כיצד לתכנן עבור ביצועי LED אופטימליים בתאורה ארכיטקטונית
באדיבות ‎DigiKey's North American Editors
2021-10-12
מקורות תאורה ארכיטקטונית (AL) מסורתיים - כלומר נורות ליבון, הלוגן ופלורסצנט - מוחלפות במהירות על ידי תכנים חדשים של תאורה המבוססת על דיודות פולטות אור (LED). הסיבות ברורות: מלבד מחויבויות רגולטוריות, תאורת LED מבטיחה נצילות גבוהה בהרבה, עלויות הפעלה נמוכות יותר, עומס תרמי מופחת, אורך חיים ארוך הרבה יותר (עם עלויות תחזוקה נמוכות יותר), ודרך לניהול חכם יותר של פונקציות הבניינים.
עם זאת, שימוש בנורות LED כתחליף תואם לאותן נורות ותיקות ומבוססות אינו טריוויאלי. יש צורך במעגלי דוחפים חדשים המספקים זרם מבוקר (לא מתח), לרוב עם יכולות עמעום. בנוסף, בעוד שנורות ליבון הן עומסי התנגדותי ויכולות לפעול ישירות מקווי כוח AC, נורות LED הן שונות. הם אינן מציגות גורם הספק של אחד - כלומר, הזרם והמתח נמצאים בפאזה - ומעגלי הדחיפה עם מייצב ממותג שלהם הוא מקור פוטנציאלי להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). במקום זאת, מעגל הדחיפה חייב לספק ולבקר את זרם הדחיפה הנדרש באופן ממוטב עבור תכונות עומס ה- LED. הדוחף עשוי גם להידרש לתיקון גורם-הספק (PFC), יכולת עמעום ושיכוך EMI.
מאמר זה בוחן היבטים שונים של תאורה ארכיטקטונית ושל המעגלים-המשולבים (IC) המאפשרים תאורה ארכיטקטונית מבוססת LED. לאחר מכן הוא מציג מעגלים-משולבים (IC) מבית Diodes Incorporated כדוגמאות לשימוש בהם במעגלים בפועל.
המטרות של תאורה ארכיטקטונית (AL) והאתגרים של נורות LED
תאורה ארכיטקטונית (AL) משמעותה שימוש במערכות תאורה המשובצות בתוך ומחוץ למבנה מסחרי שאינו למגורים כגון חנות קמעונאית, משרד או מחסן. המטרה של תכן תאורה ארכיטקטונית היא לאזן בין האמנות לבין מדע התאורה כדי ליצור אווירה ועניין ויזואלי ולשפר את החוויה של חלל או מקום, תוך עמידה בדרישות הטכניות והבטיחותיות. הוא אינו כולל אורות מאולתרים שאנשים מכניסים או מסדרים מחדש, כגון מנורת השולחן האהובה עליהם; במקום זאת, התאורה היא "המגיעה עם הבניין", אם כי לעתים קרובות היא מאפשרת גמישות מסוימת ואף סידור-מחדש ככל שמתפתחים צרכים קצרי וארוכי טווח.
בשנים האחרונות ה- AL הפכה לתחום גדול ומונע יותר על ידי טכנולוגיה עם אתגרים נוספים, בעיקר בשל הצורך לחסוך באנרגיה ולנהל את הפונקציות והתכונות הקשורות לתאורה. מאחר ותאורה מבוססת LED הפכה לגורם דומיננטי בשדרוג AL, הטכניקות, המעגלים והרכיבים שיכולים לדחוף ביעילות את נורות ה- LED בגופי התאורה הפכו ליותר ויותר חשובים.
חלק ניכר מהתמריץ למעבר ל- AL מבוסס-LED מגיע מתקנים ומנדטים רגולטוריים רבים המגדירים היבטים שונים של הנצילות, כולל עמעום, PFC ויצירת EMI, בין היתר. הפרטים של דרישות מסובכות וארוכות ביותר אלה משתנים בין אזורים שונים בעולם, מדינות ואפילו מדינות בתוך ארצות הברית.
