Oświetlenie półprzewodnikowe i diody LED o wysokiej jasności zmieniają sposób, w jaki postrzegamy świat, dosłownie. Korzyści dla środowiska wynikające z oświetlenia LED są dwojakie. Po pierwsze, sama technologia jest wysoce energooszczędnym sposobem generowania fotonów, co czyni je atrakcyjnymi pod względem kosztów operacyjnych przy pomiarze z żarnikiem wolframowym, żarówkami lub nawet kompaktowymi lampami fluorescencyjnymi. Już samo to sprawia, że ​​warto zastąpić tradycyjne oświetlenie alternatywami półprzewodnikowymi.

Po drugie, przejście do technologii, która działa z zasilaniem niskiego napięcia prądu stałego, w przeciwieństwie do linii wysokiego napięcia prądu przemiennego, stwarza dalsze możliwości, nie tylko pod względem dodatkowej wydajności, ale również w sposobie wykorzystania oświetlenia.

Wykracza to poza zwykłe "koce". Wprowadza koncepcje podziału na strefy, oświetlenia sceny i nastroju oraz podłączonego oświetlenia, które może lepiej reagować na środowisko i potrzeby mieszkańców.

Ekonomiczna funkcja

Skuteczność oświetlenia LED jest dobrze obserwowana i istnieje nawet "prawo", które przewiduje jego ciągły trend: prawo Haltza. Oznacza to, że koszt na światło generowane przez oświetlenie LED zmniejsza się co 10 razy co 10 lat.

To precyzyjnie przewiduje, że diody LED będą w stanie wytworzyć 200 lm / W do 2020 roku - a branża jest na dobrej drodze do osiągnięcia tego celu.

Warto jednak zauważyć, że nawet diody LED o wysokiej jasności nadal wykorzystują tylko połowę energii dostarczanej do złącza diody jako fotonów, a reszta po prostu wytwarza ciepło jako produkt uboczny, który następnie musi zostać rozproszony. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ temperatura złącza nie powinna przekraczać około 150º, a utrzymanie tego jest ważną częścią projektowania opraw oświetleniowych opartych na technologii LED.

Idź bezpośrednio

W przeciwieństwie do zwykłej lampy zasilanej prądem przemiennym, która, gdy jest napędzana przez prąd przemienny, włącza się całkowicie i całkowicie po każdym półokresie, światło LED działa najlepiej, gdy jest zasilane stałym prądem. Dostosowując ten parametr można zmienić jasność i kolor światła, ale to wymaga precyzyjnej kontroli i jest na ogół bardziej wymagająca niż prowadzenie konwencjonalnych form oświetlenia.

Obecnie większość opraw oświetleniowych jest nadal zasilanych prądem przemiennym, w przeciwieństwie do niskonapięciowego, niskonapięciowego źródła prądu stałego wymaganego przez diodę LED. Oznacza to, że aby wymienić zwykłą żarówkę na LED, wymagana jest pewna forma konwersji.

W większości żarówek LED przeznaczonych do użycia w tradycyjnym urządzeniu, konwersja odbywa się w żarówce. Stworzyło to zapotrzebowanie na małe, tanie produkty, które integrują wszystkie funkcje potrzebne do zapewnienia stałego zasilania prądem stałym LED lub ciągiem diod LED, a jednocześnie są podłączone do zasilania prądem przemiennym.

Ponieważ diody LED przewodzą tylko w przypadku przewodzenia do przodu, napięcie zasilania musi pozostać dodatnie, a podczas gdy może być trudno zintegrować prostownik pełnoprądowy w sterowniku LED, możliwe jest zawarcie regulatora bocznikowego.

Tak jest w przypadku sterownika bezpośredniego LED FL77944 z On Semiconductor, który jest wysokiej mocy diodowym sterownikiem LED, który może realizować ściemnianie na wiele sposobów, w tym analogowe lub cyfrowe (PWM) i fazowe.

