Solid-State-Beleuchtung und High-Brightness-LEDs verändern die Art, wie wir die Welt sehen, buchstäblich. Die Umweltvorteile von LED-Beleuchtung sind zweifach. Erstens ist die Technologie selbst eine sehr energieeffiziente Art, Photonen zu erzeugen, was sie in Bezug auf die Betriebskosten attraktiv macht, wenn sie mit Wolframfaden-, Glühlampen- oder sogar Kompaktleuchtstofflampen gemessen werden. Schon deshalb lohnt es sich, herkömmliche Beleuchtung durch Festkörperalternativen zu ersetzen.

Zweitens schafft der Übergang zu einer Technologie, die von einer Niederspannungs-Gleichstromversorgung im Gegensatz zu einer Hochspannungs-Wechselstromleitung arbeitet, weitere Möglichkeiten, nicht nur in Bezug auf zusätzliche Effizienz, sondern auch in der Art, wie Beleuchtung verwendet wird.

Dies geht über die einfache "flächige" Beleuchtung hinaus. Es führt die Konzepte von Zoneneinteilung, Szenen- oder Stimmungsbeleuchtung und verbundener Beleuchtung ein, die besser auf die Umgebung und die Bedürfnisse der Nutzer eingehen kann.

Wirtschaftliche Funktion

Die Wirksamkeit der LED-Beleuchtung wird gut beobachtet, und es gibt sogar ein "Gesetz", das seinen weiteren Trend vorhersagt: das Haltzsche Gesetz. Dies besagt, dass die Kosten pro Lumen, die durch LED-Beleuchtung erzeugt werden, alle 10 Jahre um den Faktor 10 reduziert werden.

Damit wird prognostiziert, dass LEDs bis 2020 200 lm / W erzeugen können - und die Branche ist auf einem guten Weg, dies zu erreichen.

Es ist jedoch bemerkenswert, dass selbst LEDs mit hoher Helligkeit immer noch nur etwa die Hälfte der Energie verbrauchen, die an den Diodenübergang als Photonen geliefert wird, und der Rest erzeugt einfach Wärme als ein Nebenprodukt, das anschließend abgeführt werden muss. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die Sperrschichttemperatur nicht über 150 ° C liegen sollte, und dies ist ein wichtiger Teil bei der Entwicklung von Leuchten, die auf LED-Technologie basieren.

Gehe direkt

Im Gegensatz zu einer einfachen AC-betriebenen Leuchte, die, wenn sie mit Wechselstrom betrieben wird, jede Halbwelle vollständig ein- und ausschaltet, funktioniert ein LED-Licht am besten, wenn es mit einem konstanten Strom gespeist wird. Durch Einstellen dieses Parameters ist es möglich, die Helligkeit und Farbe des Lichts zu ändern, aber dies erfordert eine präzise Steuerung und ist im Allgemeinen anspruchsvoller als das Fahren mit herkömmlichen Beleuchtungsarten.

Heutzutage werden die meisten Leuchten immer noch von einer Wechselstromquelle betrieben, im Gegensatz zu der Niederspannungs-Gleichstromquelle, die von einer LED benötigt wird. Dies bedeutet, dass zum Ersetzen einer herkömmlichen Glühbirne durch eine LED eine Art von Umwandlung erforderlich ist.

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

Da LEDs nur in Vorwärtsrichtung leitend sind, muss die Versorgungsspannung positiv bleiben, und während es schwierig sein kann, einen Vollwellen-Brückengleichrichter in einen LED-Treiber zu integrieren, ist es möglich, einen Nebenschlussregler zu integrieren.

Dies ist der Fall beim LED-Direkt-AC-Treiber FL77944 von On Semiconductor, bei dem es sich um einen Hochleistungs-LED-Treiber handelt, der das Dimmen auf verschiedene Arten implementieren kann, einschließlich analoger oder digitaler (PWM) und Phasenschnitt.

Ein vereinfachtes Blockdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Es hat vier Pins für LED-Strings, jede mit einer eigenen integrierten Konstantstromsenke bis zu 150 mA. Drei der LED-Strings können eine Spannung von bis zu 500V annehmen, während die vierte eine Spannung von bis zu 200V annehmen kann.

Figur 2 zeigt eine typische Anwendung, die von 120 Vac ausgeht, obwohl das Gerät einen weiten Eingangsspannungsbereich zwischen 90 V AC und 305 V AC hat, wodurch es für jede Region geeignet ist.