בין הדרישות הרגולטוריות החשובות בארה"ב ניתן למנות את התקנים הפדרליים של Energy Star וקוד תקני בניינים של קליפורניה Title 24, שהוא מחמיר יותר מ- Energy Star. בין השיקולים הרבים האחרים שלו, Title 24 דורש:
- חיישני תפוסה להפעלה/כיבוי אוטומטי של עומסי תאורה
- דוחפי LED עם יכולת עמעום
- נצילות גבוהה יותר כפי שהיא נמדדת על ידי הלומן השימושי ביציאה עבור כל וואט של הספק כניסה
- תאורה חכמה מחוברת (SCL) התומכת בשליטה אלחוטית במנורות בודדות וקבוצתיות באמצעות Bluetooth, Zigbee או DALI/IEC 62386, עם הספק אופן-המתנה של המערכת מתחת ל- 200 מיליוואט (mW)
- אדוות זרם יציאה LED מתחת ל- 30% כדי למנוע הבהוב מטריד ומסיח את הדעת
- PFC של 0.9 ומעלה בהספק גבוה יותר מוגדר
- עיוותים הרמוניים כוללים (THD) מתחת ל- 20% כדי להקטין למינימום הספק מבוזבז עקב עומסים לא-התנגדותיים
הערה לגבי קצב עמעום והבהוב: למרות שהעין האנושית אינה רגישה בדרך כלל להבהוב של מעל Hz 100, ישנה תופעה קשורה, המכונה לעיתים "eflicker", המתרחשת כאשר משתמשים באפנון רוחב פולס (PWM) כדי לעמעם את נורות ה- LED עבור בהירות או בקרת צבע. ב- PWM נורה ה- LED כבויה לפרקי זמן קצרים (מאות מיקרו שניות) בקצב גבוה. קצב עמעום זה יכול לקיים אינטראקציה עם קצבי סריקה ורענון של קריאות LED בסיסיות, מסכי תצוגה, מצלמות אבטחה והתקני דימות אופטית אחרים. מסיבה זו, קצב רענון ה- LED צריך להיות גבוה בהרבה מהקצב בו העין עצמה רגישה, וזה המקרה של רכיבים מבית Diodes Incorporated.
מעבר לשבבים - ערכות שבבים
עמידה בדרישות המרובות הקשורות לאנרגיה היא אתגר תכנוני הדורש להטטנות בין גישות סותרות, שכן קיימות אינטראקציות ופשרות בלתי נמנעות בין הפתרונות ה"טובים ביותר" לכל מטרה. קיימים מעגלים-משולבים (IC) מסוימים הממוטבים לענות להיבטים ספציפיים של הבעיה, אך פתרון מלא דורש להבטיח כי IC אלו יפעלו יחד בהרמוניה ויחזקו אחד את השני, במקום להתנגד.
מסיבה זו יהיה זה רק הגיוני לבחון מעגלים-משולבים מספק אחד ומכל ערכת שבבים קשורה - מעגלים מאומתים המקבצים מעגלים משולבים אלו - שהספק צירף יחדיו. זה מעניק למתכננים טופולוגיה בדוקה ומהווה נקודת מוצא טובה. עבור AL מבוסס-LED, חברת Diodes Incorporated מציעה ערכות שבבים המוצעות בשתי קבוצות, אחת תומכת באופני הספק נמוך יותר (מתחת ל- W 30), ואחרת עבור התקנות עם צריכת הספק גבוהה יותר (מעל 30 וואט), כאשר הראשונה משמשת בדרך כלל ביישומי פנים והשנייה ביישומי חוץ.
דיאגרמת הבלוקים באיור 1 מראה כיצד שלושת ה- IC הבסיסיים המרכיבים את ערכת השבבים עבור יישומי הספק של < 30 וואט - בקר LED עם עמעום, משכך אדווה ובקר עם ממשק אותות עמעום - פועלים באינטראקציה אחד עם השני ומספקים את פונקציונליות הליבה הנדרשת.
