Conception pour des performances LED optimales dans l'éclairage architectural

Les sources traditionnelles d'éclairage architectural — c'est-à-dire les ampoules à incandescence, halogènes et fluorescentes — sont rapidement remplacées dans les conceptions nouvelles et existantes par des éclairages basés sur des diodes électroluminescentes (LED). Les raisons sont évidentes : outre les exigences réglementaires, l'éclairage LED promet un rendement beaucoup plus élevé, des coûts d'exploitation moindres, une charge thermique réduite, une durée de vie installée beaucoup plus longue (pour des coûts de maintenance inférieurs), et une voie vers une gestion plus intelligente des fonctions des bâtiments.

Toutefois, l'utilisation de LED dans une ampoule en tant que remplacement direct pour ces lampes établies de longue date n'est pas anodine. De nouveaux circuits de commande sont nécessaires pour fournir un courant contrôlé (et non une tension), souvent avec des capacités de gradation. De plus, alors que les ampoules à incandescence sont des charges résistives et peuvent fonctionner directement sur la ligne d'alimentation CA, les LED sont différentes. Elles ne présentent pas un facteur de puissance unité — c'est-à-dire que le courant et la tension sont en phase — et leurs circuits de commande de régulateur à découpage sont une source potentielle d'interférences électromagnétiques (EMI). Au lieu de cela, le circuit d'attaque doit fournir et contrôler le courant d'attaque requis d'une manière qui est optimisée pour les caractéristiques de la charge LED. Le circuit d'attaque peut également devoir fournir la correction du facteur de puissance (PFC), une capacité de gradation et la suppression des interférences électromagnétiques.

Cet article étudie les différents aspects de l'éclairage architectural et les circuits intégrés qui permettent l'éclairage architectural basé sur des LED. Il présente ensuite des circuits intégrés de Diodes Incorporated avec des exemples de leur utilisation dans des circuits réels.

Objectifs de l'éclairage architectural et défis des LED

L'éclairage architectural est la conception et l'utilisation de systèmes d'éclairage intégrés à l'intérieur et à l'extérieur d'une structure commerciale non résidentielle telle qu'un magasin de détail, un bureau ou un entrepôt. L'objectif de l'éclairage architectural est d'équilibrer l'art et la science de l'éclairage pour créer une ambiance, un intérêt visuel et améliorer l'expérience d'un espace ou d'un lieu, tout en répondant aux exigences techniques et de sécurité. Il ne s'agit pas d'éclairages improvisés que les gens apportent ou organisent à leur manière, comme leur lampe de bureau préférée. Il s'agit plutôt d'un éclairage qui « accompagne le bâtiment », bien qu'il permette souvent une certaine flexibilité et même un certain réagencement en fonction de l'évolution des besoins à court et à long terme.

Ces dernières années, l'éclairage architectural est devenu un domaine plus vaste et davantage axé sur les technologies, avec des défis supplémentaires, en grande partie dus à la nécessité d'économiser l'énergie et de gérer les fonctions et caractéristiques associées à l'éclairage. L'éclairage basé LED étant devenu un facteur dominant dans la modernisation de l'éclairage architectural, les techniques, circuits et composants capables de commander efficacement les LED dans les luminaires d'éclairage architectural ont pris une importance croissante.

Une grande partie de l'impulsion de transition vers l'éclairage architectural basé LED provient de multiples mandats et normes réglementaires définissant diverses perspectives de rendement, y compris la capacité de gradation, la correction du facteur de puissance et la génération d'EMI, entre autres facteurs. Les spécificités de ces exigences très complexes et fastidieuses diffèrent selon les régions du monde, les pays et même d'un État à l'autre aux États-Unis.

Parmi les exigences réglementaires importantes aux États-Unis figurent les normes fédérales Energy Star et le Title 24 California Building Standards Code, qui est plus strict qu'Energy Star. Parmi de nombreuses autres considérations, le code Title 24 présente les exigences suivantes :

• Détecteurs de présence pour l'activation et la désactivation automatiques des charges d'éclairage
• Circuits d'attaque LED avec capacité de gradation
• Rendement supérieur, mesuré en lumens utiles de sortie par watt de puissance d'entrée
• Éclairage connecté intelligent (Smart Connected Lighting, SCL) prenant en charge la commande sans fil de lampes individuelles et groupées via Bluetooth, Zigbee ou DALI/CEI 62386, avec une puissance en veille du système inférieure à 200 milliwatts (mW)
• Ondulation du courant de sortie LED inférieure à 30 % pour éviter tout scintillement gênant et perturbant
• PFC de 0,9 ou plus à une puissance supérieure définie
• Distorsion harmonique totale (THD) inférieure à 20 % pour minimiser le gaspillage d'énergie dû aux charges non résistives

