想象一下，在炎熱、霧霾天氣下舉行馬拉松比賽，節省一丁點(diǎn)兒體耗，對比賽結果都至關(guān)重要。通常，當賽程不到一半時(shí)，就好像已經(jīng)分出勝負。領(lǐng)跑者似乎不可超越，因為這些選手能夠以較少的體能消耗跑出更遠的距離。領(lǐng)跑者神采奕奕，光彩照人，在酷暑和競賽中始終保持冷靜和良好的狀態(tài)。但是，這些選手真的能夠在后半程比賽中穩定步伐、繼續保持領(lǐng)先嗎？在個(gè)個(gè)經(jīng)過(guò)周密培訓和激烈競爭的運動(dòng)員當中，天賦和潛質(zhì)也只能發(fā)揮至此。要想成功，需要在路上消耗巨大的潛能?，F在的領(lǐng)跑者是否能夠挖掘潛力、運用策略、應對各種自然環(huán)境，最終如愿以?xún)?？時(shí)間和智慧將說(shuō)明一切。

 

現在，您可能會(huì )問(wèn)我：“馬拉松跟LED有什么關(guān)系？你真的知道自己在說(shuō)什么嗎？”我想是的。就像強壯的選手領(lǐng)跑馬拉松一樣，LED在高能效照明領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。相對于白熾燈和熒光燈照明，LED的主要技術(shù)優(yōu)勢是消耗的能源更低、壽命更長(cháng)，并且能夠更好地控制照明顏色和方向。

 

據估算，美國2010年度的照明耗能占電能的19%1。截至2030年，每年的照明耗能將達到767太瓦時(shí)(TWh)1。對于我們這場(chǎng)特殊的馬拉松領(lǐng)跑者來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)多么好的機會(huì )！到2030年，LED照明可將耗電降低25%1。此外，由于LED的壽命比其它照明方案壽命長(cháng)5倍，并且不含有害物質(zhì)，所以，LED可以減少照明形成的固體廢料和種類(lèi)。甚至有可能不需要更換LED，而只是在改造建筑時(shí)才需要更換。不僅如此，利用紅、綠、藍(RGB) LED精調顏色的能力，也為品質(zhì)和創(chuàng )意提供了新機會(huì )。LED最終的用武之地將不僅限于空間照明，將更適合新風(fēng)格和裝置。

 

 

LED將如何發(fā)揮其巨大潛能？毫無(wú)疑問(wèn)，第一道障礙是價(jià)格。LED目前的成本遠遠高于現有照明方案。節能往往不足以說(shuō)服價(jià)格敏感的企業(yè)和消費者購買(mǎi)較貴的產(chǎn)品。隨著(zhù)時(shí)間推移，大規模生產(chǎn)可能會(huì )降低價(jià)格，但成本是否能夠降得足夠低，降價(jià)速度是否滿(mǎn)足用戶(hù)的預期？這些都是不確定因素，有待商榷。當然，這些問(wèn)題也超出了本文的討論范圍。假如我們隨便找兩家五金店，嘗試尋找相同的LED燈，這或許非常困難。許多零售商不會(huì )僅僅為了吸引稀稀拉拉的消費者而備有足夠品種或數量的庫存，為什么？這涉及到價(jià)格和庫存周轉率。那么這種情況對我們這些工程師、創(chuàng )新者而言，意味著(zhù)什么？我們如何使LED照明發(fā)揮潛能？如何贏(yíng)得這場(chǎng)馬拉松比賽的勝利？

 

如果我們賦予LED“頭腦”，使其智能化，為這些照明燈裝上眼睛、喉嚨、計數等功能。在照明領(lǐng)域設計出有價(jià)值的半導體材料，將優(yōu)化能源效率、延長(cháng)照明壽命，并降低維護成本。這將有助于LED跑完整個(gè)賽程，堅持到最后，憑借智慧贏(yíng)得比賽。

 

 

環(huán)境光檢測、通信和電能測量是智能化照明系統的關(guān)鍵元素。通過(guò)環(huán)境光檢測，可以在其它光源已提供充足照明時(shí)調暗照明燈；此外，通過(guò)檢測環(huán)境光的顏色，能夠調節高級RGB LED照明系統的顏色。通信功能則允許遠程控制并將小型、大型照明裝置連接成中央網(wǎng)絡(luò )。電能測量準確計算消耗的功率，為預測性維護提供系統洞察力。所有這些特性——環(huán)境光檢測、通信、電能測量——將進(jìn)一步節省能源，降低運營(yíng)成本。本文探討為L(cháng)ED照明系統增加環(huán)境光檢測、通信(包括無(wú)線(xiàn)和電力線(xiàn))以及電能測量功能的關(guān)鍵設計考慮。提供了參考設計示例。

