči, ki za napajanje potrebujejo več kot 30 vatov (kar je enako približno 3 amperom (A) toka pogona LED), kot pri uporabi v zunanjih prostorih, se priporoča uporaba dvostopenjske topologije namesto enostopenjskega pristopa, čeprav so lahko njuni krmilni in komunikacijski moduli enaki (slika 6). Znova je treba poudariti, da shema vezja (v tem primeru za načrt LED osvetlitve z večjo močjo) zagotavlja podrobnejši vpogled (slika 7).
Kot pri načrtu z nižjo močjo, so v središču te implementacije tri integrirana vezja. Prvi je AL1788W6-7, krmilnik na primarni strani, ki podpira tipologiji navzdol in zapornega pretvornika, ki ne potrebujeta optičnega sklopnika, medtem ko kvazi-resonančno (QR) delovanje s »funkcijo doline« zagotavlja majhne izgube pri preklapljanju. Faktor moči je večji od 0,9, medtem ko je THD pod 15 %, moč sistema v stanju pripravljenosti je pod 200 mW (kot pri dnevni uporabi z izklopljenimi lučmi), kar pripomore k skupni učinkovitosti.
Naslednji je univerzalni neizolirani regulator izmeničnega toka navzdol AL17050WT-7, ki zagotavlja natančno krmiljenje konstantne napetosti (CV) z izjemno nizko močjo v stanju pripravljenosti v majhnem ohišju SOT-25. Integriran je s 500-voltnim MOSFET in deluje z enim navitjem na sekundarju, kar omogoča preprostejše zunanje komponente in cenejši BOM. Zaradi svoje električne vloge in položaja v skupni tipologiji ima naprava več proizvodnih »slojev«, vključno z zaščito pred previsoko temperaturo, podnapetostnim zaklepom VCC, zaščito pred izhodnih kratkim stikom, zaščito pred preobremenitvijo in zaščito pred odprto zanko.
Zadnji pa je AL8843SP-13, ki je 1-megaherčni (MHz) regulator navzdol in analogni LED gonilnik z zatemnitvijo s pulzno-širinsko modulacijo, ki lahko zagotavlja izhodni tok do 3 A, kar se lahko nastavi z zunanjo uporovno napravo. Deluje v širokem razponu vhodne napetosti od 4,5 do 40 voltov z natančnostjo zaznavanja toka ±4 % večje ujemanje kanal-kanal v načrtih z več LED. AL8843SP-13 združuje napajalno stikalo in izhodno vezje za zaznavanje toka na visoki strani; odvisno od napajalne napetosti in zunanjih komponent lahko pretvornik zagotovi do 60 vatov izhodne napetosti z učinkovitostjo do 97 %. Pomembno funkcijo zatemnitve se lahko izvede z uporabo zunanjega krmilnega signala do posameznega kontakta ohišja, ki sprejema enosmerno napetost ali signal pulzno-širinske modulacije. Ta naprava v toplotno izboljšanem ohišju SO-8EP poleg drugih zaščitnih načinov vključuje tudi zaščito pred odprtim tokokrogom ali kratkim stikom LED-ic in odprtim tokokrogom ali kratkim stikom uporovne naprave za zaznavanje toka. Kot pri LED krmilnih vezjih z nizko močjo lahko razvojna plošča za rešitev z visoko močjo zelo zmanjša ure, ki so potrebne za boljše razumevanje celotne načrtovane situacije, ter tako bolj učinkovito pospeši projekt. Za LED krmilnik navzdol AL8843SP-13 (najzahtevnejšo komponento načrta z visoko močjo) ponuja podjetje Diodes Incorporated razvojno ploščo AL8843EV1 (slika 8).
Razvojna plošča AL8843EV1 omogoča osnovno delovanje integriranega vezja brez interakcij ali motenj zaradi drugih aktivnih komponent.
In potem je tu »povezana razsvetljava«
Ena od drugih izboljšav, ki je tako praktična kot zaželena pri sodobni razsvetljavi na osnovi LED-ic, je možnost uvedbe »pametne povezane razsvetljave« (SCL) oz. tako imenovane »povezane razsvetljave«.
