Ánh sáng trạng thái rắn và đèn LED độ sáng cao đang thay đổi cách chúng ta nhìn thế giới, hoàn toàn theo nghĩa đen. Các lợi ích môi trường của đèn LED là hai lần. Thứ nhất, bản thân công nghệ là một cách hiệu quả năng lượng cao để tạo ra các photon, làm cho nó hấp dẫn về mặt chi phí hoạt động khi đo với dây tóc vonfram, đèn sợi đốt hoặc thậm chí đèn huỳnh quang compact. Điều này một mình làm cho nó đáng giá thay thế ánh sáng truyền thống với các lựa chọn thay thế trạng thái rắn.

Thứ hai, việc chuyển sang một công nghệ hoạt động từ nguồn cung cấp điện áp DC thấp, trái ngược với đường dây AC điện áp cao, tạo ra các khả năng hơn nữa, không chỉ về hiệu quả bổ sung mà còn theo cách chiếu sáng được sử dụng.

Điều này vượt xa sự chiếu sáng 'chăn' đơn giản. Nó giới thiệu các khái niệm về phân vùng, cảnh hoặc ánh sáng tâm trạng, và ánh sáng kết nối có thể đáp ứng tốt hơn với môi trường và nhu cầu của người cư ngụ.

Chức năng kinh tế

Hiệu quả của ánh sáng LED được quan sát tốt, và thậm chí còn có một 'luật' dự đoán xu hướng tiếp tục của nó: Luật Haltz. Điều này nói rằng chi phí cho mỗi lumen được tạo ra bởi ánh sáng LED giảm 10 lần mỗi 10 năm.

Điều này dự đoán rõ ràng rằng đèn LED sẽ có thể tạo ra 200 lm / W vào năm 2020 - và ngành công nghiệp này đang trên đà đạt được điều đó.

Tuy nhiên, đáng chú ý là ngay cả đèn LED độ sáng cao vẫn chỉ sử dụng khoảng một nửa năng lượng cung cấp cho đường giao nhau diode như photon, và phần còn lại chỉ tạo ra nhiệt như một sản phẩm phụ mà sau đó phải được tiêu tan. Điều này là rất quan trọng bởi vì nhiệt độ đường giao nhau không được vượt quá khoảng 150º, và duy trì điều này là một phần quan trọng trong việc thiết kế các thiết bị chiếu sáng dựa trên công nghệ LED.

Trực tiếp

Không giống như một vật cố định ánh sáng AC-powered đơn giản, khi được điều khiển bởi một dòng xoay chiều bật hoàn toàn và tắt hoàn toàn sau một nửa chu trình, đèn LED hoạt động tốt nhất khi nó được nạp với dòng không đổi. Bằng cách điều chỉnh thông số này, bạn có thể thay đổi độ sáng và màu sắc của ánh sáng, nhưng điều đó đòi hỏi sự kiểm soát chính xác và nói chung đòi hỏi nhiều hơn là lái các loại ánh sáng thông thường.

Ngày nay hầu hết các thiết bị chiếu sáng vẫn chạy từ nguồn cung cấp AC thay vì nguồn điện áp thấp, nguồn DC hiện tại thấp được yêu cầu bởi đèn LED. Điều này có nghĩa là để thay thế bóng đèn thông thường bằng đèn LED thì cần phải có một số dạng chuyển đổi.

Trong hầu hết các bóng đèn LED được thiết kế để sử dụng trong một vật cố định thông thường, chuyển đổi diễn ra trong bóng đèn. Điều này đã tạo ra nhu cầu về các sản phẩm nhỏ, chi phí thấp tích hợp tất cả các chức năng cần thiết để cung cấp nguồn DC không đổi cho LED hoặc chuỗi đèn LED, trong khi vẫn kết nối với nguồn cung cấp AC.

Bởi vì đèn LED chỉ hoạt động khi chuyển tiếp, điện áp cung cấp cần duy trì tích cực, và trong khi rất khó để tích hợp bộ chỉnh lưu cầu sóng hoàn chỉnh vào trình điều khiển LED, có thể bao gồm bộ điều chỉnh shunt.

Đây là trường hợp với trình điều khiển AC LED trực tiếp FL77944 từ On Semiconductor, một trình điều khiển LED công suất cao có khả năng thực hiện mờ theo một số cách, bao gồm cả analog hoặc kỹ thuật số (PWM) và cắt pha.

