L'éclairage à semi-conducteurs et les DEL à haute luminosité changent la façon dont nous voyons le monde, littéralement. Les avantages environnementaux de l'éclairage LED sont doubles. Premièrement, la technologie elle-même est un moyen très efficace d'engendrer des photons, ce qui la rend attrayante en termes de coûts d'opération lorsqu'elle est mesurée contre des lampes au filament de tungstène, incandescentes ou même des lampes fluorescentes compactes. Cela seul vaut la peine de remplacer l'éclairage traditionnel par des alternatives à l'état solide.

Deuxièmement, le passage à une technologie qui fonctionne à partir d'une alimentation CC basse tension, par opposition à une ligne CA haute tension, crée d'autres possibilités, non seulement en termes d'efficacités supplémentaires, mais également dans l'utilisation de l'éclairage.

Cela va au-delà de la simple illumination "couverture". Il présente les concepts de zonage, d'éclairage de scène ou d'ambiance et d'éclairage connecté qui peuvent être plus sensibles à l'environnement et aux besoins des occupants.

Fonction économique

L'efficacité de l'éclairage LED est bien observée, et il existe même une «loi» qui prédit sa tendance continue: la loi de Haltz. Ceci indique que le coût par lumen généré par l'éclairage LED diminue d'un facteur 10 tous les 10 ans.

Cela prédit clairement que les LED seront capables de générer 200 lm / W d'ici 2020 - et l'industrie est sur la bonne voie pour y parvenir.

Cependant, il convient de noter que même les DEL à haute luminosité n'utilisent toujours que la moitié de l'énergie fournie à la jonction de diode sous forme de photons, et le reste génère simplement de la chaleur comme sous-produit qui doit ensuite être dissipé. Ceci est crucial car la température de la jonction ne doit pas dépasser environ 150º, et le maintien de cette valeur est une partie importante de la conception des luminaires basés sur la technologie LED.

Aller directement

Contrairement à un simple luminaire alimenté par courant alternatif qui, lorsqu'il est alimenté par un courant alternatif, s'allume complètement et s'arrête complètement à chaque demi-cycle, une lampe à DEL fonctionne mieux lorsqu'elle est alimentée par un courant constant. En ajustant ce paramètre, il est possible de changer la luminosité et la couleur de la lumière, mais cela nécessite un contrôle précis, et est en général plus exigeant que l'éclairage conventionnel.

Aujourd'hui, la plupart des appareils d'éclairage fonctionnent toujours à partir d'une source de courant alternatif, contrairement à la source de courant continu à basse tension et faible courant requise par une DEL. Cela signifie que pour remplacer une ampoule classique par une LED, une forme de conversion est nécessaire.

Dans la plupart des ampoules LED destinées à être utilisées dans un luminaire conventionnel, la conversion s'effectue dans l'ampoule. Cela a créé une demande pour des produits petits et peu coûteux qui intègrent toutes les fonctions nécessaires pour délivrer une alimentation CC constante à une DEL ou à une série de DEL, tout en étant toujours connectée à une alimentation AC.

Etant donné que les LED ne conduisent qu'en polarisation directe, la tension d'alimentation doit rester positive, et bien qu'il puisse être difficile d'intégrer un redresseur à pont intégral dans un driver LED, il est possible d'inclure un régulateur shunt.

C'est le cas avec le driver LED direct FL77944 de On Semiconductor, un driver de LED haute puissance capable d'implémenter la gradation de plusieurs façons, y compris la découpe analogique ou numérique (PWM) et la découpe de phase.

Un schéma de principe simplifié est représenté sur la figure 1. Il dispose de quatre broches dédiées aux chaînes de LED, chacune avec son propre dissipateur de courant intégré jusqu'à 150mA. Trois des chaînes LED peuvent accepter une tension jusqu'à 500V, tandis que la quatrième peut accepter une tension allant jusqu'à 200V.

Figure 2 montre une application typique fonctionnant à partir de 120Vac, bien que l'appareil ait une large plage de tension d'entrée comprise entre 90Vac et 305Vac, ce qui le rend adapté à toutes les régions.

Le pilote On Semi peut fonctionner avec seulement deux composants externes, sans le pont redresseur. L'appareil évite astucieusement la nécessité de réguler l'alimentation rectifiée.

figure 3 montre que lorsque la tension de ligne redressée augmente, elle atteint le niveau de tension directe d'une série de DEL attachées à chacune des broches de puits de courant. Le courant est donc tracé successivement à travers chaque chaîne de LED, jusqu'à ce que le courant traverse toutes les chaînes de LED. Le courant tiré par chaque corde est équilibré; augmente ou diminue en fonction de la chaîne qui est polarisée en direct à un instant donné. Cela garantit un fonctionnement en douceur et réduit les harmoniques de fréquence, ce qui conduit à un facteur de puissance amélioré et à des interférences électromagnétiques globales plus faibles.

