고체 상태의 조명과 고휘도 LED는 문자 그대로 우리가 세상을 보는 방식을 바꾸고 있습니다. LED 조명의 환경 적 이점은 두 가지입니다. 첫째, 기술 자체는 에너지 효율이 높은 광자 생성 방법이므로 텅스텐 필라멘트, 백열등 또는 소형 형광등에 대해 측정 할 때 작동 비용면에서 매력적입니다. 이것만으로도 전통적인 조명을 솔리드 스테이트 대안으로 대체하는 것이 가치가 있습니다.

둘째, 고전압 AC 라인과는 달리 저전압 DC 전원으로 작동하는 기술로의 전환은 추가 효율면 에서뿐만 아니라 조명 사용 방식에서도 추가적인 가능성을 제시합니다.

이것은 단순한 '담요'조명 이상입니다. 조닝, 씬 또는 무드 조명, 환경 및 거주자의 요구에보다 민감하게 반응 할 수있는 조명 연결에 대한 개념을 소개합니다.

경제적 기능

LED 조명의 효용성이 잘 드러나고 있으며, Haltz의 법칙 인 Haltz의 법칙이 지속되는 추세를 예측하는 '법'도 있습니다. 이것은 LED 조명에 의해 생성 된 루멘당 비용이 매 10 년마다 10 배 감소 함을 나타냅니다.

이것은 2020 년까지 LED가 200lm / W를 생성 할 수 있다는 것을 깔끔하게 예언합니다. 업계는이를 달성하기에 충분합니다.

그러나 고휘도 LED조차도 여전히 광자로서 다이오드 접합부에 공급되는 에너지의 약 절반만을 사용하고, 나머지는 간단히 소산 되어야만하는 부산물로서 열을 발생 시킨다는 점은 주목할 만하다. 접합부 온도가 약 150º를 초과해서는 안되며, LED 기술을 기반으로 한 조명 설비를 설계하는 데있어 중요한 부분이기 때문에 이는 매우 중요합니다.

직접 이동

교류에 의해 구동 될 때 반 사이클마다 완전히 켜지고 완전히 꺼지는 간단한 AC 전원 조명 장치와는 달리, LED 조명은 정전류가 공급 될 때 가장 잘 작동합니다. 이 매개 변수를 조정하면 조명의 밝기와 색상을 변경할 수 있지만 정밀한 제어가 필요하며 일반적으로 기존 조명을 구동하는 것보다 더 까다로운 작업입니다.

오늘날 대부분의 조명 설비는 LED가 요구하는 저전압, 저 전류 DC 소스와 달리 AC 전원으로 작동합니다. 이것은 기존의 전구를 LED로 대체하기 위해서는 어떤 형태의 변환이 필요하다는 것을 의미합니다.

기존의 조명기구에서 사용하기위한 대부분의 LED 전구는 전구에서 변환이 발생합니다. 이로 인해 AC 전원에 연결되어있는 동안 LED 또는 LED 스트링에 일정한 DC 전원을 공급하는 데 필요한 모든 기능을 통합 한 소형의 저비용 제품에 대한 수요가 발생했습니다.

LED는 순방향 바이어스가있을 때만 전도되기 때문에 전원 전압은 양의 값을 유지할 필요가 있으며, 전체 전파 브리지 정류기를 LED 드라이버에 통합하는 것은 어려울 수 있지만 션트 레귤레이터를 포함 할 수있다.

온 세미 컨덕터의 FL77944 LED 다이렉트 AC 드라이버는 아날로그 또는 디지털 (PWM) 및 위상 절삭을 포함한 다양한 방식으로 디밍을 구현할 수있는 고전력 LED 드라이버이다.

단순화 된 블록 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. LED 스트링에 전용으로 사용되는 4 개의 핀이 있으며 각 핀에는 최대 150mA의 통합 정전류 싱크가 내장되어있다. LED 스트링 중 3 개는 최대 500V의 전압을 수용 할 수 있으며, 네 번째는 최대 200V의 전압을 수용 할 수 있습니다.

그림 2 는 120Vac에서 실행되는 일반적인 애플리케이션을 보여 주지만이 디바이스는 90Vac ~ 305Vac의 넓은 입력 전압 범위를 가지므로 어떤 지역에도 적합합니다.

On Semi 드라이버는 브리지 정류기를 제외한 2 개의 외부 부품으로 작동 할 수 있습니다. 이 장치는 정류 된 공급을 조절할 필요가 없도록 독창적으로 방지합니다.

그림 3 정류 된 라인 전압이 상승함에 따라, 전류 싱크 핀 각각에 부착 된 일련의 LED의 순방향 전압 레벨에 도달한다는 것을 보여준다. 따라서 전류는 모든 LED 스트링을 통해 흐를 때까지 각 LED 스트링을 순차적으로 통과합니다. 각 문자열에 의해 그려지는 전류는 균형을 이룹니다. 주어진 시간에 어떤 문자열이 순방향으로 편향되는지에 따라 증가하거나 감소합니다. 이를 통해 부드러운 작동이 가능하고 주파수 고조파가 감소되어 역률이 향상되고 전반적인 EMI가 감소합니다.

