Slik konstruerer du for å oppnå optimal lysdiodeytelse i arkitektonisk belysning

Tradisjonelle arkitektoniske lyskilder (AL – architectural lighting) – det vil si glødelamper, halogenpærer og fluorescerende lyspærer – er i ferd med å erstattes, i både eksisterende og nye konstruksjoner, med belysning basert på lysemitterende dioder (LED-er). Årsakene er klare: Hvis vi ser bort fra forskriftsmessige mandater, lover lysdiodebelysning mye høyere virkningsgrad, lavere driftskostnader, redusert termisk belastning, mye lengre levetid etter installering, noe som gir lavere vedlikeholdskostnader, og en vei til smartere styring av bygningsfunksjoner.

Det er imidlertid ikke verdiløst å bruke lysdioder i en pære med samme passform som de svært etablerte lampene. Det er behov for nye drivkretser som gir regulert strøm (ikke spenning), ofte med mulighet for dimming. I tillegg er glødepærer resistive laster som kan drives direkte fra nettspenning, noe lysdioder ikke kan gjøre. De presenterer ikke en enhetlig effektfaktor – det vil si at strøm og spenning er i fase – og drivkretsen for vekslingsregulatoren er en potensiell kilde til elektromagnetisk interferens (EMI). I stedet må drivkretsene forsyne og styre den nødvendige drivstrømmen på en slik måte at de er optimalisert for lysdiodelastens egenskaper. Det kan også hende driveren må implementere effektfaktorkorreksjon (PFC), dimmemuligheter og EMI-demping.

Denne artikkelen tar for seg ulike aspekter av arkitektonisk belysning (AL) og IC-ene som muliggjør lysdiodebasert arkitektonisk belysning. Den introduserer deretter IC-er fra Diodes Incorporated, med eksempler på hvordan de kan brukes i faktiske kretser.

Målene til AL og utfordringene med lysdioder

AL er konstruksjonen og bruken av belysningssystemer som er innebygd i og utenfor en kommersiell bygning (ikke husholdning), for eksempel en butikk, et kontor eller et lager. Målet med arkitektonisk belysning er å balansere kunsten og vitenskapen til belysning for å skape stemning, visuell interesse og forbedre opplevelsen til et område eller sted, og samtidig oppfylle de tekniske og sikkerhetsmessige kravene. Dette omfatter ikke improviserte lys som folk bringer inn eller omorganiserer, for eksempel noens favorittlampe til skrivepulten. I stedet er det belysning som «følger med bygningen», men det er gjerne rom for fleksibilitet og til og med omorganisering etter hvert som kortsiktige og langsiktige behov utvikler seg.

De siste årene har AL blitt et større og mer teknologidrevet felt med ekstra utfordringer, og dette skyldes i stor grad behovet for å spare energi og administrere belysningens tilknyttede egenskaper og funksjoner. Ettersom lysdiodebasert belysning har blitt en dominerende faktor innen oppgradering av AL, har teknikkene, kretsene og komponentene som effektivt kan drive lysdiodene i Al-armaturene, blitt stadig viktigere.

Mye av drivkraften bak overgangen til lysdiodebasert arkitektonisk belysning (AL) stammer fra flere forskriftsmessige mandater og standarder som definerer ulike perspektiver innen effektivitet, deriblant dimbarhet, PFC- og EMI-generering, samt andre faktorer. Spesifikasjonene til disse svært kompliserte og omstendige kravene varierer på tvers av globale regioner, land og til og med amerikanske stater.

To av de viktige forskriftsmessige kravene i USA er den føderale Energy Star-standarden og Title 24 California Building Standards Code, som er strengere enn Energy Star. I tillegg til mange av de andre betraktningene som må tas hensyn til, krever Title 24:

• Nærværssensorer for automatisk av/på-belysningslaster
• LED-drivere med dimmeegenskaper
• Høyere virkningsgrad som målt i nyttige lumen per watt inngangseffekt
• Smart tilkoblet belysning (SCL – Smart Connected Lighting) støtter trådløs styring av individuelle og grupperte lamper via Bluetooth, Zigbee eller DALI/IEC 62386, der systemets standby-strøm er under 200 milliwatt (mW)
• Lysdiodens strømrippel på utgangen er under 30 % for å unngå irriterende og distraherende flimring
• PFC på 0,9 eller høyere ved definert høyere effekt
• Total harmonisk forvrengning (THD – Total harmonic distortion) under 20 % for å minimere tomgangsenergi på grunn av ikke-resistiv last

