Solid state-lys og lysstyrke med høy lysstyrke endrer måten vi ser verden på, ganske bokstavelig talt. Miljøfordelene ved LED-belysning er to ganger. For det første er teknologien i seg selv en svært energieffektiv måte å generere fotoner på, noe som gjør den attraktiv når det gjelder driftskostnader når den måles mot wolframfilament, glødelamper eller til og med kompakte fluorescerende lamper. Dette alene gjør det verdt å erstatte tradisjonell belysning med solid-state alternativer.

For det andre skaper flyttingen til en teknologi som opererer fra en lavspenningsforsyning, i motsetning til en høyspennings AC-linje, ytterligere muligheter, ikke bare når det gjelder ytterligere effektivitet, men også i den måten belysning brukes på.

Dette går utover det enkle "teppe" belysningen. Den introduserer konseptene om sonering, scene- eller stemningsbelysning og tilkoblet belysning som kan være mer lydhør overfor miljøet og beboernes behov.

Økonomisk funksjon

Effekten av LED-belysning er godt observert, og det er enda en "lov" som forutser den fortsatte trenden: Haltz's Law. Dette sier at kostnadene per lumen generert av LED-belysning reduseres med en faktor på 10 hvert 10. år.

Dette forutsetter at LEDene vil kunne generere 200 lm / W innen 2020 - og næringen er godt på vei for å oppnå det.

Det er imidlertid bemerkelsesverdig at selv lysstyrke med høy lysstyrke fortsatt bruker bare omtrent halvparten av energien som tilføres diodeforbindelsen som fotoner, og resten genererer bare varme som et biprodukt som senere skal løsnes. Dette er avgjørende fordi kryssetemperaturen ikke bør overstige 150º, og vedlikehold av dette er en viktig del av utformingen av lysarmaturer basert på LED-teknologi.

Gå direkte

I motsetning til en enkel elektrisk drevet lysarmatur, som når den drives av en vekselstrøm, blir fullt på og fullt ut av hver halvsyklus, fungerer en LED-lampe best når den mates med konstant strøm. Ved å justere denne parameteren er det mulig å endre lysets lysstyrke og farge, men det krever presis kontroll og er generelt mer krevende enn å kjøre konvensjonelle former for belysning.

I dag løper de fleste lysarmaturer fortsatt fra en vekselstrømforsyning i motsetning til lavspenningen, lavstrøm DC-kilden som kreves av en LED. Dette betyr at det er nødvendig å bytte ut en konvensjonell pære med en LED.

I de fleste LED-pærer beregnet for bruk i en konvensjonell fixtur, skjer konvertering i pæren. Dette har skapt en etterspørsel etter små og lave produkter som integrerer alle funksjonene som trengs for å levere en konstant likstrømsforsyning til en lysdiode eller en rekke lysdioder mens den fortsatt er koblet til en vekselstrømforsyning.

Fordi lysdiodene bare utfører forspenning, må forsyningsspenningen forbli positiv, og selv om det kan være vanskelig å integrere en fullbølgebryggeretter i en LED-driver, er det mulig å inkludere en shunt-regulator.

Dette er tilfellet med FL77944 LED direkte vekselstrøm fra On Semiconductor, som er en LED-driver med høy effekt, som kan implementere dimning på flere måter, inkludert analog eller digital (PWM) og faseskjæring.

Et forenklet blokkskjema er vist i figur 1. Den har fire pinner dedikert til lysdioder, hver med sin egen integrerte konstantstrømsvaske opp til 150mA. Tre av LED-strengene kan akseptere en spenning på opptil 500V, mens den fjerde kan akseptere en spenning på opptil 200V.

Figur 2 viser en typisk applikasjon som kjører fra 120Vac, selv om enheten har et bredt inngangsspenningsområde på mellom 90Vac og 305Vac, noe som gjør den egnet for alle områder.

On Semi-driveren kan operere med så få som to eksterne komponenter, ikke inkludert broens likeretter. Enheten unngår smart behovet for å regulere den rettede forsyningen.

Figur 3 viser at når den rettede linjespenningen stiger, når den fremspenningsnivået for en streng av lysdioder som er festet til hver av de nåværende vaskerørene. Strømmen trekkes derfor gjennom hver LED-streng i rekkefølge, til strømmen strømmer gjennom alle LED-strenger. Strømmen trukket av hver streng er balansert; enten økende eller avtagende avhengig av hvilken streng som er forspenning til enhver tid til enhver tid. Dette sikrer jevn drift og reduserer frekvensovertoner, noe som fører til en forbedret effektfaktor og lavere samlet EMI.

