為LED照明增添智能

您的 LED 照明系統(tǒng)有多智能？雖然LED照明有望降低能耗和維護(hù)成本，但智能LED照明設(shè)計(jì)在這兩個(gè)方面都提高了系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)了更高的每瓦性能并長期降低成本。能量測量、環(huán)境光傳感和通信是智能 LED 照明設(shè)計(jì)的基石。能量測量提供系統(tǒng)運(yùn)行狀況和消耗信息。環(huán)境光檢測可縮短 LED 的導(dǎo)通時(shí)間，從而節(jié)省能源并延長二極管的使用壽命。通信將每個(gè)燈具連接在一起，以識(shí)別維護(hù)和系統(tǒng)級(jí)協(xié)調(diào)。將探討組件對(duì)整體系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)。

介紹

想象一下，在一個(gè)非常炎熱、塵土飛揚(yáng)的日子里，一場馬拉松比賽，節(jié)省每一盎司的能量對(duì)結(jié)果都很重要。這場比賽還沒有結(jié)束一半，但獲勝者似乎很確定。領(lǐng)先優(yōu)勢看起來不可逾越，因?yàn)檫@個(gè)跑步者可以用更少的能量做更多的事情。這個(gè)跑步者更閃耀。面對(duì)高溫和競爭，這位跑步者保持冷靜。目前為止，一切都好。然而，這位競爭對(duì)手會(huì)在比賽的下半場設(shè)定速度并保持領(lǐng)先嗎？在一個(gè)運(yùn)動(dòng)員都聰明地訓(xùn)練和競爭的世界里，天賦和潛力只能到此為止。巨大而浪費(fèi)的潛力在通往成功的道路上散落一地?，F(xiàn)任領(lǐng)導(dǎo)人是否會(huì)深入挖掘，進(jìn)行一場聰明的比賽，對(duì)元素做出反應(yīng)，不辜負(fù)期望？時(shí)間和智慧會(huì)證明一切。

現(xiàn)在你問我，“馬拉松和LED有什么關(guān)系？你真的知道你在說什么嗎？我認(rèn)為如此。就像一個(gè)強(qiáng)壯的跑步者帶領(lǐng)馬拉松一樣，LED在世界范圍內(nèi)有望產(chǎn)生更節(jié)能的照明。與白熾燈和熒光燈相比，LED是一項(xiàng)重大的技術(shù)進(jìn)步，它使用更少的能量，持續(xù)時(shí)間更長，并且可以更好地控制顏色和光的方向。

2010年，照明消耗了大約19%的美國電力。到 2030 年，照明每年可消耗整整 767 太瓦時(shí) （TWh）。2對(duì)于我們夢幻般的馬拉松比賽中的領(lǐng)跑者來說，這是一個(gè)多么好的機(jī)會(huì)！到25年，用于照明的LED可以將電力消耗減少2030%。2此外，LED可以減輕照明產(chǎn)生的固體廢物的數(shù)量和類型，因?yàn)樗鼈兊氖褂脡勖绕渌彰鹘鉀Q方案長五倍，并且不含有毒物質(zhì)。最終更換LED不一定是因?yàn)闊艄收希皇墙ㄖL(fēng)格的結(jié)果。此外，使用紅色、綠色和藍(lán)色 （RGB） LED 微調(diào)顏色的能力為性能和創(chuàng)造力增加了新的選擇。最終，LED的功能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出照亮空間的范圍。它們的外觀和適應(yīng)新樣式和固定裝置會(huì)更好。

LED 智能 — 贏得比賽的關(guān)鍵

LED將如何發(fā)揮其巨大潛力？毫無疑問，第一個(gè)障礙是價(jià)格。LED目前的成本比現(xiàn)有的照明解決方案高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。節(jié)約能源通常不足以說服注重價(jià)格的企業(yè)和消費(fèi)者進(jìn)行更昂貴的購買。隨著時(shí)間的推移，制造成本的節(jié)省和批量生產(chǎn)可能會(huì)降低價(jià)格，但成本是否會(huì)下降到足以贏得用戶的速度？這些趨勢是不確定的，完全值得商榷。誠然，它們超出了本文的范圍。還要考慮可用性，這會(huì)影響價(jià)格。去任何兩家五金店，試著找到同樣的LED燈。這很難。許多零售商沒有庫存足夠種類或數(shù)量的LED燈來吸引休閑消費(fèi)者。為什么？這又回到了價(jià)格和高效的庫存周轉(zhuǎn)。那么，作為工程師、創(chuàng)新者和創(chuàng)造性思想家，這會(huì)給我們帶來什么呢？我們?nèi)绾问筁ED照明發(fā)揮其潛力？贏得馬拉松？