Sur les revendications Semiconductor que le FL77944 peut atteindre un facteur de puissance typique de 0,98 et une distorsion harmonique totale de moins de 20%. Une entrée de gradation prend en charge la gradation analogique ou PWM, par laquelle le courant efficace circulant dans les LED varie linéairement avec le niveau de tension sur l'entrée de gradation.

Le dispositif est également compatible avec la gradation des triacs des fronts avant et arrière, dans laquelle la forme d'onde AC est coupée pendant la phase soit au bord avant / arrière, soit au bord arrière / descendant du demi-cycle. Comme il s'agit d'une forme intrinsèque d'ajustement de la puissance à une charge, tous les drivers LED ne peuvent pas fonctionner à partir d'une alimentation CA triac-dimmed et inversement, tous les variateurs triac ne fonctionneront pas avec un driver LED, car il ne présente pas le même profil de charge qu'un luminaire conventionnel.

Éclairage connecté

Bien que la gradation de front et de bord descendant soit essentiellement une technologie héritée et pas nécessairement simple à automatiser, la gradation PWM est intrinsèquement numérique et est théoriquement plus facile à contrôler par des moyens purement électroniques. Cela favorise le passage à des systèmes d'éclairage connectés et intelligents qui peuvent être surveillés et contrôlés à distance, pour faire partie de l'IdO.

La communication sans fil est un élément fondamental de l'éclairage intelligent et n'est pas une caractéristique purement centrée sur le client, bien que ce soit clairement un avantage majeur par rapport aux systèmes d'éclairage conventionnels.

Un système connecté devient intelligent car il permet de concevoir un seul modèle pour un large éventail de scénarios d'installation sans avoir besoin de fournir un ingénieur sur site. Supprimer ou réduire la charge de maintenance est un avantage majeur de l'IoT en général, et cela s'applique à l'éclairage intelligent en particulier en raison des différences éventuelles que chaque installation peut rencontrer. Etre capable de concevoir pour ces variations ou d'y répondre en utilisant des mises à jour en direct est une partie fondamentale d'un environnement d'éclairage centré sur les LED.

Le kit d'éclairage connecté ZigBee de Silicon Labs, basé sur son SoC sans fil EFR32MG Mighty Gecko maillé pour ZigBee et Thread, en est un exemple pratique.

Le kit est configuré pour fonctionner «prêt à l'emploi» et prêt à rejoindre un réseau ZigBee. Il nécessite une passerelle compatible ZigBee Home Automation 1.2, telle que la passerelle virtuelle USB de Silicon Labs. Le firmware est basé sur la pile Ember ZNet Pro, disponible pour les développeurs enregistrés sur le site Web de Silicon Labs.

Une fois que le kit a rejoint un réseau, la passerelle fournira un accès sans fil aux fonctionnalités du kit. Cela inclut le réglage de l'intensité, de la couleur et de la température de couleur des LED. Comme il s'agit d'un kit d'évaluation, il permet également d'explorer d'autres fonctionnalités et inclut un point de test PWM qui peut être utilisé pour contrôler un pilote de LED externe.

Le micrologiciel inclut un plug-in de serveur de cluster de configuration, qui permet d'effectuer certaines modifications au cours du processus de fabrication sans avoir à recompiler le code. Cela inclut des ajustements de la fréquence PWM, qui peuvent être nécessaires pour certains pilotes de LED, ou modifier la puissance d'émission de l'appareil conformément aux restrictions régionales.

La possibilité de modifier ces fonctionnalités sans forcer les modifications du microprogramme permet d'utiliser la même image binaire dans plusieurs variantes de produit.

Les commandes utilisées pour effectuer les ajustements peuvent être émises par n'importe quelle passerelle compatible Home Automation 1.2, mais une commande est également réservée pour empêcher toute mise à jour ultérieure acceptée, le cas échéant. Les commandes utilisées pour configurer la sortie PWM sont destinées à être utilisées avec un pilote de LED spécifique aux exigences des fabricants.

La gamme de SoC Mighty Gecko, ZigBee et Thread a été développée spécifiquement pour ce type d'application. Comme on peut le voir dans Figure 4, les principaux blocs fonctionnels de la pièce sont le Cortex-M4 et l'émetteur-récepteur radio, mais il comporte également un certain nombre de périphériques et supporte jusqu'à 31 broches dédiées aux canaux analogiques, qui peuvent être acheminés vers l'analogue sur puce comparateur, CAN et un DAC de sortie courant.