 

環(huán)境光傳感器(ALS)檢測傳感器附近的光量。這些簡(jiǎn)單器件成為L(cháng)ED照明系統的“眼睛”，也是節約能耗的關(guān)鍵。當房間已經(jīng)有充足的光源時(shí)，照明完全沒(méi)必要，可將照明燈調暗或完全關(guān)閉，降低功耗、延長(cháng)照明燈壽命。ALS的關(guān)鍵特性包括功耗、流明監測范圍，以及IR和UV濾光。這些傳感器必須安靜地呆在系統中，不能消耗過(guò)大電能，從而破壞節約系統能耗的初衷。好的ALS耗流達到1μA以下。流明檢測范圍必須達到室外環(huán)境的典型流明范圍。0.1lx至100,000lx一般可滿(mǎn)足大多數應用要求?？紤]到系統可靠性，可能有必要采用略大的范圍。IR和UV濾光可消除實(shí)際系統中不可見(jiàn)光的光譜。

 

 

圖13所示光源中的ALS設計。傳感器必須避開(kāi)照明燈本身的光線(xiàn)，避免對環(huán)境光測量的影響。該設計中，ALS位于獨立的電路板上，處于照明燈支架的陰影下。這種簡(jiǎn)單的設計使ALS能夠在檢測到環(huán)境光超過(guò)預設值時(shí)關(guān)閉照明燈。RGB傳感器甚至能夠為照明應用增加更多“功能”。類(lèi)似于圖中所示帶有RGB LED和ALS的LED照明系統，能夠動(dòng)態(tài)調節其顏色輸出，以滿(mǎn)足特殊的應用需求，例如舞臺情景照明或百貨公司的展示效果。

 

圖1. ALS安裝在獨立的PCB，處于照明燈支架的陰影下，防止傳感器讀取照明燈本身的光強。

 

 

下面，我們討論LED的智能通信。耳朵和喉嚨是接下來(lái)實(shí)現LED照明智能化的最重要功能。通過(guò)將照明燈簡(jiǎn)單組網(wǎng)，即可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制燈的開(kāi)、關(guān)，或者調光，這種操作將降低能耗。通信也為斷電、維護和應急提供快速反饋，該信息將節省總體系統維護成本。無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)通信能夠在不同環(huán)境下很好地工作，取決于網(wǎng)絡(luò )規模和拓撲。無(wú)線(xiàn)比較適合于小型室內以及大型室外應用，后者需要具有連續視線(xiàn)、可用的頻帶以及裕量足夠的傳輸功率。電力線(xiàn)通信(PLC)利用現有電力線(xiàn)實(shí)現通信。PLC非常適合于大型市政類(lèi)照明裝置、隧道、室內停車(chē)場(chǎng)等由于物理位置或建筑墻壁的原因而無(wú)法使用自然光的環(huán)境。所有通信引用中，可靠性是關(guān)鍵所在。如果通信發(fā)生故障，系統就毫無(wú)益處。

 

無(wú)線(xiàn)應用中，信號傳輸方式可能是Wi-Fi®、ZigBee®或其它往往屬于，但不僅限于工業(yè)、科學(xué)和醫療(ISM)射頻的標準協(xié)議。限制功耗提供了網(wǎng)絡(luò )靈活性，如果端點(diǎn)使用電池時(shí)則至關(guān)重要。圖2所示是一種獨特的應用，其中照明燈開(kāi)關(guān)上配備有能量收集射頻(RF)收發(fā)器。系統收集用于撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的能量，產(chǎn)生可使用的直流電壓，支持照明燈具的無(wú)線(xiàn)電通信(< 1GHz RF)。只要信號能夠覆蓋光源，該開(kāi)關(guān)可置于房間內的任何地方。無(wú)需連接照明開(kāi)關(guān)，室內設計更靈活，照明控制更可靠。

 

圖2. 樓宇自動(dòng)化應用，其中的照明開(kāi)關(guān)具有一個(gè)無(wú)需接線(xiàn)的能量收集射頻收發(fā)器，用以控制LED照明。

