Anonim

Image A iluminação de estado sólido e os LEDs de alto brilho estão mudando a maneira como vemos o mundo, literalmente. Os benefícios ambientais da iluminação LED são duplos. Primeiro, a tecnologia em si é uma maneira altamente eficiente de gerar fótons, o que a torna atraente em termos de custos de operação quando medida contra filamentos de tungstênio, lâmpadas fluorescentes incandescentes ou mesmo compactas. Isso por si só faz valer a pena substituir a iluminação tradicional por alternativas de estado sólido.

Segundo, a mudança para uma tecnologia que opera a partir de uma fonte CC de baixa tensão, em oposição a uma linha CA de alta tensão, cria outras possibilidades, não apenas em termos de eficiência adicional, mas também na maneira como a iluminação é usada.

Isso vai além da simples iluminação 'cobertor'. Introduz os conceitos de zoneamento, iluminação de cena ou humor e iluminação conectada que podem ser mais responsivos ao ambiente e às necessidades dos ocupantes.

Função econômica

A eficácia da iluminação LED é bem observada, e existe até uma 'lei' que prevê sua tendência contínua: a Lei de Haltz. Isso indica que o custo por lúmen gerado pela iluminação LED reduz em um fator de 10 a cada 10 anos.

Isso prediz com precisão que os LEDs serão capazes de gerar 200 lm / W até 2020 - e a indústria está no caminho certo para conseguir isso.

No entanto, vale ressaltar que mesmo os LEDs de alto brilho ainda usam apenas metade da energia fornecida à junção do diodo como fótons, e o restante simplesmente gera calor como subproduto que deve ser dissipado posteriormente. Isso é crucial porque a temperatura da junção não deve exceder cerca de 150º, e a manutenção é uma parte importante do projeto de luminárias baseadas na tecnologia LED.

Vá direto

Ao contrário de uma luminária simples alimentada por CA, que quando acionada por uma corrente alternada liga e desliga totalmente a cada meio ciclo, uma luz LED funciona melhor quando é alimentada com uma corrente constante. Ao ajustar esse parâmetro, é possível alterar o brilho e a cor da luz, mas isso requer controle preciso e, em geral, é mais exigente do que a condução de formas convencionais de iluminação.

Hoje, a maioria das luminárias ainda é alimentada por uma fonte CA, em oposição à fonte CC de baixa tensão e baixa corrente exigida por um LED. Isso significa que, para substituir uma lâmpada convencional por um LED, é necessária alguma forma de conversão.

Na maioria das lâmpadas LED destinadas ao uso em equipamentos convencionais, a conversão ocorre na lâmpada. Isso criou uma demanda por produtos pequenos e de baixo custo que integram todas as funções necessárias para fornecer um fornecimento CC constante a um LED ou a uma série de LEDs, enquanto ainda estão conectados a uma fonte CA.

Como os LEDs conduzem apenas quando polarizados para a frente, a tensão de alimentação precisa permanecer positiva e, embora possa ser difícil integrar um retificador de ponte de onda completa em um driver de LED, é possível incluir um regulador de derivação.

É o caso do driver CA direto LED FL77944 da On Semiconductor, que é um driver de LED de alta potência capaz de implementar o escurecimento de várias maneiras, incluindo corte analógico ou digital (PWM) e fase.

Um diagrama de blocos simplificado é mostrado na Figura 1. Image Possui quatro pinos dedicados a cadeias de LEDs, cada um com sua própria corrente constante integrada de até 150mA. Três das cordas de LED podem aceitar uma voltagem de até 500V, enquanto a quarta pode aceitar uma voltagem de até 200V.

Figura 2 Image mostra uma aplicação típica que funciona de 120Vac, embora o dispositivo tenha uma ampla faixa de tensão de entrada entre 90Vac e 305Vac, tornando-o adequado para qualquer região.

O driver On Semi pode operar com até dois componentes externos, sem incluir o retificador de ponte. O dispositivo evita inteligentemente a necessidade de regular o suprimento retificado.

Figura 3 Image mostra que, quando a tensão da linha retificada aumenta, ela atinge o nível de tensão direta de uma série de LEDs conectados a cada um dos pinos de dissipador de corrente. Portanto, a corrente é consumida em cada seqüência de LEDs, até que a corrente flua por todas as seqüências de LEDs. A corrente consumida por cada corda é equilibrada; aumentando ou diminuindo, dependendo de qual sequência é enviesada a qualquer momento. Isso garante uma operação suave e reduz os harmônicos de frequência, levando a um fator de potência aprimorado e menor EMI geral.

