Solid-state verlichting en hoge helderheid LED's veranderen de manier waarop we de wereld zien, vrij letterlijk. De milieuvoordelen van LED-verlichting zijn tweeledig. Ten eerste is de technologie zelf een zeer energie-efficiënte manier om fotonen te genereren, wat hem aantrekkelijk maakt in termen van bedrijfskosten wanneer hij wordt gemeten tegen wolfraamgloeidraad, gloei- of zelfs compacte fluorescentielampen. Alleen al hierdoor is het de moeite waard om traditionele verlichting te vervangen door solid-state alternatieven.

Ten tweede creëert de overgang naar een technologie die werkt op basis van een laagspannings-DC-voeding, in tegenstelling tot een AC-lijn met hoge spanning, verdere mogelijkheden, niet alleen in termen van extra efficiëntie, maar ook in de manier waarop verlichting wordt gebruikt.

Dit gaat verder dan eenvoudige 'deken'-verlichting. Het introduceert de concepten zonering, scène- of sfeerverlichting en aangesloten verlichting die beter kan reageren op de omgeving en de behoeften van de bewoners.

Economische functie

De efficiëntie van LED-verlichting is goed waargenomen, en er is zelfs een 'wet' die de voortdurende trend voorspelt: de wet van Haltz. Dit stelt dat de kosten per lumen gegenereerd door LED-verlichting elke 10 jaar met een factor 10 verminderen.

Dit voorspelt netjes dat LED's in 2020 200 lm / W kunnen genereren - en de sector is goed op weg om dat te bereiken.

Het is echter opmerkelijk dat zelfs hoge helderheids-LED's nog steeds slechts ongeveer de helft van de energie gebruiken die aan de diodeverbinding wordt geleverd als fotonen, en de rest genereert eenvoudig warmte als een bijproduct dat vervolgens moet worden gedissipeerd. Dit is cruciaal omdat de junctietemperatuur niet hoger mag zijn dan ongeveer 150º, en het onderhouden hiervan is een belangrijk onderdeel van het ontwerpen van verlichtingsarmaturen op basis van LED-technologie.

Ga direct

In tegenstelling tot een eenvoudige AC-powered lamp, die bij het aanzetten van een wisselstroom elke halve cyclus volledig aan en volledig uitschakelt, werkt een LED-lamp het beste wanneer het met een constante stroom wordt gevoed. Door deze parameter aan te passen, is het mogelijk om de helderheid en kleur van het licht te veranderen, maar dat vereist nauwkeurige controle, en is over het algemeen veeleisender dan het aansturen van conventionele vormen van verlichting.

Tegenwoordig worden de meeste verlichtingsarmaturen nog steeds gevoed door een AC-voeding, in tegenstelling tot de laagspannings-DC-bron met lage stroomsterkte die wordt vereist door een LED. Dit betekent dat voor het vervangen van een conventionele gloeilamp door een LED een vorm van conversie vereist is.

In de meeste LED-lampen die bedoeld zijn voor gebruik in een conventionele armatuur, vindt conversie plaats in de lamp. Dit heeft geleid tot een vraag naar kleine, goedkope producten die alle functies integreren die nodig zijn om een ​​constante DC-voeding te leveren aan een LED of een reeks LED's, terwijl ze nog steeds zijn aangesloten op een AC-voeding.

Omdat LED's alleen geleiden wanneer ze voorwaarts zijn voorgespannen, moet de voedingsspanning positief blijven en hoewel het misschien moeilijk is om een ​​volledige golfbruggelijkrichter in een LED-driver te integreren, is het mogelijk om een ​​shuntregelaar op te nemen.

Dit is het geval met de FL77944 LED directe AC-driver van On Semiconductor, een krachtige LED-driver die op verschillende manieren dimmen kan implementeren, inclusief analoog of digitaal (PWM) en fasesnijden.

Een vereenvoudigd blokschema wordt getoond in figuur 1. Hij heeft vier pinnen voor strings van LED's, elk met een eigen geïntegreerde constante stroomafvoer tot 150mA. Drie van de LED-snaren kunnen een spanning tot 500V accepteren, terwijl de vierde een spanning tot 200V kan accepteren.

Figuur 2 toont een typische toepassing die loopt van 120Vac, hoewel het apparaat een breed ingangsspanningsbereik heeft tussen 90Vac en 305Vac, waardoor het geschikt is voor elke regio.

De On Semi-driver kan werken met slechts twee externe componenten, inclusief de bruggelijkrichter. Het apparaat vermijdt op slimme wijze de noodzaak om de gelijkgerichte toevoer te regelen.

figuur 3 laat zien dat wanneer de gelijkgerichte lijnspanning stijgt, deze het voorwaartse spanningsniveau bereikt van een reeks LED's die is bevestigd aan elk van de huidige spoelpennen. Stroom wordt daarom achtereenvolgens door elke LED-reeks getrokken totdat de stroom door alle LED-strings vloeit. De stroom getrokken door elke reeks is gebalanceerd; ofwel toe- of afnemend, afhankelijk van welke reeks op enig moment voorwaarts is vooringesteld. Dit zorgt voor een soepele werking en reduceert frequentieharmonischen, wat leidt tot een verbeterde arbeidsfactor en een lagere totale EMI.

