La scorciatoia per lo sviluppo di sistemi di illuminazione a LED connessi

Nella mondo sviluppato in cui viviamo, l'efficienza spinge l'innovazione. Un settore che sta cambiando in modo significativo l'approccio alla ricerca di una maggiore efficienza è quello dell'illuminazione. L'illuminazione a stato solido, principalmente sotto forma di LED a semiconduttori (sebbene stiano emergendo LED organici e polimerici), continua a sostituire le forme di illuminazione tradizionali ed energeticamente meno efficienti, come le lampade a incandescenza, le lampade a scarica in gas e fluorescenti compatte.

Anche se l'illuminazione a LED offre risparmi energetici evidenti, può avere come rovescio della medaglia una certa complessità di progettazione. La circuiteria di controllo richiesta per pilotare una luce a LED è, nella migliore delle ipotesi, un convertitore a.c./c.c. ma in genere includerà un certo livello di controllo intelligente. Sebbene questa maggiore complessità possa tendenzialmente far salire i costi, con un'attenta progettazione è possibile produrre una soluzione di illuminazione a LED di valore ma al giusto prezzo.

Le applicazioni finali per l'illuminazione a LED sono praticamente illimitate, da quelle consumer di base all'illuminazione industriale sospesa, all'arredamento delle cucine e all'illuminazione stradale. La prospettiva di includere funzioni quali il dimmeraggio intelligente, la connettività e la gestione remota rende convincente il passaggio all'illuminazione a LED, soprattutto per i responsabili delle decisioni.

Lo sviluppo di una soluzione completa di illuminazione a LED comporta l'integrazione di diverse funzioni, tra cui il raddrizzamento c.a. con correzione del fattore di potenza (PFC), conversione c.c./c.c. e controllo dei LED. Se a questo elenco si aggiunge la connettività per offrire una soluzione più votata al futuro, la sfida progettuale si fa ancora più ardua.

Anche se i LED sono intrinsecamente più efficienti di altre forme di illuminazione, per preservare questo vantaggio anche ogni fase della soluzione deve garantire un'efficienza ottimale. Si tratta di una vera e propria svolta rispetto allo sviluppo di una soluzione di illuminazione convenzionale, ma è un passo inevitabile. Un'altra tendenza significativa che incide sull'illuminazione a LED è il passaggio alla conversione dell'alimentazione a controllo digitale. Includendo il controllo digitale dell'alimentazione nella topologia generale, è possibile ottenere una soluzione più efficiente e flessibile. Se nel processo di progettazione si adotta un approccio completamente digitale, si riesce a integrare una notevole quantità di funzionalità in un minor numero di dispositivi. I microcontroller sono ideali per offrire questo livello di funzionalità e flessibilità.

Posto che la conversione c.a. rappresenta una parte importante della soluzione, da una singola alimentazione c.c. è possibile azionare numerosi circuiti indipendenti del sistema di illuminazione a LED, ottimizzando il progetto nel suo complesso usando un solo stadio di conversione c.a. In questo scenario, occorre tener conto separatamente della restante parte della soluzione, il che crea ulteriori possibilità di ottimizzazione dei costi tramite funzioni a valore aggiunto.

L'aggiunta di controllo e connettività agli impianti di illuminazione costituisce uno sviluppo significativo in quanto consente di integrare i sistemi di illuminazione in un sistema di gestione degli edifici (BMS) o come parte di una casa intelligente. Uno dei vantaggi dell'illuminazione a LED è la sua robustezza: le luci possono essere regolate o accese e spente molto più spesso senza che ciò incida sulla loro durata di vita o provochi correnti di picco transitorie. Le luci a LED offrono inoltre una maggiore flessibilità di posizionamento, favorendo impianti più distribuiti e una più ampia gamma di condizioni operative. Tutte queste caratteristiche aumentano l'attrattiva dell'illuminazione a LED, ma richiedono livelli di controllo ancora maggiori.

