Solid state-lys og lysstyrke med høj lysstyrke ændrer den måde, vi ser verden på, ret bogstaveligt. De miljømæssige fordele ved LED-belysning er to gange. For det første er teknologien selv en meget energieffektiv måde at generere fotoner på, hvilket gør det attraktivt hvad angår driftsomkostninger, når det måles mod wolframfilament, glødelamper eller endda kompakte fluorescerende lamper. Dette alene gør det umagen værd at erstatte traditionel belysning med solid state alternativer.

For det andet skaber overgangen til en teknologi, der drives fra en lavspændings-strømforsyning, i modsætning til en højspændings-AC-linje yderligere muligheder, ikke kun med hensyn til yderligere effektivitet, men også i den måde, belysning anvendes.

Dette går ud over simpel 'tæppe' belysning. Det introducerer begreberne zoning, scene eller humørbelysning og tilsluttet belysning, der kan reagere mere på miljøet og beboernes behov.

Økonomisk funktion

Effekten af ​​LED-belysning overholdes, og der er endda en 'lov', der forudsiger den fortsatte tendens: Haltz's lov. Dette fastslår, at prisen pr. Lumen genereret af LED-belysning reduceres med en faktor på 10 hvert 10. år.

Dette forudsigeligt forudsætter, at lysdioder vil kunne generere 200 lm / W inden 2020 - og industrien er godt på vej til at opnå det.

Det er dog bemærkelsesværdigt, at selv høj lysstyrke-LED'er stadig kun bruger kun halvdelen af ​​den energi, der leveres til diodeforbindelsen som fotoner, og resten genererer simpelthen varme som et biprodukt, som efterfølgende skal bortslettes. Dette er afgørende, fordi forbindelsestemperaturen ikke må overstige omkring 150º, og opretholdelse af dette er en vigtig del af design af lysarmaturer baseret på LED-teknologi.

Gå direkte

I modsætning til en enkel AC-drevet lysarmatur, der, når den drives af en vekselstrøm, tænder helt og helt ud af hver halvcyklus, fungerer et LED-lys bedst, når det fodres med en konstant strøm. Ved at justere denne parameter er det muligt at ændre lysets lysstyrke og farve, men det kræver præcis kontrol og er generelt mere krævende end at køre konventionelle former for belysning.

I dag løber de fleste lysarmaturer stadig fra en vekselstrømsforsyning i modsætning til den lavspænding, lavstrøm DC-kilde, der kræves af en LED. Dette betyder, at der er behov for en form for omdannelse for at udskifte en konventionel pære med en LED.

I de fleste LED-pærer beregnet til brug i en konventionel armatur finder omdannelse sted i pæren. Dette har skabt en efterspørgsel efter små og billige produkter, der integrerer alle de funktioner, der er nødvendige for at levere en konstant DC-forsyning til en LED eller en række lysdioder, mens den stadig er forbundet med en vekselstrømsforsyning.

Fordi lysdioder kun udføres ved forspænding, skal forsyningsspændingen forblive positiv, og selv om det kan være svært at integrere en fuldbølge-bridge ensretter i en LED-driver, er det muligt at inkludere en shunt-regulator.

Dette er tilfældet med FL77944 LED direkte vekselstrøm fra On Semiconductor, som er en LED-driver med høj effekt, der er i stand til at implementere dæmpning på flere måder, herunder analog eller digital (PWM) og faseskæring.

Et forenklet blokdiagram er vist i figur 1. Det har fire stifter dedikeret til ledninger af LED'er, hver med sin egen integrerede konstant strøm vask op til 150mA. Tre af LED-strenge kan acceptere en spænding på op til 500V, mens den fjerde kan acceptere en spænding på op til 200V.

Figur 2 viser en typisk applikation, der kører fra 120Vac, selvom enheden har et bredt indgangsspændingsområde på mellem 90Vac og 305Vac, hvilket gør det egnet til enhver region.

On Semi-chaufføren kan fungere med så få som to eksterne komponenter, ikke med broens ensretter. Enheden undgår behøver behovet for at regulere den rettede forsyning.

Figur 3 viser, at når den rettede liniespænding stiger, når den fremadspændingsniveauet for en streng af lysdioder, som er fastgjort til hver af de aktuelle vaskepind. Strømmen trækkes derfor gennem hver LED-streng i rækkefølge, indtil strømmen strømmer gennem alle LED-strenge. Strømmen trukket af hver streng er afbalanceret; enten stigende eller faldende afhængigt af hvilken streng der er forspændt på et bestemt tidspunkt. Dette sikrer en jævn drift og reducerer frekvensovertoninger, hvilket fører til en forbedret effektfaktor og lavere samlet EMI.

