Como projetar para um ótimo desempenho de LEDs em iluminação arquitetônica

As fontes tradicionais de iluminação arquitetônica (AL) — isto é, lâmpadas incandescentes, halogêneas e fluorescentes — estão sendo rapidamente substituídas em projetos existentes, bem como em novos projetos, por iluminação baseada em diodos emissores de luz (LEDs). As razões são claras: além dos mandatos regulamentares, a iluminação LED promete muito mais eficiência, menores custos operacionais, menor carga térmica, vida útil instalada muito mais longa (para menores custos de manutenção) e um caminho para uma gestão mais inteligente das funções do edifício.

Entretanto, o uso de LEDs em uma lâmpada que é um substituto com formato e encaixe para essas lâmpadas já estabelecidas não é trivial. É necessário um novo circuito de acionamento que forneça corrente controlada (não tensão), muitas vezes com capacidade de atenuação. Além disso, enquanto as lâmpadas incandescentes são cargas resistivas e podem funcionar diretamente na linha de energia CA, os LEDs são diferentes. Eles não apresentam um fator de potência unitário — isto é, corrente e tensão estão em fase — e seu circuito de acionamento do regulador chaveado é uma fonte potencial de interferência eletromagnética (EMI). Em vez disso, o circuito de acionamento deve fornecer e controlar a corrente de condução necessária de uma forma otimizada para as características da carga LED. O controlador também pode ter que implementar correção do fator de potência (PFC), capacidade de atenuação, e supressão de EMI.

Este artigo trata de vários aspectos da iluminação arquitetônica e dos CIs que estão possibilitando a iluminação arquitetônica baseada em LEDs. Em seguida, apresenta CIs da Diodes Incorporated como exemplos de seu uso em circuitos reais.

Os objetivos da AL e os desafios dos LEDs

AL é o projeto e uso de sistemas de iluminação que são embutidos dentro e fora de uma estrutura comercial não residencial, como uma loja, escritório ou armazém. O objetivo do projeto de iluminação arquitetônica é equilibrar a arte e a ciência da iluminação para criar humor, interesse visual e melhorar a experiência de um espaço ou lugar, ao mesmo tempo em que atende às exigências técnicas e de segurança. Não inclui as luzes improvisadas que as pessoas trazem ou reordenam, como a sua luminária de mesa favorita; em vez disso, é a iluminação que "vem com o edifício", embora muitas vezes permita alguma flexibilidade e até mesmo reordenação à medida que as necessidades de curto e longo prazo evoluem.

Nos últimos anos, AL tornou-se um campo maior e mais orientado para a tecnologia com desafios adicionais, em grande parte devido à necessidade de conservar energia e gerenciar as funções e características associadas à iluminação. Como a iluminação baseada em LEDs tornou-se um fator dominante na modernização de AL, as técnicas, circuitos e componentes que podem eficientemente acionar os LEDs nas luminárias AL (acessórios) têm se tornado cada vez mais importantes.

Muito do ímpeto para a transição para a AL baseada em LED vem de vários mandatos e normas regulatórias que definem várias perspectivas de eficiência, incluindo atenuabilidade, PFC e geração de EMI, entre outros fatores. As especificidades destas exigências altamente complicadas e extensas diferem entre regiões globais, países e até mesmo em estados dentro dos Estados Unidos.

Entre os requisitos regulatórios importantes nos EUA estão as normas federais Energy Star e o Title 24 California Building Standards Code, que é mais rigoroso que o Energy Star. Entre suas muitas outras considerações, o Title 24 exige:

• Sensores de ocupação para ligar/desligar automaticamente as cargas de iluminação
• Excitadores de LED com capacidade de atenuação
• Maior eficiência, medida por lúmens úteis de saída por watt de potência de entrada
• Iluminação Conectada Inteligente (SCL) que suporta controle sem fio de lâmpadas individuais e agrupadas via Bluetooth, Zigbee ou DALI/IEC 62386, com potência de espera do sistema inferior a 200 miliwatts (mW)
• Ondulação (ripple) da corrente de saída do LED abaixo de 30% para evitar a cintilação irritante e distrativa
• PFC de 0,9 ou superior a uma potência superior definida
• Distorção harmônica total (THD) abaixo de 20% para minimizar o desperdício de energia devido a cargas não-resistivas

