Solidní osvětlení a LED diody s vysokým jasem mění způsob, jakým svět vidíme, doslova. Ekologické výhody osvětlení LED jsou dvojí. Za prvé, technologie sama o sobě představuje vysoce energeticky účinný způsob generování fotonů, což z hlediska nákladů na provoz přináší atraktivitu, když se měří s ohledem na wolframové vlákno, žhavící nebo dokonce kompaktní zářivky. To samo o sobě činí opodstatněnou náhradu tradičního osvětlení za alternativy v pevném stavu.

Zadruhé, posun k technologii, která funguje od nízkonapěťového stejnosměrného napájení, na rozdíl od vysokonapěťové střídavé linky, vytváří další možnosti, a to nejen z hlediska dodatečné účinnosti, ale také způsobu osvětlení.

To přesahuje jednoduché osvětlení. Představuje koncepce zónování, osvětlení scény nebo nálady a propojené osvětlení, které může lépe reagovat na životní prostředí a potřeby cestujících.

Ekonomická funkce

Účinnost osvětlení LED je dobře pozorována a existuje i "zákon", který předpovídá jeho pokračující trend: Haltzův zákon. Uvádí se, že cena za lumen generovaná LED osvětlením se snižuje o faktor 10 každých 10 let.

Toto elegantně předpovídá, že LED diody dokáží do roku 2020 vygenerovat 200 lm / W - a průmysl je na dobré cestě, aby to dosáhl.

Je však třeba poznamenat, že i LED diody s vysokým jasem stále používají pouze polovinu energie dodávané k propojení diody jako fotony a zbytek jen vytváří teplo jako vedlejší produkt, který musí být následně rozptýlen. To je klíčové, protože teplota křižovatky by neměla překročit asi 150 ° a udržování je důležitou součástí návrhu svítidel založených na technologii LED.

Jděte přímo

Na rozdíl od jednoduchého svítidla s napájením ze střídavého proudu, který při chodu střídavým proudem se plně zapne a úplně vypne každý poločas, LED dioda funguje nejlépe, když je napájen konstantním proudem. Nastavením tohoto parametru lze změnit jas a barvu světla, ale vyžaduje přesné ovládání a je obecně náročnější než běžné koncepce osvětlení.

Dnes je většina světelných svítidel stále napájena ze zdroje střídavého proudu, na rozdíl od zdroje nízkonapěťového a nízkonapěťového stejnosměrného proudu požadovaného LED. To znamená, že k výměně konvenční žárovky s LED je nutná nějaká forma přeměny.

Ve většině LED žárovek určených pro použití v konvenčním zařízení se v žárovce provádí přeměna. To vyvolalo poptávku po malých a levných produktech, které integrují všechny funkce potřebné k dodávání konstantního stejnosměrného napájení na LED nebo řetězec LED, zatímco jsou stále připojeny k napájecímu zdroji.

Vzhledem k tomu, že diody LED vedou pouze při předpětí, napájecí napětí musí zůstat kladné a zatímco může být obtížné integrovat usměrňovač můstku s plnou vlnou do LED řidiče, je možné jej použít jako regulátor zkratu.

Tak je tomu v případě přímého ovladače střídavého proudu FL77944 od firmy On Semiconductor, což je vysoce výkonný LED ovladač, schopný provádět stmívání mnoha způsoby, včetně analogového nebo digitálního (PWM) a fázového řezu.

Zjednodušený blokový diagram je znázorněn na obrázku 1. Má čtyři kolíky určené pro řetězce LED, každý s vlastním integrovaným konstantním proudovým jímkem do 150mA. Tři z LED diod mohou přijímat napětí až do 500V, zatímco čtvrté může přijímat napětí až do 200V.

Obrázek 2 zobrazuje typickou aplikaci běžící od 120Vac, přestože má zařízení široké vstupní napětí v rozmezí 90Vac až 305Vac, takže je vhodné pro libovolnou oblast.

Přídavný řidič může pracovat jen s dvěma externími součástmi, kromě můstkového usměrňovače. Přístroj chytře zabraňuje potřebě regulovat napravené napájení.

Obrázek 3 ukazuje, že když se rektifikované síťové napětí zvýší, dosáhne úrovně napěťového proudu řady LED připojených ke každému současnému výtoku. Proud je tedy každým LED diodou nakreslený proudem, dokud protéká všechny proudy LED. Proud odvozený každým řetězcem je vyvážený; buď se zvyšuje nebo snižuje v závislosti na tom, který řetězec je v určitém okamžiku předurčen. To zajišťuje hladký provoz a snižuje frekvenční harmonické, což vede ke zlepšení výkonového faktoru a snížení celkového EMI.

