Iluminação de estado sólido e LEDs de alto brilho estão mudando a maneira como vemos o mundo, literalmente. Os benefícios ambientais da iluminação LED são duplos. Primeiro, a tecnologia em si é uma maneira altamente eficiente de gerar fótons, o que a torna atraente em termos de custos de operação quando medida contra lâmpadas de filamento de tungstênio, incandescentes ou mesmo fluorescentes compactas. Só isso vale a pena substituir a iluminação tradicional por alternativas de estado sólido.

Em segundo lugar, a mudança para uma tecnologia que opera a partir de uma fonte CC de baixa tensão, ao contrário de uma linha de alta tensão CA, cria outras possibilidades, não apenas em termos de eficiência adicional, mas também na maneira como a iluminação é usada.

Isso vai além da simples iluminação "geral". Ele introduz os conceitos de zoneamento, iluminação de cena ou ambiente e iluminação conectada que pode ser mais responsiva ao ambiente e às necessidades dos ocupantes.

Função econômica

A eficácia da iluminação LED é bem observada e existe até uma "lei" que prevê sua tendência contínua: a Lei de Haltz. Isso indica que o custo por lúmen gerado pela iluminação por LED é reduzido em 10 a cada 10 anos.

Isso claramente prevê que os LEDs serão capazes de gerar 200 lm / W até 2020 - e a indústria está bem encaminhada para conseguir isso.

No entanto, vale ressaltar que mesmo os LEDs de alto brilho ainda usam apenas cerca de metade da energia fornecida à junção do diodo como fótons, e o restante simplesmente gera calor como um subproduto que deve ser subsequentemente dissipado. Isto é crucial porque a temperatura da junção não deve exceder cerca de 150º, e manter esta é uma parte importante do projeto de luminárias baseadas na tecnologia LED.

Ir direto

Ao contrário de uma luminária simples alimentada por CA, que, quando acionada por uma corrente alternada, liga e desliga totalmente a cada meio ciclo, uma luz LED funciona melhor quando é alimentada com uma corrente constante. Ao ajustar este parâmetro, é possível alterar o brilho e a cor da luz, mas isso exige um controle preciso e, em geral, é mais exigente do que dirigir formas convencionais de iluminação.

Atualmente, a maioria das luminárias ainda são executadas a partir de uma fonte de CA, ao contrário da fonte CC de baixa tensão e baixa corrente exigida por um LED. Isto significa que, para substituir uma lâmpada convencional por um LED, é necessária alguma forma de conversão.

Na maioria das lâmpadas LED para uso em um dispositivo convencional, a conversão ocorre no bulbo. Isso criou uma demanda por produtos pequenos e de baixo custo que integram todas as funções necessárias para fornecer uma fonte CC constante a um LED ou sequência de LEDs, enquanto ainda conectados a uma fonte de CA.

Como os LEDs só conduzem quando polarizados para frente, a tensão de alimentação precisa permanecer positiva e, embora possa ser difícil integrar um retificador de ponte de onda completa em um driver de LED, é possível incluir um regulador de derivação.

Este é o caso do driver de LED direto FL77944 LED da On Semiconductor, que é um driver de LED de alta potência capaz de implementar o escurecimento de várias maneiras, incluindo analógico ou digital (PWM) e corte de fase.

Um diagrama de blocos simplificado é mostrado na Figura 1. Possui quatro pinos dedicados a strings de LEDs, cada um com seu próprio dissipador de corrente constante integrado de até 150mA. Três das cadeias de LED podem aceitar uma tensão de até 500V, enquanto a quarta pode aceitar uma tensão de até 200V.

Figura 2 mostra uma aplicação típica em execução a partir de 120Vac, embora o dispositivo tenha uma ampla faixa de tensão de entrada entre 90Vac e 305Vac, tornando-o adequado para qualquer região.

O driver On Semi pode operar com apenas dois componentes externos, sem incluir o retificador de ponte. O dispositivo habilmente evita a necessidade de regular o fornecimento retificado.

Figura 3 mostra que à medida que a tensão de linha retificada aumenta, ela alcança o nível de tensão de avanço de uma sequência de LEDs conectados a cada um dos pinos de coletor atuais. A corrente é, portanto, desenhada através de cada seqüência de LEDs em seqüência, até que a corrente esteja fluindo através de todas as seqüências de caracteres de LED. A corrente desenhada por cada string é balanceada; aumentando ou diminuindo dependendo de qual cadeia é polarizada para frente a qualquer momento. Isso garante uma operação suave e reduz os harmônicos de freqüência, levando a um fator de potência aprimorado e menor EMI geral.