På Semiconductor hævder, at FL77944 kan opnå en typisk effektfaktor på 0,98 og en total harmonisk forvrængning på mindre end 20%. En dæmpningsindgang understøtter analog eller PWM-dimming, hvormed RMS-strømmen, der strømmer gennem LED'erne, vil variere lineært med spændingsniveauet på dæmpningsindgangen.

Enheden er også kompatibel med ledende og bageste triac-dæmpning, hvor AC-bølgeformen skæres i løbet af fasen, enten ved den forreste / stigende kant eller den bageste / faldende kant af halvcyklen. Da dette er en iboende AC-form for justering af strømmen til en belastning, kan ikke alle LED-drivere fungere fra en triakdæmpet vekselstrømsforsyning, og omvendt vil ikke alle triac-dimmere fungere med en LED-driver, da den ikke frembyder Den samme belastningsprofil som en konventionel lysarmatur.

Tilsluttet belysning

Mens ledende og bageste kantdæmpning er væsentlig en gammel teknologi og ikke nødvendigvis enkel at automatisere, er PWM-dimming iboende digital og er teoretisk lettere at styre gennem rent elektroniske midler. Dette understøtter skiftet til tilsluttede og intelligente belysningssystemer, som kan overvåges og styres eksternt til at danne en del af IoT.

Trådløs kommunikation er en grundlæggende del af smart belysning og er ikke rent kundeorienteret, selv om det klart er en stor fordel i forhold til konventionelle belysningssystemer.

Et tilsluttet system bliver smart, fordi det gør det muligt for et enkelt design at skræddersyes til en lang række installationsscenarier uden at skulle stille en ingeniør på stedet. At fjerne eller reducere vedligeholdelsesbelastningen er en primær fordel for IoT generelt, og den gælder for smart belysning, især på grund af de mulige forskelle, som hver installation kan opleve. At være i stand til at designe for disse variationer eller imødekomme dem ved hjælp af over-the-air opdateringer er en fundamental del af et LED-centreret lysmiljø.

Et eksempel på, hvordan dette opnås i praksis, leveres af ZigBee-tilsluttet belysningssæt fra Silicon Labs, der er baseret på dets EFR32MG Mighty Gecko mesh-netværk, Wireless SoC for ZigBee og Thread.

Kittet er konfigureret til at fungere 'ude af kassen' og klar til at deltage i et ZigBee netværk. Det kræver en ZigBee Home Automation 1.2-kompatibel gateway, såsom USB-virtuel gateway fra Silicon Labs. Firmware er baseret på Ember ZNet Pro-stakken, som er tilgængelig for registrerede udviklere på Silicon Labs hjemmeside.

Når sættet er tilsluttet et netværk, giver gatewayen trådløs adgang til sættets funktioner. Dette omfatter indstilling af lysstyrkenes intensitet, farve og farvetemperatur. Da dette er et evalueringssæt, tillader det også andre funktioner at blive udforsket og indeholder et PWM testpunkt, som kan bruges til at styre en ekstern LED-driver.

Firmwareen indeholder en plug-in til konfiguration af klyngeservere, som gør det muligt at foretage nogle ændringer under fremstillingsprocessen uden at skulle genkompilere koden. Dette inkluderer justering af PWM-frekvensen, som kan være nødvendig for nogle LED-drivere eller ændring af enhedens transmissionseffekt i overensstemmelse med regionale begrænsninger.

Muligheden for at ændre disse funktioner uden at tvinge ændringer til firmwaren gør det muligt at bruge det samme binære billede i flere produktvarianter.

Kommandoerne, der bruges til at foretage justeringer, kan udstedes af enhver Home Automation 1.2-kompatibel gateway, men der er også en kommando, der er forbeholdt for at forhindre eventuelle efterfølgende opdateringer, der accepteres, hvis det kræves. De kommandoer, der bruges til at konfigurere PWM-udgangen, er beregnet til brug sammen med en bestemt LED-driver til fabrikantens krav.

Mighty Gecko, ZigBee og Thread familien af ​​SoCs er udviklet specielt til denne type applikation. Som det kan ses i Figur 4, delens vigtigste funktionsblokke er Cortex-M4 og radiotransceiveren, men den indeholder også en række periferiudstyr og understøtter op til 31 stifter dedikeret til analoge kanaler, som kan dirigeres til on-chip-analogen komparator, ADC og en nuværende output DAC.

