Проводные и беспроводные интерфейсы для регулировки яркости светильников


PDF версия

В статье обсуждаются преимущества и недостатки разных видов проводных и беспроводных интерфейсов для регулировки яркости светильников, в том числе аналоговое (0...10 В) и цифровое (DALI и DMX512) управление, а также сети Zigbee. Статья представляет собой перевод [1].

Системы твердотельного освещения на базе светодиодов обеспечивают ряд существенных преимуществ — от более высокой энергоэффективности до возможности реализации сложных алгоритмов управления, что позволяет точно распределить свет по пространству и времени. Однако разработчики осветительных систем столкнулись с двумя проблемами: как спроектировать оптимальную систему регулировки освещения и как передавать необходимую информацию в светильник. В июньскои номере LEDs Magazine были описаны базовые технологии регулировки яркости (диммирования) и методы управления, использующие существующую проводку сети переменного тока (www.ledsmagazine.com/features/8/6/9). В данной статье рассмотрим другие методы реализации регулировки яркости с помощью специализированных аналоговых, цифровых и беспроводных интерфейсов, а также технологии диммирования, совместимые с каждым из этих интерфейсов.
Как было указано в предыдущем выпуске LEDs Magazine, имеются две базовые технологии уменьшения светового выхода светодиодов: аналоговая регулировка яркости и ШИМ-регулировка. Какой бы метод регулировки не использовался, в любом случае нужен сигнал, который передает информацию о диммировании в светильник.
Этот сигнал можно передавать по проводам сети переменного тока, через аналоговый или цифровой вход, а также по беспроводному интерфейсу (в таб­лице 1 приведены различные методы реализации интерфейсов регулировки яркости светильников). Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки; и разные интерфейсы используются в различных приложениях. Как правило, форматы сигналов диммирования являются общими для всех технологий освещения, и не используются только для светодиодного освещения. В большинстве случаев, светодиодные светильники предназначены для установки в существующие системы освещения и должны иметь возможность взаимодействовать с существующими управляющими системами.

 

Таблица 1. Преимущества и недостатки различных интерфейсов регулировки яркости светильников

Интерфейс регулировки яркости

Преимущества

Недостатки

Проводка сети переменного тока (с отсечкой фазы)

Не требуются кабели управления

Можно использовать существующие диммеры с отсечкой фазы

Нельзя плавно снижать яркость до нулевого уровня

Некоторые диммеры требуют минимальной нагрузки

Возможно мерцание

Трудно обеспечить широкий диапазон переменного напряжения

Проводка сети переменного тока (регулировка напряжением)

Не требуются кабели управления

Подходят только для специализированных приложений

Аналоговый (0…10 В)

Можно использовать существующую систему аналогового управления 0…10 В

Можно плавно снижать яркость до нуля

Простая реализация в драйвере

Дополнительные затраты на провода управления

Требуется контроллер

Цифровой (DALI)

Стандартный интерфейс для управления множеством светильников

Можно осуществлять мониторинг светильников

Дополнительные затраты на кабели управления

Требуется контроллер

Цифровой (DMX)

Стандартный интерфейс для систем освещения театральных сцен

Можно реализовать сложные алгоритмы управления — панорамирование, вертикальное перемещение, зуммирование, цветовые и зеркальные эффекты

Дополнительные затраты на кабели управления

Требуется контроллер

Нет возможности мониторинга

Беспроводной (Zigbee)

Не требуются кабели управления

Можно реализовать сложные алгоритмы управления

Более сложная конструкция драйвера и контроллера

Беспроводные сигналы имеют ограниченную дальность

 

Аналоговый интерфейс (0…10 В)

Аналоговая регулировка яркости, которую часто называют аналоговый интерфейс 0…10 В, определена в стандарте IEC 60929 (Приложение E) и использует специальный провод управления, который передает сигнал диммирования 0…10 В. Устройство управления яркостью — специальный настенный диммер 0…10 В или схема в составе системы управления — работает как источник тока, что позволяет управлять несколькими светильниками или балластами, вклю­­ченными параллельно. Когда на входе диммирования напряжение составляет 10 В, обеспечивается максимальная яркость светодиода, которая линейно снижается до нуля при уменьшении напряжения до 0 В, как показано на рисунке 1. Если вход диммирования в светильнике не используется, то напряжение на нем можно привязать к уровню 10 В с помощью внутренних цепей.

 

Рис. 1. При аналоговом диммировании 0…10 В напряжение на входе 10 В соответствует максимальной яркости, а 0 В — отключению света или минимально возможному уровню яркости светодиода

При использовании технологии 0…10 В для регулировки яркости светодиодов можно применять либо линейное управление током на выходе, либо ШИМ-управление. На рисунке 2 показана блок-схема источника питания и драйвер с линейной регулировкой яркости на выходе. Заметим, что сигнал 0…10 В управляет током драйвера светодиода, а не выходным напряжением источника питания, которое остается постоянным (в данном примере, на уровне 24 В).