Em Semiconductor afirma que o FL77944 pode atingir um fator de potência típico de 0,98 e uma distorção harmônica total de menos de 20%. Uma entrada de escurecimento suporta o escurecimento analógico ou PWM, através do qual a corrente RMS que flui através dos LEDs irá variar linearmente com o nível de tensão na entrada de escurecimento.

O dispositivo também é compatível com o escurecimento do triac à esquerda e à direita, no qual a forma de onda CA é cortada durante a fase na borda de subida / descida ou na borda de descida / descida do meio-ciclo. Como essa é uma forma inerente de AC de ajustar a potência a uma carga, nem todos os drivers de LED são capazes de operar a partir de uma fonte AC triac-dimmed e, inversamente, nem todos os dimmers triac operarão com um driver de LED, pois não apresenta o mesmo perfil de carga que uma luminária convencional.

Iluminação conectada

Embora o escurecimento de vanguarda e de vanguarda seja essencialmente uma tecnologia legada e não necessariamente simples de automatizar, o escurecimento de PWM é inerentemente digital e é teoricamente mais fácil de controlar através de meios puramente eletrônicos. Isso suporta a mudança para sistemas de iluminação conectados e inteligentes que podem ser monitorados e controlados remotamente, para fazer parte da IoT.

A comunicação sem fio é uma parte fundamental da iluminação inteligente e não é puramente uma característica centrada no cliente, embora isso seja claramente um grande benefício em relação aos sistemas de iluminação convencionais.

Um sistema conectado torna-se inteligente, pois permite que um único design seja personalizado para uma ampla variedade de cenários de instalação, sem a necessidade de fornecer um engenheiro no local. A remoção ou redução da carga de manutenção é um benefício principal da IoT em geral, e se aplica à iluminação inteligente em particular devido às possíveis diferenças que cada instalação pode ter. Ser capaz de projetar essas variações ou atender a elas usando atualizações por via aérea é uma parte fundamental de um ambiente de iluminação centrada em LED.

Um exemplo de como isso é conseguido na prática é fornecido pelo kit de iluminação conectado à ZigBee da Silicon Labs, que é baseado em sua SoC para ZigBee e Thread sem fio da rede de malha EFR32MG Mighty Gecko.

O kit vem configurado para funcionar "pronto para uso" e pronto para entrar em uma rede ZigBee. Ele requer um gateway compatível com o ZigBee Home Automation 1.2, como o gateway virtual USB da Silicon Labs. O firmware é baseado na pilha Ember ZNet Pro, que está disponível para desenvolvedores registrados no site da Silicon Labs.

Uma vez que o kit tenha ingressado em uma rede, o gateway fornecerá acesso sem fio aos recursos do kit. Isso inclui a configuração da intensidade, cor e temperatura de cor dos LEDs. Como este é um kit de avaliação, ele também permite que outros recursos sejam explorados e inclui um ponto de teste PWM que pode ser usado para controlar um driver de LED externo.

O firmware inclui um plug-in de servidor de cluster de configuração, que permite que algumas alterações sejam feitas durante o processo de fabricação, sem a necessidade de recompilar o código. Isso inclui fazer ajustes na freqüência de PWM, que podem ser necessários para alguns drivers de LED, ou modificar a potência de transmissão do dispositivo de acordo com as restrições regionais.

A capacidade de modificar esses recursos sem forçar alterações no firmware permite que a mesma imagem binária seja usada em diversas variantes de produto.

Os comandos usados ​​para fazer os ajustes podem ser emitidos por qualquer gateway compatível com o Home Automation 1.2, mas também há um comando reservado para impedir que quaisquer atualizações subseqüentes sejam aceitas, caso seja necessário. Os comandos usados ​​para configurar a saída PWM são destinados para uso em conjunto com um driver de LED específico para os requisitos dos fabricantes.

A família Mighty Gecko, ZigBee e Thread de SoCs foi desenvolvida especificamente para este tipo de aplicação. Como pode ser visto em Figura 4, os principais blocos funcionais da peça são o Cortex-M4 e o transceptor de rádio, mas também possui vários periféricos e suporte para até 31 pinos dedicados a canais analógicos, que podem ser roteados para o análogo no chip comparador, ADC e uma saída atual DAC.

Como o transceptor foi projetado para operar a 2,4 GHz, o dispositivo pode suportar uma variedade de protocolos, incluindo Bluetooth Smart, ZigBee e Thread, além de protocolos proprietários.

