Come progettare i LED per prestazioni ottimali nell'illuminazione architettonica

Le fonti tradizionali di illuminazione architettonica (AL), cioè le lampadine a incandescenza, alogene e fluorescenti, sono sempre più sostituite in progetti esistenti e in quelli nuovi, con un'illuminazione basata su diodi luminescenti (LED). Le ragioni sono chiare: a parte i mandati normativi, l'illuminazione a LED promette un'efficienza molto più elevata, costi operativi inferiori, carico termico ridotto, una durata molto più lunga (per costi di manutenzione inferiori) e un percorso verso una gestione più intelligente delle funzioni dell'edificio.

Tuttavia, utilizzando i LED come lampadina di sostituzione a quelle tradizionali non è banale. È necessario un nuovo circuito di comando che fornisca corrente controllata (non tensione), spesso con capacità di dimmeraggio. Inoltre, mentre le lampadine a incandescenza sono carichi resistivi e possono funzionare direttamente dalla linea elettrica in c.a., i LED sono diversi. Non hanno un fattore di potenza unitario - cioè, la corrente e la tensione sono in fase - e il circuito di comando del regolatore di commutazione è una potenziale fonte di interferenze elettromagnetiche (EMI). Al contrario, il circuito di pilotaggio deve fornire e controllare la corrente di comando richiesta in un modo ottimizzato per le caratteristiche del carico del LED. Il driver potrebbe anche dover implementare la correzione del fattore di potenza (PFC), il dimmeraggio e la soppressione delle EMI.

Questo articolo esamina i vari aspetti dell'illuminazione architettonica e i CI che permettono l'illuminazione architettonica basata sui LED. Presenta poi i CI di Diodes Incorporated come esempi del loro uso in circuiti reali.

Gli obiettivi di AL e le sfide dei LED

AL è la progettazione e l'uso di sistemi di illuminazione incorporati all'interno e all'esterno di una struttura commerciale, non residenziale, come un negozio, un ufficio o un magazzino. L'obiettivo della progettazione dell'illuminazione architettonica è quello di bilanciare l'arte e la scienza illuminotecniche per creare atmosfera, interesse visivo e per migliorare l'esperienza di uno spazio o di un luogo, pur rispettando i requisiti tecnici e di sicurezza. Non include luci improvvisate portate dalle persone, come una lampada da scrivania; invece, è l'illuminazione "installata con l'edificio", anche se spesso permette una certa flessibilità e persino la riorganizzazione in base alle esigenze a breve e lungo termine.

Negli ultimi anni, l'AL è diventato un campo più grande e più guidato dalla tecnologia con sfide aggiuntive, in gran parte dovute alla necessità di risparmiare energia e di gestire le funzioni e le caratteristiche associate all'illuminazione. Poiché l'illuminazione basata sui LED è diventata un fattore dominante nell'aggiornamento di AL, le tecniche, i circuiti e i componenti che possono guidare in modo efficiente i LED negli apparecchi di illuminazione AL stanno diventando sempre più importanti.

Gran parte dell'impulso verso la transizione ad AL basati su LED proviene da molteplici mandati normativi e standard che definiscono varie prospettive di efficienza tra cui dimmerabilità, PFC e generazione di EMI. Le specifiche di questi requisiti molto complicati e lunghi differiscono tra regioni, paesi e persino tra stati all'interno degli Stati Uniti.

Tra i requisiti normativi importanti negli Stati Uniti ci sono gli standard federali Energy Star e il Title 24 California Building Standards Code, che è più severo di Energy Star. Tra le sue molte altre considerazioni, il Title 24 richiede:

• Sensori di occupazione per l'accensione e lo spegnimento automatico dei carichi di illuminazione
• Driver LED con capacità di dimmeraggio
• Maggiore efficienza misurata in termini di lumen utili in uscita per watt di potenza di ingresso
• Smart Connected Lighting (SCL) che supporta il controllo wireless di lampade singole e raggruppate tramite Bluetooth, Zigbee o DALI/IEC 62386, con potenza di standby del sistema inferiore a 200 mW
• Ripple di corrente di uscita dei LED inferiore al 30% per evitare il fastidioso e distraente sfarfallio
• PFC di 0,9 o superiore a una potenza superiore definita
• Distorsione armonica totale (THD) inferiore al 20% per minimizzare lo spreco di energia dovuto a carichi non resistivi