 

PLC照明控制方法利用現有的供電線(xiàn)路，不失為高性?xún)r(jià)選擇。由于通過(guò)維護很好的現有供電線(xiàn)路實(shí)現通信，PLC避免了許多麻煩，例如共用通信頻率、惡劣天氣時(shí)的性能以及網(wǎng)絡(luò )維護。范圍、速度和可靠性是設計PLC的關(guān)鍵。 電力線(xiàn)的噪聲極大，影響系統通信的可靠性。™通信是一種基于OFDM的新型PLC標準，可實(shí)現電力線(xiàn)的可靠通信。該標準支持高達300kbps的速度、網(wǎng)狀組網(wǎng)以及高噪聲環(huán)境下的可靠模式非常適合LED控制網(wǎng)絡(luò )?；贠FDM、PLC控制的照明網(wǎng)絡(luò )類(lèi)似于現有的G3-PLC。 圖3所示為Nyx Hemera Technologies公司用于隧道照明的PLC裝置4，該系統已經(jīng)節約了25%的電能，維護成本降低30%。該大型設施系統支持最多1022盞照明燈，通信距離長(cháng)達3km。

 

圖3. 采用PLC的市政路燈網(wǎng)絡(luò )示例4。

 

 

智能LED燈還需要具備電量計算能力。從智能電表到電壓控制器再到電動(dòng)汽車(chē)充電器，每個(gè)智能電網(wǎng)裝置都具有電能測量功能，實(shí)時(shí)為電力公司和用戶(hù)提供準確的用電信息。發(fā)回耗電量的大多數照明裝置提供關(guān)于建筑及市政照明環(huán)境的詳細信息，可確保電力公司的收費與耗電嚴格一致。通過(guò)調光或在不使用時(shí)關(guān)閉照明燈，及時(shí)、準確地響應用戶(hù)需求。此外，特定照明燈的耗電波動(dòng)說(shuō)明需要進(jìn)行系統維修、維護或更換。毫無(wú)疑問(wèn)，許多照明燈處于難以觸及的區域，優(yōu)化維護可節省費用。為生成智能電網(wǎng)中的有用數據，電能測量設計必須在較寬的電流范圍保持高精度測量。不僅如此，限制或消除校準時(shí)間也會(huì )降低總體系統成本。圖4所示為一種靈活的LED照明參考設計，具有電能測量功能5。電能測量芯片也提供系統調光和DALI接口。

 

目前許多城市安裝了非智能LED照明燈，這為改善LED照明設施性能的集成模塊提供了巨大的商機。為實(shí)現可升級，這些系統需要連接到智能照明系統。如果LED的成本和容量一定，簡(jiǎn)單更換相對較新和效率較高的LED，性?xún)r(jià)比較低。簡(jiǎn)單接口，例如DALI，允許將來(lái)增加ALS、通信和電能測量功能。

 

圖4. 完整的智能LED照明參考設計，具有電能測量、環(huán)境光檢測和通信功能。

 

 

這對我們意味著(zhù)什么？消費者從觀(guān)念上對LED照明的認可和轉換是一個(gè)長(cháng)期過(guò)程。顯而易見(jiàn)，LED照明具有改變照明方式以及節省巨大電能的潛力。增加“智能”照明的關(guān)鍵元素——ALS、通信和電能測量——將使LED更加強大，更具吸引力。智能化LED提供的測量數據能夠進(jìn)一步降低照明系統的能耗，降低運營(yíng)和維護成本。增加智能化設計，LED將充分發(fā)揮潛力，在已經(jīng)如火如荼的競賽中擊敗傳統照明。

 

參考文獻

 

1.Navigant Consulting, "2010 U.S. Lighting Market Characterization," January 2012, page xii, (http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/2010-lmc-final-jan-2012.pdf).

 

2.Navigant Consulting, "Energy Savings Potential of Solid-State Lighting in General Illumination Applications 2010 to 2030," February 2010, page 36, (http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_energy-savings-report_10-30.pdf).

 

3.Kannisto, Marko, and Simpson, Dan, "Intelligent Lighting Controller Measures Ambient Light and Knows the Time," Smart Energy DesignLine, March 2012.

 

4.Application note 5347, "Powerline Communications Automating Street Lighting."

 

5.Unterkofler, Klaus, 2011 Light Fair International demonstration, Maxim Integrated.

 

本文轉載自Maxim。