Remarque sur le taux de gradation et le scintillement : bien que l'œil humain ne soit généralement pas sensible au scintillement au-dessus de 100 Hz, il existe un phénomène associé, parfois appelé « eflicker », qui se produit lorsque la modulation de largeur d'impulsion (PWM) est utilisée pour la gradation LED, que ce soit pour contrôler la luminosité ou la couleur. En mode PWM, la LED est éteinte pendant de courtes périodes (centaines de microsecondes) à un rythme élevé. Ce taux de gradation peut interagir avec les fréquences de balayage et de rafraîchissement des affichages LED de base, des écrans, des caméras de sécurité et d'autres dispositifs d'imagerie optique. C'est pourquoi la fréquence de rafraîchissement LED doit être bien supérieure à la fréquence à laquelle l'œil lui-même est sensible, et c'est le cas des composants de Diodes Incorporated.

Des puces aux jeux de puces

Répondre aux multiples exigences liées à l'énergie est un défi de conception qui nécessite de jongler avec des approches contradictoires, car il existe des interactions et des compromis inévitables entre les « meilleures » solutions pour chaque objectif. Il existe des circuits intégrés individuels qui sont optimisés pour répondre à des aspects spécifiques du problème, mais une solution complète exige de s'assurer que ces circuits intégrés fonctionnent en harmonie et se renforcent mutuellement, plutôt que de se contrecarrer.

C'est pourquoi il est souvent judicieux de se tourner vers les circuits intégrés d'un seul fournisseur et les jeux de puces associés — circuits vérifiés regroupant ces circuits intégrés — que le fournisseur a assemblés. Les concepteurs disposent ainsi d'une topologie testée constituant un bon point de départ. Pour l'éclairage architectural basé LED, Diodes Incorporated propose des jeux de puces en deux groupes, l'un pour les situations basse puissance (moins de 30 W), l'autre pour les installations à plus haute puissance (plus de 30 W), le premier étant généralement utilisé à l'intérieur et le second à l'extérieur.

Le schéma fonctionnel de la Figure 1 montre comment les trois circuits intégrés de base qui composent le jeu de puces pour les applications à puissance < 30 W — un contrôleur LED à gradation, un suppresseur d'ondulation et un contrôleur d'interface de signaux de gradation — interagissent les uns avec les autres, fournissant les fonctionnalités de base requises.

Figure 1 : Des circuits intégrés avancés — un contrôleur LED à gradation, un suppresseur d'ondulation et un contrôleur d'interface de signaux de gradation — forment le cœur d'une conception pour un éclairage architectural < 30 W. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Si l'on considère les trois circuits intégrés individuellement, le contrôleur LED à gradation hautes performances AL1666S-13 fonctionne sur une large plage de tensions d'entrée de 85 VCA à 305 VCA, tout en offrant une valeur PFC supérieure à 0,9 et une valeur THD inférieure à 10 %. Il prend en charge la gradation analogique de 0 V à 10 V sur une plage de 5 % à 100 % et fonctionne avec tous les gradateurs ANSI ; pour la gradation PWM non analogique, la plage est de 1 % à 100 % à 1 kilohertz (kHz). Pour des performances constantes, il offre une régulation de ligne de courant LED stricte supérieure à ±2 %, et une régulation de charge de courant LED supérieure à ±2 % de la pleine charge à la demi-charge.

L'AL5822W6-7 est un suppresseur d'ondulation de courant LED 100/120 Hz adaptatif en boîtier SOT-23-6. Il relève le défi difficile de minimiser l'ondulation de courant pour répondre à des normes de plus en plus strictes. De plus, comme il s'agit d'un dispositif interfaçant avec les LED, il est nécessaire qu'il intègre une protection contre les courts-circuits, la surintensité et la surchauffe, tout en prenant en charge le fonctionnement incandescent lorsque le circuit et l'ampoule sont insérés dans une douille sous tension. Il peut fournir une réduction spectaculaire de l'ondulation, la ramenant à quelques % seulement de la valeur d'origine, comme le montrent quelques chiffres de base. Par exemple, avec le contrôleur LED à gradation hautes performances AL1665S-13 — un proche parent de l'AL1666S-13 — l'ondulation du courant est d'environ 520 milliampères (mA) crête-à-crête, mais elle tombe à seulement 17 mA en combinaison avec l'AL5822 (Figure 2).