En merknad om dimmefrekvens og flimring: Selv om det menneskelige øyet som regel ikke legger merke til flimmer (noen ganger kalt «eflicker») over 100 Hz, er dette et fenomen som oppstår når pulsbreddemodulasjon (PWM) brukes til å dimme lysdiodene, enten for lysstyrke eller fargestyring. I PWM-modus slås lysdioden av i korte tidsperioder (hundrevis av mikrosekunder) med høy hastighet. Denne dimmefrekvensen kan samhandle med skanne- og oppdateringsfrekvensene til grunnleggende lysdiodeavlesninger, displayer, sikkerhetskameraer og andre optiske bildeenheter. Derfor bør oppdateringsfrekvensen til lysdioder være mye høyere enn frekvensen som selve øyet kan oppfatte, og dette er tilfellet for komponenter fra Diodes Incorporated.

Gå fra brikker til brikkesett

Det å oppfylle de mange energirelaterte kravene er en konstruksjonsutfordring som krever sjonglering av motstridende tilnærminger, fordi det er visse interaksjoner og kompromisser blant de «beste» løsningene for hvert mål som er umulig å unngå. Individuelle IC-er som er optimalisert for å adressere bestemte aspekter ved dette problemet er tilgjengelige, men en komplett løsning krever at disse IC-ene jobber sammen i harmoni og forsterker hverandre, i stedet for å motvirke hverandre.

Av denne grunn er det ofte fornuftig å se på IC-er fra en enkelt leverandør og alle tilknyttede brikkesett – verifiserte kretser som grupperer disse IC-ene – som leverandøren har satt sammen. Dette gir konstruktører en testet topologi og et godt utgangspunkt. For lysdiodebasert AL tilbyr Diodes Incorporated foreslåtte brikkesett i to grupper, en som støtter effektbesparende situasjoner (under 30 W), og en for installasjoner med høyere effekt (over 30 watt), der førstnevnte vanligvis brukes innendørs og sistnevnte utendørs.

Blokkskjemaet i figur 1 viser hvordan de tre grunnleggende IC-ene som består av brikkesettet for konstruksjoner med effekt på <30 watt – en dimbar lysdiodestyring, en rippeldemper og en grensesnittstyring for dimmesignal – samhandler med hverandre og leverer den nødvendige hovedfunksjonaliteten.

Figur 1: Avanserte IC-er – en dimbar lysdiodestyring, en rippeldemper og en grensesnittstyring for dimmesignal – danner kjernen i en konstruksjon for arkitektonisk belysning på <30 watt. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Ser man på de tre IC-ene individuelt, drives AL1666S-13, som er en kraftig dimbar lysdiodestyring, fra et bredt inngangsspenningsområde på mellom 85 volt AC (VAC) og 305 VAC, og tilbyr samtidig en PFC større enn 0,9 og THD under 10 %. Den støtter analog dimming på 0 til 10 volt over et område på mellom 5 og 100 % og fungerer med alle dimmere som følger ANSI-standarden. For ikke-analog PWM-dimming er intervallet 1 % til 100 % ved 1 kilohertz (kHz). For å gi konsekvent ytelse tilbyr den tett linjeregulering av lysdiodestrømmen på bedre enn ± 2 %, og belastningsregulering av lysdiodestrømmen på bedre enn ± 2 % fra full last ned til halv last.

Neste på listen er AL5822W6-7, en adaptiv rippeldemper for lysdiodestrømmen på 100/120 Hz i en SOT-23-6-kapsling. Den takler den krevende utfordringen med å minimere strømrippel, for å møte stadig strengere standarder. Ettersom dette er enheten som tilkobles lysdiodene, er det nødvendig at den har beskyttelse mot kortslutning, overstrøm og overtemperatur, og samtidig støtter bruk av varmepære (hot-bulb) når kretsen og pæren settes inn i en «strømførende» kontakt. Den kan gi dramatisk reduksjon av rippelstrøm og bringe den ned til bare noen få prosent av den opprinnelige verdien, som vist med noen grunnleggende tall. Når den for eksempel brukes med AL1665S-13, en dimbar lysdiodestyring med høy ytelse som er nært beslektet AL1666S-13, er rippelstrømmen omtrent 520 milliampere (mA) topp-til-topp, men dette reduseres til bare 17 mA når den kombineres med AL5822 (figur 2).

