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      LED智能調光與調光控制

      放大字體  縮小字體 發布日期:2015-06-08  來源:《電氣&智能建筑》  作者:路秋生
      1 概述
       
      LED是繼白熾燈、熒光燈和HID燈后的一代新型電光源,LED發光效率高,易于調光控制,調光控制范圍較白熾燈、熒光燈和HID等都要寬,使用靈活方便,重要的是調光可以使照明環境更適于人的照明需求,且節能效果明顯。而智能調光利用現有的網絡技術和通信技術,可以方便地實現調光控制,例如利用現人們廣泛使用的Wi-Fi、藍牙和Zigbee技術可以方便的實現LED無線調光控制,通過藍牙技術,人們可以通過自己的手機實現對LED燈具的調光控制,而Wi-Fi也是得到廣泛應用的無線通信技術,在筆記本電腦、手機等通用設備上都有Wi-Fi通信控制功能。利用Wi-Fi、藍牙和Zigbee可以方便地組網,實現對LED照明的智能調光控制。如果要求調光控制范圍更寬,也可以采用如KNX、CAN和LONWORKS等相關現場總線技術來實現對LED照明的智能調光控制。
       
      LED按調光控制方式不同可以分為模擬LED調光、PWM調光和數控LED調光等多種調光控制方式,LED數控調光利用現有的一些總線控制技術和現有的通信技術(例如ZLL、Zigbee、WiFi和Blututhe等)可以很方便地實現LED調光控制,世界上一些大照明廠商也推出了有關LED無線調光控制產品,使用方便,節能效果明顯。
       
      在照明領域引入智能控制技術可以極大地改善照明調光控制效果,LED采用智能調光控制技術,可以很方便地對照明的有關控制效果進行照明效果的預先設定,可以實現定時開關燈和對一些特殊照明效果的控制,例如通過智能照明控制可以使照明效果隨音樂的變化而變化,以營造出特殊的照明效果。
       
      LED照明調光按調光控制信號的連接方式可以分為以下兩種[9]。
       
      (1)調光控制信號和交流電源供電線合用的兩線式或三線式(例如LED相控調光)調光;
      (2)調光控制信號和交流電源供電線分離調光(例如0-10V、DALI、DMX512、KNX等)。
      主要有以下因素會影響LED調光控制特性;
      (1)LED驅動控制電路的工作特性;
      (2)調光控制實現方式(例如相控LED調光、線性調光或PWM調光等);
      (3)連接在照明電路中的光源數量和光源類型等因素有關[6][7]。
      在調光控制過程中可能會遇到以下有關問題:
      (1)音頻噪聲;
      (2)LED瞬間發光;
      (3)LED發光回動;
      (4)調光器早期失效;
      (5)調光不靈敏控制區間;
      (6)LED發光閃爍,出現鬼影現象;
      (7)調光性能不能滿足要求;
      (8)調光控制范圍不能滿足要求;
      (9)不可預見的調光控制特性曲線等[8]。
       
      2 常用無線LED調光控制方法與特點
       
      2.1 ZigBee
       
      “Zig”的英文含義表示“之字形”,“Zag”的含義表示“急轉,急變”,“Zigzag”的含義表示“之字形跳變”,“bee”表示“蜜蜂”,“Zigbee”一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時,通過跳“Zigzag”形舞蹈來相互告知,達到交換信息目的。即蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。ZigBee早期也被稱之為“Home RF Lite”、“PR-Easy link”或“FireFly”[5].
       
      ZigBee聯盟是一個由約400家成員企業組成的非營利性開放式協會,用以共同推動開發創新、可靠、易用的ZigBee標準。該聯盟致力于在世界各地推廣ZigBee,使其成為用于消費產品、商業和工業領域的領先無線聯網、傳感和控制標準。
       
      Zigbee技術相對Wi-Fi的優點是功耗低,功耗只有Wi-Fi的1/10,并且Zigbee采用的是網狀網絡(mesh network),Zigbee不只是單點傳遞信息,而是每一個燈泡都能互相溝通,因此這樣能夠靠燈泡來擴大網絡范圍,減少環境局限與中控的壓力。節能與穩定的Zigbee是智能家電非常好的解決方案。
       
      2.2 ZigBee Light link
       
      2007年年底,ZigBee聯盟發布ZigBee Pro,2012年4月,ZigBee Light link公共應用子集誕生。ZigBee Light link(ZLL)是基于ZigBee PRO協議的一個專用于支持消費照明的公共應用子集,ZigBee Light link為照明產業提供了一個全球統一的通信標準,以保證互操作性和消費照明產品的易操作性。
       
      由ZLL(ZigBee Light link)構成的智能照明系統如圖1所示。
       
      ZigBee Light link是透過單一網路控制不同品牌廠商的照明產品,并且同時能與多元頻段的電腦、智慧型手機和平板電腦連結。
       
      這項標準是由奇異、Greenwave Reality、歐司朗和飛利浦等大企業共同推出的無線通訊連結標準。以確保所有Zigbee Light link的燈具都能夠互相連結。ZigBee Light link是為了下一代照明應用提供易于使用且直覺性的操作界面連結標準。
       
      ZigBee Light link協議燈控制技術具有以下特點:
      (1)易安裝:可以集成到現有的產品中,無線布線直接安裝;
      (2)支持設備:燈具、燈泡、燈開關/調光器、定時裝置、遙控器及所有燈光投備;
      (3)易用直觀:智能手機、平板及電腦現場和互聯網遠程控制;
      (4)互操作性:ZLL標準軟件規范,標準認證測試,確保所有產品互操作性;
      (5)ZigBee技術:由ZigBee聯盟提供開放、自由的網絡,完全兼容ZigBee PRO協議規范,2.4GHz頻段。
       
      2.3 采用ZigBee Light link技術的LED智能調光燈
       
      在LED智能照明中采用的無線傳輸標準有Zigbee、Wi-Fi以及藍牙等,藍牙4.0已經成為目前市面上智能手機的標配,只需在燈具添加低功耗藍牙調光方式,通過應用軟件,終端消費者就可以簡單地去控制燈光的開關、強弱,實現節能省電的目標。
       
      但是,藍牙的傳輸距離較短,且傳輸通道少,Wi-Fi的功耗大,并且成本較高,因此對家居照明而言,Zigbee更具有技術和成本兩方面的綜合優勢。
       
      采用ZLL智能調光控制技術的LED燈結構如圖2所示??梢娦柙贚ED驅動電路中再加一個ZigBee控制模塊,就可以實現ZLL智能調光控制功能。采用ZLL智能調光控制技術的LED智能調光控制系統工作原理圖如圖3所示[2]。
       
      3 采用Wi-Fi技術的LED智能調光控制
       
      Wi-Fi技術由于研發門檻低,產品成本低,同時具備相對快的速度,再加上無需網橋直接接入互聯網以及與手機無縫通信的先天優勢。但是Wi-Fi芯片的尺寸偏大、功耗偏高。
       
      另外,受限于Wi-Fi自身的特性,接入方式的接入上限主要限制于Wi-Fi路由器的節點數量(典型值為數十個節點),這對那些照明設備眾多的用戶來說,是個需要認真考慮的因素。
       
      例如,LIFX燈泡可以通過Wi-Fi和智能手機相連并遠程控制LED燈,LIFX燈泡可以發出多種顏色,并且節能效果明顯。LIFX安裝起來相當方便,像其它燈泡一樣轉進去就可以了。在Google Play或者App Store上下載LIFX的應用之后,就可以實現在手機上對房間里的所有LIFX燈泡進行亮度、開閉和顏色的控制。還可以讓LIFX隨著音樂的節奏變換,在上下班或者不在家時實現自動開關燈泡。
       
      再如Philips推出的智能燈泡Hue,Hue的字面意思是“色彩”。Hue是Philips在2012年推出的一款智能燈泡。用戶通過配套的軟件,可以開關燈和調節燈光顏色。每顆Hue燈泡內都有紅、藍、黑三種顏色的LED芯,理論上共可調配出1600萬種顏色。Philips預置了多種不同的顏色、亮度方案,用戶可以直接選擇閱讀模式、沙灘模式、日落模式。
       
      使用Hue燈泡,用戶可以根據不同的場景設置不同的燈光提醒。比如來電時,讓Hue變個顏色,再也不用擔心靜音時接不到電話了。另外Hue還是一個開放源代碼的平臺,開發者能夠根據自己的需求開發出不同的應用。
       
      據報道,2014年4月LG宣布推出一款可以連接 iOS及Android設備的智能燈泡Smart Bulb.智能燈泡Smart Bulb支持藍牙連接,有相應的iOS及Android app,用戶可以通過智能手機來調節智能燈泡Smart Bulb的照明效果,還可以根據音樂調整自身的照明效果,或在來電時發出不同顏色的光作為提示信號。
       
      4 采用Marvell 88EM8189的LED智能調光驅動控制
       
      4.1 Marvell 88EM8189的特點
       
      Marvell 88EM8189是一款采用混合信號驅動架構的單級AC/DC恒流、智能LED驅動控器,含一個集成的I2C接口。I2C接口連接到網絡微控制器,通過ZigBee、Wi-Fi、藍牙、PLC和其它技術聯網提供數字調光控制功能。另外,Marvell 88EM8189的片上交直流轉換器為網絡單片機供電,滿足能源之星在待機狀態下功耗<500mW(當光線處于關閉狀態)的技術要求。
       
      Marvell 88EM8189調光范圍從1%~100%完全覆蓋,可以提供高效、高功率因數、低諧波LED照明應用,先進的調光技術確保深度調光,并兼容現有照明設備。高密度集成電路(ICs)降低了材料清單(BOM)成本,做出的印刷電路板(PCB)小,是一款面向智能無線燈泡的調光控制驅動IC[4].
       
      Marvell 88EM8189與Marvell的88MZ100 ZigBee無線個域網單片機配合使用可以實現二芯片智能調光解決方案。另外,88EM8189允許向后兼容的壁式相控調光器,實現無發光閃爍的相控調光控制[3]。
       
      88EM8189采用創新的相控調光控制算法、初級側電流檢測和控制算法、PWM控制算法、故障檢測控制算法及熱管理算法??捎糜诮祲?升壓(非隔離)或反激(隔離)設計拓撲應用場合。用于反激(隔離)變換的智能調光Marvell 88EM8189典型應用電路工作原理圖如圖4所示。
       
      4.2 采用Marvell 88EM8189芯片實現LED智能調光控制的主要優點
       
      采用Marvell 88EM8189芯片實現LED智能調光控制的主要優點如下[1]:
      (1)單級原邊控制的反激式或降壓-升壓型拓撲;
      (2)連接至網絡微控制器提供集成的I2C數字接口,可以通過ZigBee、Wi-Fi、藍牙、電力線通信(PLC)以及其它技術提供數字調光控制;
      (3)偏置電源連接至網絡微控制器提供集成的AC-DC轉換器;
      (4)關燈時,滿足能源之星功耗要求(待機時<500mW);
      (5)與世界各地使用的相控壁式調光器向后兼容;
      (6)采用88EM8189加88MZ100的雙芯片解決方案降低了系統用料成本;
      (7)有源功率因數校正,高功率因數(>0.95);
      (8)內置開路保護、短路保護和過熱保護控制功能;
      (9)跳脈沖工作模式可以降低待機功耗;
      (10)提高了熱折返工作可靠性;
      (11)沒有調光器阻尼和泄放電路;
      (12)芯片上的高壓啟動電路省掉了啟動電源電路,使用電路元器件數量少;
      (13)無需使用光電耦合器和二次反饋電路。
       
      參考文獻
      1 Marvell 88EM8189 Intelligent LED Controller for Smart Wireless Light Bulbs-Integrated I2C Interface and Standby Power Supply for Networking Circuit, 2014.03.01
      2 深圳市信馳達科技有限公司.ZigBee Light link智能燈光控制方案,PPT
      3 Marvell 88MZ100 Zigbee SoC Solution for Home Automation and More
      4 Marvell Smart LED Lighting Solutions, Marvell Smart Energy,Smart-LED-Lighting-Solutions-02 1/13
      5 吳為敬.照明總線技術發展歷程及未來趨勢.華南理工大學,新世紀LED網,PPT
      6 Flicker,U.S. Department of Energy,Energy efficiency& Renewable Energy, Building Technologies Office SOLID-STATE LIGHTING TECHNOLOGY FACT SHEET
      7 Kelly Gordon,PNNL,USA,Lightfair 2014,June 3,2014,SSL:Early Lessons Learned on the Way to Market,P5
      8 Brian Chemel,Founder & CTO,DoE SSL R&D Workshop,28 January 2014,PPT,P64
      9 Michael Poplawski and Naomi Miller ,Pacific Northwest National Laboratory,Steps for Successful Phase-Cut Dimming of LEDs,Lightfair,06.03-05,2014,PPT P4-5
       
       
       
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