A Semiconductor afirma que o FL77944 pode atingir um fator de potência típico de 0, 98 e uma distorção harmônica total inferior a 20%. Uma entrada de escurecimento suporta escurecimento analógico ou PWM, pelo qual a corrente RMS que flui através dos LEDs varia linearmente com o nível de tensão na entrada de escurecimento.

O dispositivo também é compatível com o escurecimento triac da borda anterior e posterior, no qual a forma de onda CA é cortada durante a fase na borda inicial / ascendente ou na borda posterior / descendente do meio ciclo. Como esta é uma forma inerentemente CA de ajustar a potência a uma carga, nem todos os drivers de LED são capazes de operar a partir de uma fonte CA escurecida por triac e, inversamente, nem todos os dimmers triac operam com um driver de LED, pois não apresenta o mesmo perfil de carga que uma luminária convencional.

Iluminação conectada

Embora o escurecimento de ponta inicial e final seja essencialmente uma tecnologia herdada e não necessariamente simples de automatizar, o escurecimento de PWM é inerentemente digital e é teoricamente mais fácil de controlar por meios puramente eletrônicos. Isso suporta a mudança para sistemas de iluminação conectados e inteligentes que podem ser monitorados e controlados remotamente, para formar parte da IoT.

A comunicação sem fio é uma parte fundamental da iluminação inteligente e não é puramente um recurso centralizado no cliente, embora esse seja claramente um grande benefício em relação aos sistemas de iluminação convencionais.

Um sistema conectado torna-se inteligente porque permite que um único projeto seja personalizado para uma ampla variedade de cenários de instalação sem a necessidade de fornecer um engenheiro no local. Remover ou reduzir a carga de manutenção é um benefício principal da IoT em geral, e se aplica à iluminação inteligente em particular devido às possíveis diferenças que cada instalação pode enfrentar. Ser capaz de projetar essas variações ou atendê-las usando atualizações over-the-air é uma parte fundamental de um ambiente de iluminação centrado em LED.

Um exemplo de como isso é alcançado na prática é fornecido pelo kit de iluminação conectado ao ZigBee da Silicon Labs, que é baseado no SoC sem fio de rede em malha EFR32MG Mighty Gecko para ZigBee e Thread.

O kit vem configurado para funcionar 'pronto para uso' e pronto para ingressar em uma rede ZigBee. Requer um gateway compatível com o ZigBee Home Automation 1.2, como o gateway virtual USB da Silicon Labs. O firmware é baseado na pilha Ember ZNet Pro, disponível para desenvolvedores registrados no site da Silicon Labs.

Depois que o kit ingressar em uma rede, o gateway fornecerá acesso sem fio aos recursos do kit. Isso inclui definir a intensidade, a cor e a temperatura da cor dos LEDs. Como este é um kit de avaliação, ele também permite que outros recursos sejam explorados e inclui um ponto de teste PWM que pode ser usado para controlar um driver de LED externo.

O firmware inclui um plug-in de servidor de cluster de configuração, que permite que algumas alterações sejam feitas durante o processo de fabricação sem a necessidade de recompilar o código. Isso inclui fazer ajustes na frequência PWM, que pode ser necessária para alguns drivers de LED, ou modificar a potência de transmissão do dispositivo de acordo com as restrições regionais.

A capacidade de modificar esses recursos sem forçar alterações no firmware permite que a mesma imagem binária seja usada em várias variantes de produtos.

Os comandos usados ​​para fazer os ajustes podem ser emitidos por qualquer gateway compatível com o Home Automation 1.2, mas também existe um comando reservado para impedir que quaisquer atualizações subseqüentes sejam aceitas, se necessário. Os comandos usados ​​para configurar a saída PWM destinam-se ao uso em conjunto com um driver de LED específico para os requisitos dos fabricantes.

A família de SoCs Mighty Gecko, ZigBee e Thread foi desenvolvida especificamente para esse tipo de aplicação. Como pode ser visto em Image Na Figura 4, os principais blocos funcionais da peça são o Cortex-M4 e o transceptor de rádio, mas também possui diversos periféricos e suporte para até 31 pinos dedicados aos canais analógicos, que podem ser roteados para o analógico no chip comparador, ADC e um DAC de saída atual.