Một sơ đồ khối đơn giản được thể hiện trong Hình 1. Nó có bốn chân dành riêng cho chuỗi các đèn LED, mỗi chân có tích hợp liên tục hiện tại của nó chìm lên đến 150mA. Ba trong số các dây LED có thể chấp nhận một điện áp lên đến 500V, trong khi thứ tư có thể chấp nhận một điện áp lên đến 200V.

Hình 2 cho thấy một ứng dụng điển hình chạy từ 120Vac, mặc dù thiết bị có dải điện áp đầu vào rộng từ 90Vac đến 305Vac, giúp nó phù hợp với mọi vùng.

Trình điều khiển On Semi có thể hoạt động với ít nhất hai thành phần bên ngoài, không bao gồm bộ chỉnh lưu cầu. Thiết bị này khéo léo tránh sự cần thiết phải điều chỉnh nguồn cung cấp đã được sửa chữa.

Hình 3 cho thấy rằng khi điện áp đường dây chỉnh lưu tăng lên, nó đạt đến mức điện áp chuyển tiếp của một chuỗi các đèn LED gắn với mỗi chân chìm hiện tại. Do đó, dòng điện được rút ra qua từng chuỗi LED, cho đến khi dòng điện chạy qua tất cả các dây LED. Dòng điện được vẽ bởi mỗi chuỗi được cân bằng; hoặc tăng hoặc giảm tùy thuộc vào chuỗi được chuyển tiếp thành kiến ​​tại bất kỳ thời điểm nào. Điều này đảm bảo vận hành trơn tru và giảm tần số hài hòa, dẫn đến một hệ số công suất được cải thiện và EMI tổng thể thấp hơn.

Trên Semiconductor tuyên bố rằng FL77944 có thể đạt được một hệ số công suất tiêu biểu là 0,98 và tổng méo hài hòa nhỏ hơn 20%. Đầu vào mờ hỗ trợ độ mờ tương tự hoặc PWM, theo đó dòng RMS chạy qua các đèn LED sẽ thay đổi tuyến tính với mức điện áp trên đầu vào mờ.

Thiết bị này cũng tương thích với viền triac dẫn đầu và sau, trong đó dạng sóng AC được cắt trong pha ở cạnh đầu / mép tăng hoặc cạnh sau / xuống của chu kỳ nửa chu kỳ. Vì đây là dạng AC điều chỉnh công suất để tải, không phải tất cả các trình điều khiển LED đều có thể hoạt động từ nguồn AC được triac dimmed và ngược lại, không phải tất cả các bộ điều chỉnh triac sẽ hoạt động với trình điều khiển LED, vì nó không có cùng một hồ sơ tải như một vật cố định thông thường.

Ánh sáng kết nối

Trong khi hàng đầu và cuối cạnh mờ là cơ bản một công nghệ di sản và không nhất thiết phải đơn giản để tự động hóa, PWM mờ là vốn kỹ thuật số và về mặt lý thuyết là dễ dàng hơn để kiểm soát thông qua các phương tiện hoàn toàn điện tử. Điều này hỗ trợ sự thay đổi theo hướng kết nối và hệ thống chiếu sáng thông minh có thể được theo dõi và điều khiển từ xa, để tạo thành một phần của IoT.

Giao tiếp không dây là một phần cơ bản của ánh sáng thông minh và không hoàn toàn là một tính năng tập trung vào khách hàng, mặc dù đó rõ ràng là một lợi ích lớn so với các hệ thống chiếu sáng thông thường.

Một hệ thống được kết nối trở nên thông minh bởi vì nó cho phép một thiết kế duy nhất được điều chỉnh cho một loạt các tình huống cài đặt mà không cần phải cung cấp một kỹ sư trên trang web. Loại bỏ hoặc giảm gánh nặng bảo trì là một lợi ích chính của IoT nói chung, và nó áp dụng cho ánh sáng thông minh đặc biệt vì sự khác biệt có thể có mà mỗi cài đặt có thể gặp phải. Có khả năng thiết kế cho các biến thể này hoặc phục vụ cho họ bằng cách sử dụng các bản cập nhật qua mạng không dây là một phần cơ bản của môi trường ánh sáng trung tâm LED.