איור 1: מעגלים-משולבים (IC) מתקדמים - בקר LED עם עמעום, משכך אדווה ובקר עם ממשק אותות עמעום - יוצרים את ליבת התכן עבור תאורה ארכיטקטונית של < 30 וואט. (מקור התמונה: Diodes Incorporated)
כשבוחנים את שלושת המעגלים-המשולבים בנפרד, בקר LED ניתן-לעמעום עם ביצועים עיליים AL1666S-13 פועל בתחום מתחי כניסה רחב של 85 וולט AC (VAC) עד VAC 305, תוך שהוא מציע PFC גדול מ- 0.9 ו- THD מתחת ל- 10%. הוא תומך בעמעום אנלוגי של 0 עד 10 וולט בתחום של 5% עד 100% ועובד עם כל העמעמים שבתקן ANSI; עבור עמעום PWM לא-אנלוגי, התחום הוא 1% עד 100% ב- 1 קילוהרץ (kHz). עבור עקביות בביצועים, הוא מציע ייצוב קו זרם LED הדוק יותר מ- 2%, ייצוב עומס זרם LED טוב מ- 2%± מעומס מלא ועד חצי עומס.
הבא אחריו, ה- AL5822W6-7 הוא משכך אדוות זרם LED Hz 100/120 אדפטיבי במארז SOT-23-6. הוא עונה על האתגר הקשה של הקטנה למינימום של אדוות הזרם כדי לעמוד בסטנדרטים היותר ויותר מחמירים. כמו כן, מכיוון שמדובר בהתקן המתממשק עם נורות LED, יש צורך לשלב הגנה מפני קצר, זרם-יתר וטמפרטורת-יתר תוך תמיכה בפעולת הנורה-החמה כאשר המעגל והנורה מוכנסים לשקע "חי". הוא יכול להעניק הפחתת אדוות דרמטית, ולהוריד אותה לכמה אחוזים בלבד מהערך המקורי, כפי שמוצג עם כמה מספרים בסיסיים. לדוגמה, כאשר משתמשים בבקר ה- LED עם עמעום עם ביצועים עיליים AL1665S-13 - קרוב של ה- AL1666S-13 - אדוות הזרם היא כ- 520 מיליאמפר (mA) שיא-לשיא, אך היא יורדת ל- mA 17 בלבד כשהוא עובד ביחד עם ה- AL5822 (איור 2).
איור 2: הוספת בקר ה- LED עם עמעום עם ביצועים עיליים AL1665S-13 לתכן מפחיתה את האדווה מ- mA 520 שיא-לשיא ל- mA 17. (מקור התמונה: Diodes Incorporated)
לבסוף, יש את ה- AL8116W6-7, בקר ממשק אות עמעום של 0 עד 10 וולט. הוא פועל מתחום רחב של CCV של 10 עד 56 וולט, אותו ניתן להפיק ממתח היציאה של ליפוף עזר, פס הספקת-כוח או מתח שרשרת נורות LED. הוא תומך עמעום בPWM בתחום של kHz 0.2 עד kHz 10 באמצעות בקרת 0 עד 10 וולט, ופוטנציומטר (התנגדותי) לעמעום (0 עד 100 קילו-אוהם (kΩ)). הוא ממיר את בקרת העמעום ליציאת- PWM הנדרשת על ידי המערכת תוך מתן פתרון עמעום פשוט של חציית-מחסום-בידוד. הוא גם מציע יחס מחזור יציאת ה- PWM של 2.5%± עבור עקומת עמעום מדויקת, שהיא קריטית בהתקנות רבות-LED.
כמובן שדיאגרמות בלוקים ברמה גבוהה יכולות להטעות בכל הנוגע להצגת מפרט החומרים (BOM) הכולל, הכולל רכיבים פסיביים, רכיבים אקטיביים בדידים ו- IC אחרים. לכן חשוב לבחון את הסכמות בפועל כדי להבין מה המעגל השלם דורש, מכיוון שזה משפיע על ההמארז, הייצור והעלות.
עבור ערכת השבבים < 30 וואט שבאיור 1, הדיאגרמה הסכמטית המוצגת באיור 3 להלן מראה כמה רכיבים נדרשים בפועל. (שנאי T1 והמצמד האופטי נחוצים עבור בידוד גלווני בין הצד הראשוני והשניוני).
