Genießen Sie LED-Extras

Festkörperbeleuchtung und LEDs mit hoher Helligkeit verändern die Art und Weise, wie wir die Welt sehen, im wahrsten Sinne des Wortes. Die Umweltvorteile der LED-Beleuchtung sind zweifach. Erstens ist die Technologie selbst eine äußerst energieeffiziente Methode zur Erzeugung von Photonen, was sie im Hinblick auf die Betriebskosten attraktiv macht, wenn sie gegen Wolframfilament-, Glühlampen- oder sogar Kompaktleuchtstofflampen gemessen wird. Dies allein macht es lohnenswert, herkömmliche Beleuchtung durch Festkörperalternativen zu ersetzen.

Zweitens schafft der Wechsel zu einer Technologie, die von einer Niederspannungs-Gleichstromversorgung im Gegensatz zu einer Hochspannungs-Wechselstromleitung aus betrieben wird, weitere Möglichkeiten, nicht nur hinsichtlich zusätzlicher Effizienz, sondern auch hinsichtlich der Art und Weise, wie Beleuchtung verwendet wird.

Dies geht über die einfache Deckenbeleuchtung hinaus. Es werden die Konzepte der Zoneneinteilung, der Szenen- oder Stimmungsbeleuchtung und der vernetzten Beleuchtung vorgestellt, die besser auf die Umgebung und die Bedürfnisse der Bewohner eingehen können.

Wirtschaftliche Funktion

Die Wirksamkeit der LED-Beleuchtung ist gut zu beobachten, und es gibt sogar ein Gesetz, das den anhaltenden Trend vorhersagt: das Haltz-Gesetz. Dies besagt, dass sich die Kosten pro Lumen, die durch LED-Beleuchtung entstehen, alle 10 Jahre um den Faktor 10 verringern.

Dies sagt klar voraus, dass LEDs bis 2020 200 lm / W erzeugen können - und die Industrie ist auf einem guten Weg, dies zu erreichen.

Es ist jedoch bemerkenswert, dass selbst LEDs mit hoher Helligkeit nur etwa die Hälfte der dem Diodenübergang zugeführten Energie als Photonen verbrauchen und der Rest lediglich Wärme als Nebenprodukt erzeugt, das anschließend abgeführt werden muss. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die Sperrschichttemperatur ca. 150 ° C nicht überschreiten sollte. Die Einhaltung dieser Temperatur ist ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung von Leuchten auf der Basis der LED-Technologie.

Geh direkt

Im Gegensatz zu einer einfachen, mit Wechselstrom betriebenen Leuchte, die bei Betrieb mit Wechselstrom in jeder Halbwelle vollständig ein- und ausgeschaltet wird, funktioniert eine LED-Leuchte am besten, wenn sie mit einem konstanten Strom gespeist wird. Durch Einstellen dieses Parameters können Helligkeit und Farbe des Lichts geändert werden. Dies erfordert jedoch eine präzise Steuerung und ist im Allgemeinen anspruchsvoller als das Betreiben herkömmlicher Beleuchtungsarten.

Heutzutage werden die meisten Leuchten immer noch mit Wechselstrom betrieben, im Gegensatz zu Niederspannungs-Gleichstromquellen, die für eine LED erforderlich sind. Dies bedeutet, dass zum Ersetzen einer herkömmlichen Glühbirne durch eine LED irgendeine Form der Umwandlung erforderlich ist.

In den meisten LED-Lampen, die für die Verwendung in einer herkömmlichen Leuchte vorgesehen sind, findet die Umwandlung in der Lampe statt. Dies hat zu einer Nachfrage nach kleinen, kostengünstigen Produkten geführt, die alle Funktionen integrieren, die erforderlich sind, um eine LED oder eine Reihe von LEDs mit einer konstanten Gleichstromversorgung zu versorgen, während sie noch an eine Wechselstromversorgung angeschlossen sind.

Da LEDs nur in Vorwärtsrichtung leiten, muss die Versorgungsspannung positiv bleiben, und es kann schwierig sein, einen Vollwellenbrückengleichrichter in einen LED-Treiber zu integrieren, es ist jedoch möglich, einen Shunt-Regler einzubauen.