Da transceiveren er designet til at fungere ved 2,4 GHz, kan enheden understøtte en række protokoller, herunder Bluetooth Smart, Zigbee og Thread, samt proprietære protokoller.

EFR32MG har også Silicon Labs perifere reflekssystem (PRS), som gør det muligt for forskellige eksterne enheder at fungere autonomt ved at sende og modtage information mellem dem baseret på triggere uden at bringe hoved-CPU'en ud af dvaletilstand.

Dette kan betydeligt sænke systemets strømkrav i batteridrevne applikationer. Når det kombineres med LED-belysningenes lave effekt, skaber dette muligheder for batteridrevet tilsluttet belysning, som kan være placeret i områder, hvor der ikke er strømforsyning, f.eks. Landdistrikter. Det kan også bruges til at begrænse trådløs kommunikation i områder, hvor konstant RF-trafik kunne frembringe uønsket "støj".

Opfylder alle krav

EFR32MG er designet til at være hjertet i en smart belysningsløsning, så LED-lysene kan adresseres og styres eksternt gennem en gateway.

Det betyder, at lysene kan styres trådløst af husets ejer eller forretningschef, mens de er på stedet, og der kan også gives kontrol til en anden tjenesteudbyder. Der oprettes et kontrolcenter placeret overalt i verden for at styre et antal bygninger i forskellige tidszoner eller kontinenter. Implikationerne er, at ethvert dimensioneret lys kunne forbindes og centralt styres. Dette skaber efterspørgsel efter en bred vifte af LED-drivere, som ikke alle skal kunne køre højeffektdioder.

Et relevant eksempel ville være AL5802 fra Dioder. Denne enhed er udviklet specielt til at køre lavstrøm LED'er med en strøm mellem 20mA og 100mA med de færrest mulige eksterne komponenter som muligt. Figur 5 viser et typisk applikationseksempel. Transistoren Q1 bruges til at bestemme strømmen, der strømmer gennem LED-belastningen ved at registrere spændingen over den eksterne modstand. Basis-emitterspændingen i Q1 bruges derefter til at styre basestrømmen i Q2. I lineær tilstand regulerer Q2 strømmen gennem LED'erne.

Flere enheder kan bruges parallelt for at opnå højere LED-strøm, hvis det er nødvendigt (Figur 6), og AL5802 understøtter også PWM-baseret dimming (Figur 7).

Systemniveau løsning

LED-belysning forventes at fortsætte med at fortrænge konventionel belysning i det mindste indtil 2022, hvorefter udtrykket "konventionelt" kan bruges til at henvise til LED-belysning frem for dagens teknologier.

Mange halvlederproducenter reagerer på denne efterspørgsel ved at udvikle en række produkter, der generelt falder ind under kategorien af ​​drivere. Da vekselstrømforsyninger gradvist sluttes til og potentielt erstattes af udløb og ledningsnet, der leverer lavspændings-DC, kan produktblandingen godt ændre sig, men efterspørgslen er usandsynligt, at den skal forsvinde.

Dens solid state-natur giver langt mere potentiale end traditionel belysning, endda muligheden for at integrere intelligensen sammen med emitterne på et enkelt substrat eller multichip-modul. Selvom dette paradigme måske stadig er tid, vil den fortsatte investering i den underliggende teknologi opretholde prisosion og fortsætte med at øge effektiviteten. Disse tendenser peger på en meget lys fremtid for LED-belysning.

Som figur 8 demonstrerer, at bringe alle disse teknologier sammen kan allerede nås ved hjælp af få komponenter og skaber potentialet til nemt at eftermontere LED'er i eksisterende armaturer for hurtigt at opbygge et tilsluttet belysningssystem, som kan styres lokalt eller eksternt.

Tilsluttet belysning på offentlige steder introducerer også et bredere potentiale, og der er allerede eksempler på, at smarte byer bruger tilsluttede LED-gadebelysning til at fungere som Bluetooth-beacon for at udsende forbrugertilbud til alle i nærheden, der kører den relevante applikation på en smart telefon. Selvom det ikke kan appellere til alle, kan det samme princip bruges til at give total trådløs dækning i en fabrik til at sende vigtige servicemeddelelser, for eksempel. Når forbindelsen etablerer sin startværdi i en hvilken som helst applikation, er det relativt enkelt at bygge på det.

På internettet kaldes disse "over the top" -tjenester, og det er helt rimeligt at forvente, at de udvikles med smart belysning.

Om forfatteren

Rich Miron er en applikationsingeniør hos komponentdistributøren Digi-Key