中心議題:
- LED照明控制系統(tǒng)模型
- LED照明控制系統(tǒng)的八大層次分析
本文將介紹LED照明控制系統(tǒng)的兩種主要模型,說明電子信息技術在LED照明中的應用,并在此基礎上,將LED照明控制系統(tǒng)分成八個層次,逐層闡述,幫助工程師全面了解LED照明控制系統(tǒng)的設計。
1、LED照明控制系統(tǒng)模型
與傳統(tǒng)的照明方式相比,LED照明有許多獨特的地方,主要表現(xiàn)在:從結構上看,傳統(tǒng)照明的光源和燈具是分離的,而LED照明在結構可以實現(xiàn)配光、散熱及燈具的一體化設計;從功能上看,只有少部分的傳統(tǒng)照明可以實現(xiàn)調(diào)光,而LED照明不僅能實現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié),還能實現(xiàn)色彩與色溫的調(diào)節(jié)。此外,LED照明比傳統(tǒng)照明方式更適合智能化與數(shù)字化的控制,組成復雜的照明系統(tǒng)。
基于LED照明的這些特性,大體可以給出了三種模型,分別針對LED的通用照明、LED照明的智能控制、LED照明與太陽能風能的結合設計,說明電子信息技術在LED照明中一些應用。
1.1 模型一:電源+光源
現(xiàn)代電光源的工作本質(zhì)就是將電能轉化為光能,同時伴隨一定的散熱。所以,LED的通用照明模型中就只包括電源和光源兩部分。在這種模型下,只能實現(xiàn)照明的開關控制,不能實現(xiàn)照明的調(diào)光、通信、反饋等功能。
電源具體是指AC-DC恒流型開關電源。AC-DC是指交流到直流的轉換,因為LED實際上是一個半導體二極管,它是在直流電壓下工作的。LED還有一個特性就是其工作電流近似值是工作電壓的指數(shù)函數(shù),電壓的微小波動就會引起電流的巨大變化,嚴重時會直接燒毀LED,所以要保證LED的安全工作,必須使其工作電流恒定。通常家用電器的電源都是恒壓的,LED的特性決定了它要采用恒流電源。為了提高LED工作的可靠性,我們一般要采用隔離型的開關電源,實現(xiàn)LED與市電電網(wǎng)的有效隔離。和開關電源相對應的,還有一類叫線性電源,現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了,因為開關電源在效率和體積上更占優(yōu)勢?,F(xiàn)在的開關電源技術,能將轉換效率做到85%甚至更高,功率因數(shù)0.95以上,總諧波在15%以內(nèi)。這些指標也是我們選擇開關電源的基本要求。
光源就是LED芯片,這是LED照明的核心元件。除了工作電流、管壓降等電學參數(shù)外,我們更關心的是它的光學指標,如光通量、光效、色溫、顯色指數(shù)、光衰等等。LED的光學性能與其溫度密切相關,溫度的升高會引起光效降低、色溫漂移、壽命下降等問題,因此散熱技術在LED照明中尤為重要。熱力學知識告訴我們,物體的散熱只有三種方式:傳導、對流和輻射。由于LED芯片只是固定的發(fā)出某種波長的可見光,所以不存在紅外輻射散熱。在LED中,主要是傳導散熱,同時伴隨一定的對流散熱。減少LED的熱傳導環(huán)節(jié)和降低每個環(huán)節(jié)的熱阻,必要時采用強制風冷,都是散熱設計中的考慮因素。
1.2 模型二:電源+控制+光源
模型二比模型一多了一個控制模塊,這就大大豐富了LED照明的功能。如果說模型一只是一個照明產(chǎn)品,那么模型二可以說是一個照明系統(tǒng)了。由于加入了控制模塊,電源就變成恒壓型開關電源了,但是LED光源的工作還是需要恒流型電源,這部分(恒流驅動)我們放在控制模塊中一起實現(xiàn)了。下面,我們重點分析一下LED照明的控制系統(tǒng)。
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2 LED照明控制系統(tǒng)的八大層次分析
LED照明的控制系統(tǒng),可大可小,功能豐富。如:無線遙控調(diào)光系統(tǒng)、色溫可調(diào)照明系統(tǒng)、RGB調(diào)光調(diào)色系統(tǒng)、模擬日光照明系統(tǒng)、帶DALI協(xié)議的智能照明系統(tǒng)、基于ZigBee和GPRS的無線路燈控制系統(tǒng)等。透過現(xiàn)象看本質(zhì),所有這些照明控制系統(tǒng),都是利用電子技術領域中的嵌入式技術、通信技術、傳感器技術、計算機技術以及電力電子技術等發(fā)展建立起來的??此萍姺睆碗s化,其實有據(jù)可循。
為了理清脈絡,我們可以將LED照明控制系統(tǒng)分為8個層次,逐層闡述。如果我們能夠把每個層次的技術方案做好,那么任何復雜的控制系統(tǒng)我們都可以像“搭積木”一樣,輕松的實現(xiàn)。
LED照明控制系統(tǒng)的8個層次由底向上依次為:供電層、驅動層、光層、感器層、議層、信層、作層、統(tǒng)實現(xiàn)層。
2.1 供電層
