为LED照明增添智能

您的 LED 照明系统有多智能？虽然LED照明有望降低能耗和维护成本，但智能LED照明设计在这两个方面都提高了系统性能，实现了更高的每瓦性能并长期降低成本。能量测量、环境光传感和通信是智能 LED 照明设计的基石。能量测量提供系统运行状况和消耗信息。环境光检测可缩短 LED 的导通时间，从而节省能源并延长二极管的使用寿命。通信将每个灯具连接在一起，以识别维护和系统级协调。将探讨组件对整体系统性能的贡献。

介绍

想象一下，在一个非常炎热、尘土飞扬的日子里，一场马拉松比赛，节省每一盎司的能量对结果都很重要。这场比赛还没有结束一半，但获胜者似乎很确定。领先优势看起来不可逾越，因为这个跑步者可以用更少的能量做更多的事情。这个跑步者更闪耀。面对高温和竞争，这位跑步者保持冷静。目前为止，一切都好。然而，这位竞争对手会在比赛的下半场设定速度并保持领先吗？在一个运动员都聪明地训练和竞争的世界里，天赋和潜力只能到此为止。巨大而浪费的潜力在通往成功的道路上散落一地。现任领导人是否会深入挖掘，进行一场聪明的比赛，对元素做出反应，不辜负期望？时间和智慧会证明一切。

现在你问我，“马拉松和LED有什么关系？你真的知道你在说什么吗？我认为如此。就像一个强壮的跑步者带领马拉松一样，LED在世界范围内有望产生更节能的照明。与白炽灯和荧光灯相比，LED是一项重大的技术进步，它使用更少的能量，持续时间更长，并且可以更好地控制颜色和光的方向。

2010年，照明消耗了大约19%的美国电力。到 2030 年，照明每年可消耗整整 767 太瓦时 （TWh）。2对于我们梦幻般的马拉松比赛中的领跑者来说，这是一个多么好的机会！到25年，用于照明的LED可以将电力消耗减少2030%。2此外，LED可以减轻照明产生的固体废物的数量和类型，因为它们的使用寿命比其他照明解决方案长五倍，并且不含有毒物质。最终更换LED不一定是因为灯故障，而只是建筑风格的结果。此外，使用红色、绿色和蓝色 （RGB） LED 微调颜色的能力为性能和创造力增加了新的选择。最终，LED的功能将远远超出照亮空间的范围。它们的外观和适应新样式和固定装置会更好。

LED 智能 — 赢得比赛的关键

LED将如何发挥其巨大潜力？毫无疑问，第一个障碍是价格。LED目前的成本比现有的照明解决方案高出一个数量级。节约能源通常不足以说服注重价格的企业和消费者进行更昂贵的购买。随着时间的推移，制造成本的节省和批量生产可能会降低价格，但成本是否会下降到足以赢得用户的速度？这些趋势是不确定的，完全值得商榷。诚然，它们超出了本文的范围。还要考虑可用性，这会影响价格。去任何两家五金店，试着找到同样的LED灯。这很难。许多零售商没有库存足够种类或数量的LED灯来吸引休闲消费者。为什么？这又回到了价格和高效的库存周转。那么，作为工程师、创新者和创造性思想家，这会给我们带来什么呢？我们如何使LED照明发挥其潜力？赢得马拉松？

让我们给LED灯智能，让它们变得智能。让我们给这些灯光眼睛，声音和计数能力。将高价值半导体设计到照明应用中将优化能源效率，最大限度地延长灯泡寿命，并降低维护成本。然后 LED 将运行剩余的比赛，坚硬而强壮，他们将通过智能运行赢得比赛。

LED智能的基本要素

环境光传感、通信和能量测量构成了智能照明系统的关键组件。环境光感应允许当其他光源已经充分照亮空间时，灯光会变暗。此外，检测环境光颜色的传感器允许对先进的RGB LED照明系统进行颜色调整。通信允许对小型和大型照明装置进行远程控制和集中联网。电能测量提供对消耗功率的准确核算和系统洞察，以进行预测性维护。所有这些功能（环境光传感、通信和能量测量）都转化为节能和更低的运营成本。在本应用笔记中，我将探讨在LED照明系统中增加环境光检测、通信（无线和电力线）和电能测量的关键设计考虑因素。提供了参考设计示例。

环境光传感器 （ALS） 检测传感器附近的光量。这些简单的设备成为LED照明系统的“眼睛”，也是节气门。当房间内已经有光时，照明是完全不必要的。灯可以调暗或完全关闭，从而降低功耗并延长灯的使用寿命。对 ALS 至关重要的功能包括电流消耗、照度范围以及红外和紫外线阻隔。这些传感器必须安静地存在于系统中;他们不能拉动多余的能量，这违背了他们保存系统能量的目的。出色的 ALS 可在小于 1μA 的电流下工作。对于给定的户外应用，勒克斯范围必须超过典型的勒克斯范围。从 0.1lx 到 100，000lx 的范围通常涵盖大多数应用。为了系统稳健性，可能需要稍高的频带。红外和紫外线阻隔功能可去除实际系统读数中不可见光谱中任何不需要的光。