Nel tentativo di risolvere questa sfida progettuale, stanno emergendo svariati progetti di riferimento. Anche se non disponibile per l'acquisto come PCB popolata, Texas Instruments ha sviluppato un sottosistema di driver LED c.c./c.c. completamente collaudato come progetto di riferimento e ha reso disponibile tutta la documentazione (distinta base, schema, file Gerber per CS). La Figura 1 mostra un diagramma a blocchi del progetto di riferimento.

Figura 1: Diagramma a blocchi del progetto di riferimento TIDA-01096

TIDA-01096 è il driver c.c./c.c. per LED bianchi regolabili e ad alta efficienza di TI. Prevede un progetto di riferimento per la connettività Bluetooth Smart, che fornisce agli ingegneri una piattaforma hardware e software completa per lo sviluppo di soluzioni di illuminazione intelligenti.

Combinando stringhe di LED bianco caldo e bianco freddo in un unico apparecchio di illuminazione, è possibile simulare le condizioni di luce diurna per l'illuminazione di interni in ambienti residenziali e commerciali. TIDA-01096 è stato pensato per questo ambito applicativo e utilizza una serie di componenti avanzati per ottenere un'efficienza del 98% in un'ampia gamma di condizioni operative.

Trattandosi di un driver LED collegato, il progetto di riferimento si distingue particolarmente per la sua capacità di connettersi tramite Bluetooth Smart. Si tratta di una funzione completamente integrata nell'MCU selezionato per la progettazione, supportata da risorse software sviluppate anch'esse da TI. Insieme agli altri componenti principali, il progetto offre una gamma di funzioni "intelligenti" come il dimmeraggio, la regolazione della temperatura cromatica e l'harvesting di luce diurna. Poiché è destinato a controllare stringhe di LED idonee alla simulazione della luce diurna, può anche essere utilizzato per creare un ritmo circadiano che, come è stato dimostrato, ha benefici per la salute e il benessere.

L'utilizzo della capacità dei LED di produrre livelli variabili di potenza richiede una soluzione integrata. Una di queste è costituita dal driver LED buck TPS92513/HV 1,5 A con regolazione analogica della corrente integrata, incluso nel progetto di riferimento come uno dei componenti principali. Se combinato con l'MCU SimpleLink CC2650 multi-standard, diventa la piattaforma perfetta per lo sviluppo di sistemi di illuminazione a LED intelligenti con alimentazione c.c. regolata. Ulteriori componenti del progetto completano lo scenario, come spiegato di seguito.

Il driver LED TPS92513/HV è stato sviluppato per una vasta gamma di applicazioni di illuminazione ad alta potenza, tra cui quella stradale, di emergenza, industriale e di esercizi commerciali, ma è adatto anche per l'uso in piccoli elettrodomestici. Oltre a fornire ingressi per segnali di controllo analogici e PWM, è dotato di un MOSFET high-side a canale N integrato. La Figura 2 mostra uno schema semplificato di come il dispositivo potrebbe essere utilizzato.

Figura 2: Schema semplificato di un'applicazione tipica per il driver LED TPS92513/HV di Texas Instruments.

Nel progetto di riferimento, per pilotare due stringhe di LED sono utilizzati due dispositivi. In questa topologia, i dispositivi possono essere sincronizzati utilizzando un oscillatore esterno per bypassare l'oscillatore interno di ciascun dispositivo. L'utilizzo di più dispositivi con lo stesso generatore di segnali di clock evita effetti indesiderati come il battimento della frequenza tra LED su stringhe diverse e può anche contribuire a ridurre al minimo l'EMI totale del progetto. In Figura 3 viene illustrato il diagramma a blocchi funzionale.

Figura 3: Diagramma a blocchi funzionale del driver LED TPS92513/HV di Texas Instruments.

La sincronizzazione la si ottiene applicando un'onda quadra al pin RT/CLK (pin 5), tra 300 kHz e 2 MHz. La sorgente del MOSFET interno si trova sul pin 10, etichettato PH. Il fronte di salita è sincronizzato con il fronte di discesa del segnale RT/CLK.