Como o transceptor foi projetado para operar em 2, 4 GHz, o dispositivo pode suportar uma variedade de protocolos, incluindo Bluetooth Smart, Zigbee e Thread, além de protocolos proprietários.

O EFR32MG também possui o sistema de reflexo periférico (PRS) da Silicon Labs, que permite que vários periféricos operem autonomamente enviando e recebendo informações entre eles com base em gatilhos, sem tirar a CPU principal do modo de suspensão.

Isso pode reduzir significativamente os requisitos de energia do sistema em aplicativos alimentados por bateria. Quando acoplado à natureza de baixa energia da iluminação LED, isso cria possibilidades de iluminação conectada a bateria, que pode estar localizada em áreas onde não há uma fonte CA, como em áreas rurais. Também pode ser usado para limitar as comunicações sem fio em áreas onde o tráfego constante de RF possa apresentar 'ruído' indesejado.

Atendendo a todos os requisitos

O EFR32MG foi projetado para ser o coração de uma solução de iluminação inteligente, permitindo que as luzes LED sejam endereçadas e controladas remotamente através de um gateway.

Isso significa que as luzes podem ser controladas sem fio pelo proprietário da casa ou pelo gerente comercial, enquanto as instalações e o controle também podem ser concedidos a outro provedor de serviços, criando um centro de controle localizado em qualquer lugar do mundo para gerenciar vários edifícios em diferentes fusos horários. ou continentes. As implicações são que qualquer luz de tamanho pode ser conectada e controlada centralmente. Isso cria demanda por uma ampla gama de drivers de LED, nem todos os quais precisam ser capazes de acionar LEDs de alta potência.

Um exemplo relevante seria o AL5802 da Diodes. Este dispositivo foi desenvolvido especificamente para acionar LEDs de baixa corrente a uma corrente entre 20mA e 100mA com o menor número possível de componentes externos. Image A Figura 5 mostra um exemplo típico de aplicativo. O transistor, Q1, é usado para detectar a corrente que flui através da carga do LED, detectando a tensão através do resistor externo. A tensão do emissor base de Q1 é então usada para controlar a corrente base de Q2. Operando no modo linear, Q2 regula a corrente que flui através do (s) LED (s).

Vários dispositivos podem ser usados ​​em paralelo para obter maior corrente de LED, se necessário Image (Figura 6) e o AL5802 também suporta escurecimento baseado em PWM Image (Figura 7).

Solução no nível do sistema

Espera-se que a iluminação LED continue a substituir a iluminação convencional pelo menos até 2022, período em que o termo 'convencional' pode muito bem ser usado para se referir à iluminação LED em vez das tecnologias atuais.

Muitos fabricantes de semicondutores estão respondendo a essa demanda desenvolvendo uma gama de produtos que geralmente se enquadram na categoria de drivers. Como as fontes de alimentação CA são gradualmente unidas e potencialmente substituídas por tomadas e redes de cabeamento que fornecem CC de baixa tensão, o mix de produtos pode mudar, mas é improvável que a demanda se dissipe.

Sua natureza de estado sólido oferece muito mais potencial do que a iluminação tradicional, até a oportunidade de integrar a inteligência ao lado dos emissores em um único módulo de substrato ou multichip. Embora esse paradigma ainda deva demorar algum tempo, o investimento contínuo na tecnologia subjacente sustentará a erosão dos preços e continuará aumentando a eficácia. Essas tendências apontam para um futuro muito brilhante para a iluminação LED.

Como Figura 8 Image demonstra que a união de todas essas tecnologias já pode ser alcançada usando poucos componentes e cria o potencial de adaptar facilmente os LEDs aos equipamentos existentes para criar rapidamente um sistema de iluminação conectado que pode ser controlado local ou remotamente.

A iluminação conectada em locais públicos também apresenta um potencial mais amplo e já existem exemplos de cidades inteligentes usando luzes de rua LED conectadas para atuar como sinalizadores Bluetooth para transmitir ofertas de consumidores a qualquer pessoa nas proximidades que esteja executando o aplicativo apropriado em um telefone inteligente. Embora isso possa não agradar a todos, o mesmo princípio pode ser usado para fornecer cobertura total sem fio em uma fábrica para transmitir mensagens importantes de serviço, por exemplo. Depois que a conectividade estabelece seu valor inicial em qualquer aplicativo, é relativamente simples desenvolver isso.

Em termos de internet, eles são chamados de serviços 'over the top' e é perfeitamente razoável esperar que eles sejam desenvolvidos com iluminação inteligente.