Figur 2: Ved å legge til den høyeffektive dimbare lysdiodestyringen AL1665S-13 i konstruksjonen, reduseres rippelstrømmen fra 520 mA topp-til-topp til bare 17 mA. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Til slutt har vi AL8116W6-7, en fleksibel grensesnittstyring for dimmesignal fra 0 til 10 volt. Den bruker et bredt V_CC-spenningsområde fra 10 til 56 volt, som kan avledes fra utgangsspenningen til en hjelpevikling, en strømskinne eller lysdiodens kjedespenning. Den støtter PWM-dimming over et område på mellom 0,2 kHz og 10 kHz ved å bruke styring på 0 til 10 volt og potensiometerdimming (resistiv) (0 til 100 kiloohm (kΩ)). Den konverterer dimmestyring til PWM-utgangen som kreves av systemet, og gir samtidig en enkel dimmeløsning med kryssisolasjonsbarriere. Den tilbyr også en PWM-utgangsdriftssyklus på ± 2,5 % for å gi en nøyaktig dimmekurve, noe som er viktig i installasjoner med flere lysdioder.

Selvfølgelig kan blokkskjemaer på høyt nivå være villedende når det kommer til å vise den totale materialkostnaden (BOM), som omfatter passive komponenter, frittstående aktive komponenter og andre IC-er. Derfor er det viktig å se på selve skjemaet for å forstå hva den komplette kretsen krever, da dette påvirker emballasje, produksjon og kostnader.

For brikkesettet på <30 watt i figur 1, viser koblingsskjemaet i figur 3 nedenfor hvor få komponenter som faktisk er nødvendig. (Transformatoren T1 og optokobleren er nødvendig for å gi galvanisk isolasjon mellom den primære og sekundære siden.)

Figur 3: Detaljene som er gitt av et koblingsskjema over blokkskjemaet på høyt nivå, vist i figur 1, viser at bare noen få ekstra komponenter er nødvendig i den komplette konstruksjonen. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Fordi alle vekslingsbaserte strømkretser har nyanser i den virkelige verden som et koblingsskjema alene ikke kan avsløre, er et evalueringskort nyttig når det kommer til å gi raskere validering og verifisering av konstruksjonen. AL1666+AL8116+AL5822EV1 er et evalueringskort som bruker de tre navngitte IC-ene til å gi en dimbar spenning på 0 til 10 volt, høy PFC, ett-trinns tilbakekoblings-lysdiodedriver (figur 4). Den gir en konstant utgangsstrøm på 1200 mA over et spenningsområde fra 25 til 50 volt, fra en inngangsspenning på 90 VAC til 305 VAC.

Figur 4: For å fremskynde ferdigstillelse av prosjektet, legger evalueringskortet AL1666+AL8116+AL5822EV1 (topp og bunn) til rette for dypere forståelse av den dimbare lysdiodedriver-kretsdriften ved å bruke AL1666-styringen for primærsiden, AL8116-dimmegrensesnitt-IC-en for sekundærsiden og Al5822-rippeldemperen for lysdiodestrømmen. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Størrelse er viktig for bakoverkompatibilitet

Hvorfor er liten størrelse og en kort materialliste viktig, utover den vanlige «mindre er bedre»-tankegangen? Det skyldes delvis bakoverkompatibilitet med eksisterende lamper (pærer) når det brukes IC-er som er drevet av lysdioder individuelt eller i grupper.

Selv om det er mange forskjellige AL-lampeformater for vanlig bruk, er MR16 spesielt utbredt i boliger og kommersielle omgivelser for retningsbelysning (figur 5). Pærer med halogenlyskilder i dette formatet har vært det mest populære valget for standard AL-belysning i mange år.

Figur 5: MR16-pæreformatet og -størrelsen med halogen som lyskilde er mye brukt i AL-installasjoner. (Bildekilde: Wikipedia; W.W. Grainger, Inc.)

MR16 er 5 cm (2 tommer) i diameter på sin største omkrets. «MR» står for mangefasettert reflektor, som er det som bestemmer retningen og spredningen til lyset som kastes. Denne pæren forsynes vanligvis (men ikke alltid) fra en 12-volts vekselstrømlinje, oftest via en nedtransformeringsomformer for nettspenning.