Una nota sulla velocità di dimmeraggio e di sfarfallio: anche se l'occhio umano è generalmente insensibile allo sfarfallio sopra i 100 Hz, un fenomeno associato, a volte detto "eflicker", si verifica quando la modulazione della larghezza di impulso (PWM) è usata per dimmerare i LED, sia per il controllo della luminosità che del colore. In PWM, il LED viene spento per brevi periodi di tempo (centinaia di microsecondi) ad un ritmo elevato. Questa velocità di dimmeraggio può interagire con la velocità di scansione e di aggiornamento delle letture LED di base, dei display, delle telecamera di videosorveglianza e di altri dispositivi di imaging ottico. Per questo motivo, la frequenza di aggiornamento del LED dovrebbe essere molto più alta della frequenza sensibile per l'occhio umano, e questo è il caso dei componenti di Diodes Incorporated.

Oltre i chip, i chipset

Soddisfare i molteplici requisiti legati all'energia è una sfida progettuale che richiede di destreggiarsi tra approcci contrastanti, poiché ci sono inevitabili interazioni e compromessi tra le soluzioni "migliori" per ogni obiettivo. Sono disponibili CI integrati ottimizzati per affrontare aspetti specifici del problema, ma una soluzione completa richiede che questi CI lavorino in armonia e si rafforzino a vicenda.

Per questo, spesso ha senso pensare ai CI di un singolo fornitore e a qualsiasi circuito associato che li raggruppa, sempre dello stesso fornitore. Questo fornisce ai progettisti una topologia testata e costituisce un buon punto di partenza. Per l'AL basato sui LED, Diodes Incorporated offre chipset in due gruppi, uno che supporta situazioni di bassa potenza (sotto i 30 W) e un altro per installazioni di maggiore potenza (sopra i 30 W), con i primi tipicamente utilizzati all'interno e i secondi all'esterno.

Il diagramma a blocchi nella Figura 1 mostra come i tre CI di base che comprendono il chipset per applicazioni di potenza <30 watt - un controller LED dimmerabile, un soppressore di ripple e un controller di interfaccia del segnale di dimmeraggio - interagiscono tra loro, fornendo le funzionalità di base necessarie.

Figura 1: I CI avanzati - un controller LED dimmerabile, un soppressore di ripple e un controller di interfaccia del segnale di dimmeraggio - formano il nucleo di un progetto di illuminazione architettonica <30 watt. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Guardando i tre CI singolarmente, il controller LED dimmerabile ad alte prestazioni AL1666S-13 funziona in un ampio intervallo della tensione di ingresso da 85 a 305 V c.a., offrendo un PFC maggiore di 0,9 e un THD inferiore al 10%. Supporta il dimmeraggio analogico da 0 a 10 V su un intervallo dal 5% al 100% e funziona con tutti i dimmer standard ANSI; per il dimmeraggio PWM non analogico, l'intervallo va dall'1% al 100% a 1 kHz. Per la coerenza delle prestazioni, offre una rigida regolazione della linea di corrente LED migliore del ±2% e una regolazione del carico di corrente LED migliore del ±2% da pieno a metà carico.

Poi, AL5822W6-7 è un soppressore adattivo del ripple di corrente LED a 100/120 Hz in un contenitore SOT-23-6. Soddisfa la difficile sfida di ridurre al minimo il ripple di corrente per soddisfare standard sempre più severi. Inoltre, poiché è il dispositivo che si interfaccia con i LED, è necessario che incorpori la protezione dai cortocircuiti, da sovracorrente e sovratemperatura, mentre supporta il funzionamento a bulbo caldo nei casi in cui il circuito e la lampadina sono inseriti in una presa sotto tensione. Può fornire una riduzione sensibile del ripple, portandolo a pochi punti percentuali del valore originale, come dimostrano alcuni calcoli di base. Ad esempio, quando viene usato con il controller LED dimmerabile ad alte prestazioni AL1665S-13 - simile a AL1666S-13 - il ripple di corrente è di circa 520 mA picco-picco, ma diminuisce a soli 17 mA quando è accoppiato con AL5822 (Figura 2).