Một ví dụ về cách đạt được điều này trong thực tế được cung cấp bởi bộ đèn chiếu sáng kết nối ZigBee từ Silicon Labs, dựa trên mạng không dây SoC Gecko EFR32MG của mạng Mighty Gecko cho ZigBee và Thread.

Bộ công cụ được cấu hình để hoạt động ‘ra khỏi hộp’ và sẵn sàng tham gia mạng ZigBee. Nó đòi hỏi một cổng tương thích ZigBee Home Automation 1.2, chẳng hạn như cổng USB ảo từ Silicon Labs. Phần mềm dựa trên ngăn xếp Ember ZNet Pro, có sẵn cho các nhà phát triển đã đăng ký trên trang web của Silicon Labs.

Khi bộ công cụ đã gia nhập một mạng, cổng sẽ cung cấp truy cập không dây vào các tính năng của bộ công cụ. Điều này bao gồm thiết lập cường độ, màu sắc và nhiệt độ màu của đèn LED. Vì đây là một bộ đánh giá, nó cũng cho phép các tính năng khác được khám phá, và bao gồm một điểm kiểm tra PWM có thể được sử dụng để điều khiển một trình điều khiển LED bên ngoài.

Phần vững bao gồm một trình cắm thêm máy chủ cụm cấu hình, cho phép một số thay đổi được thực hiện trong quá trình sản xuất mà không cần phải biên dịch lại mã. Điều này bao gồm việc điều chỉnh tần số PWM, có thể cần thiết cho một số trình điều khiển LED, hoặc sửa đổi công suất phát của thiết bị theo các hạn chế của khu vực.

Khả năng sửa đổi các tính năng này mà không cần thay đổi phần mềm cho phép sử dụng cùng một hình ảnh nhị phân trong nhiều biến thể sản phẩm.

Các lệnh được sử dụng để thực hiện các điều chỉnh có thể được phát hành bởi bất kỳ cổng nào tương thích với Home Automation 1.2, nhưng cũng có một lệnh dành riêng để ngăn chặn bất kỳ cập nhật tiếp theo nào được chấp nhận, nếu nó được yêu cầu. Các lệnh được sử dụng để cấu hình đầu ra PWM được thiết kế để sử dụng kết hợp với một trình điều khiển LED cụ thể cho các yêu cầu của nhà sản xuất.

Gia đình Mighty Gecko, ZigBee và Thread của SoCs đã được phát triển đặc biệt cho loại ứng dụng này. Như có thể thấy trong Hình 4, các khối chức năng chính của bộ phận là Cortex-M4 và bộ thu phát vô tuyến, nhưng nó cũng có một số thiết bị ngoại vi và hỗ trợ tới 31 chân dành riêng cho các kênh tương tự, có thể được định tuyến tới tương tự trên chip so sánh, ADC và DAC đầu ra hiện tại.

Khi bộ thu phát được thiết kế để hoạt động ở 2.4GHz, thiết bị có thể hỗ trợ một loạt các giao thức bao gồm Bluetooth Smart, Zigbee và Thread, cũng như các giao thức độc quyền.

EFR32MG cũng có hệ thống phản xạ ngoại vi Silicon Labs (PRS), cho phép nhiều thiết bị ngoại vi hoạt động độc lập bằng cách gửi và nhận thông tin giữa chúng dựa trên các trigger, mà không mang CPU chính ra khỏi chế độ ngủ.

Điều này có thể làm giảm đáng kể các yêu cầu về nguồn của hệ thống trong các ứng dụng chạy bằng pin. Khi kết hợp với tính chất công suất thấp của ánh sáng LED, điều này tạo ra khả năng cho ánh sáng được kết nối bằng pin có thể được đặt ở những khu vực không có nguồn cung cấp AC, chẳng hạn như các địa điểm ở nông thôn. Nó cũng có thể được sử dụng để giới hạn truyền thông không dây ở những khu vực có lưu lượng RF không đổi có thể biểu hiện 'tiếng ồn' không mong muốn.

Đáp ứng mọi yêu cầu

EFR32MG được thiết kế để trở thành trung tâm của giải pháp chiếu sáng thông minh, cho phép đèn LED được giải quyết và điều khiển từ xa thông qua cổng.