On Semiconductor beweert dat de FL77944 een typische arbeidsfactor van 0,98 en een totale harmonische vervorming van minder dan 20% kan bereiken. Een dimingang ondersteunt analoog of PWM dimmen, waardoor de RMS-stroom die door de LED's vloeit lineair zal variëren met het spanningsniveau op de dimingang.

Het apparaat is ook compatibel met triac-dimmen met voorrand en achterrand, waarbij de AC-golfvorm wordt gesneden tijdens de fase, ofwel aan de voorlopende / opgaande flank of aan de achter / dalende flank van de halve cyclus. Omdat dit een inherent AC-vorm is van het aanpassen van het vermogen aan een belasting, kunnen niet alle LED-stuurprogramma's werken vanuit een triac-gedimde AC-voeding en omgekeerd zullen niet alle triac-dimmers werken met een LED-driver, omdat deze niet aanwezig is hetzelfde belastingsprofiel als een conventionele lamp.

Aangesloten verlichting

Terwijl leading en trailing edge dimmen in essentie een legacy-technologie is en niet per se eenvoudig te automatiseren, is PWM-dimmen inherent digitaal en is het in theorie eenvoudiger te regelen via puur elektronische middelen. Dit ondersteunt de overgang naar gekoppelde en intelligente verlichtingssystemen die op afstand kunnen worden bewaakt en bestuurd, om een ​​deel van het IoT te vormen.

Draadloze communicatie is een fundamenteel onderdeel van slimme verlichting en is niet louter een klantgerichte functie, hoewel dat duidelijk een groot voordeel is ten opzichte van conventionele verlichtingssystemen.

Een aangesloten systeem wordt slim omdat een enkel ontwerp kan worden aangepast voor een breed scala aan installatiescenario's zonder dat een technicus ter plekke hoeft te worden voorzien. Het verwijderen of verminderen van de onderhoudslast is een primair voordeel van het IoT in het algemeen, en dit geldt met name voor slimme verlichting vanwege de mogelijke verschillen die elke installatie kan ondervinden. In staat zijn om voor deze variaties te ontwerpen of hierop in te spelen met behulp van over-the-air updates is een fundamenteel onderdeel van een LED-gerichte verlichtingsomgeving.

Een voorbeeld van hoe dit in de praktijk wordt bereikt, is de ZigBee connected lighting kit van Silicon Labs, die is gebaseerd op zijn EFR32MG Mighty Gecko mesh-netwerk draadloze SoC voor ZigBee en Thread.

De kit is geconfigureerd om 'out of the box' te werken en klaar om deel te nemen aan een ZigBee-netwerk. Het vereist een ZigBee Home Automation 1.2-compatibele gateway, zoals de USB virtual gateway van Silicon Labs. De firmware is gebaseerd op de Ember ZNet Pro-stack, die beschikbaar is voor geregistreerde ontwikkelaars op de website van Silicon Labs.

Zodra de kit is aangesloten op een netwerk, biedt de gateway draadloze toegang tot de functies van de kit. Dit omvat het instellen van de intensiteit, kleur en kleurtemperatuur van de LED's. Omdat dit een evaluatiekit is, kunnen ook andere functies worden onderzocht en is er een PWM-testpunt beschikbaar waarmee een extern LED-stuurprogramma kan worden bestuurd.

De firmware bevat een plug-in voor een configuratiecluster, waardoor sommige wijzigingen kunnen worden aangebracht tijdens het productieproces zonder dat de code opnieuw moet worden gecompileerd. Dit omvat het aanpassen van de PWM-frequentie, die nodig kan zijn voor sommige LED-stuurprogramma's, of het wijzigen van de zendkracht van het apparaat in overeenstemming met regionale beperkingen.

De mogelijkheid om deze functies aan te passen zonder wijzigingen in de firmware aan te brengen, maakt het mogelijk dezelfde binaire afbeelding in meerdere productvarianten te gebruiken.

De opdrachten die worden gebruikt om de aanpassingen uit te voeren, kunnen worden uitgegeven door een gateway die voldoet aan de Home Automation 1.2-norm, maar er is ook een opdracht gereserveerd om te voorkomen dat volgende updates worden geaccepteerd, mocht dit nodig zijn. De opdrachten die worden gebruikt om de PWM-uitvoer te configureren, zijn bedoeld voor gebruik in combinatie met een specifieke LED-driver voor de vereisten van de fabrikant.

De Mighty Gecko, ZigBee en Thread-familie van SoCs is speciaal ontwikkeld voor dit soort toepassingen. Zoals te zien in Figuur 4, de belangrijkste functionele blokken van het onderdeel zijn de Cortex-M4 en de radiozendontvanger, maar het beschikt ook over een aantal randapparatuur en ondersteuning voor maximaal 31 pinnen voor analoge kanalen, die kunnen worden gerouteerd naar de on-chip-analoog comparator, ADC en een stroomuitgang DAC.