Figura 2: L'aggiunta del controller LED dimmerabile ad alte prestazioni AL1665S-13 al progetto riduce il ripple da 520 mA picco-picco a soli 17 mA. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Infine, vediamo AL8116W6-7, un controller di interfaccia flessibile con segnale di dimmeraggio da 0 a 10 V. Funziona da un ampio intervallo V_CC da 10 a 56 V, che può essere derivato dalla tensione di uscita di un avvolgimento ausiliario, da un rail di alimentazione o dalla tensione della catena di LED. Supporta il dimmeraggio PWM su una intervallo da 0,2 a 10 kHz usando un controllo da 0 a 10 V e il dimmeraggio con potenziometro (resistivo) (da 0 a 100 kΩ). Converte il controllo di dimmeraggio all'uscita PWM richiesta dal sistema, fornendo una semplice soluzione di dimmeraggio con barriera di isolamento incrociata. Offre anche un ciclo di lavoro di uscita PWM del ±2,5% per una curva di dimmeraggio accurata, critica nelle installazioni multi-LED.

Naturalmente, gli schemi a blocchi di alto livello possono ingannare la distinta base totale, che comprende componenti passivi, componenti attivi discreti e altri CI. Pertanto, è importante guardare lo schema reale per capire cosa richieda il circuito completo, dato che questo influenza l'incapsulamento, la produzione e il costo.

Per il chipset <30 watt della Figura 1, il diagramma schematico mostrato nella Figura 3 mostra i pochi componenti effettivamente necessari. (Il trasformatore T1 e l'optoaccoppiatore sono necessari per l'isolamento galvanico tra i lati primario e secondario.)

Figura 3: I dettagli forniti da un diagramma schematico di alto livello della Figura 1 mostrano che sono richiesti nel progetto completo solo pochi componenti aggiuntivi. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Poiché tutti i circuiti di potenza basati sulla commutazione hanno sottigliezze nel mondo reale che un diagramma schematico da solo non può rivelare, una scheda di valutazione è una risorsa per accelerare la convalida e la verifica del progetto. AL1666+AL8116+AL5822EV1 è una scheda di valutazione che utilizza i tre CI nominati per fornire un driver LED flyback da 0 a 10 V dimmerabile, ad alta PFC, monostadio (Figura 4). Fornisce una corrente di uscita costante di 1200 mA su un intervallo di tensione da 25 a 50 V da una tensione di ingresso da 90 a 305 V c.a.

Figura 4: Per accelerare il completamento del progetto, la scheda di valutazione AL1666+AL8116+AL5822EV1 (in alto e in basso) facilita la comprensione più profonda del funzionamento del circuito del driver LED dimmerabile utilizzando il controller AL1666 sul lato primario, il CI di interfaccia di dimmeraggio sul lato secondario AL8116 e il soppressore di ripple di corrente del LED AL5822. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Le dimensioni contano per la retrocompatibilità

Perché sono importanti le dimensioni e una distinta base ridotta, al di là della consueta logica del "più è piccolo meglio è"? Si tratta in parte di un problema di retrocompatibilità con le lampade esistenti (lampadine) quando si usano i CI di pilotaggio dei LED singolarmente o in gruppo.

Ad esempio, mentre ci sono molti diversi fattori di forma delle lampade AL nell'uso comune, uno particolarmente diffuso è MR16 usato in ambienti residenziali e commerciali per l'illuminazione direzionale (Figura 5). Le lampadine con sorgenti luminose alogene in questo fattore di forma sono state tra le prime scelte per l'illuminazione standard di AL per molti anni.

Figura 5: Il fattore di forma e le dimensioni della lampadina MR16 che utilizza l'alogeno come sorgente luminosa sono ampiamente utilizzati nelle installazioni AL. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia; W.W. Grainger, Inc.)

Il formato MR16 ha un diametro di 2 pollici alla sua circonferenza maggiore. La sigla "MR" sta per riflettore sfaccettato, ossia ciò che controlla la direzione e la diffusione della luce che proietta. Questa lampadina di solito (ma non sempre) funziona da una linea di 12 V c.a., generalmente fornita tramite un trasformatore step-down della tensione di linea.