온 세미 컨덕터 (On Semiconductor)는 FL77944가 0.98의 일반적인 역률과 20 % 미만의 총 고조파 왜곡을 달성 할 수 있다고 주장했다. 디밍 입력은 아날로그 또는 PWM 디밍을 지원하므로 LED를 통해 흐르는 RMS 전류는 디밍 입력의 전압 레벨에 따라 선형 적으로 변화한다.

또한이 디바이스는 하강 사이클의 상승 / 하강 에지 또는 하강 / 하강 에지에서 위상 동안 AC 파형이 절단되는 선행 및 후행 트라이 액 디밍 (triac dimming)과 호환됩니다. 이것이 본질적으로 부하에 전력을 공급하는 AC 형태이기 때문에, 모든 LED 드라이버가 triac-dimmed AC 전원으로 작동 할 수있는 것은 아니며, 반대로 모든 triac dimmer가 LED 드라이버로 작동하지는 않습니다 종래의 등기구와 동일한 하중 프로파일.

연결된 조명

leading 및 trailing edge 디밍은 기본적으로 레거시 기술이며 자동화가 반드시 필요한 것은 아니지만 PWM 디밍은 본질적으로 디지털이며 순수 전자 수단을 통해 이론적으로 제어하기가 쉽습니다. 이는 IoT의 일부를 형성하기 위해 원격으로 모니터링 및 제어 할 수있는 연결 및 지능형 조명 시스템으로의 전환을 지원합니다.

무선 통신은 스마트 라이팅의 근본적인 부분이며 순수한 고객 중심 기능은 아닙니다.하지만 이는 분명히 기존 조명 시스템에 비해 큰 이점입니다.

엔지니어가 사이트에 엔지니어를 제공 할 필요없이 광범위한 설치 시나리오에 맞게 단일 디자인을 조정할 수 있으므로 연결된 시스템이 스마트 해집니다. 유지 보수 부담을 줄이거 나 줄이는 것이 IoT의 주된 이점이며, 특히 설치시 발생할 수있는 차이점 때문에 스마트 조명에 적용됩니다. 이러한 변형을 설계하거나 무선 업데이트를 사용하여 조명을 조절할 수있는 것은 LED 중심 조명 환경의 기본 요소입니다.

이것이 실제로 달성되는 방법의 예는 ZigBee 및 Thread 용 EFR32MG Mighty Gecko 메시 네트워킹 무선 SoC를 기반으로하는 Silicon Labs의 ZigBee 연결 조명 키트에서 제공합니다.

이 키트는 즉시 사용할 수 있고 ZigBee 네트워크에 연결할 준비가되어 있습니다. Silicon Labs의 USB 가상 게이트웨이와 같은 ZigBee Home Automation 1.2 호환 게이트웨이가 필요합니다. 펌웨어는 Silber Labs 웹 사이트에 등록 된 개발자가 사용할 수있는 Ember ZNet Pro 스택을 기반으로합니다.

키트가 네트워크에 연결되면 게이트웨이는 키트의 기능에 대한 무선 액세스를 제공합니다. 여기에는 LED의 강도, 색상 및 색온도 설정이 포함됩니다. 평가 킷이므로 다른 기능을 탐색 할 수 있으며 외부 LED 드라이버를 제어하는 ​​데 사용할 수있는 PWM 테스트 포인트가 포함됩니다.

펌웨어에는 구성 클러스터 서버 플러그인이 포함되어있어 코드를 다시 컴파일 할 필요없이 제조 프로세스 중 일부 변경을 수행 할 수 있습니다. 여기에는 일부 LED 드라이버에 필요할 수있는 PWM 주파수를 조정하거나 지역 제한 사항에 따라 장치의 전송 전력을 수정하는 것이 포함됩니다.

펌웨어를 변경하지 않고 이러한 기능을 수정할 수 있으므로 동일한 바이너리 이미지를 여러 제품 변형에 사용할 수 있습니다.

조정을 수행하는 데 사용되는 명령은 모든 Home Automation 1.2 호환 게이트웨이에서 발행 할 수 있지만, 필요한 경우 후속 업데이트를 허용하지 않도록 예약 된 명령도 있습니다. PWM 출력을 구성하는 데 사용되는 명령은 제조업체의 요구 사항에 맞는 특정 LED 드라이버와 함께 사용하기위한 것입니다.

SoC의 Mighty Gecko, ZigBee 및 Thread 제품군은 이러한 종류의 어플리케이션을 위해 특별히 개발되었습니다. 에서 볼 수 있듯이 그림 4에서이 부품의 주요 기능 블록은 Cortex-M4와 라디오 트랜시버이지만, 아날로그 채널로 전용 될 수있는 아날로그 채널 전용의 최대 31 핀까지 다양한 주변 장치와 지원 기능을 갖추고있다 비교기, ADC 및 전류 출력 DAC로 구성된다.

