Solid State-ljus och LED-ljus med hög ljusstyrka förändras hur vi ser världen, ganska bokstavligen. Miljömässiga fördelar med LED-belysning är dubbelt. För det första är tekniken i sig ett mycket energieffektivt sätt att generera foton, vilket gör det attraktivt vad gäller driftskostnaderna när de mäts mot volframfilament, glödlampor eller till och med kompaktlysrör. Detta gör det enbart att ersätta traditionell belysning med solid state-alternativ.

För det andra skapar övergången till en teknik som drivs från en lågspännings-likström, i motsats till en högspänningsledning, ytterligare möjligheter, inte bara när det gäller ytterligare effektivitet utan också hur belysningen används.

Detta går utöver enkla "filt" belysning. Det introducerar begreppen zonering, scen eller humörbelysning och ansluten belysning som kan vara mer mottaglig för miljön och passagerarnas behov.

Ekonomisk funktion

Effekten av LED-belysning är väl observerad, och det finns till och med en "lag" som förutspår sin fortsatta trend: Haltz's Law. Detta säger att kostnaden per lumen genererad av LED-belysning minskar med en faktor 10 var 10: e år.

Detta förutspår precis att LED-lampor kommer att kunna generera 200 lm / W 2020 - och branschen är väl på rätt väg för att uppnå det.

Det är emellertid anmärkningsvärt att även LED-ljus med hög ljusstyrka använder fortfarande endast ungefär hälften av den energi som tillförs diodbrytningen som fotoner, och resten genererar helt enkelt värme som en biprodukt som därefter måste släppas ut. Detta är avgörande för att korsningstemperaturen inte ska överstiga ca 150º, och upprätthållande av detta är en viktig del i konstruktionen av ljusarmaturer baserade på LED-teknik.

Gå direkt

Till skillnad från en enkel växeldriven lampa som, när den drivs av en växelström, sitter helt på och helt från varje halvcykel, fungerar en LED-lampa bäst när den matas med en konstant ström. Genom att justera denna parameter är det möjligt att ändra ljusets ljusstyrka och färg, men det kräver noggrann kontroll och är generellt mer krävande än att köra konventionella belysningsformer.

I dag körs de flesta ljusinställningar fortfarande från en nätaggregat i motsats till den lågspänningsström med låg strömkälla som krävs av en LED. Det innebär att för att ersätta en konventionell glödlampa med en LED krävs någon form av omvandling.

I de flesta LED-lampor avsedda för användning i en konventionell fixtur sker omvandling i glödlampan. Detta har skapat en efterfrågan på små och billiga produkter som integrerar alla funktioner som behövs för att leverera en konstant likström till en lysdiod eller sträng av lysdioder medan den fortfarande är ansluten till en nätaggregat.

Eftersom LED-signalerna endast är förspända, måste matningsspänningen vara positiv, och även om det kan vara svårt att integrera en fullvågsbryggare i en LED-drivrutin, är det möjligt att inkludera en shuntregulator.

Det här är fallet med FL77944 LED-direktdrivrutinen från On Semiconductor, som är en högkvalitativ LED-drivrutin som kan genomföra dimning på flera sätt, inklusive analog eller digital (PWM) och fasskärning.

Ett förenklat blockschema visas i Figur 1. Den har fyra stift tillägnad strängar av lysdioder, var och en med sin egen integrerade konstant sänka upp till 150mA. Tre av LED-strängarna kan acceptera en spänning upp till 500V, medan den fjärde kan acceptera en spänning upp till 200V.

figur 2 visar en typisk applikation som körs från 120Vac, även om enheten har ett brett inmatningsspänningsområde mellan 90Vac och 305Vac, vilket gör det lämpligt för alla områden.

On Semi-drivrutinen kan fungera med så få som två externa komponenter, inte inklusive bryggriktaren. Enheten undviker behovet av att reglera det korrigerade utbudet.

Figur 3 visar att när den rektifierade linjespänningen stiger, når den framåtspänningsnivån för en sträng av lysdioder som är fästa vid var och en av de nuvarande spolarna. Strömmen dras därför genom varje LED-sträng i följd, tills strömmen strömmar genom alla LED-strängar. Strömmen som dragits av varje sträng är balanserad; antingen ökar eller minskar beroende på vilken sträng som är förspänt i framtiden vid varje given tillfälle. Detta säkerställer smidig drift och minskar frekvensövertoner, vilket leder till en förbättrad effektfaktor och lägre övergripande EMI.