Una piccola alogena MR16 richiede 20 W e ha una durata da 2.000 a 6.000 ore. Al contrario, l'equivalente LED richiede solo pochi watt e ha una durata anche di 100.000 ore. Con la transizione di AL verso sorgenti luminose basate sui LED, è importante essere in grado di includere i circuiti necessari in questo contenitore per fornire lampadine equivalenti per l'enorme aftermarket dei componenti sostitutivi, così come per i nuovi design-in AL.

Soddisfare le esigenze di potenza più elevate

Per il pilotaggio di lampada a LED sopra i 30 watt (equivalenti a circa 3 A di corrente LED), come le applicazioni all'aperto, una topologia a due stadi può essere preferita all'approccio monostadio, anche se i moduli di controllo e comunicazione possono essere gli stessi (Figura 6).

Figura 6: I progetti di illuminazione a LED di maggiore potenza (sopra i 30 W) fanno uso di una topologia a due stadi (a destra) in contrasto con l'approccio monostadio dei progetti di minore potenza (a sinistra), ma la loro interfaccia "intelligente" può essere la stessa. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Lo schema del circuito - in questo caso per quello della soluzione di illuminazione a LED di maggiore potenza - fornisce una visione più dettagliata (Figura 7).

Figura 7: Il diagramma schematico mostra ancora una volta il livello relativamente alto di integrazione offerto da questa soluzione di maggiore potenza. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Come nel progetto a bassa potenza, tre CI sono al centro di questa implementazione. Il primo è AL1788W6-7, un controller sul lato primario che supporta topologie buck (step-down) e flyback che non richiedono optoaccoppiatore, mentre il suo funzionamento quasi-risonante (QR) con "funzione valley-on" fornisce una bassa perdita di commutazione. Il fattore di potenza è migliore di 0,9 mentre il THD è inferiore al 15% e la potenza di standby inferiore a 200 mW (per l'uso durante il giorno quando le luci sono spente, ad esempio) si aggiunge all'efficienza complessiva.

Poi, AL17050WT-7 è un regolatore buck c.a. universale non isolato che fornisce un controllo accurato della tensione costante (CV) con una potenza di standby estremamente bassa in un contenitore compatto SOT-25. Integra un MOSFET da 500 V e funziona con un induttore ad avvolgimento singolo, con il risultato di componenti esterni più semplici e una distinta base a costi inferiori. A causa del suo ruolo elettrico e della sua posizione nella topologia complessiva, il dispositivo include più "strati" di produzione, tra cui la protezione da sovratemperatura, il blocco da sottotensione V_CC, la protezione da cortocircuito in uscita, la protezione da sovraccarico e la protezione ad anello aperto.

Infine, AL8843SP-13, un regolatore step-down da 1 MHz e driver LED analogico con dimmeraggio PWM, in grado di fornire una corrente di uscita fino a 3 A, regolabile tramite un resistore esterno. Funziona da un ampio intervallo della tensione di ingresso da 4,5 a 40 V e presenta un'accuratezza di rilevamento della corrente di ±4% per una corrispondenza canale-canale superiore nei progetti multi-LED.

AL8843SP-13 integra l'interruttore di potenza e un circuito di rilevamento della corrente di uscita high-side; a seconda della tensione di alimentazione e dei componenti esterni, il convertitore può fornire fino a 60 watt di potenza di uscita con efficienza fino al 97%. L'importante funzione di dimmeraggio può essere implementata applicando un segnale di controllo esterno a un singolo pin del contenitore che accetta una tensione c.c. o un segnale PWM. Questo dispositivo confezionato in SO-8EP dal profilo termico ottimizzato include anche tra le modalità la protezione contro un LED aperto o in cortocircuito e un resistore di rilevamento della corrente aperto o in cortocircuito.

Come per la disposizione di pilotaggio di LED a bassa potenza, una scheda di valutazione per la soluzione a più alta potenza può ridurre notevolmente il tempo necessario per capire meglio una situazione di design-in completa e quindi avanzare il progetto in modo più efficace. Per il driver LED step-down AL8843SP-13 - il componente più impegnativo del progetto a più alta potenza - Diodes Incorporated offre la scheda di valutazione AL8843EV1 (Figura 8).

