La iluminación de estado sólido y los LED de alto brillo están cambiando la forma en que vemos el mundo, literalmente. Los beneficios ambientales de la iluminación LED son dobles. En primer lugar, la tecnología en sí misma es una forma altamente eficiente de energía de generar fotones, lo que la hace atractiva en términos de costos de operación cuando se mide con filamento de tungsteno, lámparas fluorescentes incandescentes o incluso compactas. Esto solo hace que valga la pena reemplazar la iluminación tradicional con alternativas de estado sólido.

En segundo lugar, el paso a una tecnología que opera desde un suministro de CC de bajo voltaje, a diferencia de una línea de CA de alta tensión, crea más posibilidades, no solo en términos de eficiencias adicionales, sino también en la forma en que se utiliza la iluminación.

Esto va más allá de la simple iluminación "general". Introduce los conceptos de zonificación, iluminación de escena o estado de ánimo, y la iluminación conectada que puede ser más receptiva al entorno y las necesidades de los ocupantes.

Función económica

La eficacia de la iluminación LED se observa bien, e incluso hay una 'ley' que predice su tendencia continua: la Ley de Haltz. Esto establece que el costo por lumen generado por la iluminación LED se reduce en un factor de 10 cada 10 años.

Esto predice claramente que los LED podrán generar 200 lm / W para 2020, y la industria está bien encaminada para lograr eso.

Sin embargo, es digno de mención que incluso los LED de alto brillo aún usan solo la mitad de la energía suministrada a la unión de diodos como fotones, y el resto simplemente genera calor como un subproducto que posteriormente debe disiparse. Esto es crucial porque la temperatura de la unión no debe exceder los 150º, y mantener esto es una parte importante del diseño de las lámparas basadas en tecnología LED.

Ir directo

A diferencia de una simple lámpara de corriente alterna, que cuando se acciona mediante una corriente alterna enciende y apaga completamente cada medio ciclo, una luz LED funciona mejor cuando se alimenta con una corriente constante. Al ajustar este parámetro, es posible cambiar el brillo y el color de la luz, pero eso requiere un control preciso y, en general, es más exigente que manejar formas convencionales de iluminación.

En la actualidad, la mayoría de los artefactos de iluminación todavía funcionan con una fuente de CA, en comparación con la fuente de CC de baja tensión y baja corriente requerida por un LED. Esto significa que para reemplazar una bombilla convencional con un LED se requiere alguna forma de conversión.

En la mayoría de las bombillas LED destinadas para su uso en un accesorio convencional, la conversión tiene lugar en la bombilla. Esto ha creado una demanda de productos pequeños y de bajo costo que integren todas las funciones necesarias para entregar un suministro constante de CC a un LED o cadena de LED, mientras están conectados a un suministro de CA.

Debido a que los LED solo conducen con polarización directa, la tensión de alimentación debe permanecer positiva, y si bien puede ser difícil integrar un rectificador de puente de onda completa en un controlador de LED, es posible incluir un regulador de derivación.

Este es el caso del controlador FL77944 direct direct AC de On Semiconductor, que es un controlador LED de alta potencia capaz de implementar atenuación de varias maneras, incluyendo análogo o digital (PWM) y corte de fase.

Un diagrama de bloques simplificado se muestra en la Figura 1. Tiene cuatro pines dedicados a cadenas de LED, cada uno con su propio sumidero de corriente constante integrado de hasta 150 mA. Tres de las cadenas LED pueden aceptar una tensión de hasta 500V, mientras que la cuarta puede aceptar una tensión de hasta 200V.

Figura 2 muestra una aplicación típica que se ejecuta desde 120 V CA, aunque el dispositivo tiene un amplio rango de voltaje de entrada de entre 90 V CA y 305 V CA, por lo que es adecuado para cualquier región.

El controlador On Semi puede funcionar con solo dos componentes externos, sin incluir el puente rectificador. El dispositivo evita inteligentemente la necesidad de regular el suministro rectificado.

figura 3 muestra que a medida que aumenta el voltaje de la línea rectificada, alcanza el nivel de voltaje directo de una serie de LED conectados a cada uno de los pines del fregadero de corriente. Por lo tanto, la corriente se dibuja a través de cada cadena de LED en secuencia, hasta que la corriente fluye a través de todas las cadenas de LED. La corriente dibujada por cada cuerda está balanceada; ya sea aumentando o disminuyendo dependiendo de qué cadena se predispone hacia adelante en cualquier momento dado. Esto garantiza un funcionamiento sin problemas y reduce los armónicos de frecuencia, lo que permite un factor de potencia mejorado y una EMI global más baja.

