Solid-state-valaistus ja kirkkaat LEDit muuttavat tapaa, jolla näemme maailman, aivan kirjaimellisesti. LED-valaistuksen ympäristöedut ovat kaksinkertaiset. Ensinnäkin tekniikka itsessään on erittäin energiatehokas tapa tuottaa fotoneja, mikä tekee siitä houkuttelevan käyttökustannusten suhteen mitattuna volframihehkulamppua, hehkuvia tai jopa pienloistelamppuja. Tämä yksin tekee kannattavaksi perinteisen valaistuksen korvaamisen kiinteän tilan vaihtoehdoilla.

Toiseksi siirtyminen teknologiaan, joka toimii matalajännitteisen tasavirtajännitteen toimesta verrattuna korkeajännitteiseen AC-linjaan, luo lisämahdollisuuksia paitsi lisätehokkuuden kannalta myös valaistuksen käytössä.

Tämä ylittää yksinkertaisen "peiton" valaistuksen. Siinä esitellään kaavoitus-, kohtaus- tai mieliala-valaistusta koskevat käsitteet sekä kytketty valaistus, joka voi reagoida ympäristöön ja matkustajien tarpeisiin.

Taloudellinen toiminta

LED-valaistuksen tehokkuutta noudatetaan hyvin, ja siinä on jopa "laki", joka ennustaa sen jatkuvan kehityksen: Haltzin laki. Tämä toteaa, että LED-valaistuksen aiheuttamat kustannukset lumen kohdalta laskevat 10 kertaisella 10 vuoden välein.

Tämä ennustaa hyvin, että LEDit pystyvät tuottamaan 200 lm / W vuoteen 2020 mennessä - ja teollisuus on hyvissä ajoin tämän saavuttamiseksi.

On kuitenkin huomionarvoista, että jopa korkean kirkkauden LED-valot käyttävät edelleen vain noin puolta diodiristeeseen syötetystä energiasta fotoneina, ja loput yksinkertaisesti tuottaa lämpöä sivutuotteena, joka on myöhemmin hävitettävä. Tämä on ratkaisevan tärkeää, koska liitoskohdan lämpötila ei saa olla yli 150º, ja tämä on tärkeä osa LED-tekniikan mukaisten valaisimien suunnittelua.

Siirry suoraan

Toisin kuin yksinkertainen AC-virtalähde, joka vuorottelevan virran johdosta kääntyy täysin päälle ja pois joka puolen jakson aikana, LED-valo toimii parhaiten, kun sitä syötetään jatkuvalla virralla. Tätä parametria säätämällä on mahdollista vaihtaa valon kirkkautta ja väriä, mutta se vaatii tarkkaa säätöä ja on yleensä vaativampi kuin perinteisten valaistusmuotojen käyttö.

Nykyään useimmat valaisimet toimivat edelleen vaihtovirralla verrattuna pienjänniteverkkoon, LED: n edellyttämään matalaan DC-lähteeseen. Tämä tarkoittaa sitä, että perinteisen lampun korvaaminen LED: llä edellyttää jonkinlaista muuntamista.

Useimmissa tavanomaisissa kalusteissa käytettäväksi tarkoitetuissa LED-lampuissa muunnos tapahtuu lampussa. Tämä on luonut kysynnän pienille, edullisille tuotteille, jotka yhdistävät kaikki tarvittavat toiminnot DC-virtalähteen toimittamiseksi LED- tai LED-merkkijonoon, kun taas virtalähde on kytketty.

Koska LED-valot toimivat vain eteenpäin suuntautuvina, syöttöjännitteen täytyy pysyä positiivisena ja vaikka koko aallon silta-tasasuuntaaja voi olla vaikea integroida LED-ohjaimeen, on mahdollista sisällyttää shuntisäätimelle.

Tämä on esimerkki siitä, että On Semiconductor FL77944 LED Direct AC -ajuri on tehokas LED-ohjain, joka pystyy toteuttamaan himmennyksen useilla tavoilla, mukaan lukien analogiset tai digitaaliset (PWM) ja vaiheenkorjaukset.