Figura 8: Gli utenti di AL8843SP-13 beneficeranno della scheda di valutazione di base AL8843EV1, che si concentra interamente sul singolo regolatore step-down e sul driver LED in CI analogico da 3 A con dimmeraggio PWM. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

La scheda di valutazione AL8843EV1 permette di testare il CI senza interazione o interferenza dovuta ad altri componenti attivi.

Poi c'è "l'illuminazione connessa"

Uno degli altri miglioramenti che è sia pratico che auspicabile con la moderna illuminazione basata sui LED è l'opportunità di implementare "l'illuminazione connessa intelligente" (SCL), spesso descritta semplicemente come "illuminazione connessa". Tra i suoi vari attributi, permette di controllare le lampade sia in gruppo che individualmente attraverso uno standard di connettività.

Quali sono i vantaggi di SCL? Da una prospettiva di sistema di livello superiore - e forse anche con qualche congettura ed esagerazione - un'infrastruttura di illuminazione collegata diventa un investimento in una rete di connettività a livello di edificio. I dati che passano attraverso questa infrastruttura permettono ai manager degli edifici di integrare, automatizzare e prolungare la vita dei sistemi principali dell'edificio, abbassare i costi operativi, aumentare le prestazioni e diminuire i tempi di fermo.

Alcuni analisti sostengono che i benefici dell'illuminazione connessa vanno ben oltre la semplice illuminazione. Per esempio, Szymon Slupik, CTO e fondatore di Silvair, nota: "Il valore dei servizi aggiuntivi abilitati dall'illuminazione intelligente è da sette a dieci volte più prezioso dei controlli dell'illuminazione e del risparmio energetico stesso".

Le lampade SCL sono spesso in uno stato passivo di "ascolto" per lunghi periodi, quindi il consumo energetico in standby è un parametro chiave per i progettisti e i valori massimi sono specificati nei vari mandati normativi. I controller e i regolatori di Diodes Incorporated sono progettati con valori di potenza in standby inferiori a quelli consentiti. Funzionano anche con modelli di controllo/comunicazione che supportano vari standard di interfaccia tra cui Bluetooth, Zigbee e Wi-Fi.

Un fattore che interesserà l'installazione dell'illuminazione connessa è lo sviluppo di standard industriali che garantiscano l'interoperabilità dei componenti SCL di diversi fornitori. Ad esempio, il Bluetooth Special Interest Group (SIG) ha lavorato con il settore dell'illuminazione per sviluppare uno standard Bluetooth Mesh ottimizzato per creare reti di dispositivi applicabili su larga scala. Inoltre, Bluetooth SIG e DALI Alliance hanno collaborato per creare un'interfaccia standardizzata che consentirà agli apparecchi di illuminazione certificati D4i e ai dispositivi DALI-2 di essere distribuiti in reti a maglie di controllo dell'illuminazione basate su Bluetooth (D4i è lo standard DALI per gli apparecchi di illuminazione intelligenti e predisposti per IoT). Attraverso questa interfaccia, i dati possono scorrere senza impedimenti tra gli apparecchi ricchi di sensori e i controlli dell'illuminazione, ma anche verso altri sistemi di gestione dell'edificio.

Conclusione

L'illuminazione architettonica intelligente basata sui LED sta migliorando l'efficienza energetica dei sistemi di illuminazione negli edifici commerciali. È anche un elemento critico per consentire potenziali guadagni a lungo termine nelle prestazioni generali dell'edificio. I controller, regolatori e driver LED in CI di Diodes Incorporated focalizzati e ottimizzati per AL basato su LED sono tra gli elementi chiave necessari per tradurre con successo i potenziali benefici di queste possibilità avanzate di AL in una realtà potente, versatile e conveniente.

Riferimento

DALI Alliance, D4i - lo standard DALI per apparecchi intelligenti e predisposti per IoT

Ulteriori letture

1. Pratiche di progettazione elettromagnetica per AL8805
2. Conoscere e applicare i nuovi connettori standard per l'illuminazione da interni ed esterni basata sui LED