Figure 2 : L'ajout du contrôleur LED à gradation hautes performances AL1665S-13 à la conception réduit l'ondulation de 520 mA crête-à-crête à seulement 17 mA. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

L'AL8116W6-7 est un contrôleur d'interface de signaux de gradation 0 V - 10 V flexible. Il fonctionne sur une large plage V_CC de 10 V à 56 V, qui peut être dérivée de la tension de sortie d'un enroulement auxiliaire, d'un rail d'alimentation ou de la tension de la chaîne de LED. Il prend en charge la gradation PWM sur une plage de 0,2 kHz à 10 kHz en utilisant une commande de 0 V à 10 V, et la gradation par potentiomètre (résistif) (0 kilohm (kΩ) à 100 kΩ). Il convertit la commande de gradation en sortie PWM requise par le système tout en fournissant une solution de gradation simple à barrière galvanique croisée. Il offre également un rapport cyclique de sortie PWM de ±2,5 % pour une courbe de gradation précise, ce qui est essentiel dans les installations multi-LED.

Bien entendu, les schémas fonctionnels de haut niveau peuvent être trompeurs en termes de représentation de la nomenclature (BOM) complète, y compris les composants passifs, les composants actifs discrets et les autres circuits intégrés. Il est donc important d'étudier le schéma réel pour comprendre ce que requiert le circuit complet, car cela a des répercussions sur le conditionnement, la production et les coûts.

Pour le jeu de puces < 30 W de la Figure 1, le schéma de principe de la Figure 3 ci-dessous montre le peu de composants réellement nécessaires. (Le transformateur T1 et le photocoupleur sont requis pour l'isolation galvanique entre les côtés primaire et secondaire.)

Figure 3 : Les détails fournis par un schéma de principe du schéma fonctionnel de haut niveau présenté à la Figure 1 montrent que seuls quelques composants supplémentaires sont requis dans la conception complète. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Étant donné que tous les circuits d'alimentation à découpage présentent des subtilités dans la pratique qu'un schéma de principe seul ne peut révéler, une carte d'évaluation est un atout pour accélérer la validation et la vérification de la conception. L'AL1666+AL8116+AL5822EV1 est une carte d'évaluation qui utilise les trois circuits intégrés mentionnés pour fournir un circuit d'attaque LED indirect à un étage, à gradation 0 V-10 V et à valeur PFC élevée (Figure 4). La carte fournit un courant de sortie constant de 1200 mA sur une plage de tensions de 25 V à 50 V à partir d'une tension d'entrée de 90 VCA à 305 VCA.

Figure 4 : Pour accélérer la réalisation du projet, la carte d'évaluation AL1666+AL8116+AL5822EV1 (en haut et en bas) permet de mieux comprendre le fonctionnement du circuit d'attaque LED à gradation utilisant le contrôleur côté primaire AL1666, le circuit intégré d'interface de gradation côté secondaire AL8116 et le suppresseur d'ondulation de courant LED AL5822. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

La taille est importante pour la rétrocompatibilité

Pourquoi un format compact et une nomenclature courte sont-ils importants, au-delà du raisonnement habituel selon lequel « plus c'est petit, mieux c'est » ? Il s'agit en partie d'une question de rétrocompatibilité avec les lampes (ampoules) existantes lors de l'utilisation de circuits intégrés de commande LED, individuellement ou en groupe.

Par exemple, bien qu'il existe de nombreux facteurs de forme de lampes d'éclairage architectural fréquemment utilisés, l'un d'entre eux, le MR16, est particulièrement répandu dans les environnements résidentiels et commerciaux pour l'éclairage directionnel (Figure 5). Les ampoules avec des sources de lumière halogène dans ce facteur de forme ont été parmi les premiers choix pour l'éclairage architectural standard pendant de nombreuses années.

Figure 5 : Le facteur de forme d'ampoule MR16 avec source lumineuse halogène est largement utilisé dans les installations d'éclairage architectural. (Source de l'image : Wikipédia ; W.W. Grainger, Inc.)