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

Figur 3 zeigt, dass, wenn die gleichgerichtete Leitungsspannung ansteigt, sie den Vorwärtsspannungspegel einer Reihe von LEDs erreicht, die an jedem der Stromsenkungsstifte angebracht sind. Der Strom wird daher nacheinander durch jede LED-Kette gezogen, bis der Strom durch alle LED-Stränge fließt. Der von jeder Saite gezogene Strom ist ausgeglichen. entweder ansteigend oder absteigend, abhängig davon, welcher String zu irgendeinem Zeitpunkt in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Dies gewährleistet einen reibungslosen Betrieb und reduziert Frequenzoberwellen, was zu einem verbesserten Leistungsfaktor und einer niedrigeren Gesamt-EMI führt.

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

Das Gerät ist auch mit Triac-Dimmung der Vorder- und Hinterflanke kompatibel, bei der die AC-Wellenform während der Phase entweder an der vorderen / ansteigenden Flanke oder an der hinteren / hinteren Flanke des Halbzyklus abgeschnitten wird. Da dies eine inhärente AC-Form der Anpassung der Leistung an eine Last ist, können nicht alle LED-Treiber von einer Triac-gedimmten AC-Versorgung betrieben werden und umgekehrt arbeiten nicht alle Triac-Dimmer mit einem LED-Treiber, da dieser nicht vorhanden ist das gleiche Lastprofil wie eine herkömmliche Leuchte.

Verbundene Beleuchtung

Während das Dimmen von Vorder- und Hinterflanken im Wesentlichen eine Legacy-Technologie ist und nicht unbedingt einfach zu automatisieren ist, ist das PWM-Dimmen von Natur aus digital und theoretisch einfacher durch rein elektronische Mittel zu steuern. Dies unterstützt den Übergang zu vernetzten und intelligenten Beleuchtungssystemen, die ferngesteuert überwacht und gesteuert werden können, um einen Teil des IoT zu bilden.

Drahtlose Kommunikation ist ein grundlegender Bestandteil von Smart Lighting und ist nicht nur ein kundenorientiertes Merkmal, obwohl dies eindeutig ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Beleuchtungssystemen ist.

Ein verbundenes System wird intelligent, da es ermöglicht, ein einzelnes Design für eine Vielzahl von Installationsszenarien anzupassen, ohne einen Techniker vor Ort zur Verfügung stellen zu müssen. Das Entfernen oder Reduzieren des Wartungsaufwands ist ein wesentlicher Vorteil des IoT im Allgemeinen, und es gilt insbesondere für intelligente Beleuchtung aufgrund der möglichen Unterschiede, die bei jeder Installation auftreten können. In der Lage zu sein, diese Variationen zu entwerfen oder sie mithilfe von Over-the-Air-Updates zu bedienen, ist ein grundlegender Bestandteil einer LED-zentrierten Beleuchtungsumgebung.

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

Das Kit ist so konfiguriert, dass es "out of the box" funktioniert und bereit ist, sich einem ZigBee-Netzwerk anzuschließen. Dazu 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 einem Netzwerk beigetreten ist, bietet das Gateway drahtlosen 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. Es enthält einen PWM-Testpunkt, mit dem ein externer LED-Treiber gesteuert werden kann.

Die Firmware enthält ein Konfigurationscluster-Server-Plug-in, das einige Änderungen während des Herstellungsprozesses ermöglicht, ohne dass der Code neu kompiliert werden muss. Dazu gehören Anpassungen der PWM-Frequenz, die für einige LED-Treiber erforderlich sein können, oder Änderung der Sendeleistung des Geräts gemäß regionalen Einschränkungen.

Die Möglichkeit, diese Funktionen zu ändern, ohne Änderungen an der Firmware zu erzwingen, ermöglicht die Verwendung des gleichen binären Abbilds in mehreren Produktvarianten.

Die Befehle, die für die Anpassungen verwendet werden, können von jedem Gateway mit der Version 1.2 von Home Automation ausgegeben werden. Es ist jedoch auch ein Befehl reserviert, der verhindert, dass nachfolgende Aktualisierungen akzeptiert werden, falls dies erforderlich sein sollte. Die Befehle zum Konfigurieren des PWM-Ausgangs sind für den Einsatz in Verbindung mit einem spezifischen LED-Treiber für die Anforderungen der Hersteller vorgesehen.

Die SoCs der Mighty Gecko, ZigBee und Thread-Familie wurden speziell für diese Art von Anwendungen entwickelt. Wie man in sehen kann Abbildung 4, die wichtigsten Funktionsblöcke des Teils sind der Cortex-M4 und der Funk-Transceiver, aber es bietet auch eine Reihe von Peripheriegeräten und Unterstützung für bis zu 31 Pins für analoge Kanäle, die an das On-Chip-Analog weitergeleitet werden können Komparator, ADC und ein Stromausgang DAC.

Da der Transceiver für 2,4 GHz ausgelegt ist, kann das Gerät eine Reihe von Protokollen einschließlich Bluetooth Smart, Zigbee und Thread sowie proprietäre Protokolle unterstützen.