供電層為整個控制系統(tǒng)提供高效穩(wěn)定的直流電源。與LED光源工作需要的恒流電源不同,控制系統(tǒng)的工作需要的是恒壓電源。供電層的電源獲得有兩個途徑:一是從LED照明燈具上的恒壓電源上獲取,這是一個DC-DC(直流到直流)轉換,因為燈具上的恒壓電源的電壓通常很高,而控制系統(tǒng)的電壓很低,所以要做一個從直流到直流的降壓轉換;二是從交流市電獲取,這是一個AC-DC(交流到直流)轉換,為了安全,通常也要做成隔離型的開關電源,因為控制系統(tǒng)的功耗通常很低,所以這里的恒壓電源對轉換效率的要求就不是很高。
2.2 驅動層
前面提到,模型二中電源部分是恒壓源,而LED光源的工作需要恒流源,因此,在控制系統(tǒng)中要有一個恒流驅動模塊,為LED光源的正常工作提供恒流源。在恒流驅動的設計上,一般是采用專用的驅動芯片,并配合一定的外圍電路。
驅動芯片的輸出端通常是帶有一串LED,輸出的恒定電流就是LED的工作電流。輸出的電壓范圍越高,可帶的LED數(shù)量就越多。也有例外的情況,輸出端要并聯(lián)多串LED,這時,我們要給每串LED串聯(lián)一個小電阻來實現(xiàn)電流的分流。驅動芯片一般還有一個PWM(脈沖寬度調(diào)制)的端口,用于實現(xiàn)調(diào)光控制,這是實現(xiàn)智能照明的基礎。恒流驅動方案的優(yōu)劣,直接關系到LED照明的可靠性和使用壽命。因此,對LED驅動技術的研究,尤為重要。
2.3 調(diào)光層
LED照明之所以容易實現(xiàn)智能控制,是因為它容易實現(xiàn)調(diào)光控制。所有智能化功能的體現(xiàn),都是通過調(diào)光功能實現(xiàn)的。對于LED照明調(diào)光的理解,不能只限于調(diào)節(jié)光的亮度,還包括對LED色溫和色彩的調(diào)節(jié)。這也正是LED照明能夠顛覆傳統(tǒng)照明的一個主要因素。調(diào)光技術的實現(xiàn)方式,有模擬和數(shù)字兩種。其中,數(shù)字調(diào)光主要是通過PWM(脈沖寬度調(diào)制)技術實現(xiàn)的,它是現(xiàn)在LED調(diào)光方案的主要手段。PWM信號可以通過對微控制器的編程實現(xiàn),產(chǎn)生不同的占空比,從而實現(xiàn)LED照明的調(diào)光。設計一款LED“三調(diào)”(亮度、色溫、色彩)功能的集成方案,是這個層次的研究重心。
2.4傳感器層
前面講到的驅動層和調(diào)光層,是從系統(tǒng)輸出的角度分析的。顯然,傳感器層就是智能系統(tǒng)的輸入了。它就像智能系統(tǒng)的眼睛和耳朵,能夠感受外部環(huán)境的變化,并把這些變化轉化成電學信號,傳遞給智能系統(tǒng)的大腦--中央處理器,進行分析和處理。在照明控制領域,我們關心的傳感器主要有:光敏傳感器,采集自然光的亮度信息;人體傳感器,檢測燈具附近是否有人的存在;溫度傳感器,采集外部環(huán)境的溫度信息;還有對系統(tǒng)工作時的電流電壓等數(shù)據(jù)的采集和分析。
2.5 協(xié)議層
沒有規(guī)矩不成方圓。要實現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的內(nèi)部各個模塊間的有序協(xié)調(diào)工作,必須有一套完善的“規(guī)章制度”,用來傳達指令和執(zhí)行操作。這套制度就是智能系統(tǒng)的協(xié)議。在目前的照明行業(yè)中,有兩套比較成熟的協(xié)議,一是照明通信中的DALI(DigitalAddressablELightingInterface數(shù)字可尋址照明接口)協(xié)議,另一是實現(xiàn)RGB色彩控制的DMX512協(xié)議。遺憾的是,這兩套協(xié)議都不是為LED照明量身定做的。對于LED照明控制相關協(xié)議的研究,現(xiàn)在也是一個熱點,國際上還沒有統(tǒng)一的標準。這對我們來說,也許是個機遇!
2.6 通信層
在電子信息領域,協(xié)議的傳輸,是以通信技術為載體來實現(xiàn)的。LED照明中通信,主要有三種方式:總線方式、電力線載波方式和無線射頻方式??偩€方式,以其技術成熟,可靠性高,組網(wǎng)簡單,成本適中等優(yōu)點,是目前應用最多的通信手段,如RS485總線。電力線載波方式,是通過交流電網(wǎng)來傳遞協(xié)議,免去了重復布線的成本,應該說是一種優(yōu)秀的通信手段。但是,它對電網(wǎng)的質(zhì)量要求很高,鑒于目前我國電網(wǎng)的諧波污染很嚴重,這種方式是否適合我國國情,還有待考證。無線射頻方式,現(xiàn)在最熱門的技術是ZigBee.它是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡技術。
2.7 操作層
這個層次實現(xiàn)了用戶和系統(tǒng)的信息交互。對于人機交互軟件的設計,操作簡單,界面友好,便于維護和升級,應該是首要考慮的因素。按照應用的場合不同,交互軟件可分為兩大類:一類運行于嵌入式系統(tǒng);另一類運行于PC機。
2.8 系統(tǒng)實現(xiàn)層
在這個層次,我們是對控制系統(tǒng)做全局的分析和設計,利用前面7個層次的研究成果,完成整個系統(tǒng)的搭建。也就是說,這個層次的設計是以前面7個層次為基礎的,是對前7個層次研究成果的綜合。