Le MR16 présente un diamètre de 50,8 mm (2 pouces) à sa plus grande circonférence. « MR » est l'abréviation de « Multifaceted Reflector » (réflecteur multi-facette), qui permet de contrôler la direction et la diffusion de la lumière qu'il projette. Cette ampoule fonctionne généralement (mais pas toujours) sur une ligne de 12 VCA, généralement fournie par un transformateur abaisseur de tension.

Une petite lampe halogène MR16 requiert 20 W et a une durée de vie de 2000 à 6000 heures. L'équivalent LED, quant à lui, ne nécessite que quelques watts et a une durée de vie de l'ordre de 100 000 heures. Dans le cadre de la transition de l'éclairage architectural vers des sources lumineuses LED, il est important de pouvoir inclure les circuits nécessaires dans cet ensemble afin de fournir des ampoules équivalentes en termes de forme et d'ajustement pour l'énorme marché secondaire de remplacement, ainsi que pour les nouvelles conceptions d'éclairage architectural.

Répondre à des besoins haute puissance

Pour la commande de lampes LED de plus de 30 W (ce qui équivaut à environ 3 ampères (A) de courant LED), par exemple dans les applications en extérieur, une topologie à deux étages peut être préférée à une approche à un étage, bien que leurs modules de commande et de communication puissent être les mêmes (Figure 6).

Figure 6 : Les conceptions d'éclairage LED haute puissance (au-dessus de 30 W) utilisent une topologie à deux étages (à droite), contrairement à l'approche à un étage des conceptions basse puissance (à gauche), mais leur interface « intelligente » peut être la même. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Une fois de plus, le schéma de principe du circuit — dans ce cas, celui de la solution d'éclairage LED haute puissance — fournit un aperçu plus détaillé (Figure 7).

Figure 7 : Le schéma de principe montre à nouveau le niveau d'intégration relativement élevé offert par cette solution haute puissance. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Comme dans la conception basse puissance, trois circuits intégrés sont au cœur de cette implémentation. Le premier circuit est l'AL1788W6-7, un contrôleur côté primaire qui prend en charge les topologies de types abaisseur et indirect ne nécessitant pas de photocoupleur, tandis que son fonctionnement quasi-résonant (QR) avec « fonction valley-on » offre de faibles pertes de commutation. Le facteur de puissance est supérieur à 0,9 tandis que la valeur THD est inférieure à 15 % ; la puissance en veille inférieure à 200 mW (pour une utilisation de jour lorsque les lumières sont éteintes, par exemple) améliore le rendement global.

L'AL17050WT-7 est un régulateur abaisseur CA non isolé universel qui fournit un contrôle précis de la tension constante (CV) avec une puissance en veille extrêmement faible dans un boîtier SOT-25 miniature. Il intègre un MOSFET de 500 V et fonctionne avec une inductance à un seul enroulement, ce qui permet de simplifier les composants externes et de réduire le coût de la nomenclature. En raison de son rôle électrique et de sa position dans la topologie globale, le dispositif comprend plusieurs « couches » de protection, notamment une protection contre la surchauffe, une fonction de verrouillage en cas de sous-tension V_CC, une protection contre les courts-circuits en sortie, une protection contre les surcharges et une protection en boucle ouverte.

L'AL8843SP-13 est un régulateur abaisseur de 1 mégahertz (MHz) et un circuit d'attaque LED analogique avec gradation PWM, capable de fournir un courant de sortie jusqu'à 3 A, ajustable via une résistance externe. Il fonctionne sur une large plage de tensions d'entrée de 4,5 V à 40 V et offre une précision de détection du courant de ±4 % pour une correspondance canal-canal supérieure dans les conceptions multi-LED.

L'AL8843SP-13 intègre un commutateur de puissance et un circuit de détection du courant de sortie haut potentiel. En fonction de la tension d'alimentation et des composants externes, le convertisseur peut fournir jusqu'à 60 W de puissance de sortie avec un rendement atteignant 97 %. L'importante fonction de gradation peut être mise en œuvre en appliquant un signal de commande externe sur une seule broche de raccordement acceptant soit une tension CC, soit un signal PWM. Ce dispositif en boîtier SO-8EP thermiquement amélioré inclut également une protection contre une LED ouverte ou court-circuitée et une résistance de détection du courant ouverte ou court-circuitée, entre autres fonctions de protection.