Poleg različnih lastnosti omogoča skupno in posamezno krmiljenje luči znotraj skupine prek standarda povezljivosti. Kakšne so prednosti pametne povezane razsvetljave? Z vidika sistema višjih ravni (in morda celo z nekaj predvidevanja in pretiravanja) povezana infrastruktura razsvetljave lahko postane naložba v povezano omrežje v celotni stavbi. Podatki, ki se prenašajo skozi to infrastrukturo, omogočajo upravnikom stavb integracijo, avtomatizacijo in podaljšanje življenjske dobe osnovnih stavbnih sistemov ter znižanje njihovih obratovalnih stroškov, povečanje učinkovitosti in zmanjšanje izpadov delovanja.
Nekateri analitiki trdijo, da so koristi povezane razsvetljave močno presegajo okvire osvetlitve. Tako na primer Szymon Slupik, tehnični direktor in ustanovitelj podjetja Silvair, ugotavlja: »Vrednost dodatnih storitev, ki jih omogoča pametna razsvetljava, sedem- do desetkrat presega vrednost samega krmiljenja razsvetljave in prihrankov energije.« Svetila pametne povezane razsvetljave so pogosto dlje časa v pasivnem stanju oz. »stanju poslušanja«, zato je za oblikovalce ključni izziv poraba moči v stanju pripravljenosti, največje vrednosti za to porabo pa določajo različne regulativne zahteve. Krmilniki in regulatorji podjetja Diodes Incorporated so zasnovani z nazivno porabo moči v stanju pripravljenosti pod dovoljenimi vrednostmi. Prav tako delujejo s zatemnitvenimi krmilniki/komunikacijskimi moduli, ki podpirajo različne standarde vmesnikov, vključno z Bluetooth, Zigbee in Wi-Fi.
Eden od dejavnikov, ki bo spodbujal namestitev povezane razsvetljave, je razvoj standardov v celotni industriji, kar bo zagotavljalo interoperabilnost komponent pametne povezane razsvetljave različnih proizvajalcev. Posebna interesna skupina Bluetooth (SIG) na primer sodeluje z industrijo razsvetljave pri razvijanju mrežnih Bluetooth standardov, ki bi bili optimizirani za ustvarjanje uporabnih obsežnih omrežij naprav. Poleg tega Bluetooth SIG in DALI Alliance sodelujeta pri izdelavi standardiziranega vmesnika, ki bi omogočil uporabo svetil s certifikatom D4i in naprav DALI-2 v omrežjih za krmiljenje osvetlitve na osnovi tehnologije Bluetooth (D4i je standard DALI za pametna svetila, pripravljena za internet stvari). Prek tega vmesnika lahko poteka neoviran pretok podatkov med svetilkami z veliko senzorji in krmilniki luči ter tudi z drugimi sistemi za upravljanje stavb.
Zaključek
Pametna arhitekturna razsvetljava na osnovi LED-ic izboljša energetsko učinkovitost sistemov osvetlitve v poslovnih stavbah. To je prav tako ključen element, ki omogoča dolgoročne potencialne koristi pri splošni učinkovitosti stavbe. Integrirana vezja krmilnika, regulatorja in LED krmilnika podjetja Diodes Incorporated, ki so osredotočena in optimizirana za arhitekturno razsvetljavo na osnovi LED-ic, so ključni gradniki, potrebni za uspešen prenos potencialnih koristi teh naprednih možnosti arhitekturne razsvetljave v zmogljivo, vsestransko in stroškovno učinkovito resničnost.
Vir:
DALI Alliance, D4i – the DALI standard for intelligent, IoT-ready luminaires
Dodatni članki:
Electromagnetic Designs Practices for the AL8805
https://www.digikey.com/en/videos/d/diodes/electromagnetic-designs-practices-for-the-al8805
Understanding and Applying the New Standard Connectors for Indoor & Outdoor LED-Based Lighting
https://www.digikey.com/en/articles/understanding-and-applying-the-new-standard-connectors