Dies ist der Fall beim FL77944 LED-Direkt-Wechselstromtreiber von On Semiconductor, einem Hochleistungs-LED-Treiber, der Dimmen auf verschiedene Arten, einschließlich analog oder digital (PWM) und Phasenschneiden, implementieren kann.

Ein vereinfachtes Blockdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Es verfügt über vier Pins für LED-Reihen mit jeweils einer integrierten Konstantstromsenke bis zu 150 mA. Drei der LED-Reihen können eine Spannung von bis zu 500 V aufnehmen, während die vierte eine Spannung von bis zu 200 V aufnehmen kann.

Figur 2 zeigt eine typische Anwendung mit 120 V Wechselstrom, obwohl das Gerät einen weiten Eingangsspannungsbereich zwischen 90 V Wechselstrom und 305 V Wechselstrom aufweist und daher für jede Region geeignet ist.

Der On Semi-Treiber kann mit nur zwei externen Komponenten betrieben werden, ohne den Brückengleichrichter. Das Gerät vermeidet geschickt die Notwendigkeit, die gleichgerichtete Versorgung zu regulieren.

Figur 3 zeigt, dass die gleichgerichtete Netzspannung mit steigender Spannung den Durchlassspannungspegel einer Reihe von LEDs erreicht, die an jedem der Stromsenkenstifte angebracht sind. Daher wird der Reihe nach Strom durch jede LED-Kette gezogen, bis Strom durch alle LED-Ketten fließt. Der von jeder Saite aufgenommene Strom ist ausgeglichen. Je nachdem, welche Saite zu einem bestimmten Zeitpunkt in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, wird die Spannung entweder erhöht oder verringert. Dies stellt einen reibungslosen Betrieb sicher und reduziert die Frequenzoberwellen, was zu einem verbesserten Leistungsfaktor und einer geringeren Gesamt-EMI führt.

On Semiconductor behauptet, dass der FL77944 einen typischen Leistungsfaktor von 0,98 und eine harmonische Gesamtverzerrung von weniger als 20% erreichen kann. Ein Dimmeingang unterstützt analoges oder PWM-Dimmen, wobei der durch die LEDs fließende Effektivstrom linear mit dem Spannungspegel am Dimmeingang variiert.

Das Gerät ist auch mit dem Triac-Dimmen mit Vorder- und Rückflanke kompatibel, bei dem die AC-Wellenform während der Phase entweder an der Vorder- / Anstiegsflanke oder an der Rück- / Abfallflanke der Halbwelle abgeschnitten wird. Da dies eine eigenständige Wechselstromform zur Anpassung der Leistung an eine Last ist, können nicht alle LED-Treiber mit einer Triac-gedimmten Wechselstromversorgung betrieben werden, und umgekehrt arbeiten nicht alle Triac-Dimmer mit einem LED-Treiber, da dieser nicht vorhanden ist das gleiche Belastungsprofil wie bei einer herkömmlichen Leuchte.

Vernetzte Beleuchtung

Während das Dimmen der Vorder- und Hinterkante im Wesentlichen eine Legacy-Technologie ist und nicht unbedingt einfach zu automatisieren ist, ist das PWM-Dimmen von Natur aus digital und theoretisch einfacher mit rein elektronischen Mitteln zu steuern. Dies unterstützt den Wechsel zu vernetzten und intelligenten Beleuchtungssystemen, die fernüberwacht und gesteuert werden können und Teil des IoT sind.

Die drahtlose Kommunikation ist ein wesentlicher Bestandteil der intelligenten Beleuchtung und nicht nur ein kundenorientiertes Merkmal, obwohl dies eindeutig ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Beleuchtungssystemen ist.

Ein vernetztes System wird intelligent, da ein einziges Design für eine Vielzahl von Installationsszenarien angepasst werden kann, ohne dass ein Techniker vor Ort eingesetzt werden muss. Das Entfernen oder Reduzieren des Wartungsaufwands ist ein Hauptvorteil des IoT im Allgemeinen und gilt insbesondere für intelligente Beleuchtung, da bei jeder Installation möglicherweise Unterschiede auftreten können. Die Möglichkeit, für diese Variationen zu entwerfen oder sie mithilfe von drahtlosen Updates zu berücksichtigen, ist ein wesentlicher Bestandteil einer LED-zentrierten Beleuchtungsumgebung.