O EFR32MG também possui o sistema reflex periférico (PRS) da Silicon Labs, que permite que vários periféricos operem de forma autônoma, enviando e recebendo informações entre eles com base em acionadores, sem tirar a CPU principal do modo de suspensão.

Isso pode reduzir significativamente os requisitos de energia do sistema em aplicativos com bateria. Quando combinada com a natureza de baixa potência da iluminação por LED, isso cria possibilidades para a iluminação conectada alimentada por bateria, que pode estar localizada em áreas onde um suprimento de CA não está disponível, como locais rurais. Ele também pode ser usado para limitar as comunicações sem fio em áreas onde o tráfego de RF constante pode apresentar "ruído" indesejado.

Atendendo a todos os requisitos

O EFR32MG foi projetado para ser o coração de uma solução de iluminação inteligente, permitindo que as luzes LED sejam endereçadas e controladas remotamente através de um gateway.

Isso significa que as luzes podem ser controladas sem fio pelo dono da casa ou pelo gerente enquanto as instalações e o controle também podem ser concedidos a outro prestador de serviços, criando um centro de controle localizado em qualquer lugar do mundo para gerenciar vários prédios em diferentes fusos horários ou continentes. As implicações são que qualquer luz de tamanho pode ser conectada e controlada centralmente. Isso cria demanda para uma ampla gama de drivers de LED, e nem todos precisarão ser capazes de conduzir LEDs de alta potência.

Um exemplo relevante seria o AL5802 da Diodes. Este dispositivo foi desenvolvido especificamente para conduzir LEDs de baixa corrente a uma corrente entre 20mA e 100mA com o menor número possível de componentes externos. A Figura 5 mostra um exemplo típico de aplicativo. O transistor, Q1, é usado para detectar a corrente que flui através da carga do LED, detectando a tensão através do resistor externo. A tensão base-emissor de Q1 é então usada para controlar a corrente base de Q2. Operando no modo linear, o Q2 regula a corrente que passa pelo (s) LED (s).

Vários dispositivos podem ser usados ​​em paralelo para obter uma corrente LED mais alta, se necessário (Figura 6), e o AL5802 também suporta escurecimento baseado em PWM (Figura 7).

Solução de nível de sistema

Espera-se que a iluminação LED continue a deslocar a iluminação convencional pelo menos até 2022, altura em que o termo "convencional" pode muito bem ser usado para se referir à iluminação LED em vez das tecnologias atuais.

Muitos fabricantes de semicondutores estão respondendo a essa demanda desenvolvendo uma gama de produtos que geralmente se enquadram na categoria de drivers. À medida que os suprimentos CA são gradualmente unidos e potencialmente substituídos por tomadas e redes de fiação que fornecem DC de baixa tensão, o mix de produtos pode mudar, mas é improvável que a demanda se dissipe.

Sua natureza de estado sólido oferece muito mais potencial do que a iluminação tradicional, até mesmo a oportunidade de integrar a inteligência ao lado dos emissores em um único substrato ou módulo multichip. Embora esse paradigma ainda possa ter algum tempo de folga, o investimento contínuo na tecnologia subjacente sustentará a erosão dos preços e continuará a aumentar a eficácia. Estas tendências apontam para um futuro muito brilhante para a iluminação LED.

Como na Figura 8 demonstra, reunir todas essas tecnologias já pode ser conseguido usando poucos componentes e cria o potencial de adaptar facilmente os LEDs aos equipamentos existentes para construir rapidamente um sistema de iluminação conectado que possa ser controlado local ou remotamente.

A iluminação conectada em locais públicos também apresenta um potencial mais amplo e já existem exemplos de cidades inteligentes usando luzes de LED de rua conectadas para atuar como sinalizadores Bluetooth para transmitir ofertas de consumidores a qualquer pessoa na vizinhança que esteja executando o aplicativo apropriado em um telefone inteligente. Embora isso possa não agradar a todos, o mesmo princípio pode ser usado para fornecer cobertura total sem fio em uma fábrica para transmitir mensagens de serviço importantes, por exemplo. Uma vez que a conectividade estabelece seu valor inicial em qualquer aplicação, é relativamente simples construir sobre ela.

Em termos da Internet, esses serviços são chamados de "over the top", e é perfeitamente razoável esperar que eles sejam desenvolvidos com iluminação inteligente.

Sobre o autor

Rich Miron é engenheiro de aplicações na distribuidora de componentes Digi-Key