Твердое освещение и светодиоды высокой яркости меняют то, как мы видим мир, буквально. Экологические преимущества светодиодного освещения в два раза. Во-первых, сама технология представляет собой высокоэнергетически эффективный способ генерации фотонов, что делает его привлекательным с точки зрения эксплуатационных затрат при измерении в отношении вольфрамовой нити, ламп накаливания или даже компактных люминесцентных ламп. Это само по себе делает целесообразным замену традиционного освещения на твердые альтернативы.

Во-вторых, переход к технологии, которая работает от низкого напряжения постоянного тока, в отличие от высоковольтной линии переменного тока, создает дополнительные возможности не только с точки зрения дополнительной эффективности, но и в том, как используется освещение.

Это выходит за рамки простого «одеяла» освещения. В нем представлены концепции зонирования, освещения сцены или настроения и связанного освещения, которые могут быть более восприимчивыми к окружающей среде и потребностям жителей.

Экономическая функция

Эффективность светодиодного освещения хорошо соблюдается, и существует даже «закон», который предсказывает его продолжающуюся тенденцию: закон Халца. Это говорит о том, что стоимость одного просвета, генерируемого светодиодным освещением, уменьшается в 10 раз каждые 10 лет.

Это четко предсказывает, что к 2020 году светодиоды смогут генерировать 200 лм / Вт, и отрасль успешно справляется с этим.

Однако следует отметить, что даже светодиоды с высокой яркостью по-прежнему используют только половину энергии, подаваемой на диодный переход в виде фотонов, а остальные просто генерируют тепло в качестве побочного продукта, который впоследствии должен рассеиваться. Это имеет решающее значение, поскольку температура перехода не должна превышать около 150º, и сохранение этого является важной частью проектирования светильников на основе светодиодной технологии.

Go direct

В отличие от простого светильника с питанием от переменного тока, который при управлении переменным током полностью включается и полностью отключается с каждым полупериодом, светодиодный свет лучше всего работает, когда он подается с постоянным током. Регулируя этот параметр, можно изменить яркость и цвет света, но для этого требуется точный контроль и, как правило, более требовательный, чем использование обычных форм освещения.

Сегодня большинство светильников по-прежнему работают от источника переменного тока, а не от источника низкого напряжения постоянного тока, потребляемого светодиодом. Это означает, что для замены обычной лампы со светодиодом требуется некоторая форма преобразования.

В большинстве светодиодных ламп, предназначенных для использования в обычном креплении, конверсия происходит в лампе. Это создало спрос на небольшие недорогие продукты, которые объединяют все функции, необходимые для подачи постоянного питания постоянного тока на светодиод или строку светодиодов, при этом все еще подключаются к сети переменного тока.

Поскольку светодиоды работают только при прямом смещении, напряжение питания должно оставаться положительным, и, хотя может быть сложно интегрировать полноволновый мостовой выпрямитель в светодиодный драйвер, можно включить шунтирующий регулятор.

Это относится к светодиодному драйверу постоянного тока FL77944 от On Semiconductor, который является мощным светодиодным драйвером, способным выполнять регулировку яркости несколькими способами, включая аналоговую или цифровую (PWM) и фазовую резку.

Упрощенная блок-схема показана на рисунке 1. Он имеет четыре контакта, предназначенные для строк светодиодов, каждый со своим встроенным постоянным током до 150 мА. Три из светодиодных струн могут принимать напряжение до 500 В, а четвертое может принимать напряжение до 200 В.

фигура 2 показывает типичное приложение, работающее от 120 В переменного тока, хотя устройство имеет широкий диапазон входного напряжения от 90 В переменного тока до 305 В переменного тока, что делает его подходящим для любого региона.

Драйвер On Semi может работать с двумя внешними компонентами, не считая мостового выпрямителя. Устройство ловко избегает необходимости регулирования выпрямленного питания.

Рисунок 3 показывает, что по мере того, как напряжение выпрямленной линии возрастает, оно достигает уровня прямого напряжения строки светодиодов, подключенных к каждому из текущих штырей стока. Таким образом, ток проходит через каждую светодиодную строку последовательно, пока ток не протекает через все светодиодные строки. Ток, набранный каждой строкой, сбалансирован; либо увеличиваясь, либо уменьшаясь в зависимости от того, какая строка смещена вперед в любой момент времени. Это обеспечивает плавную работу и уменьшает гармоники частоты, что приводит к повышению коэффициента мощности и снижению общего EMI.