트랜시버는 2.4GHz에서 작동하도록 설계 되었기 때문에이 장치는 Bluetooth Smart, Zigbee 및 Thread 및 독점 프로토콜을 포함한 다양한 프로토콜을 지원할 수있다.

EFR32MG는 또한 메인 랩톱 CPU를 휴면 모드에서 빠져 나오지 않고 다양한 주변 장치가 트리거를 기반으로 정보를 보내고 받음으로써 자율적으로 작동 할 수있게 해주는 Silicon Labs 주변 장치 반사 시스템 (PRS)을 특징으로합니다.

이를 통해 배터리 구동 응용 프로그램의 시스템 전력 요구 사항을 크게 낮출 수 있습니다. LED 조명의 저전력 특성과 결합하면 농촌 지역과 같이 AC 전원을 사용할 수없는 지역에 배터리 전원 공급 조명을 연결할 수 있습니다. 또한 RF 트래픽이 불필요한 '잡음'을 일으킬 수있는 영역에서 무선 통신을 제한하는 데 사용할 수 있습니다.

모든 요구 사항 충족

EFR32MG는 스마트 조명 솔루션의 핵심으로 설계되어 LED 조명을 게이트웨이를 통해 원격으로 처리하고 제어 할 수 있습니다.

즉, 전제가있는 동안에는 집 소유자 나 비즈니스 관리자가 전등을 무선으로 제어 할 수 있고 다른 서비스 공급자에게 제어권을 부여하여 전 세계 어디서나 다른 시간대에있는 건물을 관리 할 수있는 제어 센터를 만들 수 있습니다. 또는 대륙. 그 의미는 모든 크기의 빛을 연결하고 중앙에서 제어 할 수 있다는 것입니다. 이것은 광범위한 LED 드라이버에 대한 수요를 창출하며, 모든 것이 고출력 LED를 구동 할 수 있어야한다.

관련 예제는 Diodes의 AL5802입니다. 이 소자는 가능한 한 적은 외부 부품으로 20mA ~ 100mA의 전류에서 저 전류 LED를 구동하도록 특별히 개발되었다. 그림 5는 일반적인 애플리케이션 예제를 보여줍니다. 트랜지스터 Q1은 외부 저항 양단의 전압을 감지하여 LED 부하를 통해 흐르는 전류를 감지하는 데 사용된다. Q1의베이스 이미 터 전압은 Q2의베이스 전류를 제어하는 ​​데 사용된다. 선형 모드에서 작동하는 Q2는 LED를 통해 흐르는 전류를 조절한다.

필요한 경우 더 높은 LED 전류를 달성하기 위해 여러 소자를 병렬로 사용할 수 있습니다. (그림 6), AL5802는 PWM 기반 디밍도 지원합니다 (그림 7).

시스템 수준 솔루션

LED 조명은 적어도 2022 년까지 기존의 조명을 대체 할 것으로 예상되며, 그때까지는 '종래의'라는 용어가 오늘날의 기술보다는 LED 조명을 나타낼 수 있습니다.

많은 반도체 제조업체들은 일반적으로 드라이버 범주에 해당하는 다양한 제품을 개발함으로써 이러한 요구에 대응하고 있습니다. AC 전원이 서서히 결합되어 잠재적으로 저전압 DC를 제공하는 콘센트 및 배선 네트워크로 대체되면 제품 구성이 잘 변경 될 수 있지만 수요는 사라지지 않습니다.

솔리드 스테이트는 기존의 조명보다 훨씬 더 많은 잠재력을 제공하며 단일 기판 또는 멀티 칩 모듈에서 이미 터와 나란히 지능을 통합 할 수있는 기회입니다. 그 패러다임은 여전히 ​​약간의 시간이 걸릴 수 있지만, 기본 기술에 대한 지속적인 투자는 가격 침식을 유지하고 효능을 계속 끌어 올릴 것입니다. 이러한 경향은 LED 조명에 대한 매우 밝은 미래를 지적합니다.

그림 8 이미 모든 구성 요소를 사용하여 구현할 수 있으며, LED를 기존 조명기에 쉽게 추가하여 로컬 또는 원격으로 제어 할 수있는 연결된 조명 시스템을 신속하게 구축 할 수 있습니다.

공공 장소에서의 연결 조명은 더 넓은 가능성을 제시하며 스마트 폰으로 적절한 응용 프로그램을 실행하는 주변의 누구에게나 소비자 제안을 브로드 캐스트 표지로 사용하기 위해 연결된 LED 가로등을 사용하는 스마트 도시의 예가 이미 있습니다. 이것이 모든 사람들에게 어필 할 수는 없지만 동일한 원칙을 사용하여 예를 들어 중요한 서비스 메시지를 방송하기 위해 공장에서 전체 무선 서비스를 제공 할 수 있습니다. 연결이 모든 응용 프로그램에서 초기 값을 설정하면 비교적 간단하게 구축 할 수 있습니다.

인터넷 용어로는 '최상위 서비스'라고하며 스마트 조명으로 개발되기를 기대하는 것이 합리적입니다.

저자 정보

Rich Miron은 부품 유통 업체 인 Digi-Key의 애플리케이션 엔지니어입니다.