讓我們給LED燈智能，讓它們變得智能。讓我們給這些燈光眼睛，聲音和計(jì)數(shù)能力。將高價(jià)值半導(dǎo)體設(shè)計(jì)到照明應(yīng)用中將優(yōu)化能源效率，最大限度地延長燈泡壽命，并降低維護(hù)成本。然后 LED 將運(yùn)行剩余的比賽，堅(jiān)硬而強(qiáng)壯，他們將通過智能運(yùn)行贏得比賽。

LED智能的基本要素

環(huán)境光傳感、通信和能量測量構(gòu)成了智能照明系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。環(huán)境光感應(yīng)允許當(dāng)其他光源已經(jīng)充分照亮空間時(shí)，燈光會(huì)變暗。此外，檢測環(huán)境光顏色的傳感器允許對(duì)先進(jìn)的RGB LED照明系統(tǒng)進(jìn)行顏色調(diào)整。通信允許對(duì)小型和大型照明裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和集中聯(lián)網(wǎng)。電能測量提供對(duì)消耗功率的準(zhǔn)確核算和系統(tǒng)洞察，以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。所有這些功能（環(huán)境光傳感、通信和能量測量）都轉(zhuǎn)化為節(jié)能和更低的運(yùn)營成本。在本應(yīng)用筆記中，我將探討在LED照明系統(tǒng)中增加環(huán)境光檢測、通信（無線和電力線）和電能測量的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素。提供了參考設(shè)計(jì)示例。

環(huán)境光傳感器 （ALS） 檢測傳感器附近的光量。這些簡單的設(shè)備成為LED照明系統(tǒng)的“眼睛”，也是節(jié)氣門。當(dāng)房間內(nèi)已經(jīng)有光時(shí)，照明是完全不必要的。燈可以調(diào)暗或完全關(guān)閉，從而降低功耗并延長燈的使用壽命。對(duì) ALS 至關(guān)重要的功能包括電流消耗、照度范圍以及紅外和紫外線阻隔。這些傳感器必須安靜地存在于系統(tǒng)中;他們不能拉動(dòng)多余的能量，這違背了他們保存系統(tǒng)能量的目的。出色的 ALS 可在小于 1μA 的電流下工作。對(duì)于給定的戶外應(yīng)用，勒克斯范圍必須超過典型的勒克斯范圍。從 0.1lx 到 100，000lx 的范圍通常涵蓋大多數(shù)應(yīng)用。為了系統(tǒng)穩(wěn)健性，可能需要稍高的頻帶。紅外和紫外線阻隔功能可去除實(shí)際系統(tǒng)讀數(shù)中不可見光譜中任何不需要的光。

光感應(yīng)

圖13顯示了 ALS 在燈具中的位置。傳感器必須位于燈本身的光線之外，以防止人造光影響環(huán)境測量。在這種設(shè)計(jì)中，ALS駐留在單獨(dú)的板上，并從支撐燈的光束接收陰影。這種簡單的設(shè)計(jì)使ALS能夠在晨光超過預(yù)編程值時(shí)關(guān)閉燈。RGB傳感器可以為照明應(yīng)用添加更多“特色”。如圖所示，配備RGB LED和ALS的LED系統(tǒng)可以根據(jù)特定應(yīng)用的要求動(dòng)態(tài)調(diào)整其顏色輸出，例如露臺(tái)上的情緒照明或百貨商店的顯示器照明。

圖1.ALS 安裝在單獨(dú)的 PCB 上，并放置在燈具支撐梁的陰影下方。這可以防止傳感器從燈本身讀取光。

通信

現(xiàn)在讓我們談?wù)凩ED中的智能通信。耳朵和聲音是使LED燈智能化的下一個(gè)最關(guān)鍵功能。通過簡單地聯(lián)網(wǎng)燈，您可以通過網(wǎng)絡(luò)打開和關(guān)閉它們，或調(diào)暗它們。僅此操作即可降低能耗。通信還提供有關(guān)中斷、必要維護(hù)和緊急情況的快速反饋。此信息將節(jié)省整體系統(tǒng)維護(hù)成本。無線和有線通信方法在各種情況下都能有效工作，具體取決于網(wǎng)絡(luò)大小和地理位置。無線在小型室內(nèi)和大型室外應(yīng)用中效果良好，具有連續(xù)的視線、可用的頻段和足夠的傳輸功率裕量。電力線通信 （PLC） 使用現(xiàn)有電源線提供通信。PLC在大型市政風(fēng)格的照明裝置，隧道和室內(nèi)停車場中非常有效，由于地理或建筑物墻壁而無法視線。在所有通信應(yīng)用中，可靠性和魯棒性都至關(guān)重要。如果通信失敗，系統(tǒng)將不提供任何好處。

在無線應(yīng)用中，信號(hào)可能通過 Wi-Fi、ZigBee 或其他標(biāo)準(zhǔn)和專有協(xié)議運(yùn)行，通常包括但不限于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 無線電頻段。限制功耗可提供網(wǎng)絡(luò)靈活性，如果端點(diǎn)使用電池，則這一點(diǎn)至關(guān)重要。圖2顯示了一個(gè)獨(dú)特的應(yīng)用，其中燈開關(guān)配備了能量收集RF收發(fā)器。系統(tǒng)收集用于輕彈開關(guān)的能量，產(chǎn)生可用的直流電壓，通過< 1GHz RF為燈具的無線電通信供電。該開關(guān)可以放置在房間的任何位置，前提是信號(hào)到達(dá)燈具。無需連接電燈開關(guān)，房間設(shè)計(jì)變得更加靈活，照明控制更加動(dòng)態(tài)。??

