Illuminazione a stato solido e LED ad alta luminosità stanno cambiando il modo in cui vediamo il mondo, letteralmente. I vantaggi ambientali dell'illuminazione a LED sono duplici. Innanzitutto, la tecnologia stessa è un modo altamente efficiente di generare fotoni, il che la rende interessante in termini di costi operativi quando viene misurata con lampade fluorescenti a filamento di tungsteno, a incandescenza o anche compatte. Questo da solo vale la pena sostituire la tradizionale illuminazione con alternative a stato solido.

In secondo luogo, il passaggio a una tecnologia che opera da un'alimentazione CC a bassa tensione, contrariamente a una linea CA ad alta tensione, crea ulteriori possibilità, non solo in termini di maggiore efficienza, ma anche nel modo in cui viene utilizzata l'illuminazione.

Questo va oltre la semplice illuminazione "coperta". Introduce i concetti di zonizzazione, illuminazione di scena o d'atmosfera e illuminazione connessa che può essere più sensibile all'ambiente e alle esigenze degli occupanti.

Funzione economica

L'efficacia dell'illuminazione a LED è ben osservata, e c'è persino una "legge" che prevede la sua continua tendenza: la legge di Haltz. Ciò indica che il costo per lume generato dall'illuminazione a LED si riduce di 10 volte ogni 10 anni.

Questo prevede che i LED saranno in grado di generare 200 lm / W entro il 2020 - e l'industria è sulla buona strada per riuscirci.

Tuttavia, è interessante notare che anche i LED ad alta luminosità usano ancora solo circa la metà dell'energia fornita alla giunzione diodi come fotoni, e il resto genera semplicemente calore come sottoprodotto che deve successivamente essere dissipato. Questo è fondamentale perché la temperatura di giunzione non deve superare i 150º circa, e il mantenimento di questa è una parte importante della progettazione di corpi illuminanti basati sulla tecnologia LED.

Vai diretto

A differenza di un semplice apparecchio a corrente alternata, che quando viene pilotato da una corrente alternata si accende completamente e si spegne completamente ogni mezzo ciclo, una luce a LED funziona meglio quando viene alimentata con una corrente costante. Regolando questo parametro è possibile modificare la luminosità e il colore della luce, ma ciò richiede un controllo preciso, ed è in generale più impegnativo rispetto all'utilizzo di forme di illuminazione convenzionali.

Oggi la maggior parte dei corpi illuminanti sono ancora alimentati da un'alimentazione in corrente alternata rispetto alla sorgente CC a bassa tensione ea bassa corrente richiesta da un LED. Ciò significa che per sostituire una lampadina convenzionale con un LED è necessaria una qualche forma di conversione.

Nella maggior parte delle lampadine a LED destinate all'uso in un apparecchio convenzionale, la conversione avviene nel bulbo. Ciò ha creato una richiesta di prodotti piccoli ea basso costo che integrano tutte le funzioni necessarie per fornire un'alimentazione CC costante a un LED oa una stringa di LED, mentre è ancora collegata a un'alimentazione CA.

Poiché i LED funzionano solo quando polarizzati in avanti, la tensione di alimentazione deve rimanere positiva e, sebbene possa essere difficile integrare un raddrizzatore a ponte a onda intera in un driver LED, è possibile includere un regolatore di shunt.

Questo è il caso del driver AC diretto FL77944 LED di On Semiconductor, che è un driver LED ad alta potenza in grado di implementare il dimming in vari modi, tra cui analogico o digitale (PWM) e taglio di fase.

Uno schema a blocchi semplificato è mostrato in Figura 1. Dispone di quattro pin dedicati a stringhe di LED, ciascuno con il proprio dissipatore di corrente costante integrato fino a 150mA. Tre delle stringhe di LED possono accettare una tensione fino a 500 V, mentre la quarta può accettare una tensione fino a 200 V.

figura 2 mostra un'applicazione tipica in esecuzione da 120 Vac, anche se il dispositivo ha un ampio intervallo di tensione in ingresso compreso tra 90 Vac e 305 Vac, rendendolo adatto per qualsiasi regione.

Il driver On Semi può funzionare con un minimo di due componenti esterni, escluso il raddrizzatore a ponte. Il dispositivo evita in modo intelligente la necessità di regolare l'alimentazione raddrizzata.

Figura 3 mostra che quando la tensione della linea raddrizzata aumenta, raggiunge il livello di tensione diretta di una serie di LED collegati a ciascuno dei pin del dissipatore di corrente. La corrente viene quindi tracciata attraverso ciascuna stringa di LED in sequenza, fino a quando la corrente scorre attraverso tutte le stringhe di LED. La corrente assorbita da ciascuna stringa è bilanciata; aumentando o diminuendo a seconda di quale stringa viene anticipata in qualsiasi momento. Ciò garantisce un funzionamento regolare e riduce le armoniche di frequenza, portando a un fattore di potenza migliorato e una EMI complessiva inferiore.