På Semiconductor hevder at FL77944 kan oppnå en typisk effektfaktor på 0,98 og en total harmonisk forvrengning på mindre enn 20%. En dimming inngang støtter analog eller PWM dimming, hvorved RMS strømmen som strømmer gjennom LEDene vil variere lineært med spenningsnivået på dimming inngang.

Enheten er også kompatibel med ledende og bakre triac dimmer, hvor AC-bølgeformen er kuttet under fasen, enten ved den fremre / stigende kanten eller den bakre / fallende kanten av halv-syklusen. Siden dette er en iboende AC-form for å justere effekten til en belastning, er ikke alle LED-drivere i stand til å fungere fra en triakdimmet vekselstrømforsyning, og omvendt vil ikke alle triac-dimmere operere med en LED-driver, da den ikke presenterer Den samme lastprofilen som en vanlig lysarmatur.

Tilkoblet belysning

Mens dimensjonering av ledende og bakre kant er hovedsakelig en eldre teknologi og ikke nødvendigvis enkel å automatisere, er PWM-dimning iboende digital og er teoretisk lettere å styre gjennom rent elektronisk måte. Dette støtter skiftet mot tilkoblede og intelligente belysningssystemer som kan overvåkes og styres eksternt, for å inngå i IoT.

Trådløs kommunikasjon er en grunnleggende del av smart belysning og er ikke bare en kunde-sentrisk funksjon, selv om det klart er en stor fordel i forhold til konvensjonelle belysningssystemer.

Et tilkoblet system blir smart fordi det gjør at et enkelt design kan skreddersys for et bredt spekter av installasjonsscenarier uten å måtte gi en ingeniør på stedet. Å fjerne eller redusere vedlikeholdsbelastningen er en primær fordel for IoT generelt, og det gjelder smart belysning, særlig på grunn av mulige forskjeller som hver installasjon kan oppleve. Å være i stand til å designe for disse variasjonene eller imøtekomme dem med bruk av over-the-air oppdateringer er en grunnleggende del av et LED-sentrert lysmiljø.

Et eksempel på hvordan dette oppnås i praksis, er levert av ZigBee-tilkoblet belysningssett fra Silicon Labs, som er basert på sin EFR32MG Mighty Gecko-nettverksvirksomhet trådløs SoC for ZigBee og Thread.

Kitet er konfigurert til å fungere 'ut av boksen' og klar til å bli med i et ZigBee-nettverk. Det krever en ZigBee Home Automation 1.2-kompatibel gateway, for eksempel USB-virtuell gateway fra Silicon Labs. Fastvaren er basert på Ember ZNet Pro-stakken, som er tilgjengelig for registrerte utviklere på Silicon Labs nettsted.

Når pakken har sluttet seg til et nettverk, gir gatewayen trådløs tilgang til funksjonene i settet. Dette inkluderer innstilling av lysstyrkenes intensitet, farge og farge-temperatur. Ettersom dette er et evalueringssett, kan det også utforskes andre funksjoner, og inkluderer et PWM testpunkt som kan brukes til å styre en ekstern LED-driver.

Fastvareprogrammet inkluderer en plugin for konfigurasjonsklyngeserver, noe som gjør det mulig å foreta noen endringer i produksjonsprosessen uten å måtte kompilere koden. Dette inkluderer justering av PWM-frekvensen, som kan være nødvendig for enkelte LED-drivere, eller endring av senderens strømstyrke i samsvar med regionale restriksjoner.

Muligheten til å endre disse funksjonene uten å tvinge endringer i fastvaren, tillater at det samme binære bildet brukes i flere produktvarianter.

Kommandoene som brukes til å foreta justeringene, kan utstedes av en Home Automation 1.2-kompatibel gateway, men det er også en kommando som er reservert for å forhindre at senere oppdateringer blir akseptert, hvis det skulle være nødvendig. Kommandoene som brukes til å konfigurere PWM-utgangen, er beregnet for bruk sammen med en bestemt LED-driver til produsentens krav.

Den Mighty Gecko, ZigBee og Thread familien av SoCs er utviklet spesielt for denne typen søknad. Som det kan ses i Figur 4, de viktigste funksjonelle blokkene til delen er Cortex-M4 og radiosenderen, men den har også en rekke periferiutstyr og støtte for opptil 31 stifter dedikert til analoge kanaler, som kan dirigeres til on-chip-analogen komparator, ADC og en strømutgang DAC.