圖2.一種樓宇自動(dòng)化應(yīng)用，其中電燈開關(guān)包含一個(gè)控制 LED 照明的未接線能量收集射頻收發(fā)器。

照明的PLC控制使用已經(jīng)供電的現(xiàn)有線路，因此使這種方法成為具有成本效益的選擇。PLC消除了諸如共享通信頻率，惡劣天氣性能和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等問題，因?yàn)橥ㄐ虐l(fā)生在已經(jīng)提供電力的維護(hù)線路上。范圍、速度和魯棒性是 PLC 的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素。 電力線攜帶大量噪聲，影響系統(tǒng)穩(wěn)健性。G3-可編程控制器?通信是一種基于 OFDM 的新型 PLC 標(biāo)準(zhǔn)，可通過電力線提供出色的通信。該標(biāo)準(zhǔn)允許高達(dá) 300kbps 的速度、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能和適用于高噪聲情況的魯棒模式。類似于G3-PLC的基于OFDM的PLC控制的照明網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在。圖3顯示了Nyx Hemera Technologies隧道照明網(wǎng)絡(luò)的PLC安裝。4該系統(tǒng)已經(jīng)節(jié)省了 25% 的能源和 30% 的維護(hù)。這個(gè)大型裝置在單個(gè)系統(tǒng)上支持多達(dá) 1022 盞燈，通信距離可達(dá) 3 公里。

圖3.使用 PLC 的市政路燈網(wǎng)絡(luò)示例。4

能量測量

最后，智能LED燈需要能夠計(jì)算瓦特?cái)?shù)。從智能電表到電壓控制器再到電動(dòng)汽車充電器，每個(gè)智能電網(wǎng)安裝都具有能量測量功能，可為公用事業(yè)和客戶提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的電力使用情況。報(bào)告其消耗量的主要照明裝置提供了有關(guān)建筑物和市政照明情況的更精細(xì)粒度。通過這種方式，他們可以確保公用事業(yè)公司只對(duì)使用的確切能源量收費(fèi)。通過在不使用時(shí)調(diào)暗或關(guān)閉這些燈，它們可以響應(yīng)用戶需求。此外，特定燈的能耗變化可能表明需要系統(tǒng)維修、維護(hù)或更換。毫無疑問，由于許多照明裝置位于難以進(jìn)入的區(qū)域，優(yōu)化維護(hù)將節(jié)省資金。為了在智能電網(wǎng)中產(chǎn)生可用數(shù)據(jù)，電能測量設(shè)計(jì)必須在寬電流范圍內(nèi)提供高水平的精度。此外，限制或消除校準(zhǔn)時(shí)間可降低整體系統(tǒng)成本。圖 4 顯示了具有能量測量功能的靈活 LED 照明參考設(shè)計(jì)。5能量測量芯片還提供系統(tǒng)調(diào)光和DALI接口。

許多市政當(dāng)局目前正在安裝沒有智能功能的LED照明。這將為改造模塊帶來巨大的未來機(jī)會(huì)，以提高LED燈的性能。為了可升級(jí)，這些系統(tǒng)需要允許鏈接到智能照明系統(tǒng)的接口。考慮到LED的成本和體積，僅僅更換相對(duì)較新和高效的LED將不具有成本效益。簡單的接口，如DALI，將允許未來添加ALS，通信和能量測量。

圖4.完整的智能 LED 照明參考設(shè)計(jì)，具有能量測量、環(huán)境光傳感和通信功能。

飾面是最有希望的

這會(huì)給我們帶來什么？行業(yè)和消費(fèi)者向LED過渡的競賽將是一場漫長的競賽。很明顯，LED照明具有改變照明和節(jié)省大量能源的潛力。添加“智能”照明的關(guān)鍵元素 - ALS，通信和能量測量 - 將使LED更加有用和吸引人。智能LED提供的測量數(shù)據(jù)將進(jìn)一步降低照明系統(tǒng)的能耗。它將降低運(yùn)營和維護(hù)成本。借助智能，LED可以充分發(fā)揮其潛力，并在每天都在進(jìn)行的比賽中擊敗傳統(tǒng)的照明形式。

審核編輯：郭婷