Su Semiconductor afferma che l'FL77944 può raggiungere un tipico fattore di potenza di 0,98 e una distorsione armonica totale inferiore al 20%. Un ingresso dimmer supporta l'attenuazione analogica o PWM, mediante il quale la corrente RMS che scorre attraverso i LED varierà linearmente con il livello di tensione sull'ingresso di attenuazione.

Il dispositivo è inoltre compatibile con il dimming del triac di bordo anteriore e di coda, in cui la forma d'onda CA viene tagliata durante la fase sul fronte di salita / salita o sul fronte di discesa / discesa del semiperiodo. Poiché si tratta di una forma intrinsecamente ca di regolazione dell'alimentazione a un carico, non tutti i driver LED sono in grado di operare da un'alimentazione ca triac-dimmed e, al contrario, non tutti i dimmer triac funzioneranno con un driver LED, in quanto non presente lo stesso profilo di carico di una lampada tradizionale.

Illuminazione connessa

Mentre l'attenuazione del bordo anteriore e posteriore è essenzialmente una tecnologia legacy e non necessariamente semplice da automatizzare, l'attenuazione PWM è intrinsecamente digitale ed è teoricamente più facile da controllare con mezzi puramente elettronici. Questo supporta lo spostamento verso sistemi di illuminazione connessi e intelligenti che possono essere monitorati e controllati da remoto, per far parte dell'IoT.

La comunicazione wireless è una parte fondamentale dell'illuminazione intelligente e non è puramente una funzione incentrata sul cliente, anche se questo è chiaramente un importante vantaggio rispetto ai sistemi di illuminazione convenzionali.

Un sistema connesso diventa intelligente perché consente di personalizzare un singolo progetto per un'ampia gamma di scenari di installazione senza la necessità di fornire un tecnico in loco. Rimozione o riduzione degli oneri di manutenzione è un vantaggio primario dell'IoT in generale e si applica in particolare all'illuminazione intelligente a causa delle possibili differenze che ogni installazione può riscontrare. Essere in grado di progettare per queste variazioni o soddisfarle utilizzando gli aggiornamenti over-the-air è una parte fondamentale di un ambiente di illuminazione a LED.

Un esempio di come questo viene realizzato nella pratica è fornito dal kit di illuminazione connesso ZigBee di Silicon Labs, che si basa sul suo SoC wireless di rete mesh Mighty Gecko EFR32MG per ZigBee e Thread.

Il kit viene configurato per funzionare 'out of the box' e pronto per entrare in una rete ZigBee. Richiede un gateway compatibile con ZigBee Home Automation 1.2, come il gateway virtuale USB di Silicon Labs. Il firmware è basato sullo stack Ember ZNet Pro, che è disponibile per gli sviluppatori registrati sul sito Web Silicon Labs.

Una volta che il kit è entrato in una rete, il gateway fornirà l'accesso wireless alle funzionalità del kit. Ciò include l'impostazione dell'intensità, del colore e della temperatura del colore dei LED. Poiché si tratta di un kit di valutazione, consente anche di esplorare altre funzionalità e include un punto di test PWM che può essere utilizzato per controllare un driver LED esterno.

Il firmware include un plug-in del server cluster di configurazione, che consente di apportare alcune modifiche durante il processo di produzione senza la necessità di ricompilare il codice. Ciò include l'esecuzione di regolazioni della frequenza PWM, che possono essere necessarie per alcuni driver LED o la modifica della potenza di trasmissione del dispositivo in conformità con le restrizioni regionali.

La possibilità di modificare queste funzionalità senza imporre modifiche al firmware consente di utilizzare la stessa immagine binaria in più varianti di prodotto.

I comandi utilizzati per apportare le regolazioni possono essere emessi da qualsiasi gateway conforme a Home Automation 1.2, ma è anche disponibile un comando riservato per impedire che eventuali aggiornamenti successivi vengano accettati, nel caso fosse necessario. I comandi usati per configurare l'uscita PWM sono pensati per essere utilizzati in combinazione con un driver LED specifico per i requisiti dei produttori.

La famiglia di SoC Mighty Gecko, ZigBee e Thread è stata sviluppata appositamente per questo tipo di applicazione. Come si può vedere in Figura 4, i principali blocchi funzionali della parte sono il Cortex-M4 e il ricetrasmettitore radio, ma presenta anche un numero di periferiche e supporto per un massimo di 31 pin dedicati ai canali analogici, che possono essere instradati all'analogo su chip comparatore, ADC e un DAC di uscita corrente.

Poiché il ricetrasmettitore è progettato per funzionare a 2,4 GHz, il dispositivo è in grado di supportare una gamma di protocolli, tra cui Bluetooth Smart, Zigbee e Thread, oltre a protocolli proprietari.