Uma nota sobre a taxa de atenuação e cintilação: embora o olho humano seja geralmente insensível à cintilação acima de 100 Hz, há um fenômeno associado, às vezes chamado "eflicker", que ocorre quando a modulação de largura de pulso (PWM) é usada para atenuar os LEDs, seja para brilho ou controle de cor. Em PWM, o LED é desligado por curtos períodos de tempo (centenas de microssegundos) a uma taxa elevada. Esta taxa de atenuação pode interagir com taxas de varredura e atualização de leituras básicas de LEDs, telas de exibição, câmeras de segurança e outros dispositivos de imagem ótica. Por esta razão, a taxa de atualização do LED deve ser muito maior do que a taxa à qual o próprio olho é sensível, e este é o caso dos componentes da Diodes Incorporated.

Vá além dos chips para chipsets

Atender às várias exigências relacionadas à energia é um desafio de projeto que requer malabarismos conflitantes, pois há interações inevitáveis e compromissos entre as "melhores" soluções para cada objetivo. Estão disponíveis CIs individuais que são otimizados para tratar de aspectos específicos do problema, mas uma solução completa requer assegurar que esses CIs trabalhem juntos em harmonia e se reforcem uns aos outros, em vez de se contraporem.

Por esta razão, muitas vezes faz sentido olhar para os CIs de um único fornecedor e um chipset associado — circuitos verificados que agrupam estes CIs — que o fornecedor montou. Isto fornece aos projetistas uma topologia testada e constitui um bom ponto de partida. Para AL baseada em LED, a Diodes Incorporated oferece chipsets sugeridos em dois grupos, um que suporta situações de menor potência (abaixo de 30 W), e outro para instalações de maior potência (acima de 30 watts), sendo o primeiro tipicamente utilizado em ambientes internos e o segundo ao ar livre.

O diagrama de blocos na Figura 1 mostra como os três CIs básicos que compõem o chipset para aplicações <30 watts de potência — um controlador LED atenuável, um supressor de ondulação e um controlador de interface do sinal de atenuação — interagem entre si, fornecendo a funcionalidade central necessária.

Figura 1: CIs avançados — um controlador LED atenuável, um supressor de ondulação e um controlador de interface do sinal de atenuação — formam o núcleo de um projeto para iluminação arquitetônica <30 watts. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

Olhando para os três CIs individualmente, o controlador de LEDs de alto desempenho atenuável AL1666S-13 opera de uma ampla faixa de tensão de entrada de 85 volts CA (VCA) a 305 VCA, enquanto oferece um PFC maior que 0,9 e THD abaixo de 10%. Suporta atenuação analógica de 0 a 10 volts em uma faixa de 5% a 100% e funciona com todos os dimmers de padrão ANSI; para a atenuação não analógica PWM, a faixa é de 1% a 100% a 1 quilohertz (kHz). Para consistência no desempenho, oferece uma regulagem bem próxima para a linha de corrente LED, melhor que ±2%, e regulação de carga de corrente LED melhor que ±2% da carga completa até meia carga.

O próximo, o AL5822W6-7 é um supressor adaptador de ondulação da corrente LED de 100/120 Hz em um invólucro SOT-23-6. Ele atende ao difícil desafio de minimizar a ondulação de corrente para atender a padrões cada vez mais rigorosos. Além disso, como é o dispositivo que faz interface com os LEDs, é necessário que ele incorpore proteção contra curto-circuitos, sobrecorrente e temperatura excessiva, enquanto dá suporte ao funcionamento a quente, que é quando o circuito e a lâmpada são inseridos em um soquete energizado. Pode proporcionar uma dramática redução da ondulação, reduzindo-a para apenas alguns por cento do valor original, como demonstrado com alguns números básicos. Por exemplo, quando usado com o controlador de LEDs atenuável de alto desempenho AL1665S-13 — um irmão próximo do AL1666S-13 — a ondulação de corrente é cerca de 520 miliamperes (mA) pico a pico, mas diminui para apenas 17 mA quando combinado com o AL5822 (Figura 2).