Yksinkertaistettu lohkokaavio on esitetty kuviossa 1. Siinä on neljä nastat, jotka on omistettu LED-merkkijonoille, joista jokaisella on oma integroitu vakiovirtamoottori jopa 150 mA. Kolme LED-merkkijonoista voi hyväksyä jännitteen jopa 500V, kun taas neljäs voi hyväksyä jännitteen jopa 200V.

Kuva 2 osoittaa tyypillisen sovelluksen, joka kulkee 120Vac: sta, vaikka laitteessa on laaja syöttöjännitealue 90Vac ja 305Vac välillä, joten se soveltuu mille tahansa alueelle.

On Semi -ajuri voi toimia niin vähän kuin kaksi ulkoista komponenttia, ei kuitenkaan sillan tasasuuntaajaa. Laite välttää välttämättä tarve säädellä oikaistun tarjonnan.

Kuva 3 osoittaa, että kun tasasuuntausjännite nousee, se saavuttaa kullekin nykyiselle uppoantureille kiinnitetyn LED-merkkijohdon eteenpäin jännitetason. Virta piirretään näin ollen jokaisen LED-merkkijonon läpi, kunnes virta kulkee kaikkien LED-merkkijonojen läpi. Jokainen merkkijono piirtää nykyisen tasapainon; joko kasvaa tai vähenee riippuen siitä, mikä merkkijono on eteenpäin jännittynyt milloin tahansa. Tämä takaa tasaisen toiminnan ja pienentää taajuusyliääntä, mikä johtaa parantuneeseen tehottumiseen ja pienempään EMI-arvoon.

On Semiconductor väittää, että FL77944 voi saavuttaa tyypillisen tehokerroin 0,98 ja kokonaisäänen harmoninen vääristymä alle 20%. Himmennys-tulo tukee analogista tai PWM-himmennystä, jolla LEDien läpi virtaava RMS-virta vaihtelee lineaarisesti himmennys-tulon jännitetasolla.

Laite on myös yhteensopiva etu- ja takareunan triac-himmennyksen kanssa, jossa AC-aaltomuoto leikataan vaiheen aikana joko puolijakson etu- tai nousevalla reunalla tai jäljellä / laskevalla reunalla. Koska tämä on luontaisesti AC-muoto, joka säätää tehoa kuormitukseen, ei kaikki LED-ohjaimet pysty toimimaan triac-himmennetyssä verkkovirralla ja päinvastoin, kaikki triac-himmentimet toimivat LED-ohjaimella, koska se ei esitä sama kuormitusprofiili kuin perinteinen valaisin.

Yhdistetty valaistus

Vaikka etu- ja takareunan himmennys on olennaisesti vanha tekniikka, eikä se välttämättä ole helppo automatisoida, PWM-himmennys on luonnostaan ​​digitaalinen ja teoriassa on helpompi hallita pelkästään sähköisiä välineitä. Tämä tukee siirtymistä kohti kytkettyjä ja älykkäitä valaistusjärjestelmiä, joita voidaan seurata ja ohjata kauko-ohjattuna, ja jotka muodostavat osan satelliittivastaanotosta.

Langaton tiedonsiirto on olennainen osa älykästä valaistusta, eikä se ole pelkästään asiakaslähtöinen ominaisuus, vaikka se on selkeästi merkittävä etu perinteisiin valaistusjärjestelmiin nähden.

Liitetty järjestelmä muuttuu älykkääksi, koska se sallii yhden mallin räätälöinnin monenlaisille asennusskenaarioille ilman, että tarvitsee antaa insinööriä paikan päällä. Huoltotarpeen irrottaminen tai vähentäminen on esineiden internetin yleinen etu, ja se koskee älykästä valaistusta erityisesti sen vuoksi, että jokainen laitos saattaa kokea mahdollisia eroja. Kyseisten muunnelmien suunnittelu tai niiden tarjoaminen lennonjohdon päivitysten avulla on olennainen osa LED-keskittynyttä valaistusympäristöä.

Esimerkki siitä, miten tämä saavutetaan käytännössä tarjoaa ZigBee-liitäntävalaisin Silic Labs -ohjelmistosta, joka perustuu sen EFR32MG Mighty Gecko -verkkoyhteyteen langattomasta SoC: stä ZigBeen ja Threadille.