Společnost Semiconductor tvrdí, že přístroj FL77944 může dosáhnout typického činitele výkonu 0,98 a celkového harmonického zkreslení menšího než 20%. Tlumící vstup podporuje analogové nebo PWM stmívání, čímž se RMS proud, který prochází LED diodami, liší lineárně s úrovní napětí na stmívači vstupu.

Zařízení je také kompatibilní s tlumením triaku na předním a zadním okraji, ve kterém je střídavá vlnová délka řezána během fáze buď na přední / vzestupné hraně, nebo na koncové / spadající hraně půlkruhu. Jelikož se jedná o inherentní formu střídavého napájení pro nastavení výkonu na zátěž, ne všechny ovladače LED jsou schopny pracovat z triaku stmívaného střídavého napájení a naopak, ne všechny triakové stmívače budou pracovat s LED ovladačem, protože to není stejný profil zatížení jako běžná svítidla.

Připojené osvětlení

Zatímco přední a koncové stmívání je v podstatě starší technologií a není nutně jednoduché automatizovat, stmívání PWM je samozřejmě digitální a je teoreticky snadnější ovládat čistě elektronickými prostředky. To podporuje posun směrem k připojeným a inteligentním osvětlovacím systémům, které lze vzdáleně sledovat a řídit, a tvoří součást internetu věcí.

Bezdrátová komunikace je základním prvkem inteligentního osvětlení a není čistě zaměřená na zákazníka, ačkoli to je zjevně hlavní výhoda oproti běžným osvětlovacím systémům.

Připojený systém je inteligentní, protože umožňuje jediný návrh přizpůsobit pro širokou škálu instalačních scénářů, aniž by musel poskytovat inženýra na místě. Odstranění nebo snížení nákladů na údržbu je primárním přínosem IoT obecně a vztahuje se na inteligentní osvětlení zejména kvůli možným rozdílům, které může každá instalace zaznamenat. Schopnost navrhnout pro tyto varianty nebo jim vyhovět pomocí aktualizací přes vzduch je základním prvkem prostředí osvětleného LED.

Příkladem toho, jak je to v praxi dosaženo, je ZigBee připojená osvětlovací souprava od společnosti Silicon Labs, která je založena na síti EFR32MG Mighty Gecko pro bezdrátové sítě SoC pro ZigBee a Thread.

Sada je nakonfigurována tak, aby fungovala "mimo krabici" a byla připravena připojit se k síti ZigBee. Vyžaduje bránu kompatibilní s ZigBee Home Automation 1.2, jako je virtuální brána USB od společnosti Silicon Labs. Firmware je založen na stacku Ember ZNet Pro, který je k dispozici registrovaným vývojářům na webových stránkách společnosti Silicon Labs.

Po připojení k síti brána poskytne bezdrátový přístup k funkcím sady. To zahrnuje nastavení intenzity, barvy a teploty barev LED diod. Vzhledem k tomu, že se jedná o vyhodnocovací soupravu, umožňuje také zkoumat další funkce a zahrnuje testovací bod PWM, který lze použít k ovládání externího ovladače LED.

Firmware obsahuje konfigurační server plug-in serveru, který umožňuje provádět některé změny během výrobního procesu bez nutnosti překompilovat kód. To zahrnuje úpravu frekvence PWM, která může být zapotřebí u některých ovladačů LED, nebo změna vysílacího výkonu zařízení v souladu s regionálními omezeními.

Schopnost modifikovat tyto funkce bez vynucení změn firmwaru umožňuje použít stejný binární obraz ve více variantách produktů.

Příkazy používané k úpravám mohou být vydávány libovolnou doménou kompatibilní s Home Automation 1.2, ale je zde také příkaz vyhrazený pro zabránění akceptování jakýchkoli následných aktualizací, pokud to bude vyžadováno. Příkazy používané pro konfiguraci výstupu PWM jsou určeny pro použití ve spojení s konkrétním ovladačem LED podle požadavků výrobců.

Mocný Gecko, ZigBee a Thread rodina SoCs byla vyvinutá speciálně pro tento druh aplikace. Jak je vidět v Na obr. 4 jsou hlavními funkčními bloky součásti Cortex-M4 a radiopřijímač, ale také obsahuje řadu periferií a podporu až 31 pinů určených pro analogové kanály, které mohou být směrovány do analogového kanálu komparátor, ADC a proudový výstup DAC.

Vzhledem k tomu, že transceiver je navržen tak, aby fungoval na frekvenci 2,4 GHz, může zařízení podporovat řadu protokolů včetně Bluetooth Smart, Zigbee a Thread, stejně jako proprietární protokoly.