Ein Beispiel dafür, wie dies in der Praxis erreicht wird, ist das ZigBee Connected Lighting Kit von Silicon Labs, das auf seinem EFR32MG Mighty Gecko Mesh Networking Wireless SoC für ZigBee und Thread basiert.

Das Kit ist sofort einsatzbereit und kann in ein ZigBee-Netzwerk eingebunden werden. Hierfür ist ein ZigBee Home Automation 1.2-kompatibles Gateway erforderlich, z. B. das virtuelle USB-Gateway von Silicon Labs. Die Firmware basiert auf dem Ember ZNet Pro-Stack, der registrierten Entwicklern auf der Silicon Labs-Website zur Verfügung steht.

Sobald das Kit mit einem Netzwerk verbunden ist, bietet das Gateway kabellosen Zugriff auf die Funktionen des Kits. Dies beinhaltet die Einstellung der Intensität, Farbe und Farbtemperatur der LEDs. Da es sich um ein Evaluierungskit handelt, können auch andere Funktionen untersucht werden. Dazu gehört ein PWM-Testpunkt, mit dem ein externer LED-Treiber gesteuert werden kann.

Die Firmware enthält ein Konfigurationsclusterserver-Plug-In, mit dem einige Änderungen während des Herstellungsprozesses vorgenommen werden können, ohne dass der Code neu kompiliert werden muss. Dazu gehört die Anpassung der PWM-Frequenz, die für einige LED-Treiber erforderlich sein kann, oder die Änderung der Sendeleistung des Geräts entsprechend den regionalen Beschränkungen.

Durch die Möglichkeit, diese Funktionen zu ändern, ohne Änderungen an der Firmware zu erzwingen, kann dasselbe Binärimage in mehreren Produktvarianten verwendet werden.

Die für die Anpassungen verwendeten Befehle können von jedem Home Automation 1.2-kompatiblen Gateway ausgegeben werden. Es gibt jedoch auch einen Befehl, der reserviert ist, um zu verhindern, dass spätere Aktualisierungen akzeptiert werden, falls dies erforderlich sein sollte. Die zur Konfiguration des PWM-Ausgangs verwendeten Befehle sind für die Verwendung in Verbindung mit einem bestimmten LED-Treiber gemäß den Anforderungen des Herstellers vorgesehen.

Die SoCs der Mighty Gecko, ZigBee und Thread-Familie wurden speziell für diese Art von Anwendung entwickelt. Wie zu sehen in In Abbildung 4 sind die Hauptfunktionsblöcke des Teils der Cortex-M4 und der Funk-Transceiver. Er verfügt jedoch auch über eine Reihe von Peripheriegeräten und unterstützt bis zu 31 Pins für analoge Kanäle, die zum On-Chip-Analog geroutet werden können Komparator, ADC und ein Stromausgang DAC.

Da der Transceiver für den Betrieb mit 2,4 GHz ausgelegt ist, unterstützt das Gerät eine Reihe von Protokollen, darunter Bluetooth Smart, ZigBee und Thread sowie proprietäre Protokolle.

Der EFR32MG verfügt auch über das Silicon Labs-Peripheriereflexsystem (PRS), mit dem verschiedene Peripheriegeräte autonom arbeiten können, indem sie Informationen basierend auf Triggern senden und empfangen, ohne die Haupt-CPU aus dem Ruhemodus zu bringen.

Dies kann den Systemstrombedarf in batteriebetriebenen Anwendungen erheblich senken. In Verbindung mit dem geringen Stromverbrauch der LED-Beleuchtung entstehen so Möglichkeiten für eine batteriebetriebene Beleuchtung, die sich möglicherweise in Gebieten befindet, in denen keine Wechselstromversorgung verfügbar ist, z. B. in ländlichen Gebieten. Es kann auch verwendet werden, um die drahtlose Kommunikation in Bereichen einzuschränken, in denen ständiger HF-Verkehr unerwünschtes „Rauschen“ verursachen kann.

Alle Anforderungen erfüllen

Der EFR32MG wurde als Herzstück einer intelligenten Beleuchtungslösung konzipiert, mit der LED-Leuchten über ein Gateway adressiert und ferngesteuert werden können.