EFR32MG dispone anche del sistema di riflessi periferici (PRS) di Silicon Labs, che consente a varie periferiche di operare autonomamente inviando e ricevendo informazioni tra di loro in base a trigger, senza portare la CPU principale fuori dalla modalità di sospensione.

Ciò può ridurre significativamente i requisiti di alimentazione del sistema nelle applicazioni alimentate a batteria. Se accoppiato con la natura a bassa potenza dell'illuminazione a LED, questo crea possibilità per l'illuminazione collegata a batteria che può essere posizionata in aree in cui non è disponibile un'alimentazione AC, come ad esempio le zone rurali. Può anche essere utilizzato per limitare le comunicazioni wireless in aree in cui il traffico RF costante potrebbe presentare "rumore" indesiderato.

Soddisfare tutti i requisiti

EFR32MG è stato progettato per essere il cuore di una soluzione di illuminazione intelligente, che consente di indirizzare e controllare le luci a LED tramite un gateway.

Ciò significa che le luci possono essere controllate in modalità wireless dal proprietario di casa o dal direttore aziendale mentre sul posto e il controllo può anche essere concesso a un altro fornitore di servizi, creando un centro di controllo in qualsiasi parte del mondo per gestire un numero di edifici in diversi fusi orari o continenti. Le implicazioni sono che qualsiasi luce di dimensioni potrebbe essere collegata e controllata centralmente. Ciò crea una domanda per una vasta gamma di driver LED, non tutti i quali dovranno essere in grado di pilotare LED ad alta potenza.

Un esempio rilevante potrebbe essere l'AL5802 di Diodes. Questo dispositivo è stato sviluppato appositamente per pilotare LED a bassa corrente a una corrente compresa tra 20 mA e 100 mA con il minor numero possibile di componenti esterni. La Figura 5 mostra un tipico esempio di applicazione. Il transistor, Q1, viene utilizzato per rilevare la corrente che scorre attraverso il carico del LED rilevando la tensione attraverso il resistore esterno. La tensione base-emettitore di Q1 viene quindi utilizzata per controllare la corrente di base di Q2. Operando in modalità lineare, Q2 regola la corrente che fluisce attraverso i LED.

Più dispositivi possono essere utilizzati in parallelo per ottenere una maggiore corrente LED, se necessario (Figura 6) e AL5802 supporta anche l'attenuazione basata su PWM (Figura 7).

Soluzione a livello di sistema

Si prevede che l'illuminazione a LED continui a spostare l'illuminazione convenzionale almeno fino al 2022, momento in cui il termine "convenzionale" potrebbe essere usato per riferirsi all'illuminazione a LED piuttosto che alle tecnologie odierne.

Molti produttori di semiconduttori stanno rispondendo a questa domanda sviluppando una gamma di prodotti che generalmente rientrano nella categoria dei conducenti. Poiché le forniture CA vengono gradualmente aggiunte e potenzialmente sostituite da prese e reti di cablaggio che forniscono DC a bassa tensione, il mix di prodotti potrebbe cambiare, ma è improbabile che la domanda si disperda.

La sua natura a stato solido offre molto più potenziale dell'illuminazione tradizionale, anche l'opportunità di integrare l'intelligenza insieme agli emettitori su un singolo substrato o modulo multichip. Mentre quel paradigma può ancora essere in pausa, il continuo investimento nella tecnologia sottostante sosterrà l'erosione dei prezzi e continuerà a incrementare l'efficacia. Queste tendenze indicano un futuro molto luminoso per l'illuminazione a LED.

Come nella figura 8 dimostra che riunire tutte queste tecnologie insieme può essere già raggiunto utilizzando pochi componenti e crea il potenziale per aggiornare facilmente i LED negli apparecchi esistenti per creare rapidamente un sistema di illuminazione connesso che può essere controllato localmente o in remoto.

L'illuminazione connessa nei luoghi pubblici introduce anche un potenziale più ampio e ci sono già esempi di città intelligenti che utilizzano i lampioni a LED collegati per fungere da beacon Bluetooth per trasmettere le offerte dei consumatori a chiunque si trovi nelle vicinanze che sta eseguendo l'applicazione appropriata su uno smartphone. Anche se ciò potrebbe non piacere a tutti, lo stesso principio può essere utilizzato per fornire una copertura wireless totale in una fabbrica per trasmettere importanti messaggi di servizio, ad esempio. Una volta che la connettività stabilisce il suo valore iniziale in qualsiasi applicazione, è relativamente semplice basarsi su di essa.

In termini di internet questi sono chiamati servizi "over the top" ed è del tutto ragionevole aspettarsi che vengano sviluppati con l'illuminazione intelligente.

Circa l'autore

Rich Miron è un ingegnere delle applicazioni presso il distributore di componenti Digi-Key