Model EFR32MG také obsahuje systém periferních reflexů společnosti Silicon Labs (PRS), který umožňuje různým periferním zařízením pracovat autonomně odesíláním a přijímáním informací mezi nimi na základě spouštěčů, aniž by byl hlavní procesor vyřazen z režimu spánku.

To může významně snížit požadavky na napájení systému v aplikacích napájených bateriemi. V kombinaci s nízkým příkonem LED osvětlení to vytváří možnosti pro připojené osvětlení napájené bateriemi, které se mohou nacházet v oblastech, kde není k dispozici napájení střídavým proudem, například venkovské lokality. Může se také použít k omezení bezdrátové komunikace v oblastech, kde by konstantní RF přenos mohl mít nežádoucí "šum".

Splnění všech požadavků

Model EFR32MG byl navržen tak, aby byl srdcem inteligentního řešení osvětlení umožňujícího vzdálené osvětlení a ovládání LED pomocí brány.

To znamená, že světla mohou být bezdrátově ovládána majitelem domů nebo obchodním manažerem v areálu a kontrola může být udělena i jinému poskytovateli služeb, čímž se vytvoří řídící centrum umístěné kdekoli na světě pro správu řady budov v různých časových pásmech nebo kontinenty. Důsledky jsou, že jakékoliv dimenzované světlo může být připojeno a centrálně řízeno. To vytváří poptávku po širokém spektru LED ovladačů, z nichž ne všechny budou muset řídit vysoce výkonné LED diody.

Relevantním příkladem by byl AL5802 z diod. Toto zařízení bylo vyvinuto speciálně pro nízkonapěťové LED diody s proudem mezi 20mA a 100mA s co nejmenšími externími komponentami. Obrázek 5 ukazuje typický příklad aplikace. Tranzistor Q1 se používá pro snímání proudu, který prochází zátěží LED, snímáním napětí přes externí rezistor. Napětí základního emitoru Q1 se pak používá k řízení základního proudu Q2. Při provozu v lineárním režimu reguluje Q2 proud, který prochází LED diodami.

Mnoho zařízení může být použito paralelně k dosažení vyššího proudu LED v případě potřeby (Obr. 6) a AL5802 také podporuje stmívání založené na PWM (Obr. 7).

Řešení systémové úrovně

Očekává se, že LED osvětlení bude nadále přenášet konvenční osvětlení alespoň do roku 2022, kdy se termín "konvenční" může používat spíše pro osvětlení LED než pro dnešní technologie.

Mnoho výrobců polovodičů reaguje na tuto poptávku tím, že vyvíjí řadu produktů, které obecně spadají do kategorie řidičů. Vzhledem k tomu, že zdroje střídavého proudu se postupně připojují a potenciálně mohou být nahrazeny zásuvkami a vodiči poskytujícími nízkonapěťové DC, může se produktový mix dobře měnit, ale je nepravděpodobné, že se poptávka rozptýlí.

Jejich solidární stav nabízí mnohem větší potenciál než tradiční osvětlení, dokonce možnost integrovat inteligenci spolu s vysílači na jediném substrátu nebo vícepólovém modulu. Zatímco tato paradigma může být ještě nějaký čas, pokračující investice do základní technologie bude udržovat cenovou erozi a bude i nadále zvyšovat účinnost. Tyto trendy ukazují na velmi jasnou budoucnost osvětlení LED.

Obrázek 8 demonstruje, že všechny tyto technologie mohou být dosaženy pomocí několika komponent a vytváří možnost snadného dodatečného přizpůsobení LED do stávajících svítidel, aby se rychle vytvořil připojený osvětlovací systém, který lze ovládat místně nebo vzdáleně.

Připojené osvětlení na veřejných místech přináší také širší potenciál a již existují příklady inteligentních měst využívajících připojené LED osvětlení, které slouží jako Bluetooth majáky pro vysílání spotřebitelských nabídek komukoli v okolí, který provozuje příslušnou aplikaci na chytrém telefonu. Zatímco to nemusí být pro všechny náročné, stejný princip může být použit k zajištění úplného bezdrátového pokrytí v továrně, například k vysílání důležitých zpráv služby. Jakmile konektivita v jakékoliv aplikaci stanoví svou počáteční hodnotu, je poměrně jednoduché stavět na ní.

V internetových termínech se tyto služby nazývají "špičkové" služby a je zcela rozumné očekávat, že budou vyvinuty s inteligentním osvětlením.

O autorovi

Rich Miron je inženýr aplikací u distributora komponent Digi-Key