Čistá náhrada LED svítidla na místo klasického není tak jednoduchá. V budovách platí normy, které zajišťují bezpečné osvětlení a tyto normy je nutné dodržet. LED svítidlo je trochu složitější než klasická žárovka. Uvnitř svítidla je umístěn měnič, který musí poskytovat definovaný proud (nikoli napětí). Žárovky jsou odporové zátěže a mohou běžet přímo ze střídavého elektrického vedení, LED jsou prostě jiné.
U LED technologie účiník (Power Factor) není roven jedné. To znamená že proud a napětí nejsou ve fázi. Z toho plyne, že řídicí obvod spínacího regulátoru uvnitř LED je potenciálním zdrojem elektromagnetického rušení (EMI). Proto je nutné do driveru LED implementovat korekci účiníku (PFC), funkci stmívání a potlačení EMI. Tento článek se zabývá různými aspekty osvětlení a integrovanými obvody, které umožňují realizaci osvětlení založené na technologii LED. Představíme si integrované obvody od Diodes Incorporated a jejich použití v obvodu.
Návrh osvětlení pomocí LED
Cílem návrhu osvětlení je dodržení bezpečnostních norem a splnění architektonických požadavků klienta. Návrh nezahrnuje improvizovaná světla, která se lidé přinesou nebo přeuspořádají například stolní lampa.
V posledních letech se navíc ke všem těm požadavkům přidalo šetření energie. Vzhledem k tomu, že LED technologie se stala dominantním faktorem při modernizaci osvětlení, řídící obvody a komponenty pro LED svítidla jsou stále důležitější. Standardy pro automatizaci budov mimo jiné obsahují následující požadavky:
- Senzory pohybu pro automatické zapnutí/vypnutí osvětlení
- LED drivery s možností stmívání
- Vyšší účinnost (Světelný tok v lumenech na wat)
- Smart Connected Lighting (SCL) podporující bezdrátové ovládání jednotlivých a seskupených lamp přes Bluetooth, Zigbee nebo DALI/IEC 62386 s výkonem v pohotovostním režimu pod 200 mW
- Zvlnění výstupního proudu LED pod 30 %, aby se zabránilo nepříjemnému a rušivému blikání
- PFC 0,9 nebo vyšší při definovaném výkonu
- Celkové harmonické zkreslení (THD) pod 20 % pro minimalizaci plýtvání energií v důsledku neodporové zátěže
Obnovovací frekvence LED by měla být mnohem vyšší než 100 Hz, jelikož oko nad touto frekvencí již není na blikání citlivé. Vyšší frekvence používají komponenty od Diodes Incorporated.
Přechod od čipů k čipsetům
K dispozici jsou jednotlivé integrované obvody, které jsou optimalizovány pro řešení konkrétního problému, ale celkové řešení vyžaduje, aby tyto integrované obvody spolupracovaly a vzájemně se posilovaly, nikoli šly proti sobě.
Z tohoto důvodu má smysl se podívat na integrované obvody od jednoho dodavatele a přidruženou čipovou sadu. To jsou ověřené obvody, které tyto integrované obvody podporují. Diodes Incorporated nabízí čipové sady rozdělené do dvou skupin. Jedna je určena pro svítidla s výkonem pod 30 W a druhá pro výkon nad 30 W. Přičemž první skupina se obvykle používá uvnitř a druhá ve venkovním prostředí.
Blokové schéma na obrázku 1 ukazuje tři základní integrované obvody, které tvoří čipovou sadu pro aplikace s napájením pod 30 W. Stmívatelný LED kontrolér, obvod pro potlačení zvlnění (Ripple Suppressor) a obvod pro komunikaci s okolím (zigbee, DALI, Bluetooth apod. ).
Obrázek 1: Pokročilé integrované obvody – stmívatelný LED kontrolér, obvod pro potlačení zvlnění (Ripple Suppressor) a rozhraní pro komunikaci s okolím – tvoří jádro návrhu pro osvětlení pod 30 wattů. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)
Podíváme-li se na tři integrované obvody jednotlivě, vysoce výkonný stmívatelný LED ovladač AL1666S-13 pracuje v širokém rozsahu vstupního napětí od 85 V do 305 V AC, přičemž nabízí PFC větší než 0,9 a THD pod 10 %. Obsahuje rozhraní pro stmívání 0 až 10 V v rozsahu 5 % až 100 %. Pro konstantní výkon nabízí regulaci proudu z plného až po poloviční zatížení.