איור 3: הפרטים המסופקים בדיאגרמה הסכמטית של דיאגרמת הבלוקים ברמה גבוהה המוצגת באיור 1 מראים כי נדרשים רק רכיבים נוספים בודדים לתכן השלם. (מקור התמונה: Diodes Incorporated)
מכיוון שלכל מעגלי הספקת-הכוח מבוססי-מיתוג יש דקויות בעולם האמיתי שדיאגרמה סכמטית לבדה אינה יכולה לגלות, לוח הערכה הוא נכס חשוב עבור זירוז ואימות התכן. לוח AL1666+AL8116+AL5822EV1 הוא לוח הערכה המשתמש בשלושת המעגלים-המשולבים (IC) שהוזכרו על מנת לספק דוחף LED Flyback עם דרגה אחת, PFC גבוה ועם עמעום של 0 עד 10 וולט (איור 4). הוא מספק זרם יציאה קבוע של mA 1,200 בתחום מתחים של 25 עד 50 וולט ממתחי כניסה של Vac 90 עד VAC 305.
איור 4: כדי לזרז את השלמת הפרויקט, לוח ההערכה AL1666+AL8116+AL5822EV1 (למעלה ולמטה) מאפשר הבנה מעמיקה יותר של פעולת מעגל דוחף LED עם עמעום תוך שימוש בבקר צד ראשוני AL1666, מעגל-משולב (IC) של ממשק עם עמעום צד שניוני AL8116, ו- ומשכך אדוות זרם LED AL5822. (מקור התמונה: Diodes Incorporated)
הגודל כן קובע עבור תאימות-לאחור
מדוע גודל קטן ומפרט חומרים (BOM) קטן הוא חשוב, מעבר לרציונל המקובל של "יותר קטן הוא יותר טוב"? חלקית זו בעיה של תאימות-לאחור עם נורות קיימות (אגס) בשימוש במעגלים-מעגלים-משולבים (IC) דוחפי-LED בנפרד או בקבוצות.
לדוגמה, בעוד שיש גורמי צורה שונים רבים ונפוצים של מנורות AL, נפוץ במיוחד הוא MR16 המשמש בסביבות של מגורים ומסחר עבור תאורה כיוונית (איור 5). נורות עם מקור אור הלוגן בגורם צורה זה היו בין הבחירות הראשונות עבור תאורת AL סטנדרטית במשך שנים רבות.
איור 5: גורם צורה וגודל של נורת MR16 המשתמשת בהלוגן כמקור האור והיא בשימוש נרחב בהתקנות AL. (מקור התמונה: Wikipedia, .W.W. Grainger, Inc)
הקוטר של MR16 הוא 2 אינץ' בהיקף הגדול ביותר שלו. ה- "MR" מייצג Multifaceted Reflector, רפלקטור רב-פנים, השולט על כיוון ופיזור האור שהוא מקרין. נורה זו פועלת בדרך כלל (אך לא תמיד) מקו 12 וולט AC, המסופק בדרך כלל באמצעות שנאי מוריד-מתח קו.
נורת MR16 הלוגן קטנה דורשת 20 וואט ואורך החיים שלה הוא 2,000 עד 6,000 שעות. לעומת זאת, נורת LED אקוויוולנטית דורשת רק מעט וואטים ויש לה אורך חיים של 100,000 שעות. כאשר תאורה ארכיטקטונית (AL) עוברת למקורות אור מבוססי-LED, חשובה היכולת לכלול מעגלים נחוצים במארז זה על מנת לספק נורות באותן צורה והתאמה עבור החלפות בשוק-לאחר-המכירה העצום, כמו גם עבור תכני AL חדשים.
עמידה בצורכי הספק גבוה יותר
עבור דחיפת נורות LED של מעל 30 וואט (דורשות כ- 3 אמפר (A) מדוחף זרם LED), כגון ביישומי חוץ, טופולוגיה עם שתי דרגות עשויה להיות עדיפה על הגישה עם דרגה אחת, למרות שמודולי הבקרה והתקשורת יכולים להיות זהים (איור 6).
איור 6: תכני תאורת LED בהספק גבוה יותר (מעל 30 וואט) משתמשים בטופולוגיה עם שתי דרגות (מימין) בניגוד לגישה עם דרגה אחת של תכני הספק נמוך יותר (משמאל), אך הממשק "החכם" שלהם יכול להיות זהה. (מקור התמונה: Diodes Incorporated)
שוב, סכמות המעגלים - במקרה זה של פתרון תכני תאורת LED בהספק גבוה יותר - מעניקות תובנה מפורטת יותר (איור 7).