Figura 2: Adicionando o AL1665S-13, o controlador de LEDs atenuável de alto desempenho reduz a ondulação de 520 mA de pico a pico para apenas 17 mA. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

Finalmente, há o AL8116W6-7, um controlador de interface flexível de 0 a 10 volts com sinal de atenuação. Ele opera a partir de uma ampla faixa de V_CC de 10 a 56 volts, que pode ser derivada da tensão de saída de um enrolamento auxiliar, de uma trilha de energia ou da tensão da cadeia de LEDs. Suporta atenuação PWM na faixa de 0,2 kHz a 10 kHz usando controle de 0 a 10 volts, e atenuação por potenciômetro (resistivo) (0 a 100 quilohms (kΩ)). Ele converte o controle de atenuação para a saída PWM requerida pelo sistema, e ainda fornece uma solução simples de atenuação com barreira de isolação cruzada. Ele também oferece um ciclo de trabalho de saída PWM de ±2,5% para uma curva de atenuação precisa, crítica em instalações multi-LED.

Naturalmente, diagramas de blocos de alto nível podem ser enganosos no que diz respeito a mostrar a lista total de materiais (BOM), incluindo componentes passivos, componentes ativos discretos e outros CIs. Portanto, é importante observar o esquema real para entender o que o circuito completo requer, pois isso afeta o empacotamento, a produção e o custo.

Para o chipset <30 watt da Figura 1, o diagrama esquemático mostrado na Figura 3 abaixo mostra como poucos componentes são realmente necessários. (O transformador T1 e o optoacoplador são necessários para a isolação galvânica entre os lados primário e secundário).

Figura 3: Os detalhes fornecidos por um diagrama esquemático do diagrama de blocos de alto nível mostrado na Figura 1, mostram que apenas alguns componentes adicionais são necessários no projeto completo. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

Uma vez que todos os circuitos de energia baseados em comutação têm sutilezas do mundo real que um diagrama esquemático sozinho não pode revelar, uma placa de avaliação é uma vantagem para a validação e verificação da velocidade do projeto. O AL1666+AL8116+AL5822EV1 é uma placa de avaliação que usa os três CIs nomeados para fornecer um excitador de LED com flyback de um único estágio, alto PFC e atenuável de 0 a 10 volts (Figura 4). Ele fornece uma corrente de saída constante de 1200 mA em uma faixa de tensão de 25 a 50 volts a partir de uma tensão de entrada de 90 VCA a 305 VCA.

Figura 4: Para acelerar a conclusão do projeto, a placa de avaliação AL1666+AL8116+AL5822EV1 (parte de cima e de baixo) facilita uma compreensão mais profunda da operação do circuito excitador de LEDs atenuável, utilizando o controlador do lado primário AL1666, o CI da interface de atenuação do lado secundário AL8116 e o supressor da ondulação de corrente do LED AL5822. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

O tamanho é importante para a retrocompatibilidade

Por que o tamanho pequeno e uma lista curta de materiais são importantes, além da lógica habitual de "menor é melhor"? É parcialmente uma questão de retrocompatibilidade com lâmpadas (bulbos) existentes, quando se usa CIs acionando LEDs individualmente ou em grupos.

Por exemplo, embora existam muitos fatores de forma diferentes de lâmpada AL em uso comum, um que é especialmente difundido é o MR16 usado em ambientes residenciais e comerciais para iluminação direcional (Figura 5). As lâmpadas com fontes de luz halogênea neste fator de forma têm sido entre as primeiras escolhas para iluminação padrão AL por muitos anos.

Figura 5: O fator de forma e tamanho da lâmpada MR16 utilizando halogênio como fonte de luz é amplamente utilizado em instalações AL. (Fonte da imagem: Wikipedia; W.W. Grainger, Inc.)