Adaptivní obvod pro potlačení zvlnění AL5822W6-7 100/120 Hz v pouzdře SOT-23-6 obsahuje ochranu proti zkratu, nadproudu a přehřátí. Hlavní funkcí tohoto obvodu je snížení zvlnění, které dosahuje hodnoty několika procent původní velikosti. Například LED ovladač AL1665S-13 vykazuje zvlnění proudu přibližně 520 mA mezi špičkami, ale při použití AL5822 se dosáhlo snížení zvlnění na pouhých 17 mA (obrázek 2).
Obrázek 2: AL1665S-13 snižuje zvlnění z 520 mA mezi špičkami na pouhých 17 mA. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)
LED ovladač AL8116W6-7 s rozhraním 0 až 10 V pracuje v širokém rozsahu napětí VCC 10 až 56 V. Podporuje PWM stmívání v rozsahu 0,2 kHz až 10 kHz pomocí již zmíněného rozhraní 0 až 10 V a odporové stmívání pomocí potenciometru (0 až 100 kΩ). Ovladač převádí signál z rozhraní 0-10V na výstup PWM s přesností ±2,5 %.
Bloková schémata mohou být klamavá, jelikož neobsahují všechny potřebné součástky. Proto je důležité se podívat na skutečné schéma, kde je zobrazeno vše, co celý obvod požaduje ke své činnosti. Blokové schéma pro čipovou sadu určenou pro výkon menší než 30 wattů je na obrázku 1 a na obrázku 3 je již zobrazeno skutečné schéma včetně všech potřebných komponent. Nutno podotknout, že jich není mnoho. Transformátor T1 a optočlen jsou potřebné pro galvanickou izolaci mezi primární a sekundární stranou.
Obrázek 3: Kompletní schéma řešení blokového schématu z obrázku 1. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)
Pro reálné ověření všech parametrů použitých součástek je k dispozici vývojová deska AL1666 + AL8116 + AL5822EV1 (obrázek 4). Tato deska je schopna poskytnout konstantní výstupní proud 1200 mA v rozsahu výstupního napětí 25 až 50 V při vstupním napětí 90 VAC až 305 VAC.
Obrázek 4: Pro urychlení vývoje je vhodné použít desku AL1666+AL8116+AL5822EV1. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)
Zpětná kompatibilita
Pro osvětlení domácností se používají směrová halogenová svítidla s paticí MR16 (obrázek 5).
Obrázek 5: Tvar a velikost halogenové žárovky MR16 se běžně používají pro osvětlení obytného nebo komerčního prostoru. (Zdroj obrázku: Wikipedia; WW Grainger, Inc.)
Halogenové žárovky s paticí MR16 mají průměr 5 cm a jsou napájeny ze zdroje 12 V AC. Tento zdroj napětí je získán pomocí transformátoru, který sníží síťové napětí. Malé halogenové žárovky MR16 mají příkon obvykle 20 W a jejich životnost je od 2 000 do 6 000 hodin.
Oproti tomu ekvivalent s LED technologií má spotřebu pouze několik wattů a má životnost řádově 100 000 hodin. Výzvou pro návrh LED svítidla je, aby se veškerá elektronika vešla do rozměrů halogenové žárovky s paticí MR16.
Svítidla s vyšším výkonem
Pro LED svítidla s výkonem nad 30 wattů ( to odpovídá přibližně 3 A proudového driveru LED) se používají obvykle ve venkovních aplikacích (osvětlení ulic, soch apod.). U těchto výkonových svítidel se preferuje dvoustupňová topologie místo jednostupňové. Na obrázku 6 je blokové schéma obou variant.
Obrázek 6: Designy LED osvětlení s výkonem nad 30 wattů využívají dvoustupňovou topologii (vpravo) na rozdíl od jednostupňového řešení u konstrukcí s nižším výkonem (vlevo). Jejich „inteligentní“ rozhraní může být stejné . (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)
Na obrázku 7 je schéma řešení osvětlení LED s vyšším výkonem.