Điều này có nghĩa là đèn có thể được điều khiển không dây bởi chủ sở hữu nhà hoặc người quản lý doanh nghiệp trong khi trên cơ sở và kiểm soát cũng có thể được cấp cho nhà cung cấp dịch vụ khác, tạo trung tâm điều khiển ở bất kỳ nơi nào trên thế giới để quản lý một số tòa nhà ở các múi giờ khác nhau hoặc lục địa. Hàm ý là bất kỳ ánh sáng có kích thước nào cũng có thể được kết nối và điều khiển tập trung. Điều này tạo ra nhu cầu cho một loạt các trình điều khiển LED, không phải tất cả trong số đó sẽ cần để có thể lái xe đèn LED công suất cao.

Một ví dụ có liên quan sẽ là AL5802 từ Diodes. Thiết bị này đã được phát triển đặc biệt để điều khiển đèn LED hiện tại thấp ở dòng điện từ 20mA đến 100mA với các thành phần bên ngoài ít nhất có thể. Hình 5 cho thấy một ví dụ ứng dụng điển hình. Bóng bán dẫn, Q1, được sử dụng để cảm nhận dòng điện chạy qua tải LED bằng cách cảm nhận điện áp trên điện trở bên ngoài. Điện áp phát cơ sở của Q1 sau đó được sử dụng để điều khiển dòng điện cơ bản của Q2. Hoạt động ở chế độ tuyến tính, Q2 điều chỉnh dòng điện chạy qua (các) đèn LED.

Nhiều thiết bị có thể được sử dụng song song để đạt được dòng LED cao hơn nếu cần thiết (Hình 6), và AL5802 cũng hỗ trợ mờ dựa trên PWM (Hình 7).

Giải pháp mức hệ thống

Ánh sáng LED được dự kiến ​​sẽ tiếp tục thay thế ánh sáng thông thường ít nhất cho đến năm 2022, theo đó thuật ngữ ‘thông thường’ có thể được sử dụng để chỉ ánh sáng LED thay vì công nghệ ngày nay.

Nhiều nhà sản xuất chất bán dẫn đang đáp ứng nhu cầu này bằng cách phát triển một loạt các sản phẩm nói chung thuộc danh mục người lái xe. Khi nguồn cung cấp AC đang dần được tham gia và có khả năng thay thế bởi các cửa hàng và mạng lưới cung cấp DC điện áp thấp, hỗn hợp sản phẩm cũng có thể thay đổi, nhưng nhu cầu không có khả năng tiêu tan.

Tính chất trạng thái rắn của nó mang lại nhiều tiềm năng hơn so với ánh sáng truyền thống, thậm chí là cơ hội để tích hợp trí thông minh cùng với các bộ phát trên một môđun đơn hoặc đa môđun. Trong khi mô hình đó có thể vẫn còn một chút thời gian, việc đầu tư liên tục vào công nghệ cơ bản sẽ duy trì xói mòn giá và tiếp tục tăng hiệu quả. Những xu hướng này chỉ ra một tương lai tươi sáng cho ánh sáng LED.

Như Hình 8 chứng minh, đưa tất cả các công nghệ này vào nhau có thể đạt được bằng cách sử dụng vài thành phần và tạo ra tiềm năng để dễ dàng trang bị thêm đèn LED thành đồ đạc hiện có để nhanh chóng xây dựng hệ thống chiếu sáng được kết nối có thể được điều khiển cục bộ hoặc từ xa.

Ánh sáng được kết nối ở những nơi công cộng cũng mang đến tiềm năng rộng hơn và đã có những ví dụ về các thành phố thông minh sử dụng đèn đường LED được kết nối để hoạt động như đèn hiệu Bluetooth để phát sóng các sản phẩm tiêu dùng cho bất kỳ ai trong vùng lân cận đang chạy ứng dụng thích hợp trên điện thoại thông minh. Mặc dù điều đó có thể không hấp dẫn với mọi người, nhưng nguyên tắc tương tự có thể được sử dụng để cung cấp toàn bộ phạm vi phủ sóng không dây trong một nhà máy để phát các thông điệp dịch vụ quan trọng chẳng hạn. Khi kết nối thiết lập giá trị ban đầu của nó trong bất kỳ ứng dụng nào, nó tương đối đơn giản để xây dựng dựa trên nó.

Về mặt internet, những điều khoản này được gọi là dịch vụ ‘trên đầu’ và hoàn toàn hợp lý để mong đợi chúng được phát triển với ánh sáng thông minh.

Giới thiệu về tác giả

Rich Miron là kỹ sư ứng dụng tại nhà phân phối linh kiện Digi-Key