O MR16 tem 2 polegadas de diâmetro em sua maior circunferência. O "MR" significa refletor multifacetado, que é o que controla a direção e a propagação da luz que ele projeta. Esta lâmpada geralmente (mas nem sempre) opera a partir de uma linha de 12 volts CA, que geralmente é fornecida através de um transformador abaixador da tensão da rede.

Um pequeno MR16 de halogênio requer 20 watts e tem uma vida útil de 2.000 a 6.000 horas. Em contraste, o equivalente LED requer apenas alguns watts e tem uma vida útil na ordem de 100.000 horas. Com transições de AL para fontes de luz baseadas em LED, é importante ser capaz de incluir os circuitos necessários neste pacote para fornecer bulbos com formato e encaixe para o enorme mercado de reposição, bem como para novos projetos de AL.

Atendendo as necessidades de potência maior

Para lâmpadas LED conduzindo acima de 30 watts (o que equivale a cerca de 3 ampères (A) de condução de corrente LED), tais como aplicações ao ar livre, uma topologia de dois estágios pode ser preferida à abordagem de estágio único, embora seus módulos de controle e comunicação possam ser os mesmos (Figura 6).

Figura 6: Os projetos de iluminação LED de potência maior (acima de 30 watts) fazem uso de uma topologia de dois estágios (direita), em contraste com a abordagem de um único estágio para projetos de menor potência (esquerda), mas sua interface "inteligente" pode ser a mesma. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

Mais uma vez, o esquema do circuito — neste caso para o da solução de projeto de iluminação LED de maior potência — fornece uma visão mais detalhada (Figura 7).

Figura 7: O diagrama esquemático mostra novamente o nível relativamente alto de integração oferecido por esta solução de maior potência. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

Como no projeto de potência menor, três CIs estão no centro desta implementação. O primeiro é o AL1788W6-7, um controlador do lado primário que suporta topologias buck (abaixador) e flyback, que não requerem optoacoplador, enquanto sua operação quase-ressonante (QR) com "função valley-on" proporciona baixa perda de chaveamento. O fator de potência é melhor que 0,9 enquanto o THD está abaixo de 15%, e a potência em espera abaixo de 200 mW (para uso durante o dia quando as luzes estão apagadas, por exemplo) aumenta a eficiência geral.

O próximo, o AL17050WT-7 é um regulador buck universal CA não isolado que fornece controle preciso de tensão constante (CV) com potência de espera extremamente baixa em um minúsculo invólucro SOT-25. Ele integra um MOSFET de 500 volts e trabalha com um indutor de um único enrolamento, resultando em componentes externos mais simples e uma lista de materiais de menor custo. Devido a sua função elétrica e posição na topologia geral, o dispositivo inclui várias "camadas" de produção, incluindo proteção contra temperatura excessiva, bloqueio de subtensão V_CC, proteção contra curto-circuito de saída, proteção contra sobrecarga e proteção de malha aberta.

Finalmente, há o AL8843SP-13, um regulador abaixador de 1 megahertz (MHz) e um excitador de LED analógico com atenuação PWM, capaz de fornecer corrente de saída de até 3 A, que é ajustável através de um resistor externo. Ele opera a partir de uma ampla tensão de entrada de 4,5 a 40 volts e apresenta uma precisão de ±4% de detecção de corrente para uma correspondência superior entre canais em projetos multi-LED.

O AL8843SP-13 integra o interruptor de energia e um circuito de detecção da corrente de saída no lado de alta; dependendo da tensão de alimentação e dos componentes externos, o conversor pode fornecer até 60 watts de potência de saída com rendimento de até 97%. A importante função de atenuação pode ser implementada aplicando um sinal de controle externo a um único pino do invólucro que aceita tanto uma tensão CC quanto um sinal PWM. Este dispositivo termicamente aprimorado, encapsulado em SO-8EP, também inclui proteção contra um LED aberto ou curto-circuitado e contra um resistor de detecção de corrente aberto ou curto-circuitado, entre seus outros modos de proteção.

Assim como no arranjo de acionamento dos LEDs de menor potência, uma placa de avaliação para a solução de maior potência pode reduzir muito as horas necessárias para entender melhor uma situação de projeto completo, e assim fazer o projeto avançar mais efetivamente. Para o excitador de LED abaixador AL8843SP-13 — o componente mais desafiador do projeto de maior potência — a Diodes Incorporated oferece a placa de avaliação AL8843EV1 (Figura 8).