Uproszczony schemat blokowy pokazano na rysunku 1. Posiada cztery wyprowadzenia dedykowane do ciągów diod LED, każdy z własnym zintegrowanym zlewozmywakiem o stałym natężeniu prądu do 150mA. Trzy z ciągów LED mogą przyjmować napięcie do 500V, podczas gdy czwarte może przyjmować napięcie do 200V.

Rysunek 2 pokazuje typową aplikację działającą od 120Vac, chociaż urządzenie ma szeroki zakres napięcia wejściowego od 90Vac do 305Vac, dzięki czemu nadaje się do każdego regionu.

Sterownik On Semi może działać z zaledwie dwoma zewnętrznymi komponentami, z wyjątkiem prostownika mostkowego. Urządzenie sprytnie unika potrzeby regulacji prostowanego zasilania.

Rysunek 3 pokazuje, że wraz ze wzrostem napięcia prostowanego napięcia osiąga on poziom napięcia przewodzenia ciągów diod LED dołączonych do każdego z obecnych styków wlewu. Prąd pobierany jest kolejno przez każdy ciąg diod LED, aż prąd przepływa przez wszystkie ciągi LED. Prąd pobierany przez każdy ciąg jest zrównoważony; albo zwiększanie albo zmniejszanie w zależności od tego, który ciąg jest przesunięty w przód w danym momencie. Zapewnia to płynną pracę i redukuje harmoniczne częstotliwości, prowadząc do poprawy współczynnika mocy i obniżenia ogólnego EMI.

W sprawie Semiconductor twierdzi, że FL77944 może osiągnąć typowy współczynnik mocy 0,98 i całkowite zniekształcenie harmoniczne mniejsze niż 20%. Wejście przyciemniające obsługuje ściemnianie analogowe lub PWM, dzięki czemu prąd RMS przepływający przez diody LED zmienia się liniowo wraz z poziomem napięcia na wejściu przyciemniania.

Urządzenie jest również kompatybilne ze ściemnianiem triaka przedniego i tylnego, w którym kształt fali AC jest odcinany podczas fazy albo na krawędzi prowadzącej / narastającej, albo na końcowej / opadającej krawędzi półcyklu. Ponieważ jest to nieodłączna forma prądu AC dostosowująca moc do obciążenia, nie wszystkie sterowniki LED mogą działać z zasilanego prądem zmiennym źródła prądu przemiennego i, odwrotnie, nie wszystkie ściemniacze triak będą działać ze sterownikiem LED, ponieważ nie występuje taki sam profil obciążenia, jak konwencjonalna oprawa oświetleniowa.

Podłączone oświetlenie

Podczas gdy ściemnianie wiodące i końcowe jest zasadniczo technologią starszą i niekoniecznie prostą do zautomatyzowania, ściemnianie PWM jest z natury cyfrowe i teoretycznie łatwiejsze do kontrolowania za pomocą środków czysto elektronicznych. Wspiera to przejście na połączone i inteligentne systemy oświetleniowe, które mogą być monitorowane i sterowane zdalnie, w celu utworzenia części IoT.

Komunikacja bezprzewodowa jest fundamentalną częścią inteligentnego oświetlenia i nie jest czysto zorientowana na klienta, chociaż jest to wyraźnie ważna zaleta w porównaniu z konwencjonalnymi systemami oświetleniowymi.

Połączony system staje się inteligentny, ponieważ pozwala na dostosowanie pojedynczego projektu do szerokiej gamy scenariuszy instalacji bez konieczności zapewnienia inżyniera na miejscu. Usunięcie lub zmniejszenie obciążenia konserwacyjnego jest podstawową zaletą ogólnie Internetu rzeczy i dotyczy inteligentnego oświetlenia, w szczególności ze względu na możliwe różnice, jakie może napotkać każda instalacja. Możliwość zaprojektowania dla tych wariantów lub zaspokojenia ich za pomocą aktualizacji bezprzewodowych jest zasadniczą częścią oświetlenia LED-centric.