Paketti on määritetty toimimaan "ulos laatikosta" ja valmis liittymään ZigBee-verkkoon. Se edellyttää ZigBee Home Automation 1.2 -yhteensopivaa yhdyskäytävää, kuten Silicon Labsin USB-virtuaaliyhdyskäytävää. Laiteohjelmisto perustuu Ember ZNet Pro -pinoon, joka on saatavana rekisteröityneille kehittäjille Silicon Labs -verkkosivustolla.

Kun paketti on liittynyt verkkoon, yhdyskäytävä tarjoaa langattoman pääsyn paketin ominaisuuksiin. Tämä sisältää LED-valojen voimakkuuden, värin ja värilämpötilan säätämisen. Koska tämä on arviointisarja, se mahdollistaa myös muiden ominaisuuksien tutkimisen ja sisältää PWM-testipisteen, jota voidaan käyttää ulkoisen LED-ohjaimen ohjaamiseen.

Laiteohjelmisto sisältää konfigurointiklusterin palvelinliitännän, joka mahdollistaa joitakin muutoksia valmistusprosessin aikana ilman koodin kääntämistä. Tämä sisältää muun muassa PWM-taajuuden säätämisen, jota voi tarvita joillekin LED-ohjaimille tai laitteen lähetystehon muuttaminen alueellisten rajoitusten mukaisesti.

Kyky muokata näitä ominaisuuksia pakottamatta muutoksia laiteohjelmistoon sallii saman binäärikuvan käyttämisen useissa tuotevalikoimissa.

Kaikkien Home Automation 1.2 -yhteensopivien yhdyskäytävien avulla voidaan säätää komentoja, mutta on olemassa myös komento, joka on varattu mahdollisten myöhempien päivitysten hyväksymiseksi, mikäli sitä vaaditaan. PWM-ulostulon konfigurointiin käytettävät komennot on tarkoitettu käytettäviksi yhdessä LED-ohjaimen kanssa valmistajien vaatimusten kanssa.

SoC: n Mighty Gecko, ZigBee ja Thread-perhe on kehitetty nimenomaan tällaiselle sovellukselle. Kuten voidaan nähdä Kuviossa 4 osan tärkeimmät toiminnalliset lohkot ovat Cortex-M4 ja radiolähetinvastaanotin, mutta siinä on myös useita oheislaitteita ja tukea jopa 31: lle analogisille kanaville, jotka voidaan reitittää sirun analogiseksi komparaattori, ADC ja nykyinen lähtö DAC.

Koska lähetin-vastaanotin on suunniteltu toimimaan 2,4 GHz: ssä, laite voi tukea erilaisia ​​protokollia, kuten Bluetooth Smart, Zigbee ja Thread sekä omistajaprotokollia.

EFR32MG: ssä on myös Silicon Labs -heijastusheijastinjärjestelmä (PRS), joka mahdollistaa erilaisten oheislaitteiden toimivan itsenäisesti lähettämällä ja vastaanottamalla tietoja niiden väliltä laukaisijoihin perustuen ilman, että pääkeskus poistuu lepotilasta.

Tämä voi merkittävästi pienentää järjestelmän tehovaatimuksia paristokäyttöisissä sovelluksissa. Kun se yhdistetään LED-valaistuksen pienitehoiseen luonteeseen, se luo mahdollisuuksia akkuvirtaiseen kytkettyyn valaistukseen, joka voi sijaita alueilla, joissa verkkovirtaa ei ole saatavana, kuten maaseutualueilla. Sitä voidaan käyttää myös rajoittamaan langatonta viestintää alueilla, joilla vakiomuotoinen RF-liikenne saattaa aiheuttaa ei-toivottua "kohinaa".

Kaikkien vaatimusten täyttäminen

EFR32MG on suunniteltu toimimaan älykkään valaistusratkaisun ytimenä, jolloin LED-valot voidaan käsitellä ja ohjata etäyhteyden kautta yhdyskäytävän kautta.