По данным Semiconductor, FL77944 может достичь типичного коэффициента мощности 0,98 и полного гармонического искажения менее 20%. Вход диммирования поддерживает аналоговое или PWM-затемнение, при котором ток RMS, протекающий через светодиоды, будет линейно изменяться с уровнем напряжения на входе затемнения.

Устройство также совместимо с симулятором симуляции ведущего и заднего фронтов, в котором осциллограмма переменного тока разрезается во время фазы либо на переднем / переднем фронте, либо на заднем / заднем фронте полупериода. Поскольку это по сути AC-форма регулировки мощности нагрузки, не все драйверы светодиодов могут работать от источника питания с симисторной подсветкой, и, наоборот, не все симисторные диммеры будут работать со светодиодным драйвером, так как он отсутствует тот же профиль нагрузки, что и обычный светильник.

Подключенное освещение

В то время как димминг ведущей и задней кромки является, по существу, унаследованной технологией, и не обязательно простой для автоматизации, томогение PWM по своей сути является цифровым и теоретически легче контролировать с помощью чисто электронных средств. Это поддерживает переход к подключенным и интеллектуальным системам освещения, которые могут контролироваться и контролироваться удаленно, чтобы сформировать часть IoT.

Беспроводная связь является фундаментальной частью интеллектуального освещения и не является исключительно ориентированной на клиента функцией, хотя это явно является преимуществом по сравнению с обычными системами освещения.

Подключенная система становится умной, потому что она позволяет настраивать единую конструкцию для широкого спектра сценариев установки без необходимости предоставления инженера на сайте. Извлечение или сокращение бремени обслуживания является основным преимуществом IoT в целом, и оно относится к интеллектуальному освещению, в частности, из-за возможных различий, которые могут возникнуть в каждой установке. Возможность проектировать эти варианты или обслуживать их с помощью эфирных обновлений - это фундаментальная часть светодиодной среды освещения.

Пример того, как это достигается на практике, обеспечивается набором осветительных приборов ZigBee от Silicon Labs, который основан на его сети EFR32MG Mighty Gecko для сетей SoC для ZigBee и Thread.

Набор настроен на работу «из коробки» и готов присоединиться к сети ZigBee. Для этого требуется шлюз ZigBee Home Automation 1.2, такой как виртуальный шлюз USB от Silicon Labs. Прошивка основана на стеке Ember ZNet Pro, который доступен зарегистрированным разработчикам на веб-сайте Silicon Labs.

После того как комплект присоединился к сети, шлюз обеспечит беспроводной доступ к функциям набора. Это включает настройку интенсивности, цвета и цветовой температуры светодиодов. Поскольку это набор для оценки, он также позволяет изучать другие функции и включает тестовую точку PWM, которая может использоваться для управления внешним драйвером светодиодов.

Прошивка включает в себя подключаемый модуль сервера кластера конфигурации, который позволяет внести некоторые изменения во время производственного процесса без необходимости перекомпилировать код. Это включает в себя настройку частоты ШИМ, которая может потребоваться для некоторых светодиодных драйверов, или изменение мощности передачи устройства в соответствии с региональными ограничениями.

Возможность изменять эти функции без необходимости внесения изменений в прошивку позволяет использовать одно и то же двоичное изображение в нескольких вариантах продукта.

Команды, используемые для внесения корректировок, могут быть выданы любым шлюзом, совместимым с Home Automation 1.2, но есть также команда, зарезервированная для предотвращения принятия любых последующих обновлений, если это потребуется. Команды, используемые для настройки выхода PWM, предназначены для использования в сочетании с конкретным драйвером светодиодов для требований производителей.

Семейство SoCs Mighty Gecko, ZigBee и Thread разработано специально для такого рода приложений. Как видно из На рисунке 4 основными функциональными блоками части являются Cortex-M4 и радиоприемник, но в нем также имеется ряд периферийных устройств и поддержка до 31 контактов, выделенных аналоговым каналам, которые могут быть направлены на встроенный аналог компаратора, АЦП и токового выходного ЦАП.