Przykład tego, jak jest to osiągane w praktyce, stanowi zestaw oświetleniowy ZigBee firmy Silicon Labs, który oparty jest na sieci bezprzewodowej SoC GCK EFR32MG Mighty Gecko dla ZigBee i Thread.

Zestaw jest skonfigurowany do pracy "po wyjęciu z pudełka" i gotowy do przyłączenia się do sieci ZigBee. Wymaga bramy zgodnej z ZigBee Home Automation 1.2, takiej jak wirtualna brama USB firmy Silicon Labs. Oprogramowanie jest oparte na stosie Ember ZNet Pro, który jest dostępny dla zarejestrowanych programistów na stronie Silicon Labs.

Po dołączeniu zestawu do sieci, brama zapewni bezprzewodowy dostęp do funkcji zestawu. Obejmuje to ustawienie intensywności, koloru i temperatury barwowej diod LED. Ponieważ jest to zestaw do oceny, umożliwia także zbadanie innych funkcji i obejmuje punkt testowy PWM, który może być używany do sterowania zewnętrznym sterownikiem LED.

Oprogramowanie wbudowane zawiera wtyczkę serwera konfiguracji klastra, która umożliwia wprowadzanie pewnych zmian podczas procesu produkcyjnego bez konieczności ponownego kompilowania kodu. Obejmuje to regulację częstotliwości PWM, która może być potrzebna w przypadku niektórych sterowników LED lub modyfikowanie mocy transmisji urządzenia zgodnie z regionalnymi ograniczeniami.

Możliwość modyfikacji tych funkcji bez wymuszania zmian w oprogramowaniu sprzętowym pozwala na użycie tego samego obrazu binarnego w wielu wariantach produktu.

Polecenia użyte do wykonania regulacji mogą być wydawane przez dowolną bramę zgodną z Home Automation 1.2, ale istnieje również polecenie zarezerwowane do zapobiegania akceptowaniu kolejnych aktualizacji, jeśli będzie to wymagane. Polecenia używane do konfiguracji wyjścia PWM są przeznaczone do użycia w połączeniu z konkretnym sterownikiem LED zgodnie z wymaganiami producentów.

Rodzina Mighty Gecko, ZigBee i Thread firmy SoC została opracowana specjalnie do tego rodzaju aplikacji. Jak można zobaczyć w Ryc. 4, głównymi blokami funkcjonalnymi tej części są Cortex-M4 i nadajnik-odbiornik radiowy, ale posiada również szereg urządzeń peryferyjnych i obsługę do 31 pinów dedykowanych do kanałów analogowych, które mogą być kierowane do analogowego chipu komparator, ADC i przetwornik wyjściowy DAC.

Ponieważ transceiver jest przeznaczony do pracy z częstotliwością 2,4 GHz, urządzenie może obsługiwać wiele protokołów, w tym Bluetooth Smart, Zigbee i Thread, a także zastrzeżone protokoły.

EFR32MG posiada również peryferyjny system reflex (PRS) firmy Silicon Labs, który umożliwia różnym urządzeniom peryferyjnym niezależną pracę poprzez wysyłanie i odbieranie informacji między nimi w oparciu o wyzwalacze, bez wyłączania głównego procesora z trybu uśpienia.

Może to znacznie obniżyć wymagania dotyczące zasilania systemu w aplikacjach zasilanych bateryjnie. W połączeniu z niskoenergetycznym charakterem oświetlenia LED stwarza to możliwości dla podłączonego zasilania z baterii, które może znajdować się w obszarach, w których nie jest dostępne zasilanie AC, na przykład w obszarach wiejskich. Może również służyć do ograniczania komunikacji bezprzewodowej w obszarach, w których stały ruch RF może powodować niepożądany "hałas".

Spełnienie wszystkich wymagań

EFR32MG został zaprojektowany jako serce inteligentnego rozwiązania oświetleniowego, dzięki któremu światła LED mogą być adresowane i kontrolowane zdalnie przez bramkę.