איור 7: הדיאגרמה הסכמטית מראה שוב רמה גבוהה יחסית של אינטגרציה שמציע פתרון בהספק גבוה יותר זה. (מקור התמונה: Diodes Incorporated)
כמו בתכן להספק נמוך יותר, שלושה מעגלים-משולבים הם הליבה של מימוש זה. הראשון הוא ה- AL1788W6-7, בקר צד-ראשוני התומך בטופולוגיות Buck (מוריד מתח) ו- Flyback שאינן דורשות מצמד אופטי, בעוד שהפעולה הכמו-תהודתי (QR) שלו עם "פונקציית Valley-on" מעניקה הפסדי מיתוג נמוכים. גורם ההספק הוא טוב יותר מ- 0.9 בעוד שה- THD נמוך מ- 15%, והספק אופן-המתנה של מתחת ל- mW 200 (לשימוש במהלך היום כאשר האורות כבויים, לדוגמה) מוסיף לנצילות הכוללת.
הבא אחריו הוא ה- AL17050WT-7 שהוא מייצב אוניברסלי AC לא-מבודד, המספק בקרה מדויקת במתח קבוע (CV) עם הספק אופן-המתנה נמוך במיוחד במארז זעיר של SOT-25. הוא משלב MOSFET של 500 וולט ועובד עם משרן עם ליפוף יחיד, וכתוצאה מכך רכיבים חיצוניים פשוטים יותר ומפרט חומרים (BOM) בעלות נמוכה יותר. בשל תפקידו החשמלי ומיקומו בטופולוגיה הכוללת, ההתקן כולל מספר "שכבות" ייצור, כולל הגנת טמפרטורת-יתר, נעילת תת-מתח של CCV, הגנת קצר ביציאה, הגנת עומס-יתר והגנת חוג-פתוח.
לבסוף, יש את ה- AL8843SP-13, מייצב מוריד-מתח של 1 מגה-הרץ (MHz) ודוחף LED אנלוגי עם עמעום PWM, המסוגל לספק זרם יציאה של עד A 3, הניתן לכוונון באמצעות נגד חיצוני. הוא פועל מתחום מתחי כניסה רחב של 4.5 עד 40 וולט עם דיוק חישת-זרם של 4%± עבור תיאום ערוץ-לערוץ מעולה בתכנים רבי נורות LED.
ה- AL8843SP-13 משלב מתג הספקת-כוח ומעגל חישת זרם יציאה צד-גבוה; בהתאם למתח ההספקה ולרכיבים החיצוניים, הממיר יכול לספק הספק יציאה של עד 60 וואט בנצילות של עד 97%. את פונקציית העמעום החשובה ניתן לממש על ידי הפעלת אות בקרה חיצוני על פין מארז אחד המקבל מתח DC או אות PWM. ההתקן במארז משופר תרמית SO-8EP זה כולל הגנות מפני LED פתוח או מקוצר ונגד חישת-זרם פתוח או מקוצר, בין יתר אופני ההגנה האחרים שלו.
בדומה לסידור דחיפת LED בהספק נמוך יותר, לוח הערכה עבור פתרון הספק גבוה יותר יכול להקטין מאוד את מספר השעות הדרושות להבנה טובה יותר של תכנון מלא וכך להניע את הפרויקט קדימה ביעילות רבה יותר. עבור דוחף LED מוריד-מתח AL8843SP-13 - הרכיב המאתגר ביותר בתכן הספק גבוה יותר - חברת Diodes Incorporated מציעה את לוח ההערכה AL8843EV1 (איור 8).
איור 8: משתמשי AL8843SP-13 יהנו מלוח ההערכה הבסיסי AL8843EV1, המתמקד כולו במייצב מוריד-מתח יחיד ובמעגל-משולב (IC) של דוחף LED אנלוגי A 3 עם עמעום PWM. (מקור התמונה: Diodes Incorporated)
לוח ההערכה AL8843EV1 מאפשר תרגול בסיסי של ה- IC ללא אינטראקציה או הפרעה עקב רכיבים אקטיביים אחרים.