Nel progetto di riferimento, il dimmeraggio lo si può ottenere in tre modi: variando l'ingresso analogico sul pin IADJ (pin 6); digitalmente tramite un segnale PWM applicato al pin PDIM (pin 4) o con una combinazione di entrambi. Tutti i segnali di controllo sono prodotti dall'MCU SimpleLink CC2650 (Figura 4).

Figura 4: Diagramma a blocchi funzionale dell'MCU wireless SimpleLink CC2650 di Texas Instruments

Poiché il dimmeraggio analogico è più efficiente, il progetto di riferimento genera un segnale analogico facendo passare i segnali PWM attraverso filtri passa-basso. Il segnale viene poi applicato come media analogica del segnale PWM al pin IADJ. Il progetto di riferimento supporta anche il controllo del dimmeraggio analogico/PWM combinato e il dimmeraggio a bassa corrente senza sfarfallio, utilizzando sia il metodo analogico che quello PWM.

Operando in stretta collaborazione con il driver, l'MCU wireless SimpleLink CC2650 offre due funzioni chiave: i segnali di controllo per il driver e la capacità di intervenire su questi segnali in modalità wireless. In tal modo sarà possibile regolare l'emissione luminosa o la temperatura cromatica da un'applicazione in esecuzione su uno smartphone o consentire a un sistema domotico BMS di spegnere, accendere, aumentare o diminuire le luci, utilizzando anche comandi vocali, se lo si desidera.

Quando si utilizza un sistema collegato, l'unico limite è quello posto dall'immaginazione. Dato che SimpleLink CC2650 è un MCU wireless multi-standard, può supportare Bluetooth, ZigBee e 6LowPAN. Il potente ed efficiente core ARM® Cortex®-M3 dà la possibilità di includere applicazioni utente in esecuzione a fianco dei layer alti degli stack dei protocolli scelti (gli stack Bluetooth e ZigBee vengono forniti gratuitamente da TI con il CC2650). La sezione RF del dispositivo integra anche un core ARM Cortex-M0 che gestisce gran parte dello stack, come pure l'interfaccia tra banda base e front-end analogico. Si interfaccia con la CPU principale utilizzando un'API, studiata per semplificare ulteriormente la progettazione.

Oltre al driver LED e all'MCU wireless, il progetto di riferimento include il sensore di luce ambiente digitale OPT3001 in grado di riprodurre molto fedelmente la risposta spettrale dell'occhio umano. La presenza di questo sensore può tornare utile in applicazioni studiate per regolare l'emissione luminosa e ottimizzarla in un ambiente per la visione umana. Con il sensore della temperatura a uscita analogica LMT84, collegato al dissipatore di calore dei LED, si evita il runaway termico.

La Figura 5 mostra come l'hardware per una soluzione di illuminazione a LED basata sul progetto di riferimento può essere configurato usando TIDA-01096 abbinato a SimpleLink CC2650 LaunchPad. Il firmware è stato sviluppato da TI come progetto Code Composer Studio ed è disponibile su richiesta.

Figura 5: Configurazione hardware consigliata utilizzando il progetto di riferimento TIDA-01096.

Conclusione

L'illuminazione a stato solido ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui illuminiamo le nostre case, gli uffici, le fabbriche, le stazioni e i luoghi pubblici. Offre notevoli vantaggi in termini di costi rispetto alle tecnologie di illuminazione tradizionali.

Grazie all'ingente investimento fatto dai produttori di semiconduttori, sono ora disponibili molti prodotti che possono aiutare gli ingegneri a progettare soluzioni ottimizzate in grado di massimizzare il potenziale dell'illuminazione a LED. Sempre più spesso, progetti di questo tipo includono l'aggiunta di connettività tramite comunicazioni cablate o wireless.

Lo sviluppo di una soluzione di illuminazione a LED completa e regolabile che includa la connettività wireless comprende due sfide progettuali potenzialmente difficili, ma grazie alla disponibilità di piattaforme di sviluppo e progetti di riferimento come quelli illustrati in questo articolo, ora è diventato molto facile rispondere a tali sfide.