光感应

图13显示了 ALS 在灯具中的位置。传感器必须位于灯本身的光线之外，以防止人造光影响环境测量。在这种设计中，ALS驻留在单独的板上，并从支撑灯的光束接收阴影。这种简单的设计使ALS能够在晨光超过预编程值时关闭灯。RGB传感器可以为照明应用添加更多“特色”。如图所示，配备RGB LED和ALS的LED系统可以根据特定应用的要求动态调整其颜色输出，例如露台上的情绪照明或百货商店的显示器照明。

图1.ALS 安装在单独的 PCB 上，并放置在灯具支撑梁的阴影下方。这可以防止传感器从灯本身读取光。

通信

现在让我们谈谈LED中的智能通信。耳朵和声音是使LED灯智能化的下一个最关键功能。通过简单地联网灯，您可以通过网络打开和关闭它们，或调暗它们。仅此操作即可降低能耗。通信还提供有关中断、必要维护和紧急情况的快速反馈。此信息将节省整体系统维护成本。无线和有线通信方法在各种情况下都能有效工作，具体取决于网络大小和地理位置。无线在小型室内和大型室外应用中效果良好，具有连续的视线、可用的频段和足够的传输功率裕量。电力线通信 （PLC） 使用现有电源线提供通信。PLC在大型市政风格的照明装置，隧道和室内停车场中非常有效，由于地理或建筑物墙壁而无法视线。在所有通信应用中，可靠性和鲁棒性都至关重要。如果通信失败，系统将不提供任何好处。

在无线应用中，信号可能通过 Wi-Fi、ZigBee 或其他标准和专有协议运行，通常包括但不限于工业、科学和医疗 （ISM） 无线电频段。限制功耗可提供网络灵活性，如果端点使用电池，则这一点至关重要。图2显示了一个独特的应用，其中灯开关配备了能量收集RF收发器。系统收集用于轻弹开关的能量，产生可用的直流电压，通过< 1GHz RF为灯具的无线电通信供电。该开关可以放置在房间的任何位置，前提是信号到达灯具。无需连接电灯开关，房间设计变得更加灵活，照明控制更加动态。®®

图2.一种楼宇自动化应用，其中电灯开关包含一个控制 LED 照明的未接线能量收集射频收发器。

照明的PLC控制使用已经供电的现有线路，因此使这种方法成为具有成本效益的选择。PLC消除了诸如共享通信频率，恶劣天气性能和网络维护等问题，因为通信发生在已经提供电力的维护线路上。范围、速度和鲁棒性是 PLC 的关键设计考虑因素。 电力线携带大量噪声，影响系统稳健性。G3-可编程控制器™通信是一种基于 OFDM 的新型 PLC 标准，可通过电力线提供出色的通信。该标准允许高达 300kbps 的速度、网状网络功能和适用于高噪声情况的鲁棒模式。类似于G3-PLC的基于OFDM的PLC控制的照明网络已经存在。图3显示了Nyx Hemera Technologies隧道照明网络的PLC安装。4该系统已经节省了 25% 的能源和 30% 的维护。这个大型装置在单个系统上支持多达 1022 盏灯，通信距离可达 3 公里。

图3.使用 PLC 的市政路灯网络示例。4

能量测量

最后，智能LED灯需要能够计算瓦特数。从智能电表到电压控制器再到电动汽车充电器，每个智能电网安装都具有能量测量功能，可为公用事业和客户提供实时准确的电力使用情况。报告其消耗量的主要照明装置提供了有关建筑物和市政照明情况的更精细粒度。通过这种方式，他们可以确保公用事业公司只对使用的确切能源量收费。通过在不使用时调暗或关闭这些灯，它们可以响应用户需求。此外，特定灯的能耗变化可能表明需要系统维修、维护或更换。毫无疑问，由于许多照明装置位于难以进入的区域，优化维护将节省资金。为了在智能电网中产生可用数据，电能测量设计必须在宽电流范围内提供高水平的精度。此外，限制或消除校准时间可降低整体系统成本。图 4 显示了具有能量测量功能的灵活 LED 照明参考设计。5能量测量芯片还提供系统调光和DALI接口。

许多市政当局目前正在安装没有智能功能的LED照明。这将为改造模块带来巨大的未来机会，以提高LED灯的性能。为了可升级，这些系统需要允许链接到智能照明系统的接口。考虑到LED的成本和体积，仅仅更换相对较新和高效的LED将不具有成本效益。简单的接口，如DALI，将允许未来添加ALS，通信和能量测量。

图4.完整的智能 LED 照明参考设计，具有能量测量、环境光传感和通信功能。

饰面是最有希望的

这会给我们带来什么？行业和消费者向LED过渡的竞赛将是一场漫长的竞赛。很明显，LED照明具有改变照明和节省大量能源的潜力。添加“智能”照明的关键元素 - ALS，通信和能量测量 - 将使LED更加有用和吸引人。智能LED提供的测量数据将进一步降低照明系统的能耗。它将降低运营和维护成本。借助智能，LED可以充分发挥其潜力，并在每天都在进行的比赛中击败传统的照明形式。

审核编辑：郭婷