Der EFR32MG verfügt außerdem über das Peripheral Reflex System (PRS) von Silicon Labs, das es verschiedenen Peripheriegeräten ermöglicht, autonom zu arbeiten, indem Informationen basierend auf Triggern zwischen ihnen gesendet und empfangen werden, ohne die Haupt-CPU aus dem Schlafmodus zu versetzen.

Dies kann den Systemleistungsbedarf in batteriebetriebenen Anwendungen erheblich senken. In Verbindung mit der Niedrigenergieleistung von LED-Beleuchtungen ergeben sich dadurch Möglichkeiten für batteriebetriebene angeschlossene Beleuchtung, die sich in Bereichen befinden kann, in denen keine AC-Versorgung verfügbar ist, z. B. in ländlichen Gegenden. Es kann auch verwendet werden, um die drahtlose Kommunikation in Bereichen zu begrenzen, in denen konstanter RF-Verkehr unerwünschten "Lärm" verursachen könnte.

Alle Anforderungen erfüllen

Der EFR32MG wurde entwickelt, um das Herzstück einer intelligenten Beleuchtungslösung zu sein, die es ermöglicht, LED-Leuchten über ein Gateway zu adressieren und zu steuern.

Dies bedeutet, dass die Leuchten vom Hauseigentümer oder dem Geschäftsführer während des Betriebs drahtlos gesteuert werden können und die Steuerung auch einem anderen Serviceanbieter gewährt werden kann. Dadurch entsteht ein Kontrollzentrum an jedem Ort der Welt, um mehrere Gebäude in verschiedenen Zeitzonen zu verwalten oder Kontinente. Dies hat zur Folge, dass Licht jeder Größe angeschlossen und zentral gesteuert werden kann. Dies erzeugt eine Nachfrage nach einer breiten Palette 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 Schwachstrom-LEDs 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 den 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 LED (s) fließt.

Mehrere Geräte können parallel verwendet werden, um bei Bedarf einen höheren LED-Strom zu erzielen (Abbildung 6), und der AL5802 unterstützt auch PWM-basierte Dimmung (Abbildung 7).

Lösung auf Systemebene

Es wird erwartet, dass LED-Beleuchtung die konventionelle Beleuchtung zumindest bis 2022 weiter verdrängen wird. Zu diesem Zeitpunkt könnte der Begriff "konventionell" eher für LED-Beleuchtung als für heutige Technologien verwendet werden.

Viele Halbleiterhersteller reagieren auf diese Nachfrage mit der Entwicklung einer Reihe von Produkten, die in der Regel unter die Kategorie der Fahrer fallen. Da AC-Versorgungen nach und nach durch Steckdosen und Verdrahtungsnetze, die Niederspannungs-Gleichstrom liefern, ersetzt und möglicherweise ersetzt werden, könnte sich der Produktmix zwar ändern, aber die Nachfrage wird sich wahrscheinlich nicht auflösen.

Seine Solid-State-Natur 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 möglicherweise noch eine gewisse Auszeit hat, wird die anhaltende Investition in die zugrunde liegende Technologie die Preiserosion aufrechterhalten und die Effizienz weiter steigern. Diese Trends deuten auf eine sehr gute Zukunft für LED-Beleuchtung hin.

Wie Abbildung 8 demonstriert, dass das Zusammenbringen all dieser Technologien bereits mit wenigen Komponenten erreicht werden kann und das Potenzial für die einfache Nachrüstung von LEDs in vorhandene Leuchten schafft, um schnell ein angeschlossenes Beleuchtungssystem aufzubauen, das lokal oder aus der Ferne gesteuert werden kann.

Connected Lighting an öffentlichen Orten führt ebenfalls zu einem breiteren Potenzial und es gibt bereits Beispiele für Smart Cities, die LED-Straßenleuchten als Bluetooth-Beacons verwenden, um Verbraucherangebote an alle in der Umgebung zu senden, die die entsprechende Anwendung auf einem Smartphone ausführen. Dies mag zwar nicht jedermanns Sache sein, aber das gleiche Prinzip kann verwendet werden, um beispielsweise in einer Fabrik eine vollständige drahtlose Abdeckung bereitzustellen, um wichtige Dienstnachrichten zu senden. Sobald die Konnektivität in einer Anwendung ihren Anfangswert ermittelt hat, ist es relativ einfach, darauf aufzubauen.

Im Internet werden diese als Over-the-Top-Dienste bezeichnet, und es ist durchaus vernünftig zu erwarten, dass sie mit intelligenter Beleuchtung entwickelt werden.

Über den Autor

Rich Miron ist Anwendungsingenieur beim Komponenten-Distributor Digi-Key