På Semiconductor hävdar att FL77944 kan uppnå en typisk effektfaktor på 0,98 och en total harmonisk distorsion på mindre än 20%. En dämpningsingång stöder analog eller PWM-dimning, varigenom RMS-strömmen som strömmar genom LED-lamporna varierar linjärt med spänningsnivån på dämpningsingången.

Enheten är också kompatibel med triac-dimning av ledande och bakre kant, där AC-vågformen skärs under fasen, antingen vid den främre / stigande kanten eller halva cykelns bakåt / fallande kant. Eftersom det här är en egen AC-form för att justera effekten till en belastning, kan inte alla LED-drivrutiner fungera från en triakdimmad nätaggregat och omvänt kommer inte alla triac-dimmare att fungera med en LED-drivrutin, eftersom den inte presenterar samma lastprofil som en vanlig lampa.

Ansluten belysning

Medan ledande och bakre kantdämpning är väsentligen en äldre teknik och inte nödvändigtvis enkel att automatisera, är PWM-dimning i sig digital och är teoretiskt lättare att styra genom rent elektroniska medel. Detta stöder övergången till anslutna och intelligenta belysningssystem som kan övervakas och styras på distans, för att utgöra en del av IoT.

Trådlös kommunikation är en grundläggande del av smart belysning och är inte enbart en kundcentrerad funktion, men det är klart en stor fördel gentemot konventionella belysningssystem.

Ett anslutet system blir smart eftersom det gör att en enda design kan skräddarsys för ett brett spektrum av installationsscenarier utan att behöva ge en ingenjör på plats. Att ta bort eller minska underhållsbelastningen är en viktig fördel för IoT i allmänhet, och det gäller smart belysning, särskilt på grund av de möjliga skillnader som varje installation kan uppleva. Att kunna designa för dessa variationer eller tillgodose dem med hjälp av över-the-air uppdateringar är en grundläggande del av en LED-centrerad ljusmiljö.

Ett exempel på hur detta uppnås i praktiken tillhandahålls av ZigBee-anslutna belysningssatsen från Silicon Labs, som bygger på sin EFR32MG Mighty Gecko mesh-nätverk, Wireless SoC för ZigBee och Thread.

Satsen är konfigurerad att fungera "out of the box" och redo att ansluta till ett ZigBee-nätverk. Det kräver en ZigBee Home Automation 1.2-kompatibel gateway, till exempel USB-virtuell gateway från Silicon Labs. Firmware är baserad på Ember ZNet Pro stacken, som är tillgänglig för registrerade utvecklare på Silicon Labs hemsida.

När paketet har anslutit sig till ett nätverk, kommer gatewayen att ge trådlös åtkomst till särdrag i satsen. Detta inkluderar inställning av lysdiodernas intensitet, färg och färgtemperatur. Eftersom det här är ett utvärderingspaket, tillåter det också att andra funktioner undersöks och innehåller en PWM testpunkt som kan användas för att styra en extern LED-drivrutin.

Firmwareprogrammet innehåller en plug-in för konfigurationskluster, vilket gör att vissa ändringar kan göras under tillverkningsprocessen utan att behöva kompilera koden igen. Detta innefattar att justera PWM-frekvensen, vilket kan behövas för vissa LED-drivrutiner, eller ändra enhetens sändningskraft i enlighet med regionala begränsningar.

Möjligheten att ändra dessa funktioner utan att tvinga ändringar i firmware gör att samma binära bild kan användas i flera produktvarianter.

Kommandon som används för att göra justeringar kan utfärdas av någon hemautomatisering 1.2-kompatibel gateway, men det finns också ett kommando som är reserverat för att förhindra att några efterföljande uppdateringar accepteras, om det behövs. Kommandon som används för att konfigurera PWM-utgången är avsedda att användas i kombination med en specifik LED-drivrutin till tillverkarens krav.

Mighty Gecko, ZigBee och Thread-familjen av SoCs har utvecklats speciellt för denna typ av applikation. Som kan ses i Figur 4 är delarna Cortex-M4 och radiosändaren, men den har också ett antal kringutrustning och stöd för upp till 31 stift tillägnad analoga kanaler som kan dirigeras till analoga analoga komparator, ADC och en strömutgång DAC.