En liten halogen MR16 krever 20 watt og har en levetid på 2000 til 6000 timer. LED-ekvivalenten krever derimot bare noen få watt og har en levetid på rundt 100 000 timer. Når AL går over til lysdiodebaserte lyskilder, er det viktig å kunne inkludere de nødvendige strømkretsene i denne pakken for å gi det enorme ettermarkedet, samt nye AL-utforminger, pærer med riktig passform.

Møte de høyere strømbehovene

For lysdiodelamper over 30 watt (som tilsvarer ca. 3 ampere (A) med lysdiodestrøm), for eksempel til utendørsbruk, kan en to-trinns topologi være å foretrekke fremfor en en-trinns tilnærming, selv om styrings- og kommunikasjonsmodulene kan være de samme (figur 6).

Figur 6: Konstruksjoner for lysdiodebelysning med høyere effekt (over 30 watt) benytter seg av en to-trinns topologi (høyre) i motsetning til ett-trinns-tilnærmingen for effektbesparende konstruksjoner (venstre), men det «smarte» grensesnittet kan være identisk. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Nok en gang gir koblingsskjemaet – i dette tilfellet for konstruksjonsløsningen til lysdiodebelysningen med høyere effekt – innsikt som er mer detaljert (figur 7).

Figur 7: Koblingsskjemaet viser igjen det relativt høye integreringsnivået som tilbys av denne løsningen med høyere effekt. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

I likhet med effektbesparende konstruksjoner, er tre IC-er kjernen i denne implementasjonen. Den første er AL1788W6-7, en styring på primærsiden som støtter buck (nedtransformering) og tilbakekobling-topologier som ikke krever noen optokobler, samtidig som dens kvasiresonante (QR) drift med «Valley-on-funksjon» gir lavt vekslingstap. Effektfaktoren er bedre enn 0,9 mens THD er under 15 %, og standby-effekten på under 200 mW (for eksempel for bruk om dagen når lysene er av) øker den generelle effektiviteten.

Den neste er AL17050WT-7, en universell AC (vekselstrøm) ikke-isolert bukk-regulator som gir nøyaktig styring av konstant spenning (CV – constant voltage) med ekstremt lav standby-strøm i en svært liten SOT-25-kapsling. Den integrerer en 500 volt MOSFET og fungerer med en induktor med én vikling, noe som resulterer i enklere eksterne komponenter og en billigere materialliste. På grunn av sin elektriske rolle og posisjon i den generelle topologien, omfatter enheten flere «produksjonslag», deriblant overtemperaturbeskyttelse, V_CC underspenningssperre, kortslutningsbeskyttelse på utgang, overbelastningsbeskyttelse og beskyttelse mot åpen sløyfe.

Til slutt har vi AL8843SP-13, en 1 megahertz (MHz) reduksjonsregulator og analog lysdiodedriver med PWM-dimming i stand til å levere en utgangsstrøm på opptil 3 A, som kan justeres via en ekstern motstand. Den drives fra en bred inngangsspenning på 4,5 til 40 V og har en strømfølsomhet på ±4 % for å gi overlegen kanal-til-kanal-utjevning i konstruksjoner med flere lysdioder.

AL8843SP-13 integrerer strømbryteren og en høyside-strømsensorkrets på utgangen. Avhengig av forsyningsspenning og eksterne komponenter, kan omformeren levere opptil 60 watt utgangseffekt med en virkningsgrad på opptil 97 %. Den viktige dimmefunksjonen kan implementeres ved å bruke et eksternt styresignal til én enkelt pinne som håndterer enten en likestrømsspenning eller et PWM-signal. Denne termisk forbedrede enheten med SO-8EP-kapsling kommer også med beskyttelse mot en åpen eller kortsluttet lysdiode og en åpen eller kortsluttet strømsensormotstand, som er én av beskyttelsesmodusene den tilbyr.

I likhet med det effektbesparende arrangementet til lysdiodedriveren, kan et evalueringskort for den effektøkende løsningen redusere hvor mange timer som trengs for å bedre forstå situasjonen til en komplett konstruksjon, og dermed gi prosjektet fremdrift på en mer effektiv måte. For AL8843SP-13 LED-driveren med nedtransformering – den mest utfordrende komponenten i konstruksjoner med høyere effekt – tilbyr Diodes Incorporated evalueringskortet AL8843EV1 (figur 8).