Tämä tarkoittaa sitä, että kodin omistaja tai liikemies voi hallita valoja langattomasti, kun taas tiloissa ja valvonnassa voidaan myöntää myös toinen palveluntarjoaja. Näin luodaan maailmanlaajuisesti toimiva valvontakeskus, joka hallitsee useita rakennuksia eri aikavyöhykkeillä tai mantereilla. Vaikutukset ovat, että mikä tahansa kokoinen valo voitaisiin yhdistää ja hallita keskitetysti. Tämä luo kysyntää monille LED-ajureille, joista kaikki eivät tarvitse pystyä ajamaan suuritehoisia LED-valoja.

Merkittävä esimerkki olisi diodeista peräisin oleva AL5802. Tätä laitetta on kehitetty erityisesti pienitehoisten LEDien käyttämiseksi virralla, joka on välillä 20 mA ja 100 mA, mahdollisimman pienillä ulkoisilla komponenteilla. Kuvio 5 esittää tyypillistä sovellusesimerkkiä. Transistori, Q1, käytetään tunnistamaan virran, joka virtaa LED-kuorman läpi tunnistaen jännitteen ulkoisen vastuksen yli. Q1: n emäsemitterijännitettä käytetään sitten Q2: n kantavirran ohjaamiseksi. Lineaarisessa tilassa toimiminen Q2 säätelee LED-valon (LEDien) läpi virtaa.

Useita laitteita voidaan käyttää rinnakkain korkeamman LED-virran saavuttamiseksi tarvittaessa (Kuva 6), ja AL5802 tukee myös PWM-pohjaista himmennystä (Kuvio 7).

Järjestelmätason ratkaisu

LED-valaistuksen odotetaan edelleen syrjäyttävän tavanomaista valaistusta ainakin vuoteen 2022 saakka, jolloin termiä "tavanomainen" voidaan käyttää viittaamaan LED-valaistukseen nykyajan tekniikan sijaan.

Monet puolijohdevalmistajat vastaavat tähän kysyntään kehittämällä erilaisia ​​tuotteita, jotka yleensä kuuluvat kuljettajaryhmään. Koska vaihtovirta-tarvikkeet ovat vähitellen liitettyinä ja mahdollisesti korvattavissa pistorasioilla ja pienjänniteverkkoa tuottavilla johdotusverkoilla, tuotevalikoima saattaa muuttua hyvin, mutta kysyntä ei todennäköisesti vähenisi.

Sen kiinteän tilan luonne tarjoaa paljon enemmän potentiaalia kuin perinteinen valaistus, jopa mahdollisuus integroida älykkyys päästölähteiden rinnalla yhteen substraattiin tai multichip-moduuliin. Vaikka tämä paradigma saattaa vielä olla jonkin aikaa pois, jatkuva investointi perustana olevaan teknologiaan ylläpitää hintojen eroosiota ja lisää edelleen tehokkuutta. Nämä suuntaukset osoittavat LED-valaistuksen erittäin kirkas tulevaisuus.

Kuten kuvassa 8 osoittaa, että kaikkien näiden tekniikoiden yhdistäminen voidaan jo saavuttaa käyttämällä vain muutamia komponentteja ja luo mahdollisuuksia helposti jälkiasentamaan LEDit olemassa oleviin laitteisiin, jotta voidaan rakentaa nopeasti yhdistetty valaistusjärjestelmä, jota voidaan hallita paikallisesti tai etäyhteydellä.

Liitetty valaistus julkisilla paikoilla tuo myös laajempaa potentiaalia, ja jo olemassa on esimerkkejä älykkäistä kaupungeista, joissa käytetään yhdistettyjä LED-katuvaloja, toimimaan Bluetooth-lähettimiä lähettämässä kuluttajatarjouksia kenelle tahansa lähellä olevalle, joka käyttää asianmukaista sovellusta älypuhelimessa. Vaikka tämä ei ole valitettava kaikille, samaa periaatetta voidaan käyttää tuottamaan koko langaton peitto tehtaalla esimerkiksi tärkeiden palveluviestien lähettämiseen. Kun yhteys luo alkuperäisen arvon mihin tahansa sovellukseen, se on suhteellisen helppoa rakentaa siihen.

Internet-termejä kutsutaan "ylhäältä" -palveluksi, ja on täysin järkevää odottaa niitä kehitettävän älykkäällä valaistuksella.

Kirjailijasta

Rich Miron on sovellusinsinööri Digi-Key-komponenttien jakelijalla