Obrázek 7: Schéma opět ukazuje relativně vysokou úroveň integrace, kterou nabízí výkonnější řešení. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)
Stejně jako u návrhu s nižším výkonem jsou základem tři integrované obvody. Prvním je konvertor AL1788W6-7 na primární straně, který podporuje topologii buck (step down) a flyback. Tyto topologie nevyžadují žádný optočlen a jeho kvazi-rezonanční (QR) provoz s funkcí „valley-on“ vykazuje nízké spínací ztráty. Účiník je vyšší než 0,9 a THD je nižší než 15 %. Pohotovostní spotřeba se pohybuje pod 200 mW.
Součástí obvodu je univerzální AC neizolovaný buck konvertor AL17050WT-7, který poskytuje přesné řízení konstantního napětí (CV) s extrémně nízkou pohotovostní spotřebou v malém pouzdře SOT-25. Má integrovaný 500V MOSFET a je schopen pracovat s jednovinutým induktorem. Vzhledem ke své elektrické roli v obvodu obsahuje ochranu proti přehřátí, podpěťové uzamčení VCC, ochranu proti zkratu na výstupu, ochranu proti přetížení a ochranu proti chodu naprázdno.
Třetím integrovaným obvodem je 1 MHz LED driver s PWM AL8843SP-13, který je schopen dodávat výstupní proud až 3 A. Tento proud je nastavitelný pomocí externího odporu.
Driver funguje od vstupního napětí 4,5 až 40 V a vyznačuje se přesností snímání proudu ±4 %. AL8843SP-13 má integrován obvod pro snímání proudu na horní straně výstupu. V závislosti na napájecím napětí a externích komponentech může tento driver poskytnout výstupní výkon až 60 wattů s účinností až 97 %.
Funkci stmívání lze implementovat přivedením externího řídicího signálu na pin, který přijímá buď stejnosměrné napětí, nebo signál PWM. Tento driver v pouzdru SO-8EP zahrnuje ochranu proti přerušené nebo zkratované LED a rezistoru snímajícího proud. Pro seznámení se s chováním AL8843SP-13 v reálné aplikaci, Diodes Incorporated nabízí vývojovou desku AL8843EV1 (obrázek 8).
Obrázek 8: Vývojová deska s AL8843SP-13 nabízí 3A analogový LED driver s PWM stmíváním. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)
Skupinové řízení osvětlení
Jedním z dalších vylepšení, které je u moderního osvětlení praktické, je možnost implementace „inteligentní propojené osvětlení“ (SCL). Mezi hlavními přínosy je možnost ovládat lampy jako skupinu. Propojená osvětlovací infrastruktura umožňuje správcům budov integrovat, automatizovat a prodlužovat životnost, snižovat jejich provozní náklady, zvyšovat výkon a zkracovat prostoje.
Svítidla jsou často po dlouhou dobu v pasivním „naslouchacím“ stavu, takže spotřeba energie v pohotovostním režimu je klíčovým parametrem. Vývoj standardů zajišťujících interoperabilitu komponent SCL od různých výrobců stále probíhá.
Například Bluetooth Special Interest Group (SIG) se podílí na vývoji standardu Bluetooth mesh optimalizovaného pro vytváření rozsáhlých sítí. Bluetooth SIG a DALI Alliance dále spolupracují na vytvoření standardizovaného rozhraní, které umožní nasazení certifikovaných svítidel D4i a zařízení DALI-2 v sítích pro řízení osvětlení na bázi Bluetooth.
D4i je standard DALI pro inteligentní svítidla připravená pro IoT. Prostřednictvím tohoto rozhraní mohou data nerušeně proudit mezi svítidly a ovládacími prvky osvětlení a dokonce i do jiných systémů řízení budov. Více informací o D4i standardu se dozvíte na D4i – the DALI standard for intelligent, IoT-ready luminaires.
Závěr
Inteligentní osvětlení na bázi LED zlepšuje energetickou účinnost osvětlovacích systémů v komerčních budovách. Integrované obvody, regulátory a ovladače LED od společnosti Diodes Incorporated patří mezi klíčové stavební bloky potřebné k úspěšnému vývoji svítidla s technologií LED.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.