Aangezien de zendontvanger is ontworpen om op 2,4 GHz te werken, kan het apparaat een reeks protocollen ondersteunen, waaronder Bluetooth Smart, Zigbee en Thread, evenals eigen protocollen.

De EFR32MG beschikt ook over het randapparatuurreflexsysteem (PRS) van Silicon Labs, waarmee verschillende randapparaten autonoom kunnen werken door informatie te verzenden en ontvangen op basis van triggers, zonder de hoofd-CPU uit de slaapstand te halen.

Dit kan de systeemvereisten voor energie in applicaties op batterijen aanzienlijk verlagen. In combinatie met het lage stroomkarakter van LED-verlichting, creëert dit mogelijkheden voor op batterijen werkende aangesloten verlichting die zich mogelijk bevindt in gebieden waar geen AC-voeding beschikbaar is, zoals landelijke locaties. Het kan ook worden gebruikt om draadloze communicatie te beperken in gebieden waar constant RF-verkeer ongewenste 'ruis' kan veroorzaken.

Voldoen aan alle vereisten

De EFR32MG is ontworpen als het hart van een slimme verlichtingsoplossing, waardoor LED-lampen op afstand via een gateway kunnen worden geadresseerd en aangestuurd.

Dit betekent dat de verlichting draadloos kan worden bestuurd door de huiseigenaar of bedrijfsmanager terwijl hij zich op het terrein bevindt en dat het beheer ook kan worden verleend aan een andere serviceprovider, waardoor een controlecentrum wordt gecreëerd dat zich overal ter wereld bevindt om een ​​aantal gebouwen in verschillende tijdzones te beheren of continenten. De implicaties zijn dat elk formaat licht kan worden aangesloten en centraal kan worden bestuurd. Dit creëert de vraag naar een breed scala aan LED-stuurprogramma's, die niet allemaal hoogvermogen-LED's hoeven te kunnen aansturen.

Een relevant voorbeeld is de AL5802 van Diodes. Dit apparaat is speciaal ontwikkeld voor het aansturen van zwakstroom-LED's met een stroomsterkte tussen 20 mA en 100 mA met de minste externe componenten. Figuur 5 toont een typisch toepassingsvoorbeeld. De transistor, Q1, wordt gebruikt om de stroom door de LED-belasting te meten door de spanning over de externe weerstand te meten. De basis-emitterspanning van Q1 wordt dan gebruikt om de basisstroom van Q2 te regelen. In de lineaire modus regelt Q2 de stroom die door de LED ('s) vloeit.

Meerdere apparaten kunnen parallel worden gebruikt om zo nodig een hogere LED-stroom te bereiken (Afbeelding 6) en de AL5802 ondersteunt ook op PWM gebaseerd dimmen (Figuur 7).

Op systeemniveau oplossing

Verwacht wordt dat LED-verlichting conventionele verlichting ten minste tot 2022 zal blijven vervangen, tegen welke tijd de term 'conventioneel' wellicht wordt gebruikt om te verwijzen naar LED-verlichting in plaats van de hedendaagse technologieën.

Veel fabrikanten van halfgeleiders reageren op deze vraag door een reeks producten te ontwikkelen die over het algemeen onder de categorie stuurprogramma's vallen. Aangezien AC-voedingen geleidelijk worden samengevoegd en mogelijk worden vervangen door stopcontacten en bedradingsnetwerken die DC met lage spanning leveren, zou de productmix kunnen veranderen, maar de vraag zal waarschijnlijk niet verdwijnen.

De solid-state aard biedt veel meer mogelijkheden dan traditionele verlichting, zelfs de mogelijkheid om de intelligentie naast de emitters op een enkele substraat of multichipmodule te integreren. Hoewel dat paradigma nog enige vrije tijd kan inhouden, zal de voortdurende investering in de onderliggende technologie prijserosie ondersteunen en de werkzaamheid blijven opdrijven. Deze trends wijzen op een zeer mooie toekomst voor LED-verlichting.

Zoals figuur 8 demonstreert, al deze technologieën samenbrengen kan al worden bereikt met behulp van enkele componenten en creëert de mogelijkheid om LED's eenvoudig in bestaande armaturen in te bouwen om snel een aangesloten verlichtingssysteem te bouwen dat lokaal of op afstand kan worden bestuurd.

Verbonden verlichting op openbare plaatsen introduceert ook een breder potentieel en er zijn al voorbeelden van slimme steden die verbonden LED-straatverlichting gebruiken om op te treden als Bluetooth-bakens om consumentenaanbiedingen uit te zenden naar iedereen in de buurt die de juiste toepassing op een smartphone gebruikt. Hoewel dat misschien niet iedereen aanspreekt, kan hetzelfde principe worden gebruikt om in een fabriek totale draadloze dekking te bieden om belangrijke serviceberichten uit te zenden, bijvoorbeeld. Zodra de connectiviteit in elke toepassing de beginwaarde heeft, is het relatief eenvoudig om erop te bouwen.

In internettermen worden dit 'over the top'-diensten genoemd, en het is heel redelijk om te verwachten dat ze met slimme verlichting worden ontwikkeld.

Over de auteur

Rich Miron is een applicatie-engineer bij componentenverdeler Digi-Key