On Semiconductor afirma que el FL77944 puede alcanzar un factor de potencia típico de 0,98 y una distorsión armónica total de menos del 20%. Una entrada de atenuación admite atenuación analógica o PWM, mediante la cual la corriente RMS que fluye a través de los LED variará linealmente con el nivel de tensión en la entrada de atenuación.

El dispositivo también es compatible con la atenuación triac de flanco anterior y posterior, en la que la forma de onda de CA se corta durante la fase, ya sea en el flanco anterior / ascendente o en el flanco posterior / descendente del semiciclo. Como esta es una forma inherentemente AC de ajustar la potencia a una carga, no todos los controladores LED pueden operar desde un suministro de corriente alterna triac-apagado y, a la inversa, no todos los reguladores triac funcionarán con un controlador LED, ya que no presenta el mismo perfil de carga que una lámpara convencional.

Iluminación conectada

Si bien el oscurecimiento de flanco anterior y posterior es esencialmente una tecnología heredada y no necesariamente simple de automatizar, el atenuador PWM es inherentemente digital y teóricamente más fácil de controlar a través de medios puramente electrónicos. Esto respalda el cambio hacia sistemas de iluminación conectados e inteligentes que se pueden monitorear y controlar de forma remota, para formar parte del IoT.

La comunicación inalámbrica es una parte fundamental de la iluminación inteligente y no es una característica puramente centrada en el cliente, aunque es claramente una ventaja importante con respecto a los sistemas de iluminación convencionales.

Un sistema conectado se vuelve inteligente porque permite que un diseño individual se adapte a una amplia gama de escenarios de instalación sin necesidad de proporcionar un ingeniero en el sitio. La eliminación o reducción de la carga de mantenimiento es un beneficio principal del IoT en general, y se aplica a la iluminación inteligente en particular debido a las posibles diferencias que puede experimentar cada instalación. Ser capaz de diseñar para estas variaciones o atenderlas mediante actualizaciones por aire es una parte fundamental de un entorno de iluminación centrado en LED.

Un ejemplo de cómo esto se logra en la práctica es proporcionado por el kit de iluminación ZigBee conectado de Silicon Labs, que se basa en su EFR32MG Mighty Gecko red inalámbrica SoC para ZigBee y Thread.

El kit viene configurado para funcionar 'listo para usar' y listo para unirse a una red ZigBee. Requiere una compuerta compatible con ZigBee Home Automation 1.2, como la puerta de enlace virtual USB de Silicon Labs. El firmware se basa en la pila Ember ZNet Pro, que está disponible para desarrolladores registrados en el sitio web de Silicon Labs.

Una vez que el kit se haya unido a una red, la puerta de enlace proporcionará acceso inalámbrico a las funciones del kit. Esto incluye configurar la intensidad, el color y la temperatura de color de los LED. Como se trata de un kit de evaluación, también permite explorar otras características e incluye un punto de prueba PWM que se puede utilizar para controlar un controlador LED externo.

El firmware incluye un plug-in de servidor de clúster de configuración, que permite realizar algunos cambios durante el proceso de fabricación sin la necesidad de recompilar el código. Esto incluye hacer ajustes a la frecuencia PWM, que puede ser necesaria para algunos controladores LED, o modificar la potencia de transmisión del dispositivo de acuerdo con las restricciones regionales.

La capacidad de modificar estas características sin forzar cambios en el firmware permite que se use la misma imagen binaria en múltiples variantes de productos.

Los comandos utilizados para realizar los ajustes pueden ser emitidos por cualquier gateway compatible con Home Automation 1.2, pero también hay un comando reservado para evitar que se acepten actualizaciones posteriores, en caso de ser necesario. Los comandos utilizados para configurar la salida PWM están destinados a utilizarse junto con un controlador de LED específico según los requisitos de los fabricantes.

La familia de SoC de Mighty Gecko, ZigBee y Thread ha sido desarrollada específicamente para este tipo de aplicaciones. Como se puede ver en Figura 4, los principales bloques funcionales de la pieza son el Cortex-M4 y el transceptor de radio, pero también cuenta con una serie de periféricos y soporte para hasta 31 pines dedicados a canales analógicos, que pueden enrutarse al análogo en el chip comparador, ADC y un DAC de salida de corriente.

Como el transceptor está diseñado para funcionar a 2.4 GHz, el dispositivo puede admitir una gama de protocolos que incluyen Bluetooth Smart, Zigbee y Thread, así como también protocolos propietarios.