Eftersom sändtagaren är utformad för att fungera vid 2,4 GHz kan enheten stödja en rad protokoll, inklusive Bluetooth Smart, Zigbee och Thread, samt proprietära protokoll.

EFR32MG har också Silicon Labs periferreflexsystem (PRS), vilket gör det möjligt för olika kringutrustning att fungera autonomt genom att skicka och ta emot information mellan dem baserat på triggers utan att ta bort huvudprocessorn i viloläge.

Detta kan betydligt sänka systemets kraven i batteridriven applikationer. När det kombineras med LED-belysningen med låg effekt, skapar detta möjligheter för batteridriven ansluten belysning som kan vara belägen i områden där det inte finns en strömförsörjning, till exempel på landsbygden. Det kan också användas för att begränsa trådlös kommunikation i områden där konstant RF-trafik kan ge oönskade "buller".

Uppfyller alla krav

EFR32MG har utformats för att vara hjärtat av en smart belysningslösning, vilket gör att LED-lampor kan adresseras och styras på distans via en gateway.

Det innebär att lamporna kan kontrolleras trådlöst av hushållsägaren eller affärschefen medan de finns i lokalerna, och kontroll kan också beviljas till en annan tjänsteleverantör, skapa ett kontrollcenter som finns överallt i världen för att hantera ett antal byggnader i olika tidszoner eller kontinenter. Implikationerna är att alla dimensionerade ljus kan kopplas och centralt kontrolleras. Detta skapar efterfrågan på ett brett utbud av LED-drivrutiner, som inte alla behöver driva LED-lampor med hög effekt.

Ett relevant exempel skulle vara AL5802 från Diodes. Denna enhet har utvecklats speciellt för att driva lågströmslampor med en ström mellan 20mA och 100mA med de minsta externa komponenterna som möjligt. Figur 5 visar ett typiskt applikationsexempel. Transistorn Q1 används för att känna strömmen som strömmar genom LED-belastningen genom att detektera spänningen över det yttre motståndet. Bas-emitterspänningen i Q1 används då för att styra basströmmen för Q2. Körs i linjärt läge, Q2 reglerar strömmen som strömmar genom LED-lamporna.

Flera enheter kan användas parallellt för att uppnå högre LED-ström om det behövs (Figur 6), och AL5802 stöder också PWM-baserad dimming (Figur 7).

Systemnivålösning

LED-belysningen förväntas fortsätta att förflytta konventionell belysning åtminstone fram till 2022, varav termen "konventionell" kan väl användas för att hänvisa till LED-belysning i stället för dagens teknik.

Många halvledarprodusenter svarar på denna efterfrågan genom att utveckla en rad produkter som vanligtvis faller under kategorin förare. Eftersom växelströmsförsörjningarna gradvis sammanfogas och eventuellt ersätts av utlopp och ledningsnät som tillhandahåller lågspänningsström, kan produktblandningen ändras väl, men efterfrågan är osannolikt att spridas.

Dess solid state-natur erbjuder mycket mer potential än traditionell belysning, till och med möjligheten att integrera intelligensen bredvid emitterna på ett enda substrat eller multichip-modul. Medan det paradigmet fortfarande kan vara ledigt, fortsätter den fortsatta investeringen i den bakomliggande tekniken att erhålla priserosion och fortsätta att öka effekten. Dessa trender pekar på en mycket ljus framtid för LED-belysning.

Som figur 8 visar att alla dessa tekniker tillsammans kan redan uppnås med hjälp av få komponenter och skapar möjligheten att enkelt montera om LED-lampor i befintliga armaturer för att snabbt bygga ett anslutet belysningssystem som kan styras lokalt eller på distans.

Ansluten belysning på offentliga platser introducerar också en bredare potential och det finns redan exempel på smarta städer som använder anslutna LED-gatubelysning för att fungera som Bluetooth-beacon för att sända konsumenterbjudanden till någon i närheten som kör den lämpliga applikationen på en smart telefon. Medan det inte kan vädja till alla, kan samma princip användas för att tillhandahålla total trådlös täckning i en fabrik för att sända viktiga servicemeddelanden, till exempel. När anslutning har etablerat sitt initialvärde i någon applikation är det relativt enkelt att bygga på det.

På internet kallas dessa "översta" tjänster, och det är helt rimligt att förvänta dem att utvecklas med smart belysning.

Om författaren

Rich Miron är en applikationsingenjör på komponentdistributören Digi-Key