Поскольку трансивер предназначен для работы на частоте 2,4 ГГц, устройство может поддерживать ряд протоколов, включая Bluetooth Smart, Zigbee и Thread, а также собственные протоколы.

EFR32MG также оснащен периферийной рефлекторной системой Silicon Labs (PRS), которая позволяет различным периферийным устройствам автономно работать, отправляя и получая информацию между ними на основе триггеров, не выводя основной CPU из режима ожидания.

Это может значительно снизить требования к мощности системы в приложениях с батарейным питанием. В сочетании с низким уровнем мощности светодиодного освещения это создает возможности для подключенного освещения с батарейным питанием, которое может быть расположено в местах, где нет питания переменного тока, например, в сельской местности. Он также может использоваться для ограничения беспроводной связи в областях, где постоянный радиочастотный трафик может представлять нежелательный «шум».

Выполнение всех требований

EFR32MG был разработан для решения интеллектуального освещения, позволяя дистанционно управлять светодиодными огнями и управлять ими через шлюз.

Это означает, что огни могут управляться беспроводным способом владельцем дома или бизнес-менеджером, находясь в помещении, а управление может также предоставляться другому поставщику услуг, создавая центр управления, расположенный в любой точке мира, для управления несколькими зданиями в разных часовых поясах или континентов. Последствия заключаются в том, что любой размер света может быть подключен и централизованно контролироваться. Это создает спрос на широкий спектр светодиодных драйверов, не все из которых должны быть способны управлять светодиодами высокой мощности.

В качестве примера можно привести AL5802 от диодов. Это устройство разработано специально для управления светодиодами с низким током при токе от 20 мА до 100 мА с минимальным количеством внешних компонентов. На рисунке 5 показан типичный пример приложения. Транзистор Q1 используется для определения тока, протекающего через нагрузку светодиода, путем измерения напряжения на внешнем резисторе. Затем базовое излучающее напряжение Q1 используется для управления базовым током Q2. Работая в линейном режиме, Q2 регулирует ток, протекающий через светодиод (ы).

Несколько устройств могут использоваться параллельно для достижения более высокого уровня тока светодиода, если необходимо (Рис. 6), и AL5802 также поддерживает регулирование на основе PWM (Рис. 7).

Системное решение

Ожидается, что светодиодное освещение продолжит замещать традиционное освещение, по крайней мере, до 2022 года, и к этому времени термин «обычный» вполне может использоваться для обозначения светодиодного освещения, а не современных технологий.

Многие производители полупроводников отвечают на это требование, разрабатывая ряд продуктов, которые обычно подпадают под категорию драйверов. Поскольку поставки переменного тока постепенно соединяются и потенциально заменяются розетками и проводными сетями, обеспечивающими низкое напряжение постоянного тока, смесь продуктов может измениться, но спрос вряд ли рассеется.

Его твердотельный характер обладает гораздо большим потенциалом, чем традиционное освещение, даже возможность интегрировать интеллект вместе с излучателями на одном субстрате или в многоканальном модуле. Хотя эта парадигма может по-прежнему оставаться свободным, продолжающиеся инвестиции в базовую технологию будут поддерживать ценовую эрозию и продолжают повышать эффективность. Эти тенденции указывают на очень яркое будущее для светодиодного освещения.

Как показано на рисунке 8 демонстрирует, что объединение всех этих технологий уже может быть достигнуто с использованием нескольких компонентов и создает потенциал для быстрой модернизации светодиодов в существующие светильники для быстрой сборки подключенной системы освещения, которая может управляться локально или удаленно.

Подключенное освещение в общественных местах также вводит более широкий потенциал, и уже есть примеры смарт-городов, использующих подключенные светодиодные уличные фонари, чтобы выступать в качестве маяков Bluetooth для передачи потребительских предложений всем, кто находится поблизости, который запускает соответствующее приложение на смартфоне. Хотя это может не понравиться всем, тот же принцип можно использовать для обеспечения полного беспроводного покрытия на заводе для передачи важных служебных сообщений, например. Как только связь устанавливает начальное значение в любом приложении, его относительно просто построить.

В интернет-терминах это называется «сверху», и вполне разумно ожидать, что они будут развиваться с помощью интеллектуального освещения.

Об авторе

Rich Miron - инженер-разработчик дистрибутивов компонентов Digi-Key