Dies bedeutet, dass die Lichter vom Hauseigentümer oder Geschäftsleiter drahtlos gesteuert werden können, während sie sich auf dem Gelände befinden, und dass die Kontrolle auch einem anderen Dienstleister übertragen werden kann. Auf diese Weise wird ein weltweites Kontrollzentrum geschaffen, in dem eine Reihe von Gebäuden in verschiedenen Zeitzonen verwaltet werden können oder Kontinente. Die Konsequenzen sind, dass jede Lichtgröße angeschlossen und zentral gesteuert werden kann. Dies führt zu einer Nachfrage nach einer Vielzahl von LED-Treibern, von denen nicht alle in der Lage sein müssen, Hochleistungs-LEDs anzusteuern.

Ein relevantes Beispiel wäre der AL5802 von Diodes. Dieses Gerät wurde speziell für die Ansteuerung von LEDs mit niedrigem Strom bei einem Strom zwischen 20 mA und 100 mA mit möglichst wenigen externen Komponenten entwickelt. Abbildung 5 zeigt ein typisches Anwendungsbeispiel. Der Transistor Q1 wird verwendet, um den durch die LED-Last fließenden Strom durch Erfassen der Spannung über dem externen Widerstand zu erfassen. Die Basis-Emitter-Spannung von Q1 wird dann verwendet, um den Basisstrom von Q2 zu steuern. Im linearen Modus regelt Q2 den Strom, der durch die LEDs fließt.

Bei Bedarf können mehrere Geräte parallel verwendet werden, um einen höheren LED-Strom zu erzielen (Abbildung 6), und der AL5802 unterstützt auch PWM-basiertes Dimmen (Abbildung 7).

Lösung auf Systemebene

Es wird erwartet, dass die LED-Beleuchtung die konventionelle Beleuchtung mindestens bis 2022 verdrängt. Bis dahin könnte der Begriff „konventionell“ eher für LED-Beleuchtung als für heutige Technologien verwendet werden.

Viele Halbleiterhersteller reagieren auf diese Nachfrage, indem sie eine Reihe von Produkten entwickeln, die im Allgemeinen unter die Kategorie der Treiber fallen. Da Wechselstromversorgungen nach und nach zusammengeführt und möglicherweise durch Steckdosen und Verkabelungsnetze mit Niederspannungsgleichstrom ersetzt werden, kann sich der Produktmix durchaus ändern, die Nachfrage wird sich jedoch wahrscheinlich nicht auflösen.

Sein Festkörpereigenschaft bietet viel mehr Potenzial als herkömmliche Beleuchtung, sogar die Möglichkeit, die Intelligenz neben den Emittern auf einem einzigen Substrat oder Multichip-Modul zu integrieren. Auch wenn dieses Paradigma noch eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, werden die anhaltenden Investitionen in die zugrunde liegende Technologie den Preisverfall aufrechterhalten und die Effizienz weiter steigern. Diese Trends weisen auf eine sehr gute Zukunft für die LED-Beleuchtung hin.

Wie Abbildung 8 Das Zusammenführen all dieser Technologien kann bereits mit wenigen Komponenten erreicht werden und bietet die Möglichkeit, LEDs einfach in vorhandene Leuchten nachzurüsten, um schnell ein angeschlossenes Beleuchtungssystem zu erstellen, das lokal oder ferngesteuert werden kann.

Vernetzte Beleuchtung an öffentlichen Orten birgt ebenfalls ein größeres Potenzial, und es gibt bereits Beispiele für intelligente Städte, in denen vernetzte LED-Straßenlaternen als Bluetooth-Beacons verwendet werden, um Verbraucherangebote an alle in der Umgebung zu senden, die die entsprechende Anwendung auf einem Smartphone ausführen. Das mag zwar nicht jedermann ansprechen, aber dasselbe Prinzip kann verwendet werden, um eine vollständige Funkabdeckung in einer Fabrik bereitzustellen, um beispielsweise wichtige Servicemeldungen zu senden. Sobald die Konnektivität in einer Anwendung ihren Anfangswert erreicht hat, ist es relativ einfach, darauf aufzubauen.

In Bezug auf das Internet spricht man von "Over-the-Top" -Diensten, und es ist durchaus zu erwarten, dass sie mit intelligenter Beleuchtung entwickelt werden.

Über den Autor

Rich Miron ist Anwendungsingenieur beim Komponenten-Distributor Digi-Key