Oznacza to, że światła mogą być sterowane bezprzewodowo przez właściciela domu lub kierownika biznesowego, podczas gdy w lokalu i kontroli można je również przekazać innemu usługodawcy, tworząc centrum sterowania zlokalizowane w dowolnym miejscu na świecie w celu zarządzania wieloma budynkami w różnych strefach czasowych lub kontynenty. Konsekwencją jest to, że światło dowolnej wielkości może być połączone i sterowane centralnie. Stwarza to zapotrzebowanie na szeroką gamę sterowników LED, z których nie wszystkie muszą być w stanie sterować diodami LED dużej mocy.

Odpowiednim przykładem może być AL5802 z diod. To urządzenie zostało opracowane specjalnie do zasilania diod LED o niskim prądzie przy natężeniu prądu od 20 mA do 100 mA z możliwie jak najmniejszymi komponentami zewnętrznymi. Rysunek 5 pokazuje typowy przykład zastosowania. Tranzystor, Q1, służy do wykrywania prądu przepływającego przez obciążenie LED poprzez wykrywanie napięcia na zewnętrznym rezystorze. Napięcie bazowa emiter Q1 jest następnie wykorzystywane do sterowania prądem podstawowym Q2. Działając w trybie liniowym, Q2 reguluje prąd przepływający przez diody LED.

Wiele urządzeń może być używanych równolegle, aby w razie potrzeby uzyskać wyższy prąd LED (Rysunek 6), a AL5802 obsługuje także przyciemnianie oparte na PWM (Figura 7).

Rozwiązanie na poziomie systemu

Oświetlenie LED ma w dalszym ciągu przesuwać konwencjonalne oświetlenie przynajmniej do 2022 r., W którym to czasie termin "konwencjonalny" może być używany w odniesieniu do oświetlenia LED, a nie w dzisiejszych technologiach.

Wielu producentów półprzewodników reaguje na to zapotrzebowanie, opracowując gamę produktów, które ogólnie należą do kategorii sterowników. Ponieważ źródła prądu przemiennego są stopniowo łączone i potencjalnie zastępowane przez wyloty i sieci kablowe zapewniające niskie napięcie prądu stałego, mieszanka produktów może się zmienić, ale zapotrzebowanie raczej się nie rozproszy.

Jego jednolity charakter oferuje o wiele więcej możliwości niż tradycyjne oświetlenie, a nawet możliwość zintegrowania inteligencji z emiterami na jednym module substratu lub multichipu. Chociaż ten paradygmat może jeszcze trochę potrwać, dalsze inwestycje w leżącą u jego podstaw technologię spowodują erozję cen i nadal będą podnosić efektywność. Trendy te wskazują na bardzo świetlaną przyszłość oświetlenia LED.

Jak pokazano na rysunku 8 pokazuje, łącząc wszystkie te technologie razem można już osiągnąć za pomocą kilku elementów i stwarza potencjał do łatwego doposażenia diod LED w istniejące urządzenia, aby szybko zbudować podłączony system oświetleniowy, który może być kontrolowany lokalnie lub zdalnie.

Podłączone oświetlenie w miejscach publicznych również ma szerszy potencjał i istnieją już przykłady inteligentnych miast wykorzystujących połączone latarnie uliczne LED, które pełnią funkcję radiolatarni Bluetooth do nadawania ofert konsumenckich każdemu, kto znajduje się w pobliżu odpowiedniej aplikacji na smartfonie. Chociaż może to nie przemawiać do wszystkich, tę samą zasadę można zastosować do zapewnienia całkowitego zasięgu sieci bezprzewodowej w fabryce, aby na przykład nadawać ważne wiadomości serwisowe. Gdy łączność ustali wartość początkową w dowolnej aplikacji, jest względnie prosta na jej podstawie.

W kategoriach internetowych są one nazywane usługami "over the top" i całkowicie uzasadnione jest oczekiwanie, że zostaną opracowane przy użyciu inteligentnego oświetlenia.

O autorze

Rich Miron jest inżynierem ds. Zastosowań w dziale komponentów Digi-Key