El EFR32MG también cuenta con el sistema de reflejo periférico (PRS) de Silicon Labs, que permite que varios periféricos funcionen de manera autónoma enviando y recibiendo información entre ellos en función de los desencadenantes, sin sacar la CPU principal del modo de reposo.

Esto puede reducir significativamente los requisitos de alimentación del sistema en aplicaciones alimentadas por batería. Cuando se combina con la naturaleza de baja potencia de la iluminación LED, esto crea posibilidades para la iluminación conectada a batería que puede ubicarse en áreas donde no hay disponible un suministro de CA, como ubicaciones rurales. También se puede usar para limitar las comunicaciones inalámbricas en áreas donde el tráfico constante de RF podría presentar un "ruido" no deseado.

Cumpliendo todos los requisitos

El EFR32MG ha sido diseñado para ser el corazón de una solución de iluminación inteligente, permitiendo que las luces LED sean direccionadas y controladas remotamente a través de una puerta de enlace.

Esto significa que las luces pueden controlarse de forma inalámbrica por el propietario o gerente comercial mientras se encuentran en las instalaciones y también se puede otorgar el control a otro proveedor de servicios, creando un centro de control en cualquier parte del mundo para administrar una cantidad de edificios en diferentes zonas horarias. o continentes. Las implicaciones son que cualquier luz de tamaño podría ser conectada y controlada centralmente. Esto crea demanda para una amplia gama de controladores LED, no todos necesitarán poder conducir LED de alta potencia.

Un ejemplo relevante sería el AL5802 de Diodes. Este dispositivo ha sido desarrollado específicamente para conducir LED de baja corriente a una corriente entre 20 mA y 100 mA con la menor cantidad de componentes externos posible. La Figura 5 muestra un ejemplo típico de aplicación. El transistor, Q1, se usa para detectar la corriente que fluye a través de la carga del LED detectando el voltaje a través de la resistencia externa. El voltaje base-emisor de Q1 se usa luego para controlar la corriente base de Q2. Operando en modo lineal, Q2 regula la corriente que fluye a través de los LED.

Se pueden usar múltiples dispositivos en paralelo para lograr una mayor corriente de LED si es necesario (Figura 6), y el AL5802 también es compatible con la atenuación basada en PWM (Figura 7).

Solución de nivel de sistema

Se espera que la iluminación LED continúe desplazando a la iluminación convencional al menos hasta 2022, momento en el cual el término "convencional" puede usarse para referirse a la iluminación LED en lugar de a las tecnologías actuales.

Muchos fabricantes de semiconductores están respondiendo a esta demanda mediante el desarrollo de una gama de productos que generalmente caen dentro de la categoría de conductores. A medida que los suministros de CA se unen gradualmente y son potencialmente reemplazados por tomas de corriente y redes de cableado que proporcionan CC de bajo voltaje, la combinación de productos podría cambiar, pero es poco probable que la demanda se disipe.

Su naturaleza de estado sólido ofrece mucho más potencial que la iluminación tradicional, incluso la oportunidad de integrar la inteligencia junto con los emisores en un único sustrato o módulo multichip. Si bien ese paradigma aún puede tomarse un tiempo libre, la inversión continua en la tecnología subyacente sostendrá la erosión de los precios y continuará impulsando la eficacia. Estas tendencias apuntan a un futuro muy brillante para la iluminación LED.

Como la Figura 8 demuestra que reunir todas estas tecnologías ya se puede lograr utilizando pocos componentes y crea la posibilidad de adaptar fácilmente los LED a los accesorios existentes para construir rápidamente un sistema de iluminación conectado que se pueda controlar local o remotamente.

La iluminación conectada en lugares públicos también presenta un potencial más amplio y ya hay ejemplos de ciudades inteligentes que utilizan farolas LED conectadas para actuar como balizas Bluetooth para transmitir ofertas de consumo a cualquier persona cercana que esté ejecutando la aplicación apropiada en un teléfono inteligente. Si bien puede no ser atractivo para todos, el mismo principio se puede usar para proporcionar cobertura inalámbrica total en una fábrica para transmitir mensajes de servicio importantes, por ejemplo. Una vez que la conectividad establece su valor inicial en cualquier aplicación, es relativamente simple construir sobre ella.

En términos de Internet, estos se denominan servicios "exagerados", y es completamente razonable esperar que se desarrollen con una iluminación inteligente.

Sobre el Autor

Rich Miron es ingeniero de aplicaciones en el distribuidor de componentes Digi-Key