Figur 8: Brukere av AL8843SP-13 vil dra nytte av det grunnleggende AL8843EV1-evalueringskortet, som fokuserer fullstendig på den ett-trinns reduksjonsregulatoren og 3 A analoge lysdiodedriverkomponenten med PWM-dimming. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Evalueringskortet AL8843EV1 muliggjør grunnleggende bruk av komponenten uten interaksjon eller interferens takket være andre aktive komponenter.

Så har vi «tilkoblet belysning»

En av de andre forbedringene som både er praktisk og ønskelig med moderne lysdiodebasert belysning, er muligheten til å implementere «smart tilkoblet belysning» (SCL – smart connected lighting), ofte bare beskrevet som «tilkoblet belysning». Blant disse ulike egenskapene, gjør den det mulig å styre lamper både som en gruppe og individuelt innenfor en gruppe, via en konnektivitetsstandard.

Hva er fordelene med SCL? Fra et systemperspektiv på høyere nivå – og kanskje til og med noen spekulasjoner og overdrivelser – blir en tilkoblet belysningsinfrastruktur en investering i et bygningsomfattende tilkoblingsnett. Dataene som strømmer gjennom denne infrastrukturen gjør det mulig for bygningsledere å integrere, automatisere og forlenge levetiden til viktige bygningsystemer, redusere driftskostnader, øke ytelsen og redusere nedetid.

Noen analytikere hevder at fordelene med tilkoblet belysning handler om langt mer enn bare belysning. For eksempel, Szymon Slupik, CTO og grunnlegger av Silvair, sier: «Verdien av de ekstra tjenestene som muliggjøres av smart belysning er syv til ti ganger mer verdifull enn selve belysningsstyringen og energibesparelsene».

SCL-lamper er ofte i en passiv «lyttende» tilstand over lange perioder, så standby-strømforbruket er en viktig parameter som er av interesse for konstruktører, og maksimumsverdier er angitt i de forskjellige forskriftsmandatene. Styreenhetene og regulatorene fra Diodes Incorporated er konstruert med en standby-merkestrøm som er under de tillatte verdiene. De jobber også med moduler for dimming/kommunikasjon som støtter ulike grensesnittstandarder, deriblant Bluetooth, Zigbee og Wi-Fi.

En faktor som vil drive installasjonen av tilkoblet belysning, er utviklingen av bransjestandarder som sikrer driftskompatibilitet mellom SCL-komponenter fra forskjellige leverandører. Bluetooth Special Interest Group (SIG) har for eksempel samarbeidet med belysningsindustrien for å utvikle en maske-standard for Bluetooth som er optimalisert for å skape anvendelige storskala-nettverk for enheter. Videre samarbeidet Bluetooth SIG og DALI Alliance om å lage et standardisert grensesnitt som vil gjøre det mulig å distribuere D4i-sertifiserte armaturer og DALI-2-enheter i Bluetooth-baserte maskenettverk for belysningsstyring (D4i er DALI-standarden for intelligente, IoT-klare armaturer). Via dette grensesnittet kan data strømme uhindret mellom armaturer og lysstyringer med mange sensorer, og til og med til styringssystemer i andre bygninger.

Konklusjon

Smart lysdiodebasert arkitektonisk belysning forbedrer energieffektiviteten til belysningssystemer i næringsbygg. Det er også et svært viktig element for å muliggjøre potensielle gevinster på lang sikt når det kommer til den generelle bygningsytelsen. IC-er for styringer, regulatorer og lysdiodedrivere fra Diodes Incorporated er fokusert og optimalisert for lysdiodebasert AL, og de er blant de viktigste byggesteinene som trengs for å oversette de potensielle fordelene ved disse avanserte AL-mulighetene til en virkelighet som er slagkraftig, allsidig og kostnadseffektiv.

Referanse

DALI Alliance, D4i – DALI-standarden for intelligente, IoT-klare armaturer

Ytterligere lesning

1. Praksis for elektromagnetiske konstruksjoner for AL8805
2. Slik kan du forstå og bruke de nye standardkontaktene for innendørs og utendørs lysdiodebasert belysning