 

Рис. 2. Аналоговое управление легко реализовать с помощью технологии линейной регулировки яркости, которая обеспечивает непрерывный постоянный ток на заданном уровне

На рисунке 3 показана блок-схема источника питания с аналоговым управлением, в котором используется ШИМ-регулировка яркости. В данном случае сигнал 0…10 В поступает на вход ШИМ-контроллера в источнике питания, который обеспечивает на выходе сигнал с переменной шириной импульса и постоянным напряжением через MOSFET-ключ. Драйвер (на рисунке 3 не показан) преобразует импульсы в постоянный ток и управляет светодиодами. Частота ШИМ, равная 200 Гц, позволяет избежать какое либо заметное мерцание света.

 

Рис. 3. ШИМ-регулировка яркости применима для аналогового управления по технологии 0…10 В, но требует использования ШИМ-контроллера для управления выходным MOSFET-ключом источника питания, который, в свою очередь, управляет драйвером постоянного тока светодиода

 

Цифровое управление DALI

Цифровой интерфейс управления освещением DALI (Digital Addressable Lighting Interface) также определен стандартом IEC 60929 (Приложение E). Основным назначением интерфейса DALI является управление множеством светильников в коммерческих приложениях, например, в конференц-залах, офисах и общественных зданиях. Один интерфейс DALI может управлять до 64-мя устройствами. Все устройства сети DALI управляются электронными приборами контроля (ECD), которые могут также содержать интерфейс Ethernet, что позволяет администрировать сеть с персонального компьютера.
Интерфейс DALI обеспечивает сложные алгоритмы регулировки яркости на базе записанных в памяти данных для разных конфигураций уровней яркости, которые называют сценами. Протокол DALI позволяет управлять яркостью и скоростью диммирования каждого светильника, обеспечивать координацию работы всех светильников в сети и гарантировать их одновременное срабатывание по управляющему сигналу. Интерфейс DALI также позволяет контроллеру по запросу получать данные о состоянии каждого устройства, в том числе информацию о яркости светильника, состоянии питания, отказах и др.
Для систем светодиодного освещения в сети DALI регулировка яркости может быть реализована с помощью обычного ШИМ-управления током светодиодов. Тот же самый микроконтроллер, который обеспечивает функционирование интерфейса DALI, может также формировать ШИМ-сигнал для драйвера светодиода.

Интерфейс DMX512

Интерфейс DMX512 (digital multiplex) определен в стандарте ANSI E1.11-2004. Он используется, главным образом, для управления освещением театральных сцен и может поддерживать, кроме собственно регулировки яркости, множество других функций, в том числе панорамирование, вертикальное перемещение, зуммирование, а также цветовые и зеркальные эффекты. К одной линии DMX512 можно подключить максимально 32 устройства. Поток данных DMX является однонаправленным и не предусматривает передачу данных о состоянии устройств.
Регулировка яркости обычно реализуется одним из двух способов. Первый метод использует специальное DMX-устройство диммирования (называемое блоком диммера), в котором предусмотрено несколько выходов переменного тока, к которым подключаются светильники. Каждый из этих выходов имеет встроенный диммер с отсечкой фазы, управляемый DMX-сигналами. Второй метод использует многоканальный преобразователь из формата DMX в аналоговый сигнал, который обеспечивает аналоговые выходы 0…10 В для каждого канала, а не выходы переменного тока. Эти аналоговые выходы используются для управления системами освещения, в которых предусмотрены входы диммирования 0…10 В.
Управление светодиодным освещением через интерфейс DMX может использовать оба метода регулировки яркости, но метод аналогового диммирования 0…10 В проще и обеспечивает более полное управление.

Беспроводные сети Zigbee

Zigbee — это беспроводная ячеистая сеть на базе стандарта IEEE 802.15.4-2003. Она предназначена для таких приложений, как системы автоматики зданий, интеллектуальные счетчики расхода энергии и системы управления освещением. Одним из преимуществ использования Zigbee для управления освещением является то, что в них не требуется никаких дополнительных кабелей, кроме проводов питания переменного тока. Такие сети могут быть особенно привлекательными для применения в системах светодиодного уличного освещения для замены существующих источников света. Сеть Zigbee может поддерживать регулировку яркости в непиковый период, многоуровневое диммирование, совмещенное с датчиками движения, и другие интеллектуальные функции управления освещением. Сеть Zigbee также способна поддерживать мониторинг состояния светильников, что позволяет обеспечить получение сообщений о повреждении прибора или отказе устройства, рабочей температуре светильника, энергопотреблении, уровне яркости и других рабочих параметрах системы.

Литература
1. David Cooper. Wired and wireless interfaces convey dimming settings to luminaires // LEDs Magazine, July/August 2011.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *