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LED智能调光与调光控制

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2015-01-09  来源:《照明》  作者:路秋生  
1 概述
 
LED是继白炽灯、荧光灯和HID灯后的一代新型电光源,LED发光效率高,易于调光控制,调光控制范围较白炽灯、荧光灯和HID等都要宽,使用灵活方便,重要的是调光可以使照明环境更适于人的照明需求,且节能效果明显。而智能调光利用现有的网络技术和通信技术,可以方便地实现调光控制,例如利用现人们广泛使用的Wi-Fi、蓝牙和Zigbee技术可以方便的实现LED无线调光控制,通过蓝牙技术,人们可以通过自己的手机实现对LED灯具的调光控制,而Wi-Fi也是得到广泛应用的无线通信技术,在笔记本电脑、手机等通用设备上都有Wi-Fi通信控制功能。利用Wi-Fi、蓝牙和Zigbee可以方便地组网,实现对LED照明的智能调光控制。如果要求调光控制范围更宽,也可以采用如KNX、CAN和LONWORKS等相关现场总线技术来实现对LED照明的智能调光控制。
 
LED按调光控制方式不同可以分为模拟LED调光、PWM调光和数控LED调光等多种调光控制方式,LED数控调光利用现有的一些总线控制技术和现有的通信技术(例如ZLL、Zigbee、WiFi和Blututhe等)可以很方便地实现LED调光控制,世界上一些大照明厂商也推出了有关LED无线调光控制产品,使用方便,节能效果明显。
 
在照明领域引入智能控制技术可以极大地改善照明调光控制效果,LED采用智能调光控制技术,可以很方便地对照明的有关控制效果进行照明效果的预先设定,可以实现定时开关灯和对一些特殊照明效果的控制,例如通过智能照明控制可以使照明效果随音乐的变化而变化,以营造出特殊的照明效果。
 
LED照明调光按调光控制信号的连接方式可以分为以下两种[9]。
 
(1)调光控制信号和交流电源供电线合用的两线式或三线式(例如LED相控调光)调光;
(2)调光控制信号和交流电源供电线分离调光(例如0-10V、DALI、DMX512、KNX等)。
主要有以下因素会影响LED调光控制特性;
(1)LED驱动控制电路的工作特性;
(2)调光控制实现方式(例如相控LED调光、线性调光或PWM调光等);
(3)连接在照明电路中的光源数量和光源类型等因素有关[6][7]。
在调光控制过程中可能会遇到以下有关问题:
(1)音频噪声;
(2)LED瞬间发光;
(3)LED发光回动;
(4)调光器早期失效;
(5)调光不灵敏控制区间;
(6)LED发光闪烁,出现鬼影现象;
(7)调光性能不能满足要求;
(8)调光控制范围不能满足要求;
(9)不可预见的调光控制特性曲线等[8]。
 
2 常用无线LED调光控制方法与特点
 
2.1 ZigBee
 
“Zig”的英文含义表示“之字形”,“Zag”的含义表示“急转,急变”,“Zigzag”的含义表示“之字形跳变”,“bee”表示“蜜蜂”,“Zigbee”一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时,通过跳“Zigzag”形舞蹈来相互告知,达到交换信息目的。即蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee早期也被称之为“Home RF Lite”、“PR-Easy link”或“FireFly”[5].
 
ZigBee联盟是一个由约400家成员企业组成的非营利性开放式协会,用以共同推动开发创新、可靠、易用的ZigBee标准。该联盟致力于在世界各地推广ZigBee,使其成为用于消费产品、商业和工业领域的领先无线联网、传感和控制标准。
 
Zigbee技术相对Wi-Fi的优点是功耗低,功耗只有Wi-Fi的1/10,并且Zigbee采用的是网状网络(mesh network),Zigbee不只是单点传递信息,而是每一个灯泡都能互相沟通,因此这样能够靠灯泡来扩大网络范围,减少环境局限与中控的压力。节能与稳定的Zigbee是智能家电非常好的解决方案。
 
2.2 ZigBee Light link
 
2007年年底,ZigBee联盟发布ZigBee Pro,2012年4月,ZigBee Light link公共应用子集诞生。ZigBee Light link(ZLL)是基于ZigBee PRO协议的一个专用于支持消费照明的公共应用子集,ZigBee Light link为照明产业提供了一个全球统一的通信标准,以保证互操作性和消费照明产品的易操作性。
 
由ZLL(ZigBee Light link)构成的智能照明系统如图1所示。
 
ZigBee Light link是透过单一网路控制不同品牌厂商的照明产品,并且同时能与多元频段的电脑、智慧型手机和平板电脑连结。
 
这项标准是由奇异、Greenwave Reality、欧司朗和飞利浦等大企业共同推出的无线通讯连结标准。以确保所有Zigbee Light link的灯具都能够互相连结。ZigBee Light link是为了下一代照明应用提供易于使用且直觉性的操作界面连结标准。
 
ZigBee Light link协议灯控制技术具有以下特点:
(1)易安装:可以集成到现有的产品中,无线布线直接安装;
(2)支持设备:灯具、灯泡、灯开关/调光器、定时装置、遥控器及所有灯光投备;
(3)易用直观:智能手机、平板及电脑现场和互联网远程控制;
(4)互操作性:ZLL标准软件规范,标准认证测试,确保所有产品互操作性;
(5)ZigBee技术:由ZigBee联盟提供开放、自由的网络,完全兼容ZigBee PRO协议规范,2.4GHz频段。
 
2.3 采用ZigBee Light link技术的LED智能调光灯
 
在LED智能照明中采用的无线传输标准有Zigbee、Wi-Fi以及蓝牙等,蓝牙4.0已经成为目前市面上智能手机的标配,只需在灯具添加低功耗蓝牙调光方式,通过应用软件,终端消费者就可以简单地去控制灯光的开关、强弱,实现节能省电的目标。
 
但是,蓝牙的传输距离较短,且传输通道少,Wi-Fi的功耗大,并且成本较高,因此对家居照明而言,Zigbee更具有技术和成本两方面的综合优势。
 
采用ZLL智能调光控制技术的LED灯结构如图2所示。可见需在LED驱动电路中再加一个ZigBee控制模块,就可以实现ZLL智能调光控制功能。采用ZLL智能调光控制技术的LED智能调光控制系统工作原理图如图3所示[2]。
 
3 采用Wi-Fi技术的LED智能调光控制
 
Wi-Fi技术由于研发门槛低,产品成本低,同时具备相对快的速度,再加上无需网桥直接接入互联网以及与手机无缝通信的先天优势。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路由器的节点数量(典型值为数十个节点),这对那些照明设备众多的用户来说,是个需要认真考虑的因素。
 
例如,LIFX灯泡可以通过Wi-Fi和智能手机相连并远程控制LED灯,LIFX灯泡可以发出多种颜色,并且节能效果明显。LIFX安装起来相当方便,像其它灯泡一样转进去就可以了。在Google Play或者App Store上下载LIFX的应用之后,就可以实现在手机上对房间里的所有LIFX灯泡进行亮度、开闭和颜色的控制。还可以让LIFX随着音乐的节奏变换,在上下班或者不在家时实现自动开关灯泡。
 
再如Philips推出的智能灯泡Hue,Hue的字面意思是“色彩”。Hue是Philips在2012年推出的一款智能灯泡。用户通过配套的软件,可以开关灯和调节灯光颜色。每颗Hue灯泡内都有红、蓝、黑三种颜色的LED芯,理论上共可调配出1600万种颜色。Philips预置了多种不同的颜色、亮度方案,用户可以直接选择阅读模式、沙滩模式、日落模式。
 
使用Hue灯泡,用户可以根据不同的场景设置不同的灯光提醒。比如来电时,让Hue变个颜色,再也不用担心静音时接不到电话了。另外Hue还是一个开放源代码的平台,开发者能够根据自己的需求开发出不同的应用。
 
据报道,2014年4月LG宣布推出一款可以连接 iOS及Android设备的智能灯泡Smart Bulb.智能灯泡Smart Bulb支持蓝牙连接,有相应的iOS及Android app,用户可以通过智能手机来调节智能灯泡Smart Bulb的照明效果,还可以根据音乐调整自身的照明效果,或在来电时发出不同颜色的光作为提示信号。
 
4 采用Marvell 88EM8189的LED智能调光驱动控制
 
4.1 Marvell 88EM8189的特点
 
Marvell 88EM8189是一款采用混合信号驱动架构的单级AC/DC恒流、智能LED驱动控器,含一个集成的I2C接口。I2C接口连接到网络微控制器,通过ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、PLC和其它技术联网提供数字调光控制功能。另外,Marvell 88EM8189的片上交直流转换器为网络单片机供电,满足能源之星在待机状态下功耗<500mW(当光线处于关闭状态)的技术要求。
 
Marvell 88EM8189调光范围从1%~100%完全覆盖,可以提供高效、高功率因数、低谐波LED照明应用,先进的调光技术确保深度调光,并兼容现有照明设备。高密度集成电路(ICs)降低了材料清单(BOM)成本,做出的印刷电路板(PCB)小,是一款面向智能无线灯泡的调光控制驱动IC[4].
 
Marvell 88EM8189与Marvell的88MZ100 ZigBee无线个域网单片机配合使用可以实现二芯片智能调光解决方案。另外,88EM8189允许向后兼容的壁式相控调光器,实现无发光闪烁的相控调光控制[3]。
 
88EM8189采用创新的相控调光控制算法、初级侧电流检测和控制算法、PWM控制算法、故障检测控制算法及热管理算法。可用于降压-升压(非隔离)或反激(隔离)设计拓扑应用场合。用于反激(隔离)变换的智能调光Marvell 88EM8189典型应用电路工作原理图如图4所示。
 
4.2 采用Marvell 88EM8189芯片实现LED智能调光控制的主要优点
 
采用Marvell 88EM8189芯片实现LED智能调光控制的主要优点如下[1]:
(1)单级原边控制的反激式或降压-升压型拓扑;
(2)连接至网络微控制器提供集成的I2C数字接口,可以通过ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、电力线通信(PLC)以及其它技术提供数字调光控制;
(3)偏置电源连接至网络微控制器提供集成的AC-DC转换器;
(4)关灯时,满足能源之星功耗要求(待机时<500mW);
(5)与世界各地使用的相控壁式调光器向后兼容;
(6)采用88EM8189加88MZ100的双芯片解决方案降低了系统用料成本;
(7)有源功率因数校正,高功率因数(>0.95);
(8)内置开路保护、短路保护和过热保护控制功能;
(9)跳脉冲工作模式可以降低待机功耗;
(10)提高了热折返工作可靠性;
(11)没有调光器阻尼和泄放电路;
(12)芯片上的高压启动电路省掉了启动电源电路,使用电路元器件数量少;
(13)无需使用光电耦合器和二次反馈电路。
 
参考文献
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 深圳市信驰达科技有限公司.ZigBee Light link智能灯光控制方案,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 吴为敬.照明总线技术发展历程及未来趋势.华南理工大学,新世纪LED网,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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