Siden transceiveren er utviklet for å fungere ved 2,4 GHz, kan enheten støtte en rekke protokoller, inkludert Bluetooth Smart, Zigbee og Thread, samt proprietære protokoller.

EFR32MG har også Silicon Labs periferreflekssystem (PRS), som gjør det mulig for forskjellige eksterne enheter å operere autonomt ved å sende og motta informasjon mellom dem basert på utløsere, uten å få hovedprosessoren ut av hvilemodus.

Dette kan redusere systemets strømkrav betydelig i batteridrevne applikasjoner. Når det kombineres med LED-belysningenes lave effekt, skaper dette muligheter for batteridrevet tilkoblet belysning som kan være plassert i områder der det ikke er tilgang til strømforsyning, for eksempel landlige steder. Det kan også brukes til å begrense trådløs kommunikasjon i områder hvor konstant RF-trafikk kan gi uønsket "støy".

Møter alle krav

EFR32MG er designet for å være hjertet i en smart belysningsløsning, slik at LED-lysene kan adresseres og styres eksternt gjennom en gateway.

Dette betyr at lysene kan kontrolleres trådløst av hjemmet eller forretningssjefen mens de er på stedet, og kontroll kan også gis til en annen tjenesteleverandør, og skaper et kontrollsenter som er plassert hvor som helst i verden for å administrere et antall bygninger i forskjellige tidssoner eller kontinenter. Implikasjonene er at alle størrelser av lys kan kobles og sentralstyres. Dette skaper etterspørsel etter et bredt spekter av LED-drivere, ikke alle som må kunne kjøre høyeffektdioder.

Et relevant eksempel ville være AL5802 fra Diodes. Denne enheten er utviklet spesielt for kjøring av lavstrømslysdioder med en strøm mellom 20mA og 100mA med de færre eksterne komponentene som mulig. Figur 5 viser et typisk applikasjonseksempel. Transistoren Q1 brukes til å registrere strømmen som strømmer gjennom LED-belastningen ved å registrere spenningen over den eksterne motoren. Basis-emitterspenningen til Q1 brukes da til å styre basestrømmen i Q2. Fungerer i lineær modus, regulerer Q2 strømmen som strømmer gjennom lysdiodene.

Flere enheter kan brukes parallelt for å oppnå høyere LED-strøm hvis det er nødvendig (Figur 6), og AL5802 støtter også PWM-basert dimming (Figur 7).

Systemnivåløsning

LED-belysning forventes å fortsette å forflytte konvensjonell belysning i det minste til 2022, hvorpå begrepet "konvensjonelt" kan brukes til å referere til LED-belysning i stedet for dagens teknologi.

Mange halvlederprodusenter reagerer på denne etterspørselen ved å utvikle en rekke produkter som vanligvis faller under kategorien drivere. Etter hvert som vekselstrømforsyningene gradvis kommer sammen og potensielt erstattes av uttak og ledningsnettet som leverer lavspenningsdrev, kan produktblandingen skifte seg, men etterspørselen er usannsynlig å løsne.

Dens solid state-natur gir mye mer potensial enn tradisjonell belysning, til og med muligheten til å integrere intelligensen sammen med emittere på et enkelt substrat eller multiplip modul. Selv om det paradigmet kan være litt ledig, vil den fortsatte investeringen i den underliggende teknologien opprettholde pris erosjon og fortsette å øke effekten. Disse trendene peker på en meget lys fremtid for LED-belysning.

Som figur 8 demonstrerer at alle disse teknologiene sammen allerede kan oppnås ved å bruke få komponenter og skaper potensial for lett å montere lysdioder i eksisterende armaturer for raskt å bygge et tilkoblet belysningssystem som kan styres lokalt eller eksternt.

Tilkoblet belysning på offentlige steder introduserer også et bredere potensial, og det finnes allerede eksempler på smarte byer som bruker tilkoblede LED-gatelys for å fungere som Bluetooth-beacon for å kringkaste forbrukertilbud til alle i nærheten som kjører det aktuelle programmet på en smart telefon. Selv om det ikke kan appellere til alle, kan samme prinsipp brukes til å gi total trådløs dekning i en fabrikk for å kringkaste viktige tjenestemeldinger, for eksempel. Når tilkobling etablerer sin opprinnelige verdi i en hvilken som helst applikasjon, er det relativt enkelt å bygge på det.

På internett er disse kalt "over the top" -tjenester, og det er helt rimelig å forvente at de skal utvikles med smart belysning.

Om forfatteren

Rich Miron er en applikasjonsingeniør hos komponentdistributøren Digi-Key