ואז יש "תאורה מחוברת"
אחד מהשיפורים האחרים שהוא גם מעשי וגם רצוי עם תאורה מבוססת-LED מודרנית הוא ההזדמנות לממש "תאורה מחוברת חכמה" (SCL), המתוארת לרוב כ"תאורה מחוברת". בין התכונות השונות שלה, היא מאפשרת בקרה כקבוצה, כמו גם בנפרד בתוך הקבוצה, באמצעות סטנדרט חיבוריות.
מה הם היתרונות של SCL? מנקודת המבט של מערכת ברמה גבוהה יותר - ואולי אפילו עם ספקולציות והגזמות מסוימות - תשתית תאורה מחוברת הופכת להשקעה ברשת חיבוריות ברחבי הבניין. הנתונים הזורמים בתשתית זו מאפשרים למנהלי הבניין לשלב, להפוך לאוטומטי ולהאריך את חייהן של מערכות הליבה של הבניין, להוריד את עלויות התפעול שלהן, לשפר את הביצועים ולקצר את זמן ההשבתה.
כמה אנליסטים טוענים כי היתרונות של תאורה מחוברת חורגים הרבה מעבר לתאורה בלבד. לדוגמה, Szymon Slupik, ה- CTO ומייסד חברת Silvair, אומר ש"ערך השירותים הנוספים שמאפשרת תאורה חכמה גבוה פי שבע עד עשר מבקרות התאורה והחיסכון באנרגיה עצמם".
מנורות SCL נמצאות לרוב במצב פסיבי של "האזנה" במשך פרקי-זמן ארוכים, ולכן צריכת ההספק באופן-המתנה היא פרמטר מרכזי בשיקולי המתכננים, והערכים המקסימליים מפורטים במנדטים הרגולטוריים השונים. הבקרים והמייצבים מבית Diodes Incorporated מתוכננים עם דירוג הספק אופן-המתנה שהוא מתחת לערכים המותרים. הם גם עובדים עם דגמי בקרה/תקשורת עם עמעום התומכים בתקני ממשק שונים כולל Bluetooth, Zigbee ו- Wi-Fi.
גורם אחד שיניע את התקנת התאורה המחוברת הוא פיתוח תקנים כלל-תעשייתיים המבטיחים תפעוליות-בינית (Interoperability) של רכיבי SCL מספקים שונים. לדוגמה, קבוצת Special Interest Group (SIG) Bluetooth עבדה עם תעשיית התאורה כדי לפתח תקן רשת Bluetooth Mesh הממוטב עבור יצירת רשתות התקנים רחבות-היקף. יתר על כן, ה- Bluetooth SIG ו- DALI Alliance שיתפו פעולה ביצירת ממשק סטנדרטי שיאפשר פרישה של גופי תאורה מורשי D4i והתקני DALI-2 ברשתות בקרת תאורת רשתות Mesh מבוססות Bluetooth (D4i הוא תקן DALI עבור גופי תאורה חכמים מוכני-IoT). באמצעות ממשק זה הנתונים יכולים לזרום ללא הפרעה בין גופי תאורה ופקדי תאורה עשירים בחיישנים, ואפילו למערכות ניהול בניינים אחרות.
סיכום
תאורה ארכיטקטונית מבוססת-LED חכמה משפרת את הנצילות האנרגטית של מערכות תאורה בבנייני מסחר. זה גם אלמנט קריטי המאפשר רווחים פוטנציאליים לטווח ארוך בביצועי הבניין הכוללים. בקרים, מייצבים ומעגלים-משולבים (IC) של דוחפי LED מבית Diodes Incorporated, הממוקדים וממוטבים עבור AL מבוסס-LED, הם מאבני הבניין העיקריות הדרושות כדי לתרגם בהצלחה את היתרונות הפוטנציאליים של אפשרויות AL מתקדמות אלה למציאות רבת-עוצמה, ורסאטילית ועם יחס עלות-תועלת מיטבי.
מקורות
D4i, תקן DALI של DALI Alliance עבור גופי תאורה חכמים מוכני-IoT
קריאה נוספת
מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.