Comme l'émetteur-récepteur est conçu pour fonctionner à 2,4 GHz, l'appareil peut prendre en charge une gamme de protocoles, y compris Bluetooth Smart, Zigbee et Thread, ainsi que des protocoles propriétaires.

L'EFR32MG dispose également du système de réflexe périphérique (PRS) de Silicon Labs, qui permet à différents périphériques de fonctionner de manière autonome en envoyant et en recevant des informations entre eux en fonction des déclenchements, sans sortir le processeur principal du mode veille.

Cela peut réduire considérablement les besoins en alimentation du système dans les applications alimentées par batterie. Associé à la faible puissance de l'éclairage LED, il crée des possibilités pour l'éclairage connecté alimenté par batterie qui peut être situé dans des zones où une alimentation CA n'est pas disponible, comme dans les zones rurales. Il peut également être utilisé pour limiter les communications sans fil dans les zones où le trafic RF constant peut présenter un «bruit» indésirable.

Répondre à toutes les exigences

L'EFR32MG a été conçu pour être le cœur d'une solution d'éclairage intelligente, permettant d'adresser et de contrôler à distance les lumières LED à travers une passerelle.

Cela signifie que les lumières peuvent être contrôlées sans fil par le propriétaire ou le chef d'entreprise sur place et le contrôle peut également être accordé à un autre fournisseur de services, créant un centre de contrôle situé n'importe où dans le monde pour gérer plusieurs bâtiments dans différents fuseaux horaires ou des continents. Les implications sont que toute la taille de la lumière pourrait être connectée et centralisée. Cela crée une demande pour une large gamme de pilotes de LED, qui ne seront pas tous capables de piloter des LED haute puissance.

Un exemple pertinent serait le AL5802 de Diodes. Cet appareil a été spécialement développé pour piloter des LED à faible courant à un courant compris entre 20 mA et 100 mA avec le moins de composants externes possible. La figure 5 montre un exemple d'application typique. Le transistor, Q1, est utilisé pour détecter le courant circulant à travers la charge de LED en détectant la tension aux bornes de la résistance externe. La tension base-émetteur de Q1 est ensuite utilisée pour contrôler le courant de base de Q2. Fonctionnant en mode linéaire, Q2 régule le courant circulant dans la (les) LED (s).

Plusieurs appareils peuvent être utilisés en parallèle pour atteindre un courant LED plus élevé si nécessaire (Figure 6), et l'AL5802 prend également en charge la gradation basée sur PWM (Figure 7).

Solution au niveau du système

L'éclairage LED devrait continuer à déplacer l'éclairage conventionnel au moins jusqu'en 2022, date à laquelle le terme «conventionnel» pourrait bien être utilisé pour désigner l'éclairage LED plutôt que les technologies actuelles.

De nombreux fabricants de semi-conducteurs répondent à cette demande en développant une gamme de produits qui relèvent généralement de la catégorie des conducteurs. Comme les alimentations alternatives sont progressivement raccordées et potentiellement remplacées par des prises de courant et des réseaux de câblage fournissant du courant continu à basse tension, le mélange de produits pourrait bien changer, mais la demande ne devrait pas se dissiper.

Sa nature à l'état solide offre beaucoup plus de potentiel que l'éclairage traditionnel, voire la possibilité d'intégrer l'intelligence aux émetteurs sur un seul substrat ou module multipuce. Bien que ce paradigme puisse encore prendre du temps, l'investissement continu dans la technologie sous-jacente va soutenir l'érosion des prix et continuer à augmenter l'efficacité. Ces tendances indiquent un avenir très prometteur pour l'éclairage LED.

Comme la figure 8 démontre, en réunissant toutes ces technologies peut déjà être réalisé en utilisant peu de composants et crée le potentiel pour adapter facilement les LED dans les appareils existants pour construire rapidement un système d'éclairage connecté qui peut être contrôlé localement ou à distance.

L'éclairage connecté dans les lieux publics présente également un potentiel plus large et il existe déjà des exemples de villes intelligentes utilisant des lampadaires LED connectés pour agir comme balises Bluetooth afin de diffuser des offres grand public à toute personne utilisant l'application appropriée sur un téléphone intelligent. Bien que cela puisse ne pas plaire à tout le monde, le même principe peut être utilisé pour fournir une couverture sans fil totale dans une usine pour diffuser des messages de service importants, par exemple. Une fois que la connectivité établit sa valeur initiale dans n'importe quelle application, il est relativement simple d'en tirer parti.

En termes d'Internet, ces services sont appelés «over the top», et il est tout à fait raisonnable de s'attendre à ce qu'ils soient développés avec un éclairage intelligent.

A propos de l'auteur

Rich Miron est un ingénieur d'application chez le distributeur de composants Digi-Key