Figura 8: Os usuários do AL8843SP-13 se beneficiarão da placa de avaliação básica AL8843EV1, que se concentra inteiramente no único regulador abaixador e CI analógico excitador de LED de 3 A com atenuação PWM. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

A placa de avaliação AL8843EV1 permite o exercício básico do CI sem interação ou interferência devido a outros componentes ativos.

Depois há a "iluminação conectada"

Uma das outras melhorias que é prática e desejável com a iluminação moderna baseada em LED é a oportunidade de implementar "iluminação inteligente conectada" (SCL), muitas vezes descrita simplesmente como "iluminação conectada". Entre seus vários atributos, permite que as lâmpadas sejam controladas como um grupo, bem como individualmente dentro de um grupo, através de um padrão de conectividade.

Quais são os benefícios da SCL? De uma perspectiva de sistema de nível superior — e talvez até mesmo com alguma especulação e exagero — uma infra-estrutura de iluminação conectada torna-se um investimento em uma rede de conectividade em todo o edifício. Os dados que fluem através desta infra-estrutura permitem aos administradores dos edifícios integrar, automatizar e prolongar a vida útil dos sistemas centrais do edifício, reduzir seus custos operacionais, aumentar o desempenho e diminuir o tempo de inatividade.

Alguns analistas sustentam que os benefícios da iluminação conectada vão muito além da simples iluminação. Por exemplo, Szymon Slupik, CTO e fundador da Silvair, observa, "O valor dos serviços adicionais possibilitados pela iluminação inteligente é sete a dez vezes mais valioso do que os próprios controles de iluminação e economia de energia".

As lâmpadas SCL estão frequentemente em estado passivo de "escuta" por longos períodos, portanto o consumo de energia em espera é um parâmetro-chave de preocupação para os projetistas, e os valores máximos são especificados nos vários mandatos regulatórios. Os controladores e reguladores da Diodes Incorporated são projetados com potências de espera abaixo dos valores permitidos. Eles também trabalham com modelos de comunicação/controle de atenuação que suportam vários padrões de interface, incluindo Bluetooth, Zigbee e Wi-Fi.

Um fator que impulsionará a instalação de iluminação conectada é o desenvolvimento de padrões industriais que garantam a interoperabilidade dos componentes SCL de diferentes fornecedores. Por exemplo, o Bluetooth Special Interest Group (SIG) trabalhou com a indústria de iluminação para desenvolver um padrão de malha Bluetooth otimizado para a criação de redes de dispositivos aplicáveis em larga escala. Além disso, o Bluetooth SIG e a DALI Alliance colaboraram para criar uma interface padronizada que permitirá que luminárias com certificação D4i e dispositivos DALI-2 sejam implantados em redes de controle de iluminação em malha Bluetooth (D4i é o padrão DALI para luminárias inteligentes, prontas para o uso de IoT). Através desta interface, os dados podem fluir sem obstáculos entre luminárias ricas em sensores e controles de iluminação, e até mesmo para outros sistemas de gerenciamento de edifícios.

Conclusão

A iluminação arquitetônica inteligente baseada em LEDs está melhorando a eficiência energética dos sistemas de iluminação em edifícios comerciais. É também um elemento crítico para permitir ganhos potenciais de longo alcance no desempenho geral dos edifícios. Os CIs controladores, reguladores e excitadores LED da Diodes Incorporated que são focados e otimizados para AL baseada em LEDs, estão entre os principais blocos de construção necessários para traduzir com sucesso os benefícios potenciais dessas possibilidades de AL avançada em uma realidade poderosa, versátil e econômica.

Referência

DALI Alliance, D4i – o padrão DALI para luminárias inteligentes e prontas para o uso de IoT

Leitura adicional

1. Práticas de projetos eletromagnéticos para o AL8805
2. Entendendo e aplicando os novos conectores padrões para iluminação de interiores e exteriores baseada em LED