Comme pour la configuration de commande LED basse puissance, une carte d'évaluation pour la solution haute puissance peut permettre de considérablement réduire le nombre d'heures nécessaires à la compréhension d'une situation d'intégration complète et ainsi faire avancer le projet plus efficacement. Pour le circuit d'attaque LED abaisseur AL8843SP-13, le composant le plus complexe de la conception haute puissance, Diodes Incorporated propose la carte d'évaluation AL8843EV1 (Figure 8).

Figure 8 : Les utilisateurs de l'AL8843SP-13 peuvent tirer parti de la carte d'évaluation de base AL8843EV1, qui cible exclusivement le régulateur abaisseur et le circuit d'attaque LED analogique 3 A avec gradation PWM. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

La carte d'évaluation AL8843EV1 permet des tests de base du circuit intégré sans interaction ni interférences dues à d'autres composants actifs.

Éclairage connecté

Une autre amélioration à la fois pratique et souhaitable de l'éclairage LED moderne est la possibilité de mettre en œuvre un éclairage connecté intelligent (SCL), souvent appelé simplement éclairage connecté. Il permet notamment de commander des lampes en tant que groupe et individuellement au sein d'un groupe, via une norme de connectivité.

Quels sont les avantages de l'éclairage connecté intelligent ? Du point de vue d'un système de plus haut niveau — et peut-être même avec une certaine spéculation et exagération — une infrastructure d'éclairage connecté constitue un investissement dans un réseau de connectivité à l'échelle du bâtiment. Les données qui circulent dans cette infrastructure permettent aux gestionnaires de bâtiments d'intégrer, d'automatiser et de prolonger la durée de vie des principaux systèmes du bâtiment, de réduire leurs coûts d'exploitation, d'accroître leurs performances et de diminuer les temps d'arrêt.

Certains analystes affirment que les avantages de l'éclairage connecté s'étendent bien au-delà du simple éclairage. Par exemple, Szymon Slupik, directeur technique et fondateur de Silvair, fait remarquer que la valeur des services supplémentaires rendus possibles par l'éclairage intelligent est sept à dix fois plus importante que les commandes d'éclairage et les économies d'énergie elles-mêmes.

Les lampes SCL sont souvent dans un état d'écoute passive pendant de longues périodes. La consommation d'énergie en mode veille est donc un paramètre essentiel pour les concepteurs, et des valeurs maximales sont spécifiées dans les différents mandats réglementaires. Les contrôleurs et régulateurs de Diodes Incorporated sont conçus avec des valeurs de puissance en veille inférieures aux niveaux autorisés. Ils fonctionnent également avec des modèles de commande de gradation/communication prenant en charge diverses normes d'interface, y compris Bluetooth, Zigbee et Wi-Fi.

L'un des facteurs qui favoriseront l'installation de l'éclairage connecté est le développement de normes à l'échelle de l'industrie garantissant l'interopérabilité des composants SCL de différents fournisseurs. Par exemple, le Bluetooth Special Interest Group (SIG) a travaillé avec les acteurs de l'industrie de l'éclairage pour développer une norme de maillage Bluetooth, optimisée pour la création de réseaux de dispositifs applicables à grande échelle. De plus, le Bluetooth SIG et la DALI Alliance ont développé conjointement une interface normalisée qui permettra aux luminaires certifiés D4i et aux dispositifs DALI-2 d'être déployés dans des réseaux maillés de contrôle de l'éclairage basés sur Bluetooth (D4i est la norme DALI pour les luminaires intelligents compatibles IoT). Via cette interface, les données peuvent circuler sans entrave entre les luminaires dotés de capteurs et les commandes d'éclairage, et même vers d'autres systèmes de gestion du bâtiment.

Conclusion

L'éclairage architectural LED intelligent améliore le rendement énergétique des systèmes d'éclairage dans les bâtiments commerciaux. Il est également essentiel pour permettre des gains potentiels à long terme des performances globales des bâtiments. Les contrôleurs, régulateurs et circuits d'attaque LED de Diodes Incorporated, qui sont conçus et optimisés pour l'éclairage architectural LED, font partie des éléments clés nécessaires pour transformer les avantages potentiels de ces possibilités d'éclairage architectural avancé en une réalité puissante, polyvalente et rentable.

Référence

DALI Alliance, D4i – the DALI standard for intelligent, IoT-ready luminaires

Lectures complémentaires

1. Pratiques de conceptions électromagnétiques pour l'AL8805
2. Comprendre et appliquer les nouveaux connecteurs standard pour l'éclairage LED en intérieur et en extérieur